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水素社会を拓くエネルギー・キャリア(8)

エネルギー・キャリア各論:メチルシクロヘキサン(MCH)


国際環境経済研究所主席研究員、元内閣府戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)「エネルギーキャリア」サブ・プログラムディレクター


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 これまで何回かにわたって、「水素社会」に至るシナリオについてご紹介してきた。「水素社会」においては、CO2フリー水素エネルギーの供給チェーンが構築されていることが必要である。その供給チェーンにおいて大きな役割を担うことが期待されているエネルギー・キャリアとして、SIP「エネルギー・キャリア」では、メチルシクロヘキサン(MCH)、液体水素、アンモニアの3つを候補として取り上げ【表1】、それらの開発、利用のための研究開発から実用化に至るまでの取組みを支援している。

【表1】

 いずれのキャリアについても、その供給チェーンを構築していくためには、利用技術やコストダウンのための研究開発、規制、制度の見直し、社会の受容性の獲得等が必要である。私は、そういった取り組みの成果をもとに、おそらく、どれか一つの物質だけが選択され、導入されるという形ではなく、用途毎に異なる要求性能、コスト要件に対して最も良く応えることのできるキャリアが、それぞれ選択されるという形で導入されていくのではないかと考えている。

 それではこれから、それぞれの物質の特徴について説明しよう注1)。まず、供給チェーン全体が実証段階に入りつつあるMCHから始めたい。

【MCH】

 MCHをエネルギー・キャリアとして利用するというのは、MCHとトルエンという2つの物質間の水素の数の差を利用して水素を運ぶというアイデアである。【図1】のとおり、トルエンを水素化することによって水素を環状飽和炭化水素化合物であるMCHとして固定し、利用する際にはMCHから脱水素反応により水素を取り出して利用する。脱水素の後、生成するトルエンは、回収、リサイクルして再使用する。ここではMCHは文字通り、水素を運ぶ「水素キャリア」としての役割を果たす。

【図1】

 MCHだけでなく環状飽和炭化水素化合物の水素化と脱水素によって水素を運ぶというアイデアは有機ハイドライド法と呼ばれ、このアイデア自体は1980年代から知られていたが、脱水素反応に用いる触媒の劣化が激しく、実用化が困難であった。最近になって千代田化工建設(株)(以下、千代田化工)が触媒の長寿命化に成功し、工業化に目処を付けたことから、有機ハイドライド法の中でもMCH-トルエン系の実用化に向けた取組みが加速した注2)

 この方式の優れているところは、MCH、トルエンがともに常温、常圧で液体であることから、この系を利用することによって、水素ガスを常温、常圧で約1/500の体積の液体として輸送することが可能となることである。それによって水素を長期間、大量貯蔵することも可能となる。さらに、MCHもトルエンもガソリンの成分であることから、その輸送、貯蔵では既存のガソリン流通インフラを使うことができる。例えば、商業化されている5万トンのケミカルタンカーでMCHを運べば、1回に約3,000トンの水素が輸送できる。(これは60万台のFCVを満タンにできる量に相当する。)長期間、大量貯蔵することができるので、備蓄により供給セキュリティの確保を図ることも可能である。

 この系では、トルエンへの水素添加、MCHからの脱水素といった2つの化学反応を効率よく、安定的に進めるための工業的プロセスの開発が必要となるが、先の触媒の開発の成功によって、この反応系に係る未解決の大きな技術開発課題はないと考えられている。

注1)
繰り返しになるが、以下の説明は、基本的に、科学的事実及び公開情報をもとに記したものであるが、説明内容は、あくまでも筆者の個人の責任でまとめたものである。
注2)
有機ハイドライド方にはMCH-トルエン系のほか、シクロヘキサン(C6H12)-ベンゼン(C6H6)系、デカリン(C10H18)-ナフタレン(C10H8)系が知られているが、ベンゼンは発がん性物質であること、ナフタレンは常温では固体であることから、MCH-トルエン系の開発が最も進んでいる。

 MCHの脱水素によって取り出される水素には、若干の不純物が含まれるが、既存の発電タービンでLNG等の化石燃料との混焼を行うことに関しては、そのまま使用することが可能である。(水素専焼に係る技術開発課題については、次回の液体水素に関する解説の際に説明する。)他方、水素の純度に関する要求水準が高い用途、例えばFCV用の燃料向けには、製造された水素をPSA(圧力変動吸着法)等によって精製する必要がある。

 MCHの利用は、一部、実証研究段階に入っている。千代田化工は、【図1】の反応系の工業的プロセスの実証のための50Nm3-H2/hr規模のデモンストレーション・プラントを建設して2013年4月から運転実証を行い、所期の成果をあげたと報告されている。これに続き2015年以降、MCHから生産した水素を利用して、小規模な水素発電所(9万kWの設備容量:70%水素混焼を予定)の実証を行うことなどを計画していると報道されている注3)。これは水素を年間6.3億Nm3使用する規模の実証試験となる。

