報告書番号

GD24008

タイトル（和文）

CO2分離回収用吸着材の技術調査とヒートポンプ利用による省エネ性の検討

タイトル（英文）

Technical investigation of adsorbents for CO2 separation and recovery, and energy-saving potential by using heat pump

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

背 景
二酸化炭素（CO2）を分離回収し、貯留を行うためのCCS（Carbon Capture and Storage)技術は、地球温暖化対策の重要技術と位置付けられている。CO2 の分離回収方法として、吸収法、吸着法、膜分離法などがある。吸収法は、技術成熟度が高いものの、再生に大きなエネルギーを必要とすることや、溶液の腐食性、劣化などの課題がある。膜分離法は、理論的に省エネであるものの、高CO2 選択率と高生産性を兼ね備えた分離膜の開発がまだ途上であり、難易度の高い技術といわれている。そこで、吸収法より省エネ、膜分離法より技術成熟度が高い吸着法が世界的に注目されているため、検討が必要である。
目 的
吸着法に使用される吸着材についてレビューする。排ガスのCO2 分圧に適した吸着材の選択方法や、省エネ性の高い吸着材に求められる特性について考察する。また、ヒートポンプ利用による省エネ性を明らかにする。
主な成果
1. 吸着材のレビューと考察
ゼオライト、炭素系吸着材、活性アルミナ、アミン系固体吸着材、多孔質有機ポリマーと金属有機構造体（MOF）の6 つのカテゴリー、合計50 種類以上のCO2 吸着材をレビューし、吸着量と吸着等温線を中心に調査結果を整理した。CO2 分圧と吸着量の関係より、吸着材を低圧型、高圧型とゲート型に分類した（図1）。CO2 分圧が低い排ガスからのCO2 回収に適した低圧型ゼオライト13X のCO2 回収能力は0.7mol-CO2/kg-吸着材（図2）、再生熱量は2.32GJ/ton-CO2であり（図3）、経済産業省が掲げた2030年低圧排ガス（濃度数％以上、常圧程度）CO2 分離所要エネルギーの目標値1.5GJ/ton-CO2[1]より大きい。上記目標を達成するためには、CO2 回収能力は2mol-CO2/kg-吸着材を上回る必要がある。
2. ヒートポンプ利用による省エネ性の分析
CO2 排出源と想定されている火力発電所や工場などの敷地内に低温排熱が利用できる場合、図4 に示すように、排熱を回収してヒートポンプ（HP）で所要再生温度まで昇温することによって、再生熱量（2.32GJ/ton-CO2）を少ない電力消費量（0.67GJ/ton-CO2）で賄うことができる。表1 の計算条件におけるHP 電力消費量を、一次エネルギー換算した結果を図5 に示す。HP の一次エネルギー消費量は、排熱温度が高くなるほど、また、CO2 分圧が高くなるほど減少する。CO2 分圧10kPa 程度の排ガスにおいて、一次エネルギー消費量を1.5GJ/ton-CO2 以下に抑えるためには排熱温度を70℃以上にする必要がある。
[1] 経済産業省. カーボンリサイクル技術ロードマップ. 2024（2024年11月27日閲覧）[2] 上代洋. 日本製鉄技報. 2021, Vol. 417, pp. 38-44. [3] H. Jedli, M. Almonnef, R. Rabhi, et al. ACS Omega 2024, 9, pp. 2080−2087. [4] Y. Takakura, S. Sugimoto, J. Fujiki, et al. ACS Sustainable Chem. Eng. 2022, 10, pp. 14935−14947. [5] 甲斐田武延. 電力中央研究所 研究報告 GD23010. 2024 .

概要 （英文）

CCS(Carbon Capture and Storage) is a technology designed to separate and recover CO2 from emission sources and store it in long-term. Recently, it has gained increasing attention as a promising method of reducing CO2 emissions, which is critical for addressing global warming. Various approaches exist for CO2 separation, including absorption, adsorption and membrane methods. In this paper, we focus on the adsorption method. More than 50 types of adsorbents have been investigated, with their adsorption capacities and isotherms. Based on the relationship between the partial pressure of CO2 in exhaust gas and the adsorption capacity of adsorbents, they can be categorized as low-pressure, high-pressure, or gate-type materials.
Zeolite13X, a low-pressure-type adsorbent suitable for low-pressure exhaust gas, has a CO2 adsorption capacity of 0.7mol-CO2/kg-adsorbent and a regeneration heat requirement of 2.32GJ/ton-CO2. This value exceeds the 2030 energy consumption target for CO2 separation and recovery, set by the Ministry of Economy, Trade and Industry of Japan, which is 1.5GJ/ton-CO2. Achieving this target will require the development of adsorbents with a CO2 adsorption capacity of 2mol-CO2/kg-adsorbent or higher. If low-temperature exhaust heat is available, it can be recovered and upgraded to the required regeneration temperature using a heat pump, allowing the adsorbent to be regenerated with lower electricity consumption approximately 0.67GJ/ton-CO2 compared to the required regeneration heat of 2.32GJ/ton-CO2. Furthermore, an exhaust heat temperature of 70degree or higher is necessary to achieve the primary energy consumption of 1.5GJ/ton-CO2.

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