2020年10月、菅義偉 首相（當(dāng)時(shí)）は、2050年までにカーボンニュートラル（溫室効果ガス排出の実質(zhì)ゼロ）、脫炭素社會(huì)を目指すことを宣言しました。経済成長(zhǎng)を犠牲にして環(huán)境対策を進(jìn)めるのではなく、カーボンニュートラル、脫炭素社會(huì)により産業(yè)構(gòu)造や経済社會(huì)を変革し、経済成長(zhǎng)につなげていく攻めの戦略と言えます。2020年12月に経済産業(yè)省が発表した「2050年カーボンニュートラルに伴うグリーン成長(zhǎng)戦略」（グリーン成長(zhǎng)戦略）には14の重點(diǎn)分野で目標(biāo)が掲げられています。カーボンニュートラル実現(xiàn)には、それぞれの分野で様々なイノベーションが必要であり、國(guó)としても実用化を見(jiàn)據(jù)えた研究開(kāi)発を促進(jìn)する方針です。その研究開(kāi)発の一翼を擔(dān)うのが、國(guó)立研究開(kāi)発法人 産業(yè)技術(shù)総合研究所（産総研）。7研究領(lǐng)域にまたがる広範(fàn)な研究體制で、我が國(guó)の研究をリードしています。産総研 エネルギープロセス研究部門では、メタンハイドレートの有効活用技術(shù)、二酸化炭素 (CO₂) や未利用炭素資源の有効活用技術(shù)、水素 (H₂) の製造?貯蔵?利用技術(shù)などの研究に取り組んでおり、この中にはカーボンニュートラル、脫炭素社會(huì)実現(xiàn)の基幹技術(shù)も含まれます。2050年カーボンニュートラルに向けて、エネルギー分野における觸媒開(kāi)発に取り組む産業(yè)技術(shù)総合研究所 エネルギープロセス研究部門 エネルギー觸媒技術(shù)グループの望月 剛久 氏に、合成燃料を始めとする最新の研究についてお伺いしました。

産業(yè)技術(shù)総合研究所 エネルギープロセス研究部門 エネルギー觸媒技術(shù)グループ 望月 剛久 氏

脫炭素は脫內(nèi)燃機(jī)関？

カーボンニュートラルの実現(xiàn)にあたり、民生?産業(yè)?運(yùn)輸部門においては、化石資源を用いていない電力や燃料の使用が不可欠です。生活に身近な自動(dòng)車に目を向けると、既に電気自動(dòng)車 (BEV) や燃料電池車 (FCV) が商品化されており、これによってカーボンニュートラルを進(jìn)めていこうという動(dòng)きが見(jiàn)られます。これと並行して、ガソリンスタンドなどの既存インフラ設(shè)備や自動(dòng)車に手を加えずに、カーボンニュートラルを進(jìn)めていくというアプローチもあります。それが液體合成燃料です。液體合成燃料は二酸化炭素と水素を合成して製造される液體燃料です。既存の液體化石燃料の代替品として利用可能であり、既存の液體化石燃料と混ぜて使用することも、単體で使用することもできます。再生エネルギー由來(lái)の水素を原料にした液體合成燃料はe-fuelと呼ばれます。e-fuel使用時(shí)には二酸化炭素を排出するものの、その二酸化炭素が大気から回収したものであれば、炭素排出量は実質(zhì)ゼロです。合成燃料は石油同様の液體なので、積雪などにより立ち往生した自動(dòng)車への給油や、電力供給が止まった地域への燃料配送にも有益です。また、長(zhǎng)距離を移動(dòng)するトラック、船、飛行機(jī)などでは、電池の技術(shù)に極めて大きなブレークスルーが起きない限り、內(nèi)燃機(jī)関（エンジン）を使うのが現(xiàn)実的だという見(jiàn)方もあります。

液體合成燃料の実現(xiàn)に必要なブレークスルー

液體合成燃料の製造にあたっては、一酸化炭素(CO)と水素の混合ガス（合成ガス）から、炭化水素を生成するFT合成（フィッシャー?トロプシュ合成）という技術(shù)が注目されています。100年近くの歴史がある技術(shù)で、當(dāng)初は合成ガスの原料に石炭を用いるCTL (Coal to Liquid) でこの技術(shù)が利用され、のちに原料に天然ガスを用いるGTL (Gas to Liquid) でも利用されるようになりました。日本でも少量ながら液體合成燃料が製造されていたこともありますが、現(xiàn)在、大規(guī)模な製造が行われているのは海外の一部の國(guó)に限られています。合成燃料を利用するよりも化石燃料を利用する方がコスト面で有利なことが多いのです。しかし、バイオマスを原料とする（BTL: Biomass to Liquid)ことや、大気中から回収した二酸化炭素を原料とすることもできることから、カーボンニュートラル時(shí)代に再びその価値が再認(rèn)識(shí)されています。エネルギー安全保障の面からも、液體合成燃料の製造技術(shù)を國(guó)內(nèi)で蓄積することには大きな意義を見(jiàn)出せます。

