日本のプロジェクトが石炭火力発電のカーボンニュートラルへの道を実証

広島県における大崎クールジェン株式会社の複雑な三段階実証プロジェクトは、二酸化炭素回収が可能な石炭技術と燃料電池を統合することにより、排出量がほぼゼロの高効率石炭火力発電の実現を目指しています。

1990年代初頭に気候変動に関する政府間パネル（IPCC）が地球温暖化に対する警鐘を強めたとき、J-POWERの幹部らは注目した。 J-POWER（電源開発株式会社）は、1952 年に日本の電源開発促進法に基づいて政府の出資により設立されて以来、日本最大の発電事業者の 1 つに成長しました。 しかし、同社は石炭火力発電のかなりのポートフォリオを蓄積していたが、そのほとんどは輸入石炭によって燃料化されていた。 また、石炭火力発電は（原子力とともに）日本の21世紀のエネルギーミックスにおいて引き続き重要な役割を果たすと予測しているが、環境問題への懸念の高まりと将来の石炭輸入の変動が日本の石炭資産に大きな障害となる可能性があると警戒していた。 同社は最終的に、今後数十年間にわたって石炭利用をコスト効率よく効率的に改善する方法を見つけることが最優先である必要があると結論付けました。

J-POWERが動き出した。 1995 年には、日本政府の新エネルギー産業技術総合開発機構 (NEDO) と協力して、ガス、液体、電気のエネルギー利用 (EAGLE) プロジェクトを開発する国家プロジェクトを開始しました。 このプロジェクトの主な目的は、発電や合成燃料、化学物質、水素の製造を含む複数の用途に使用できる日本製の酸素吹き噴流石炭ガス化装置を開発することでした。 しかし、EAGLE のコンセプトは、従来の統合ガス化複合サイクル (IGCC) 構成でガス化装置をガスおよび蒸気タービンと単に統合するだけではありませんでした。 同社は、IGCC システムに燃料電池を追加して、汚染排出量を削減しながら効率を 50% 以上高めることを構想しており、事実上、このシステムを世界初の専用ガス化燃料電池複合サイクル (IGFC) システムの 1 つにすることを計画しています。

電源開発と政府研究機関は、IGFCシステムの実現可能性調査を実施した後、2001年に北九州市の電源開発若松研究所に日量150トンのパイロットプラントを完成させた。 2002 年に開始したパイロットでは、ガス化システムのシェイクダウンを調査し、続いてプラント全体の性能テスト、次にさまざまな原料を用いたテスト、その後、二酸化炭素 (CO2) の分離と回収を調査しました。 試験運用が有望視されると、2009 年に J-POWER は中国電力と提携して新しい合弁会社である大崎クールジェン株式会社を設立しました。

当時の大崎クールジェン社の主な目的は、広島県大崎上島にある中国の2011年に廃止された250MW大崎発電所でのIGFCシステムの166MW実証試験でEAGLE技術をスケールアップすることであった。 中国電力によると、以来、このプロジェクトの実証範囲は拡大し、永続的な柔軟性と低炭素特性の把握など、現代の石炭火力発電が直面する新たな課題に対処するようになったという。 現在、大崎クールジェンプロジェクトの主な目的は、「究極の高効率石炭火力発電であるIGFCとCO2回収を組み合わせることにより、ゼロエミッション石炭火力発電を実現すること」であると中国電力は述べている。

大崎クールジェンプロジェクトは2012年に正式にスタートして以来、3つの重要なステップのうち2つを無事に終え、今年最終ステップが完了する予定だ。 日本の経済産業省（METI）から資金提供を受けたステップ1では、プロジェクトパートナーは2013年3月に166MWの酸素吹きIGCC実証プラントの建設を開始し、2017年3月に完成した。吹き込みIGCC技術は、J-POWER独自のガス化炉で高純度酸素を使用して石炭をガス化します。 合成ガスを燃焼させるガスタービン（1,300℃級）と、ガスタービンとガス化炉の排熱を利用する蒸気タービンを組み合わせたコンバインドサイクルにより発電します。

NEDOは声明で「第一段階として、酸素吹きIGCC技術を利用した石炭火力発電システムの基本性能、プラントの運用性、信頼性、経済性を検証した」と述べた。 「17万kW級石炭火力発電所としては世界最高水準の正味熱効率40.8％（高位発熱量基準（HHV））を達成し、正味熱効率達成の目処がついた」 1,500℃レベルのガスタービン（発電出力50万kW規模、石炭1日あたり2,000～3,000トンの生産能力）を使用する商用発電所では約46％（HHV）となる」と同庁は付け加えた。 「現在広く使われている超々臨界圧（USC）微粉炭火力と比較すると、この技術はCO2排出量を約15％削減できると考えています。」

