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東芝エネルギーシステムズ株式会社

特集・トピックス:CO₂(二酸化炭素)は回収して 大気への放出を防ごう

トップページ火力特集・トピックス > CO₂(二酸化炭素)は回収して 大気への放出を防ごう

温室効果ガスの排出抑制のためには、化石燃料を使った火力発電を減らし、太陽光や風力など、再生可能エネルギー中心の発電方式へのシフトが必要となる。しかし、再生可能エネルギーは天候や昼夜など自然条件により出力が大きく変動するものもあり、供給が不安定になりやすい。大規模な電力に対応するためにも、また再生可能エネルギーによる変動を補い調整するためにも、当面は安定的に継続して発電可能な火力発電が、ベースロードと調整電源としての両方の役割を期待されつつある。
だが、需要があるからといって地球環境への悪影響を無視していいわけではない。火力発電に課せられた命題は、いかにして排出されるCO₂などの温室効果ガスによる影響を抑えるかを考えることだ。

前編では、発電効率の向上によるCO₂排出量の抑制と、供給が変動する再生可能エネルギーの調整機能としての火力発電の役割について紹介した。

今回はCO₂排出量をさらに抑制する技術として、様々な排出ガスからCO₂を分離回収する技術と、同じ火力でもCO₂を大気に放出しない新しい発電システムをご紹介する。

火力発電所から「CO₂だけ」を回収せよ!

物を燃やすと、CO₂が発生する。これは、化石燃料の燃焼を熱源とする火力発電でも同様。温室効果ガスの一つであるCO₂の大気中への排出を抑制するためには、火力発電所で排出されるCO₂を回収して地中深く隔離する必要があり、CCS(Carbon dioxide Capture and Storage)と呼ばれる。では、どうやってCO₂を回収するのか?

火力発電所から排出されるガスは、CO₂だけではない。化石燃料といっても、石炭や石油、天然ガスなどもある。燃料により排出されるガスの構成は異なってくるが、基本的にCO₂だけが排出されるわけではなく、ここにCO₂回収の難しさがある。
例えば、すべての排出ガスを回収するのならば、煙突に袋をかぶせてしまえばいい。しかし、それでは回収量はあまりに膨大で現実的ではない。
そこで、CO₂だけを分離して回収する必要がある。

排出ガスからCO₂を分離する方法はいくつかあるが、東芝では化学吸収法による「燃焼後回収方式」を採用し、実用化をすすめている。この燃焼後回収方式の利点は、CO₂分離回収設備を、CO₂を発生するあらゆるプラント形態に適用可能で、新設だけではなく、既設の設備へ後から付設することもできる点にある。
化学吸収法では、アミン水溶液という物質を利用してCO₂を分離する。このアミン水溶液は、低温の状態ではCO₂を吸収し、高温になるとCO₂を放出するという性質がある。この性質を利用してCO₂を分離回収する。

特集・トピックス 「佐賀市発で世界初 最先端のCO2分離回収プラント」 より
特集・トピックス 「佐賀市発で世界初 最先端のCO2分離回収プラント」 より

東芝では、2009年以来、グループ会社である株式会社シグマパワー有明の三川発電所(福岡県大牟田市、50MW)内にCO₂分離回収設備のパイロットプラントを建設し、実際の発電所の排出ガスからCO₂を分離回収する設備の開発・改良・実証を積み重ね、検証を進めてきた。

また、2016年に環境省の「環境配慮型CCS実証事業」として採択された事業の一環で、火力発電所から排出されるCO₂を分離回収する大規模な実証設備を三川発電所の隣接地において現在建設中である。

環境配慮型CCS実証事業の実証設備完成予想図
環境配慮型CCS実証事業の実証設備完成予想図

この三川発電所は、現在、パーム椰子殻(PKS)を主燃料とした「バイオマス発電」を行っているため、上記の実証設備の完成時には、世界に先駆けた大規模BECCS(bio-energy with carbon capture and storage)対応設備となる予定である。
植物由来のバイオマス燃料を使った火力発電を行い、排出ガスから分離回収されるCO₂を地中に貯留すれば、大気中に存在していたCO₂を地中に隔離することになるので、カーボンネガティブとなり、大気中のCO₂量を削減したことになる。

この化学吸収法による燃焼後回収方式は、一般産業分野にも適用可能であり、2016年8月より佐賀市環境センター清掃工場に納めたCO₂分離回収プラントが稼働している。本プラントでは、回収されたCO₂はパイプラインで運ばれ、藻類培養工場で利用するために、佐賀市が事業者に売却しており、清掃工場で商用利用される世界初のCCU(Carbon dioxide Capture and Utilization:CO₂を分離回収して活用する)プラントとして活躍中である。CO₂は植物にとっては光合成のために必要な物質であり、化学吸収法では純度の高いCO₂を回収することができるので、このように分離回収したCO₂を地中隔離するだけでなく農業に利用することもできるのである。

二酸化炭素分離回収プラントの外観
二酸化炭素分離回収プラントの外観

このように、今まではCO₂の発生源と思われていた施設でも、排出するCO₂を分離回収する設備を付設することにより地球温暖化対策に貢献することが可能なのだ。

液体でも気体でもない?「超臨界」状態のCO₂でタービンを回して発電?!

