- 2023-4-10
- 化学・素材系, 研究・技術紹介, 電気・電子系
- 2050年ゼロカーボン, e-fuel, e-メタン, PEMCO2還元方式, PEM水電解, SDGs, グリーンイノベーション基金, サバティエ反応, ハイブリッドサバティエ方式, メタネーション, 低温サバティエ, 固体酸化物形燃料電池（SOFC）, 固体高分子電解質膜（PEM：Polymer Electrolyte Membrane）, 宇宙航空研究開発機構（JAXA）, 家庭用燃料電池（エネファーム）
（東京ガス株式会社 水素・カーボンマネジメント技術戦略部 革新的メタネーション技術開発グループ 小笠原 慶氏）
石炭や石油よりもクリーンなエネルギーと言われる天然ガス。日本が掲げる「2050年にゼロカーボン」という目標に向けて、東京ガスは天然ガスへの転換を進めることで低炭素化を図りつつ、「メタネーション」で製造するカーボンフリーな「合成メタン」（＝e-methane、e-メタン）で代替していくというロードマップを描いています。
今回の連載では、e-メタンを製造するメタネーションを取り上げ、連載第1回では小規模実証が進むメタネーション技術について、東京ガス株式会社 水素・カーボンマネジメント技術戦略部 革新的メタネーション技術開発グループ 小笠原 慶氏にお話を伺いました。第2回は、e-メタン導入の大きな課題である製造コストの引き下げ、その技術的ブレークスルーについてご紹介します。（執筆：後藤銀河 撮影：編集部）
＜プロフィール＞
東京ガス株式会社 水素・カーボンマネジメント技術戦略部 革新的メタネーション技術開発グループ 小笠原 慶氏
1992年に東京ガスへ入社。固体酸化物形燃料電池（SOFC）、家庭用燃料電池（エネファーム）、業務用超高効率SOFCなど、燃料電池関連の研究開発を担務。燃料電池や天然ガス自動車の規制緩和、標準化に関する業務にも従事。2021年より現職場にて、メタネーションの実証や技術開発を統括。
――横浜市鶴見区で稼働中の小規模実証システムを大幅にスケールアップしただけでは、e-メタンの本格的導入は難しいということでしょうか？
［小笠原氏］安価な再生可能エネルギーを利用するということ、天然ガスの既存インフラを活用するということから、大規模なe-メタン製造は基本的に海外で実施することになります。現在の小規模実証でのメタネーションプロセスは、「サバティエ反応」という触媒反応を使っていますが、これには機器コスト、水電解からメタン合成に至る効率や大型化の限界、熱マネジメントの難しさ、といった課題があります。大規模で安価なメタネーションを実現するためには、新たな技術革新が必要となります。
サバティエ反応は、ニッケルなどを触媒として使い、気体の二酸化炭素（CO2）と水素を高温で反応させて、メタンと水を得る反応です。現状のメタン製造はこのサバティエ方式を使っていますが、水電解装置、水素タンク、メタン合成装置といった複数の設備を必要とするため、機器コストが高いという問題があります。また、水素を作り出すための水電解プロセスとメタネーションを合わせた総合効率が50％程度で、大規模な導入のためには更なる効率化が必要です。加えて、サバティエ反応は約500℃という高温に達する発熱反応であり、この熱マネジメントが難しいという課題も解決する必要があります。これらの課題解決のため、弊社では、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）のプロジェクトにおいて、「ハイブリッドサバティエ方式」と「PEMCO2還元方式」という、2つの革新的技術開発に取り組んでいます。これは、国のグリーンイノベーション基金を活用し、将来の社会実装をコミットして進めている取り組みになります。
水電解とメタン合成を一体化する、ハイブリッドサバティエ方式
［小笠原氏］弊社が宇宙航空研究開発機構（JAXA）と共同開発しているハイブリッドサバティエ方式は、発熱反応であるサバティエ反応の排熱を、吸熱反応である水電解に利用することで、高効率化と熱マネジメント性の向上を可能にするものです。
［小笠原氏］サバティエ反応は前述のように500℃程度の高温になるため、熱マネジメントが難しいという問題がありました。JAXAは、宇宙船内でのCO2の除去と酸素を発生させる水電解をリンクさせて、循環型の空気再生システムを構築するため、220℃付近の低温で進行する低温サバティエを開発しました。
