地下石炭ガス化: 脱炭素化と水素源のオプション?

全体として、UCG には戦略的利点と、環境および地質学的に大きなリスクがあります。 インドは先に進む前にそれを検討する必要があるだろう

この記事はシリーズ「総合エネルギーモニター: インドと世界」の一部です。

インド初の石炭地下ガス化 (UCG) パイロット プロジェクトは、2010 年に ONGC (石油天然ガス公社) とグジャラート インダストリーズ パワー カンパニー リミテッド (GIPCL) の協力により、グジャラート州スーラトのヴァスタン鉱山鉱区で実施されました。 ONGCは、ロシアの国立鉱業研究センター・スコチンスキー鉱業研究所（NMRC-SIM）と協力して、UCG技術を確立するための研究開発パイロットプロジェクトとして、グジャラート州スーラト地区のナニ・ナロリにあるGIPCLに属するヴァスタン鉱山鉱区を取り上げました。 インドにおける UCG に関連するサービス、運営、開発、研究において ONGC と協力する協力協定 (AOC) が 2020 年 3 月まで延長されました。ONGC と Neyveli Lignite Corporation Limited (NLC) が共同で多くのサイトを特定しました。 UCG への適合性を研究するため。 これらは、グジャラート州のタドケシュワルと、ラジャスタン州のホドゥ・シンダリおよび東クルラです。 もう 1 つの遺跡が、グジャラート州バーヴナガル地区スルカにある ONGC と GMDC (グジャラート鉱物開発公社限定) によって共同で特定されました。 これらのサイトの UCG への適合性を評価するために、すべてのフィールドのデータが分析されています。 すべてのサイトが UCG の探索に適していることが判明しました。 UCG プロジェクトの進捗は遅いが、インドにおける石炭の脱炭素化の選択肢となる可能性はあるだろうか?

地下石炭ガス化 (UCG) は、石炭層の部分的な現場燃焼で、地表ガス化装置で発生するのと同じ化学反応を通じて使用可能なガスを生成します。 これは、蒸気と空気 (または酸素) を石炭層に注入し、その後点火してガス化を開始することによって実現されます。 通常、ガス化が進行するには1000℃を超える温度が必要です。 ガス化の生成物と副産物は、石炭の性質、温度、圧力、また空気と酸素のどちらを使用するかによって異なります。 製品ガス (合成ガスまたはシンガス) は主に一酸化炭素 (CO)、二酸化炭素 (CO2)、水素 (H2)、メタン (CH4) で構成され、程度は低いですが硫化水素 (H2S) およびいくつかの高分子量の熱分解生成物も含まれます。 。 用途に関係なく、合成ガスを使用できるようにするには、市販の技術を使用して微粒子、タール、H2S や硫化カルボニル (COS) などの硫黄化合物などの不純物を除去して浄化する必要があります。

電気

UCG からの高温合成ガスを使用して蒸気を生成し、蒸気タービンを駆動して発電することも、燃焼して蒸気を生成して電気タービンを駆動することもできます。 合成ガスは、CO を許容できる燃料電池に直接供給して、昇圧して送電網に供給できる低電圧電力を生成することもできます。

化学原料

合成ガスは、フィッシャー・トロプシュ法を使用してメタノール、水素、アンモニア、その他の化学製品を製造するための化学原料として使用できます (H2 と CO の比率が適切にバランスされた後)。 インドの中央鉱業燃料研究所（CIMFR）は、メタノールと液体石油ガス（LPG）がUCG事業から生成されるガスの潜在的な生成物であると特定しました。 CIMFR はパイロット UCG プロジェクトから 1 日あたり 5 リットルの合成ガスを生産し、メタノール精留装置で 1.5 トンの石炭をメタノールに変換します。

