天然ガス改質の説明重要な水素製造法

天然ガス改質とは何か、なぜ重要なのか？

工業的な水蒸気メタン改質は、純水素製造の最も古く最も広く使われている方法の一つであり、世界的なエネルギー供給の重要な構成要素である。これらの技術のうち、水蒸気メタン改質（SMR）は、その効率の高さと必要なインフラが利用可能であることから、最も普及している。主な違いは、水素ガスは温室効果ガス排出を削減する大きな可能性を秘めているため、よりクリーンなエネルギーシステムへの移行において最も重要な構成要素のひとつであり、このガスストリームプロセスが特に重要であるという点である。

天然ガス改質水素は、以下のようにさまざまな産業や用途で使用されている。電気自動車やその他の再生可能エネルギー用途に使用される燃料電池を作動させるための戦略的燃料である。エネルギーに加え、水素は肥料用アンモニア、化学薬品用メタノール、さらには航空機燃料やジェット燃料の製造にも使用される。工業的規模で水素を生成する能力は、持続可能なエネルギーへの世界的シフトを実現する重要な手段としての水素の地位を保証している。

しかし、このプロセスに課題がないわけではない。安価で一般的に使用されているものの、メタンなどの化石燃料に依存しているため、二酸化炭素排出量が多いのだ。これに対抗するため、環境への影響を減らす炭素回収・貯留（CCS）技術が必要である。また、天然ガスの改質は水素と二酸化炭素を発生させ、発生した水素を商業利用するためにはさらに精製しなければならない。この技術をさらに発展させるために取り組まなければならない主な課題は、プロセスの効率性、拡張性、持続可能性の間で適切なバランスを達成する能力である。

どのように機能するのか？天然ガス改質の科学を探る

天然ガスの改質は、化学、エネルギー、燃料電池などの産業で使用される水素を製造するための重要なプロセスである。このプロセスは、原料ガスの前処理、改質反応、合成ガスの精製という3つの主要段階からなる。したがって、各段階について以下のように説明することが適切である。

第1段階生ガスの前処理

原料天然ガスは、その大部分がメタンであるが、硫黄化合物、水蒸気、その他の重質炭化水素などの不純物が0.1～2%含まれている。触媒に取り込まれると、触媒を汚染し、下流のプロセスに悪影響を及ぼすため、プロセスを円滑にし、触媒の寿命を縮めないようにするための初期前処理プロセスが必要となる。

硫黄含有化合物の除去は、この段階で最も重要な活動の1つである。硫化水素（H₂S）のような不純物は、酸化亜鉛（ZnO）のような物質によって吸着され、硫黄と反応して固体の硫化亜鉛（ZnS）を生成する。このプロセスにより、硫黄の含有量を0.1ppm以下に抑え、高感度な改質触媒を効果的に保護することができる。

水分は改質反応やその後の精製工程を妨げるため、乾燥も同様に重要である。乾燥剤の中でも、モレキュラーシーブ（4A、5A、13X）は、選択性が高く、熱安定性があり、水分を非常に低いレベルまで除去できるため、好ましい。モレキュラーシーブは、低水分または高温用途に適した活性アルミナや、第二層乾燥剤として使用されるシリカゲルなどの他の材料よりも優れた性能を発揮する。モレキュラーシーブが好まれる理由は、寿命が長く、水分の除去に効果的であるため、非常に乾燥したメタン供給が可能だからである。

最後に、高分子量炭化水素を除去して触媒のコーキングを防ぎ、下流工程の信頼性と耐久性を高める。この段階が終わると、天然ガスは精製されたメタンストリームとなり、改質反応を行う準備が整う。

第2段階：改質反応

ここで、精製されたメタンは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素を含む合成ガスに変換される。このステップは通常800～1000℃の高温で行われ、ニッケルベースの触媒を使って反応を促進する。

水蒸気メタン改質（SMR）は、産業界で最も一般的な改質プロセスである。触媒を使用した水蒸気の変換により、メタンから合成ガスが生成される。この反応は非常に効率的で、95%以上のメタン転化率が得られます。

SMRの代わりに（またはSMRに加えて）採用される可能性のある自己熱改質（ATR）のような他のタイプの改質プロセスもある。ATRは、部分酸化と水蒸気改質を統合し、プロセス内で熱を発生させるため、外部からのエネルギー需要を削減できる。この方法は、炭素クレジットと省エネルギーが最重要視される用途で好まれる。

改質段階には水-ガスシフト反応（WGS）も含まれる。これは一酸化炭素が水と反応し、より多くの水素と二酸化炭素を形成する二次反応である。WGS反応は、合成ガス中の一酸化炭素含有量を減少させながら水素収率を最適化し、後工程での精製を容易にする。

ステージ3：合成ガスの精製

天然ガス改質の最終段階は、合成ガスを純度99.99 %以上の超高純度水素レベルまで精製することである。これは、二酸化炭素、一酸化炭素、メタン、水などの望ましくない化学種が除去されることを意味します。

この手順では、水-ガスシフトの最適化から始まり、合成ガス中に残留する一酸化炭素が水蒸気と反応して水素と二酸化炭素を追加生成する。このステップは、水素の収率を向上させるだけでなく、一酸化炭素のレベルを低下させ、除去を容易にする。

次に、二酸化炭素の除去は、アミンによる化学吸収か、圧力スイング吸着（PSA）によって行われる。アミンスクラビングは化学溶媒でCO₂と反応させ、PSAはゼオライトなどの吸着材でCO₂を選択的に吸着し、85%以上の水素を回収する。

