石炭液化

石炭液化は、固体石炭を合成燃料や石油化学製品などの液体炭化水素に変換する化学プロセスです。「石炭液化」（CTL）またはより広義には「炭素からXへ」（Xはさまざまな炭化水素ベースの製品を表す）と呼ばれることも多い石炭液化は、従来の石油由来燃料の代替手段となります。^{[ 1 ]}このプロセスは、高圧と水素を使用して石炭を化学的に液体製品に変換する直接液化（DCL）と、石炭を最初に合成ガス（一酸化炭素と水素の混合物）にガス化し、その後、多くの場合フィッシャー・トロプシュ合成によって液体燃料に変換する間接液化（ICL）の2つの主要なアプローチに分類できます。

石炭液化は、特に国内に石油資源を持たない国々において、歴史的に重要な役割を果たしてきた。20世紀初頭にはドイツで大規模に開発され、第二次世界大戦中は燃料供給に利用された。1950年代には、南アフリカが国営企業サソルを通じて石炭液化技術を導入し、エネルギー安全保障の強化を図った。この取り組みは今日まで続いている。近年では、中国などの国々がエネルギー需要の高まりに対応するため、石炭液化プロジェクトを拡大している。

石炭液化はエネルギー自給に貢献できる一方で、二酸化炭素排出量や水消費量が多いなど、環境面での懸念も生じている。現在進行中の研究では、効率の向上、バイオマスの活用、炭素回収技術の導入など、環境への影響を軽減するための取り組みが進められている。経済的、生態学的な課題はあるものの、石炭液化は、特に石炭埋蔵量が豊富で原油へのアクセスが限られている地域において、世界的な関心を集めている。

石炭液化はもともと20世紀初頭に開発されました。^{[ 2 ]}最もよく知られているCTLプロセスは、1920年代にカイザー・ヴィルヘルム研究所の発明者フランツ・フィッシャーとハンス・トロプシュにちなんで名付けられたフィッシャー・トロプシュ合成（FT）です。[3] FT合成は間接石炭液化（ICL）技術の基礎となっています。同じくドイツの化学者であるフリードリヒ・ベルギウスは、1913年に褐炭を合成油に変換する^{方法として直接}石炭液化（DCL）を発明しました。

石炭液化は、アドルフ・ヒトラーの1936年の4カ年計画の重要な部分であり、第二次世界大戦中はドイツ産業の不可欠な部分となった。^{[ 4 ]} 1930年代半ば、IGファルベンやルールケミーなどの企業は、石炭由来の合成燃料の工業生産を開始した。これにより、第二次世界大戦終結までに、水素化を利用した12のDCLプラントと、フィッシャー・トロプシュ合成を利用した9つのICLプラントが建設された。CTLは1940年代にドイツの航空燃料の92%と石油供給の50%以上を供給し、ナチス軍の燃料不足を部分的に緩和した。^{[ 2 ]}

DCLプラントとICLプラントは、競合するのではなく、互いに効果的に補完し合っていた。その理由は、石炭水素化では航空機や自動車用の高品質ガソリンが得られるのに対し、FT合成では主に高品質のディーゼル油、潤滑油、ワックスが生産され、少量の低品質の自動車用ガソリンも生産されるからである。また、DCLプラントの方がより発展していたのは、ドイツの多くの地域で入手可能な唯一の石炭である褐炭が、FT合成よりも水素化に適しているためである。戦後、ドイツは戦争に敗れた責任を負わされ、1945年のポツダム会談で禁止されたため、合成燃料の生産を放棄した。 ^{[ 4 ]}

1950年代、南アフリカは独自のCTL技術を開発した。南アフリカ石炭・石油・ガス公社（Sasol）は、南アフリカ政府が継続的な経済発展と自治に不可欠と考えていた工業化プロセスの一環として1950年に設立された。^{[ 5 ]}当時、南アフリカには既知の国内石油埋蔵量がなく、そのため、時期によって理由は異なるものの、外部からの供給が途絶える可能性が非常に高かった。Sasolは、外国産石油への依存度が高まる中で、国の国際収支を守るための有効な手段となった。長年にわたり、その主力製品は合成燃料であり、この事業はアパルトヘイト時代には、国内エネルギー安全保障への貢献から南アフリカ政府による手厚い保護を受けていた。^{[ 6 ]}

石炭から石油を生産する方が天然石油から生産するよりも一般的にはるかに高価であったが、この分野で可能な限り独立を達成することの政治的および経済的重要性は、あらゆる反対を克服するのに十分であった。国内外の民間資本を誘致しようとする初期の試みは失敗に終わり、石炭液化を開始できたのは国家の支援があったからに過ぎなかった。CTLは南アフリカの国民経済において引き続き重要な役割を果たし、国内燃料需要の約30%を供給した。 1990年代の南アフリカの民主化により、サソールは世界市場でより競争力のある製品を模索するようになった。新千年紀以降、同社は主に石油化学事業に注力し、フィッシャー・トロプシュ合成の専門知識を利用して天然ガスを原油に変換する取り組み（ GTL ）にも力を入れた。