2050年カーボンニュートラルは経済成長(zhǎng)を犠牲にした環(huán)境対策ではなく、これを奇貨として経済成長(zhǎng)につなげていく戦略です。そこで利用される技術(shù)について、コストの問(wèn)題を避けて通ることはできません。合成燃料の製造工程を見(jiàn)ると、合成ガス製造と、FT合成による燃料生産という2つの工程があります。そこで、効率的な一貫製造プロセスの確立が課題の1つです。また、FT合成では、ガソリン、ジェット、軽油から、固體成分（ワックス）まで、幅広い炭化水素が生成されます。ワックスは液體燃料としては利用できないので、目的となる液體成分の収率を高める必要もあります。

ここでカギを握るのが、電気化學(xué)と熱化學(xué)的な觸媒反応を組み合わせた新技術(shù)。望月氏らは、現(xiàn)在、新エネルギー?産業(yè)技術(shù)総合開(kāi)発機(jī)構(gòu)(NEDO) の事業(yè)において、參畫機(jī)関のカーボンニュートラル燃料技術(shù)センター（JPEC）と共同で、水電解と二酸化炭素電解を同時(shí)に行う「共電解」と呼ばれる革新的な合成ガス製造技術(shù)を研究開(kāi)発するとともに、FT反応を進(jìn)行しやすくするFT觸媒と、ワックス成分を分解して目的留分（ガソリン、ジェット、軽油）の収率を高める酸觸媒を組み合わせた「ハイブリッド觸媒」の研究開(kāi)発に取り組んでいます。この技術(shù)では、二酸化炭素と水 (H₂O) を合成ガスに転換して、その合成ガスから合成燃料を作り出します。また、酸觸媒を変えることで、ガソリン留分を増やす、あるいは軽油留分を増やすなど、ニーズに応じた合成燃料を多く得ることも可能です。

共電解の技術(shù)とハイブリッド觸媒を開(kāi)発。燃焼時(shí)に二酸化炭素を排出するが、その二酸化炭素は大気から回収したものなので、溫室効果ガスの排出量は実質(zhì)ゼロ

FT合成においては、様々な炭化水素とあわせて水が副生されます。酸觸媒となるゼオライト（ミクロ多孔性の結(jié)晶性アルミノケイ酸）の中には、水に弱いものが多くあります。合成燃料製造の觸媒として用いられるゼオライトには耐水性が求められ、かつ目的となる成分の収率を高めることができなければなりません。望月氏は、このような特徴を持つゼオライトの選別やその改変に盡力してきました。觸媒の開(kāi)発には目処が立っており、開(kāi)発した觸媒は使いやすいようにペレット化まで進(jìn)んでいます。

觸媒開(kāi)発を支える分析裝置

FT合成では數(shù)十から百を超える數(shù)の化合物が生成されます。合成燃料製造において、どのような生成物が出てくるのかを知ることは非常に重要です。多様な生成物を短時(shí)間で正確に知るために使われているのが、アジレントのガスクロマトグラフ (GC) です。本研究では一般的な固定床流通式反応裝置が用いられていますが、特徴的な點(diǎn)があります。それはアジレントのGCがオンラインで接続されており、気體生成物を60分間隔で自動(dòng)採(cǎi)取して分析していることです。觸媒の性能を見(jiàn)ていくためにはリアルタイムでの分析が必須です。リアルタイムで見(jiàn)ていれば、たとえば反応條件を少し変更したような場(chǎng)合でも即座に性能が分かるので、觸媒の評(píng)価を効率的に進(jìn)めていくことができます。検出器には、無(wú)機(jī)ガス分析評(píng)価用の熱伝導(dǎo)検出器 (TCD）と軽質(zhì)炭化水素評(píng)価用の水素炎イオン化検出器 (FID)が接続されています。反応で得られる液體生成物?ワックス成分などは、反応終了後に別のアジレントのGCやガスクロマトグラフ質(zhì)量分析計(jì) (GC/MS) でオフライン分析しています。

固定床流通式反応裝置とアジレントのGC（右側(cè)に設(shè)置されているのはAgilent 7890B GC）

ワックス成分などの分析には、GC/MSも利用
（寫真はAgilent 8890 GCとAgilent 5977B GC/MSD）

今回の研究にあたり、望月氏は既存のアジレントのGCを活用しつつ、オンライン化やTCDの増?jiān)O(shè)などで最適な評(píng)価系を構(gòu)築しました。このシステムが有効だったことから、このほどさらに數(shù)臺(tái)のGCを増?jiān)O(shè)しました。そして、さらに短時(shí)間で精度よく分析できるよう、最適なカラムの検討などを続けています。觸媒研究にあたり、望月氏が重視しているのがリアルタイム性。オンラインGCによりリアルタイムでの分析を?qū)g現(xiàn)していますが、今後は「測(cè)定データがリアルタイムでグラフ化されれば、経時(shí)変化を把握しやすく、觸媒研究を進(jìn)めやすくなる」と、GCのソフトウェアの進(jìn)化に期待を寄せています。