大崎クールジェン株式会社エンジニアリング部長の三澤信宏氏によると、IGCC実証施設の構成は商用IGCC発電所と「ほぼ同一」であり、安全性を含めて同じ重要な機能と優先事項を果たしているという。 同氏は、同年10月に開催された日本・アジア二酸化炭素回収・利用・貯留（CCUS）フォーラム2021で、「ガス組成やプロセス値が従来の（微粉炭）プラントとは大きく異なるため、安全性は重要な要素である」と述べた。 。

しかし、非常に重要な点として、テスト結果では最大負荷変化率が 1 分あたり 16% であることが確認されました。これは「非常に高低の変化率であり、これは天然ガス複合サイクルガスの生成と同等です」とミサワ氏は述べました。 IGCC テストでは、正味出力 0 MW での安定した動作も確認されました。 「IGCCシステムでも天然ガスコンバインドサイクルシステムでも電力はコンバインドサイクルで発電されており、この結果は酸素吹きガス化が合成ガス製造の観点から高負荷変動性能を持っていることを証明しています」と三澤氏は説明した。 「これらの柔軟な機能を活用することで、IGCC商用プラントは再生可能エネルギーによって引き起こされるいくつかの電力変動に適応できるようになり、将来のカーボンニュートラルに向けて日本全国にさらに設置されることになるでしょう。」

2016 年から 2020 年にかけて行われたステップ 2 中に、大崎クールジェンは酸素吹き IGCC に CO2 分離回収ユニットを追加しました。 NEDOは「合成ガス中には高濃度の一酸化炭素（CO）が含まれるため、効率よく分離してCO2として回収することができ、CCUSに最適な生成技術となる」と説明した。

炭素回収施設は、炭素回収ユニットとサワーシフト触媒パイロットユニットで構成されます。 「CO2回収のための合成ガスの圧力は約3メガパスカルと高いため、高分圧のCO2ガスに適した物理吸収法（ダウ社のSelexol Max溶媒を使用）を選択しました」とミサワ氏は述べた。 大崎クールジェンは、2019年12月から燃料電池設備の設置のため休止していた2021年までCO2回収試験を実施した。 今年初めに再開された回収試験には、1日あたり約400トンのCO2の能力を持つ合成ガスの後流17％が含まれる。 テストでは、資本支出と運用支出のデータを使用して取得コストを評価します。 これまでのところ、90%以上のCO2回収率を実証するなど、二酸化炭素回収の実績は「目標を上回っている」と三沢氏は述べた。

1. ガス化複合発電 (IGCC) およびガス化燃料電池 (IGFC) システムと結合した大崎クールジェンの炭素回収フロー。 提供：大崎クールジェン

第 2 ステップでは、酸を除去した合成ガスがスイートシフト反応器に送られ、そこで CO が CO2 に変換されます (図 1)。 その後、CO2 は吸収装置に捕捉され、フラッシュドラム内で減圧して回収されます。 「高濃度の水素を含む合成ガスは、燃料としてガスタービンに戻されます」と三澤氏は述べた。 「この施設では、IGCCプラントから排出される総CO2量の15％を回収するために、総合成ガスの17％がCO2回収ユニットに送られる」と同氏は述べた。

また、サワーシフト触媒の長期耐久試験も実施した。 「この触媒は新しく開発され、標準的な触媒よりも低い温度で機能します。シフト反応器内の蒸気の量を大幅に減らすことができ、その結果、CO2回収プロセスでのエネルギー損失が回避されます。」と同氏は述べました。

大崎クールジェンは第3段階の一環として、1.2MWの固体酸化物形燃料電池（SOFC）の組み込みを完了し、2022年4月に実証試験を開始した。年末までシステムの試験を継続する予定だ。 ステップ 3 には、特に CO2 液化施設の建設も含まれます。

「ガス化装置の出口では、合成ガスは 50% の CO と 20% の水素で構成されています。シフト反応器の入口では、蒸気が注入され、反応器内で CO が CO2 と水素に変換されます。原子炉のガス組成は CO2 40%、水素 55% です」とミサワ氏は説明した。

「CO 2 吸収装置でCO2を回収するので、高純度のCO2が得られます。一方、残りのガスには約85％の水素が含まれています。この水素は第2工程でガスタービンの燃料として使用されましたが、ステップ2のテストでは、ステップ3のテストでは、水素が燃料電池に送られて電力が生成されます」と彼は述べた。

大崎クールジェンは、CO2の一部を液化装置に回収して、1日あたり約5トンの食品グレードの純度のCO2を生成する計画だと同氏は述べた。 その後トラックで近くの響灘グリーンファームの業務用トマトハウスに運ばれる。

一方、このプロジェクトにより、NEDOは近くの大崎上島町に炭素「リサイクル」研究開発センターを設立することになった。 同センターでは、環境に優しいコンクリート（中国電力が開発）、化学製品の選択合成技術、ガスから脂質へのバイオプロセス、微細藻類から作られるバイオジェット燃料の開発などを研究する。

—Sonal Patel は POWER 上級副編集者 (@sonalcpatel、@POWERmagazine) です。

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