その後、メタン化によって残留一酸化炭素を除去し、水素を使用してメタンと水に変換する。このステップにより、COレベルが10ppm未満に低減され、燃料電池のような繊細な用途にも安全な水素ストリームとなる。

ほとんどの人は精製における乾燥を見過ごしていますが、微量な水分でさえ装置を損傷する可能性があるという事実があります。モレキュラーシーブス（5A、13X）は、高い水分吸着能力、熱安定性、長い耐用年数のため、最も広く使用されている乾燥剤です。低水分や高温の用途では、活性アルミナなどの他の材料が必要となり、シリカゲルはバックアップ乾燥剤として使用されます。しかし、モレキュラーシーブは、露点が極めて低く、水素ストリームの品質と安定性を高める効果があるため、より望ましい。

最後になるが、不純物の損失をなくすために、低温蒸留や膜技術のような機能が残っている。CCS技術を採用した施設では、CO₂は圧縮された後に回収・貯蔵され、90%もの排出を最小限に抑える。

天然ガスの改質は、少々複雑だが非常に効果的な水素製造プロセスである。触媒再生プロセスでは、高収率、設備保護、製品純度にとって、前処理や改質後の精製段階と連動した各ステップが重要である。WGS反応やメタン化反応などの前段階の反応は、効率を高め、汚染物質を最小限に抑えるのに役立つ。重要な技術のうち、モレキュラーシーブは、特に高温、低水分、精密吸着用途において、最も人気のある乾燥剤であり続けている。これは特に、改質プロセスを保証するために不可欠な超低水分レベルだけでなく、優れた性能安定性など、他の熱交換器よりも有利な点が多いためである。オートサーマルリフォーミングと炭素回収の進歩に伴い、この技術は依然として適切であり、オートサーマルリフォーミングと炭素回収の新たな開発の助けを借りて発展し続けている。

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なぜこの経路が検討されているのか？

水素製造の最も一般的で効果的な技術は、その有効性、柔軟性、既存設備との統合性から天然ガス改質である。熱化学水分解や電気分解のような他の方法に比べ、はるかに安価であるため、短期から中期の水素用途に適している。

現在、水素のほとんどは天然ガスの改質によって製造されている。天然ガスは安価で、特に米国では容易に入手できるからである。炭素回収・貯留（CCS）の新たな開発により、環境への影響を低減することでプロセスが改善された。天然ガス改質は、CO₂排出を捕捉することにより、「ブルー水素」とも呼ばれる低炭素水素を生成することができ、世界的な脱炭素化の取り組みを支援する。

また、この方法は非常に柔軟性が高く、中規模用途にも大規模水素製造にも使用できる。その汎用性により、輸送（燃料電池や電気自動車）、アンモニアやメタノールの合成を含む工業プロセスなど、さまざまな産業のニーズを満たすことができる。太陽エネルギーや風力エネルギーのような再生可能エネルギーは急速に成長しているが、化石燃料ベースの水素を完全に置き換えるほど安定していない。そのため、天然ガス改質は、よりクリーンで持続可能なエネルギーへの一歩となる移行燃料として重要な役割を果たしている。

天然ガス改質が環境に与える影響と課題とは？

しかし、天然ガス改質にも問題がないわけではなく、その主なものは環境問題である。このプロセスでは、主に化石燃料であるメタンを使用する際に存在するCO₂が大量に排出される。これらの排出は、回収・貯蔵されなければ、気候変動に直接寄与することになり、クリーンエネルギーとしての水素の機能には逆効果となる。

このプロセスはまた、高温で水蒸気メタン改質（SMR）の燃料を供給するために多くの熱を必要とするため、非常にエネルギーを消費する。このエネルギーは、より多くの化石燃料を燃焼させることで生産されることが多く、環境に優しい燃料である水素の製造プロセスは、炭素集約的なプロセスに基づいていることになる。

しかし、改質中に少量の一酸化炭素（CO）が発生するため、作業員にとって危険であり、厳しい環境対策が必要である。この技術は大規模なスケールで最も効果的であるため、小規模なスケールでこのプロセスを適用することは、さらなる非効率と経済的問題を追加することになる。

これらの問題を克服するために、SMRと水ガスシフト反応器の改良が進められている。熱回収システムの効率と反応条件を向上させる可能性が鍵となるかもしれない。さらに、"青い水素 "を製造するために必要なCO₂排出を回収するために、CCS技術の利用を増やすことが重要である。これらは、天然ガス改質の相対的な環境コストを削減するのに役立つため、重要である。

天然ガス改質の未来は？

天然ガス改質の将来は、世界の技術開発と脱炭素化の動向にかかっている。電気自動車やリニューアルのような戦略的市場で水素消費量が増加する中、天然ガス改質は短期的には主要な製造方法であり続けるだろう。しかし、その長期的な持続可能性については、炭素回収技術の活用と、よりクリーンな技術への転換次第である。

太陽光や風力を利用した水の電気分解によって生成される再生可能水素は、現在の水素製造・販売構造を大きく変えると予想される。というのも、再生可能技術のコストは将来的に低下すると予想されるため、天然ガス改質の利用が減少する可能性があるからである。また、水素を大量生産するための中間ソリューションとして、再生可能エネルギーの投入と改質システムとの共生を見出すことも可能である。

プロセスを効率化し、炭素を削減し、熱回収を追求するステップは、産業部門で引き続き評価されるだろう。さらに、政府のインセンティブと水素インフラの整備が、特に米国と欧州のさまざまな国々において、この技術のさらなる展望を左右するだろう。

環境問題が課題として残る一方で、天然ガス改質は、現在の化石燃料インフラから将来の水素経済への橋渡しとして、水素製造プロセスの一部であり続けるだろう。