ハイブリッドサバティエは、固体高分子電解質膜（PEM：Polymer Electrolyte Membrane）を使ったPEM水電解と、低温サバティエ反応を一体化、モジュール化することで、機器コストの低減と、複数化、大型化によりスケールアップが可能になります。また、基本的に既存技術の組み合わせであり、JAXAによって原理実証も完了していますから、早期の大型化、社会実装が可能だと考えています。
水とCO2から直接メタンを合成するPEMCO2還元方式
PEMCO2還元は、水電解でも利用される電気化学反応により、水とCO2から直接メタンを合成する技術です。
［小笠原氏］PEMCO2還元は低温サバティエよりさらに低い、約80℃で反応し、かつ熱中立な反応のため、熱マネジメントは不要になります。さらに1デバイスで全ての反応が完結するため、設備構造の簡略による低コスト化、またモジュール化と大型化によってスケールアップが容易と考えています。
また、PEMCO2還元には、メタン合成に用いられる電極触媒により、 電解電位が近接しているメタン以外の副生成物を生成する可能性があり、弊社では代替石油などクリーンなe-fuelの合成への応用も視野に入れて、開発を進めています。なお、メタン以外の成分の検討はNEDO支援によらず弊社独自の取り組みです。
――メタネーションには様々な化学反応が含まれますが、開発で活躍されているのは、化学系のエンジニアになりますか？
［小笠原氏］確かに触媒反応や電気化学反応など、応用化学系のエンジニアが中心ですが、これから社会実装に向けたシステム構築、スケールアップ、インフラの活用・整備などを総合的に推進していく必要がありますから、応用化学以外の多岐にわたる技術開発が必要になります。
デバイスの大型化では機械系、電気系のエンジニアが求められるでしょうし、海外への展開も視野に入れるとプラントエンジニアの活躍の場もあるでしょう。また、多くのシステムを連携させながら運用するという点で、IT系やシステム開発ができる人材などは、この領域でも欠かせないと思います。
――最後に、これまでメタネーションに取り組まれてきて、どのように感じておられますか？これから、この領域に関わるエンジニアに向けたメッセージとして、お聞かせいただけますでしょうか。
［小笠原氏］私はSDGsの広がりと共に、世の中が化石燃料を使わない方向に進みそうだと感じていました。そうした中、合成メタンを製造するメタネーションに携われることは、お客様にこれまで通り都市ガスを使い続けて頂きながら、地球環境を守ることができるという点で、とてもやりがいのある仕事だと思っています。
私が所属する革新的メタネーション技術開発グループは、2021年度に新設された部署で、多くの関連する技術に携わっている人たちが集まってきています。みんなメタネーションをしっかりやっていかないと、お客様が炭化水素の燃料から離れてしまうのでは、という危機意識を持って取り組んでいます。
私は、元々燃料電池の開発に長い間取り組んでいたのですが、エネファームや業務用の高効率燃料電池などを開発していたところ、今の部署が設立されたタイミングで異動してきたわけです。ただ、新しい組織が立ち上がって新たな活動に取り組むことになっても、目標に向かって開発し、改善していくことの繰り返しという基本的な考え方は変わりません。
ハイブリッドサバティエもPEMCO2還元も、これまで燃料電池で扱っていたものと似たような技術でメタンを製造するものです。これまで培ってきた技術を、全く違う目的のために応用できるというのも、面白いと感じています。
今後、環境技術に関わるエンジニアも増えていくと思いますが、今自分のやっている仕事が、どこでどういう形で花を開くのか、本当にいろいろな可能性があると思います。新しく学ぶことも多いですが、楽しみながら技術開発への取り組みを進めることができれば、それがきっと将来役に立つと思います。
取材協力
ライタープロフィール
後藤 銀河
アメショーの銀河（♂）をこよなく愛すライター兼編集者。エンジニアのバックグラウンドを生かし、国内外のニュース記事を中心に誰が読んでもわかりやすい文章を書けるよう、日々奮闘中。
