3分でわかる技術の超キホン 合成燃料e-fuelとは?合成方法や課題など要点解説

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合成燃料e-fuel

1.e-fuelとは

e-fuel」とは、二酸化炭素CO2と再エネ由来の水素H2から製造される合成燃料のことです。
CO2を資源化して利用する「CCUS」の手段の一つです(図1)。

e-fuelとして合成された軽油、ガソリンなどを利用することで、既存のインフラと、内燃機関など既存の機器を継続使用しながらもCO2排出量を削減できます。

e-fuelは本来、気体合成燃料と液体合成燃料を含みますが2)、液体合成燃料をe-fuelと呼ぶことが一般的です。

 

CCUS におけるe-fuelの位置づけ
【図1 CCUS におけるe-fuelの位置づけ】
(経済産業省カーボンリサイクル技術ロードマップ1)から引用)

 

2.e-fuelの合成方法

e-fuelの基本的な合成方法は、化石燃料から合成ガス(CO,H2)を経由して各種工業原料を生成する方法と同じで、すでに実用化された技術です。

(1)メタノール経由での合成

CO2とH2からメタノールを合成し、メタノールからジメチルエーテル(DME)やガソリンなどを合成することができます(図2)。

 

メタノール経由でのe-fuel合成
【図2 メタノール経由でのe-fuel合成 ※参考資料1)

 

メタノールを燃料として使うこともできますが、メタノールからDMEやガソリンを合成することで、幅広い用途に利用できます。DMEはディーゼル燃料として利用可能で、常温常圧下では気体ですが、LPガスと同様に加圧することで液体として貯蔵が可能です。

オキシメチレンエーテル(OME)もディーゼル燃料として利用可能で、かつ常温常圧下で液体として貯蔵可能な燃料です。OMEの合成方法は様々な方法が研究されています3)

 

(2)フィッシャー・トロプシュ合成(FT合成)

FT合成は、1920年代にドイツで発見、開発された反応です(図3)。
触媒種と温度、合成ガスの組成(H2/CO比)などの条件を制御することで、軽油、ガソリンなどの液体燃料から、メタン、プロパンなどの気体燃料まで、幅広い燃料を合成できます。
FT反応では目的物質以外の副生成物の割合を減らすことが技術課題となります。

FT合成でのe-fuel合成
【図3 FT合成でのe-fuel合成 ※参考資料1)

 

3.e-fuelの主な課題

(1)エネルギー変換効率の向上

再エネ電力からPEEC(Polymer Electrolyte Electrolysis Cell 固体高分子水電解セル)でH2を製造した場合、e-fuel製造のエネルギー変換効率は約32%と低い試算結果が報告されています4)
変換効率を高めるために、CO2とH2Oの共電解で合成ガスを生成する方法や、合成ガスを経由しないCO2からの直接FT合成など、革新的なe-fuel合成技術の研究開発が始まっています5)

 

(2)水素の価格/再エネ電力の価格

e-fuelの価格は、原料となる再エネ由来のH2価格に強く依存します6)
また再エネを用いた水電解でH2を製造する際のコストの大半は再エネ電力価格が占めます7)
そのため、海外の豊富な再エネを用いて製造したH2を輸入する、あるいは海外でe-fuelを製造して輸入することも検討されています。

しかしH2製造を完全に海外に頼ることは、エネルギーセキュリティー上好ましくはありません。
国内での再エネ電源比率の向上と、再エネ余剰電力でのH2製造能力向上に向けた取組が期待されます。

 

(3)CO2の回収技術

e-fuelのCO2排出量削減量は、原料となるCO2をどこから回収するかに依存します(図4)。
発電所や工業プロセスから排出される化石燃料由来のCO2を回収することでCO2排出量を削減できます。
さらにCO2を大気中から回収する(Direct Air Capture 略称DAC)場合や、バイオマスからCO2を回収する場合はカーボンニュートラル化を実現できます。

将来のカーボンニュートラル社会でのe-fuel利用を目指す場合、バイオマスから得られるCO2量には限界があるため、DACによるCO2回収が必要です。
しかし、大気中から約410ppmと低濃度なCO2を回収するDACの技術ハードルは高く、現在は国のムーンショット型研究プロジェクトなどでDACの研究が進められている段階です9)

e-fuelによるCO<sub>2</sub>排出量削減イメージ
【図4 e-fuelによるCO2排出量削減イメージ ※参考資料8)

 

(4)CO2排出量カウント方法

図4-(c)から(b)に移行した場合に排出されるCO2の排出責任を、CO2を回収しe-fuelを製造した化石燃料利用者が負うのか、最終的にCO2を排出したe-fuel利用者が負うのかという、CO2排出量カウントの問題があります8)。これはCO2の分離回収とe-fuel利用のメリットに関わる重要な問題です。

CO2排出量カウントについては、e-gas(合成メタン)を対象に国内議論が始まっています10)。早期の国内ルール制定、さらには国際間でのルール合意が期待されます。

 

4.e-fuelの今後の動向に注目

図5は畜電池と各種e-fuelのエネルギー密度を比較したものです。

 

蓄電池とe-fuelのエネルギー密度比較
【図5 蓄電池とe-fuelのエネルギー密度比較】

 
e-fuelは、内燃機関等の変換効率が蓄電池の充放電効率に比べて低いことを考慮にいれても、蓄電池の数倍のエネルギー密度を有します。
e-fuelには、製造時のエネルギー変換効率が低い等の課題が残存していますが、長距離バスやトラックなど液体燃料が必要な用途におけるCO2排出量削減の有力な手段になると考えられます。
 

2022年9月にはe-fuelの導入促進に向けた官民協議会が設立されました11)
e-fuelの研究開発と、関連ルール整備の加速が期待されます。

 

(アイアール技術者教育研究所 技術士(機械部門) T・I)

 


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