水素の製造

UCG にとってより強力な根拠は、石炭が将来の重要なほぼゼロ炭素エネルギー輸送体となる可能性がある水素の明白な供給源であるという事実にあります。 固体酸化物型燃料電池（SOFC）と組み合わせて直接電力を生成する水素発生装置としてのUCGは、インドの専門家によって研究されている。 SOFC との統合により、2 つの特有の利点が得られます。(1) 動作温度が高い SOFC からのアノード排気を、UCG の動作および SOFC 用の合成ガスの改質に必要な蒸気の生成に使用できます。(2) SOFC はまた、地下石炭からのカーボンニュートラル発電の効率的なシステムにおいて、空気からの酸素の選択的吸収剤としても機能します。 統合システムの熱力学解析により、従来の複合サイクル プラントよりも正味熱効率が大幅に向上していることがわかりました。

インドの石炭のごく一部のみが地下で採掘され、残りのほとんどはストリップマイニングによって採掘されます。 石炭は深さ 300 メートルを超える場所に大量に埋蔵されており、従来の採掘技術にはあまり適していません。 このため、紙上では埋蔵量が多いにもかかわらず、利用可能な石炭資源が制限されています。 インドの石炭は、自然のままの森林地帯の下にあり、深すぎたり、品位が低く、狭い溝ではガス化する可能性があり、石炭資源の利用可能性が大幅に増加したため、「採掘不可能」と考えられていました。 インドには褐炭が大量に埋蔵されていますが、エネルギー含有量が低いため、経済的に採掘するのが困難です。 2006 年の推定によると、中深度にあるインドの低品位石炭の約 66 パーセントが地下でガス化されて合成天然ガス、メタノール、ガソリン、ディーゼル、水素が生成され、肥料生産の原料としても使用される可能性があります。

インドの石炭には高い灰分が含まれており、ガス化装置やボイラーなどの地上設備で国内で採掘された石炭を利用する際に運用上の課題が生じています。 UCG には、高灰分石炭から発熱量を回収するという独自の可能性があります。 石炭は地表で輸送されないため、鉄道（またはトラック）による石炭輸送に伴うコストと地域汚染の影響も軽減されます。 また、石炭の備蓄に伴う汚染も軽減されるだろう。 UCG によって従来の石炭採掘が排除されるため、操業コストと地表の損傷が削減され、鉱山の崩壊や窒息などの事故がなくなるため鉱山の安全性が高まります。 UCG には地表ガス化システムが必要ないため、資本コストが低くなります。 さらに重要なことは、CO2 を分離して地下に再注入する UCG は、電力需要の増加を温室効果ガス (GHG) 排出量の増加から切り離すことができるということです。 ゼロカーボンエネルギーキャリアとしての水素への関心の高まりも、UCG オプションの再検討を正当化します。

気候変動に関する政府間パネル（IPCC）の報告書に記載されているように、炭素回収・利用・貯留（CCUS）は、地質学的隔離を通じて主にCO2を含む温室効果ガス（GHG）を削減するための重要な技術要素として浮上しています。 地中炭素貯留 (GCS) は CCUS に似ています。 反応器ゾーン内の UCG プロセスによって作られた空隙スペースに CO2 を貯蔵することには、多くの利点があります。 (1) UCG は、ウェル間にかなり大きな空洞 (直径 5 ～ 8 メートル (m) 程度) を作成します。 300 メートル間隔の井戸で 1 回燃焼すると、約 8000 トンの CO2 を貯蔵できる 6000 ～ 15000 立方メートルの空隙が生じます (2) 生産井と圧入井は、CO2 の供給と適切な栓抜きと廃棄に利用できます。 坑井が CCUS コストの 40 ～ 60 パーセントを占めるため、これにより CCUS コストが大幅に削減されます。 (3) CO2 に対する石炭の物理的反応により、隔離が強化される可能性があります。 酸素をガス化に使用する場合、水性ガスシフト反応器 (CO を蒸気と反応させて CO2 と H2 を生成する) を使用して、ほぼすべての CO を CO2 に変換します。CO2 は、利用可能な多くの技術によって容易に除去できます。 CO2 は、深い塩分帯水層、枯渇したガス田、活動中の油田、枯渇して採掘不可能な炭層に貯留できます。これらはすべて、UCG に選択された炭層の近くで頻繁に見られるため、UCG-CCUS パッケージは炭素管理にとって魅力的なオプションとなっています。 CO2 の存在下で石炭が膨張し、可塑剤が使用されると、亀裂や空隙がすぐに閉じられ、潜在的な CO2 漏れが固定され、減衰します。