 水素ST向けの水素供給チェーンについては、水素の製造場所から水素STまで高圧水素または液体水素の形で水素STに水素を運ぶ方法注4)に加え、水素STまで輸送しやすいMCHで運び、オンサイトでMCHを脱水素して水素を得る方法など複数のアプローチが考えられている。それぞれ一長一短があり、コスト競争力の面でもその優劣は簡単には付け難い。最終的にも水素STの立地条件や操業条件次第で、これらの方法が並行して導入される可能性も十分にある。後者の方法については、水素STの限られたスペースにMCHの脱水素設備、FCV用燃料グレードまで純度を高めるための水素精製設備、そして一定量のMCHとトルエンの貯蔵設備を置く必要があることから、脱水素触媒の高性能化、水素精製技術の研究開発、同システムを水素STに組み込むための基準整備、安全性検証などに関する研究開発が、2014年度からSIP「エネルギー・キャリア」の中でJX日鉱日石エネルギー(株)(以下、JX)により進められている。

 このようにエネルギー・キャリアの中でMCHは実用化に向けた取組みが最も進んでいると言えるが、この反応系自体にはいくつかの問題もある。

 その一つは、MCHの脱水素反応が吸熱反応であることから、この反応により水素を得るためには、MCHが水素の形で運ぶことのできる熱量の28.2%に当たるエネルギーが必要となるという問題と、約400℃の熱源が必要という問題である。この問題は、この反応系を使う限りは避けがたい。この問題を克服するため、他のプロセスから発生する熱源との組み合わせや熱マネジメントによって、この問題から生じる制約を軽減するためのさまざまな工夫が検討されている。

 このエネルギー・キャリア系では、分子量98のMCHと92のトルエンを用いて、3つの水素分子(分子量6)を運ぶので、水素を1kg得るために、その約16倍の重量のMCHを運搬することが必要となる。実際的には、輸送、貯蔵においては体積がより重要であり1L(リットル)のMCHに含まれる水素量は47gであることから、輸送、貯蔵の際の効率性の問題はやや緩和されるが、MCHではガソリンと同じ輸送、貯蔵インフラが利用可能とは言っても、ガソリン用の大型タンクローリー(容量20kL)一台で運べる燃料の量は、MCHの場合、FCV約180台分の水素となり、ガソリンの場合(ガソリン車約330台分)に比べて輸送効率は落ちる。発電に関して言えば、設備容量が100万kWの発電所に必要なMCH量は年間約700万kLとなり、これだけのMCHとMCHから脱水素したのちに生成するトルエンをハンドリングするために小さな備蓄基地ほど(約160万kLの規模)のタンクヤードが必要となる。

 また、この系では大量のトルエンが必要となる。但し、トルエンは繰り返し使用ができることから、いったん必要量のトルエンを確保してしまえば、その後は反応サイクルの中で若干失われるトルエン分を除いて、補充の必要はほとんどないと言われている。なお、このトルエンに関しては、トルエンを製造する際に発生するCO2量及び最終的にトルエンを処理する際に発生するCO2量を、この系に係るライフサイクルのCO2排出量としてどのように評価するかということも考える必要がある。

 規制改革面での取り組みも必要となる。MCHの利用にあたっては、その輸送、貯蔵面での特長を生かす観点からは水素エネルギーを利用するサイト(例えば水素ST)でMCHから水素を製造することが合理的だが、MCHからの水素の製造(=トルエンの製造)については、高圧ガス保安法、消防法、建築基準法、労働安全衛生法など多くの法令で規制が存在しており、街中あるいは都市近郊に設置される水素STにおけるこれらの規制の緩和には、かなりの安全性データの蓄積や水素STの構造上の工夫が必要になるものと思われる。

 このほか、この系で用いられるトルエン、MCHに関する重篤な長期毒性は知られていないものの、これらの物質には短期毒性があり、ガソリンと同様の引火性がある物質であるため、安全対策を十分に講じる必要がある。特にMCHの安全性に係る情報は、必ずしも十分に存在しているという状況にはないため、MCHを大量に利用する場合には追加的な安全性データの収集分析が必要になると思われる。

 以上のように、エネルギー・キャリアとしてのMCHにはいくつかの解決すべき課題は残っているが、MCHの輸送、貯蔵、利用に関連する技術の熟度は他のエネルギー・キャリアに比べても高いレベルに達している。技術の実証とコストダウンのための一層の努力を行いながら、このエネルギー・キャリアに適した用途と役割を見定めていくことが必要と考えられる。

注3)
スマートジャパン(2014.7.15)
注4)
この場合、水素の製造方法としては、製油所等において化石燃料を改質して水素を製造する方法と、MCHで運んできたCO2フリー水素を港近くで脱水素し、精製して製造する方法の2つの方法がある。

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