アジレントのGCを使う利點(diǎn)について、望月氏はオンライン化のアプリケーションや、充実した標(biāo)準(zhǔn)試薬をあげています。また、販売店による迅速できめ細(xì)やかな対応にも満足しているといいます。「裝置に不具合があった場(chǎng)合、販売店に連絡(luò)すれば、場(chǎng)合によってはその日のうちに訪問(wèn)してトラブルを解消してくれることもあります」と、望月氏は話しています。

科學(xué)の叡智で、脫炭素社會(huì)を?qū)g現(xiàn)

グリーン成長(zhǎng)戦略には14の重點(diǎn)分野があり、それぞれに解決すべき課題があります。産業(yè)技術(shù)総合研究所 エネルギープロセス研究部門 エネルギー觸媒技術(shù)グループでは、合成燃料の一貫製造プロセスのほか、二酸化炭素を排出しないメタン熱分解による水素製造技術(shù)や、水電解による水素製造技術(shù)も開(kāi)発中です。また水素を運(yùn)ぶ手段（キャリア）の1つとしてアンモニア(NH₃) を利用する手法が検討されていますが、その合成に再生エネルギーを使う場(chǎng)合、従來(lái)の一般的なアンモニア合成法とは異なる、反応溫度や流量変動(dòng)に対して応答性のよい觸媒の開(kāi)発が必要です。同グループでは、低溫?低圧條件でアンモニアを合成する觸媒の開(kāi)発にも取り組んでいます。さらには、食料と競(jìng)合せず、油分を多く含む植物であるジャトロファからバイオディーゼルを作り出すなど、バイオ燃料の開(kāi)発でも成果が出ています。

望月氏は、これらの技術(shù)を、「2050年カーボンニュートラルのお役に立てる技術(shù)として仕上げていきたい」と話しており、開(kāi)発された技術(shù)は最終的には社會(huì)実裝されることを見(jiàn)據(jù)えています。アジレントも同じ考え方を共有しており、 “Let’s bring great science to life” （科學(xué)の叡智を、生活と生命へ）というメッセージを発しています。カーボンニュートラルやグリーントランスフォーメーション (GX) という観點(diǎn)で見(jiàn)ると、アジレントは、二酸化炭素有効利用、水素?燃料電池、アンモニア、バイオマス、リチウムイオン電池、太陽(yáng)電池、プラスチックリサイクルなど、様々な分野において科學(xué)の叡智を社會(huì)にもたらすのに役立つソリューションを提供しています。

アジレントはGC以外にも、カーボンニュートラルやGX向けに様々なソリューションを提供（寫真は觸媒構(gòu)造解析用のAgilent 4210 MP-AESマイクロ波プラズマ原子発光分光分析裝置）

 

液體合成燃料開(kāi)発の將來(lái)展望

これまでの日本國(guó)內(nèi)におけるFT合成技術(shù)の研究は、GTLやBTLなどにより注目が集まると加速するものの、継続的な技術(shù)の蓄積には至っていないと、望月氏は感じています?！附窕丐?050年カーボンニュートラルに向けては、なんとしてもこの技術(shù)を発展?定著させたい」と、望月氏は語(yǔ)っています。

液體合成燃料の一貫製造プロセスの構(gòu)築にあたり、産総研では、まもなく年間1 トン規(guī)模での製造に対応した製造裝置が稼働を開(kāi)始する予定です。これまで、液體合成燃料製造用として望月氏が開(kāi)発した觸媒は、ラボレベルや小規(guī)模の製造設(shè)備で評(píng)価が行われてきました。しかし、同じ觸媒を大規(guī)模製造に用いた場(chǎng)合には、生成物分布が変わるなど、想定した性能を発揮しないこともあります。また、一貫製造プロセスの商用化には、さらに10萬(wàn)倍から100萬(wàn)倍の規(guī)模拡大が必要です。今後、産総研では、関係機(jī)関と連攜しながら徐々に製造裝置の規(guī)模を拡大させ、大型化したときの觸媒の性能や安定性を検討して、大規(guī)模な製造で利用できるよう、さらに技術(shù)を洗練させていきます。

望月氏は、內(nèi)燃機(jī)関向けの液體化石燃料を置き換えることができる液體合成燃料を、高効率に一貫製造する技術(shù)を開(kāi)発することで、2050年カーボンニュートラルの実現(xiàn)に貢獻(xiàn)しようとしています。「より早い実用化を見(jiàn)據(jù)えて、觸媒開(kāi)発を行っていきます?！工?、望月氏は締めくくりました。

本記事に掲載の製品はすべて試験研究用です。診斷目的にご利用いただくことはできません。

（Not for use in diagnostic procedures.）

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