UCG によって生じた空隙は、残りの石炭と周囲の岩石の両方に重大な変形を引き起こす可能性があります。 加熱、急冷、水の流束、屋根や壁の崩壊の可能性により、キャビティの完全性が著しく損なわれる可能性があります。 これらを予測するのは困難です。 一般に、空洞の側面は内側に移動し、床は上に、屋根は下に移動します（沈下）。 沈下の大きさと形態は、継ぎ目の深さ（厚さと表土）、有効な岩の剛性、降伏強度などの多くの要因の関数です。 多くの岩石は非線形の応力-ひずみ挙動を示すため、予測は不正確になる可能性があります。

UCG の運転は地表ガス化装置と同程度に制御することができず、キャビティ内の高温と圧力によりリスクが生じます。 UCG の石炭の一部には、環境リスクを許容できないレベルまで増大させる地質学的または水文学的特徴がある可能性があります。 フルスケール UCG のより大きな反応ゾーンは、燃焼ゾーンから離れるのではなく流入する流れを生み出す広範囲の地下水陥没ゾーンを作り出す可能性があります。 UCG は高温高圧のプロセスであるため、ガス化される石炭の種類に関係なく、燃焼キャビティからの有毒な有機化合物の生成と輸送が発生します。 UCG のより深い場所では、燃焼ゾーンを維持するためにより高い圧力と温度を使用する必要があり、地域の地下水への流出のリスクが増大します。 CCUS に UCG サイトを使用すると、有機物は通常 CO2 によく溶け、金属は酸性水性条件下で移動するため、多くの汚染物質の移動性が高まる可能性があります。 地下水が空洞から離れるのではなく、空洞に流入する方向を維持することにより、可溶性汚染物質の移動性を大幅に減らすことができます。

西側世界では UCG 発電所が稼働しておらず、中国とロシアで稼働している発電所のコスト見積もりを入手するのが難しいため、UCG ベースの発電所の経済性を容易に知ることはできません。 一般に、UCG ベースの発電所は、地表ガス化装置を除いた統合ガス化複合発電 (IGCC) 発電所に非常に似ています。 また、UCG ベースの合成ガス中のタールと灰の含有量は地上ガス化装置から得られるものよりも大幅に低いため、UCG プラントでははるかに小型のガス精製装置も必要とします。 これらの要因により、UCG ベースの発電所は、IGCC プラントや超臨界微粉炭 (SCPC) プラントよりも大きな経済的利点が得られます。 推定では、UCG 発電所のコストは SCPC および IGCC 発電所のコストの約半分であり、UCG 発電所を使用して生成される電気のコストは、IGCC または SCPC 発電所でのコストの約 4 分の 1 です。

UCG の経済には大きな不確実性があり、今後も続く可能性があります。 UCG は本質的に「非定常」状態のプロセスであり、生成ガスの流量と発熱量の両方が時間の経過とともに変化します。 稼働中のプラントはこの要素を考慮する必要があります。 水の流入速度、ガス化ゾーン内の反応物質の分布、キャビティの成長速度などの多くの重要なプロセス変数は、温度と生成ガスの品質と量の測定からのみ推定できます。 生成されるガスの量と質の変化は、プロジェクトの経済性に大きな影響を与えます。 一方、UCG プロジェクトの資本支出は、ガス化装置を購入する必要がないため、同等の地上ガス化装置よりも大幅に低く抑えることができます。 UCG では、石炭採掘、石炭輸送、灰管理にかかる営業経費も大幅に削減されます。 十分な環境監視および安全設備を備えたプロジェクトであっても、UCG プラントは経済的優位性を維持しています。

全体として、UCG には、エネルギー安全保障に貢献する国内資源の利用、代替クリーン技術に対するコスト競争力、インドの希少な土地資源に対する需要の低さなどの戦略的利点があります。 しかし、それには大きな環境的および地質学的リスクも伴います。 インドにとって正しい選択をするには、詳細なパイロット プロジェクトを通じて UCG のコストと利点を注意深く分析する必要があります。

上記の見解は著者に帰属します。