前編で紹介したコンバインドサイクル発電は、燃料を圧縮空気中で燃やして発生させた高温高圧ガスでガスタービンを回す発電、そしてガスタービンを回し終えた排出ガスの熱を利用し、排熱回収ボイラで水を蒸気に変え、蒸気タービンを回す発電、この2段階の発電サイクルを組み合わせて発電をする方式だった。
ここで紹介する超臨界CO₂サイクル発電システムは「超臨界」と呼ばれる状態のCO₂をタービンの作動流体として利用するシステムだ。
超臨界とは、気体と液体の境界がなくなり、気体と液体の中間的な性質を持つ状態のこと。例えば、閉鎖された空間に水を入れ、熱を加えていくと、次第に水は沸騰して水蒸気に変わる。さらにそのまま加熱していくと空間内部の圧力はどんどん高まり、水蒸気と水の状態(密度など)が次第に近づき、遂には同じになる。これが臨界点である。そして、この臨界点を超えた状態が超臨界状態である。この臨界圧力・臨界温度を超えた状態では、気体的性質と液体的性質の両方を備えることになる。

臨界圧力と臨界温度をともに超えた状態が超臨界状態
臨界圧力と臨界温度をともに超えた状態が超臨界状態

CO₂の臨界点は、圧力7.4MPa、温度31.1℃で、水の臨界点の圧力22.1MPa、温度374℃に比べて低温・低圧であり、比較的容易に超臨界状態にすることができる。

東芝が開発に参加する超臨界CO₂サイクル発電システムは、従来のコンバインドサイクル発電システムと同等の高い発電効率を有しながら、燃焼により発生するCO₂を高純度・高圧でほぼ100%回収することができる。この発電システムは超臨界CO₂中で燃料を酸素で燃焼させて発生した高温高圧ガスでタービンを回転させて発電する。タービンから排出された燃焼ガス(CO₂と蒸気)は、熱交換器を経て冷却され、水分を分離した後、高圧ポンプで圧縮され、燃焼器へ循環されるが、燃焼により発生したCO₂と同量のCO₂は系統から分離され回収される。これにより、CO₂を大気に放出することなくほぼ全量回収することができる。

超臨界CO₂サイクル発電システム
超臨界CO₂サイクル発電システム

 ■CO₂でタービンを回すメリット
  ・高温・高圧で、高いエネルギーを利用可能
  ・CO₂はサイクル中で液化しないので、潜熱※による熱ロスが小さい
  ・CO₂をポンプで加圧できるので、加圧動力が小さい
  ・CO₂の分離回収が容易
  ※潜熱:物質が液体と気体の間で相変化する時に、物質が温度を変えないで物質中に吸収(放出)される熱

超臨界CO₂の発電システムの実現には課題もある。それは、高い発電効率を達成するため高温・高圧でタービンを回すことだ。既存のガスタービンに比べて、はるかに高い圧力、既存の蒸気タービンに比べて、はるかに高い温度がタービンにかかるのだ。
この課題に対して、東芝が持つガスタービン技術と、蒸気タービン技術を融合することで、超臨界CO₂サイクル発電システム用のタービン開発に生かしている。

超臨界CO₂サイクル発電システム用のタービンは、高温に対応するガスタービン技術と、高圧に対応する蒸気タービン技術の両者が生かされている
超臨界CO₂サイクル発電システム用のタービンは、高温に対応するガスタービン技術と、高圧に対応する蒸気タービン技術の両者が生かされている

この発電システムには、純度の高いCO₂を高圧のまま回収できるので、CO₂を圧入して地中に隔離するのが容易になるというメリットがある。
このメリットを生かして、CO₂によるEOR(石油増進回復法)への利用が期待できる。
CO₂-EORは、CO₂を使って石油採取の効率を上げるための手法である。通常の石油採取では、油層中には採取しきれない石油が残ってしまう。実際に油層にある石油のうち30%~40%程度しか採取できないという。
そこで、石油の残った油層内にガスを圧入し、石油の性状を変化させて採取率の大幅な向上を目指すのがEORである。そして、このEORで圧入されるガスに超臨界CO₂サイクル発電システムで回収される高圧のCO₂を使うことが期待されている。
つまり、CO₂を油層に圧入することで、CO₂の貯留と石油の増産を同時に行うことができるのだ。

超臨界CO₂サイクル発電システムで回収される高圧のCO₂を油層内に圧入することで石油の性状を変化させ、採取率の大幅な向上が期待できる
超臨界CO₂サイクル発電システムで回収される高圧のCO₂を油層内に圧入することで石油の性状を変化させ、採取率の大幅な向上が期待できる

東芝では、アメリカ・テキサス州のパイロットプラント向けに本システムの主要機器であるタービン、燃焼器、発電機等を供給。2018年にはパイロットプラント向け燃焼器の燃焼試験に成功するなど、実証試験を進めてきた。
アメリカでは、CCUS(Carbon dioxide Capture, Utilization and Storage)推進のための優遇税制もあるなど、CO₂-EORへの活用も期待が高まっている。当社は今後、テキサス州のパイロットプラントでの検証試験を継続しながら、運用性や信頼性の確認を行い、商用プラントの早期実現を目指している。

環境の保護と安価で信頼できるエネルギーを世界中に届けるというSDGsの目標の達成を目指して、これからも東芝は技術革新で貢献していく。

【出典】TOSHIBA CLIP (https://www.toshiba-clip.com/detail/8143




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