具体的な液化技術は、一般的に直接液化（DCL）と間接液化（ICL）プロセスの2つのカテゴリーに分類されます。直接プロセスは、炭化、熱分解、水素化などのアプローチに基づいています。^{[ 7 ]}

間接液化プロセスでは、一般的に石炭をガス化して一酸化炭素と水素の混合物（合成ガスまたは単にシンガスと呼ばれることが多い）を生成します。フィッシャー・トロプシュ法を使用すると、シンガスは液体炭化水素に変換されます。^{[ 8 ]}

対照的に、直接液化プロセスは、水素供与性溶媒を適用して石炭の有機構造を分解することにより、中間段階に頼ることなく石炭を直接液体に変換します。多くの場合、高圧および高温下で行われます。^{[ 9 ]}液体炭化水素は一般的に石炭よりも水素-炭素モル比が高いため、ICLおよびDCL技術の両方で水素化または炭素除去プロセスのいずれかを使用する必要があります。

工業規模（つまり1日あたり数千バレル）の石炭液化プラントには、通常、数十億ドルの設備投資が必要となる。^{[ 10 ]}

水素化プロセス

石炭を水素化プロセスによって直接液体に変換する主な方法の 1 つは、1913 年にフリードリヒ・ベルギウスによって開発されたベルギウス法です。このプロセスでは、乾燥石炭をプロセスからリサイクルされた重油と混合します。通常、混合物に触媒が添加されます。反応は400 °C (752 °F)から500 °C (932 °F)の温度と 20 ～ 70 MPaの水素圧力で起こります。反応は次のように要約できます。^{[ 7 ]}     

${\displaystyle n{\ce {C}}+(n+1){\ce {H2 -> C}}{}_{n}{\ce {H}}_{2n+2}}$

第一次世界大戦後、この技術に基づくいくつかの工場がドイツに建設されました。これらの工場は第二次世界大戦中にドイツに燃料と潤滑油を供給するために広く使用されました。^{[ 13 ]}ドイツのルールコーレとVEBAによって開発されたコールオーエルプロセスは、ドイツのボトロップ に建設された日量200トンの褐炭の処理能力を持つ実証工場で使用されました。この工場は1981年から1987年まで稼働しました。このプロセスでは、石炭はリサイクル溶剤と鉄触媒と混合されます。予熱と加圧の後、H2_{が添加されます。このプロセスは、} 300バール（30 MPa、4,400 psi）の圧力と470 ℃（880 °F）の温度で管状反応器で行われます。^{[ 14 ]}このプロセスは、南アフリカのSASOLによっても研究されました。     

1970年代から1980年代にかけて、日本の企業である日本興産、住友金属工業、三菱重工業はNEDOLプロセスを開発した。このプロセスでは、石炭をリサイクル溶剤と合成鉄系触媒と混合し、予熱後にH₂を_{添加する。反応は管状反応器内で}430 ℃（810 °F）から465 ℃（870 °F）の温度、150～200バール（15～20MPa、2,200～2,900psi ）の圧力で行われる。生成される油は低品質であり、集中的な高度化処理が必要である。^{[ 14 ]}       

1963年にハイドロカーボン・リサーチ社によって開発されたH-Coalプロセスは、微粉炭を再生液、水素、触媒とともに沸騰床反応器内で混合する。このプロセスの利点は、溶解と油の高度化が単一の反応器内で行われること、生成物のH/C比が高いこと、反応時間が短いことである。一方、主な欠点は、ガス収率が高いこと（これは基本的に熱分解プロセスである）、水素消費量が多いこと、不純物のために油の使用がボイラー油に限定されることである。^{[ 11 ]}

SRC-IおよびSRC-II（溶剤精製石炭）プロセスは、ガルフオイルによって開発され、1960年代と1970年代に米国でパイロットプラントとして実施されました。^{[ 14 ]}

Nuclear Utility Services Corporation は水素化プロセスを開発し、1976 年に Wilburn C. Schroeder が特許を取得しました。このプロセスでは、乾燥させた粉砕石炭に約 1 wt% のモリブデン触媒を混合しました。^{[ 7 ]}水素化は、別のガス化炉で生成された高温高圧の合成ガスを使用して行われました。このプロセスにより、最終的に合成粗製品、ナフサ、少量の C3 _/ C4_ガス、燃料として使用するのに適した軽質～中質液体 (C5 _～ C10 ₎、少量の NH3 _、およびかなりの量の CO2 が得られ_ました。^{[ 15 ]}他の単段水素化プロセスには、Exxon ドナー溶媒プロセス、Imhausen 高圧プロセス、および Conoco 亜鉛塩化物プロセスがあります。^{[ 14 ]}

2段階直接液化プロセスもいくつか存在するが、1980年代以降は、H-Coalプロセスを改良した触媒2段階液化プロセス、ブリティッシュ・コールの液体溶媒抽出プロセス、および日本の褐炭液化プロセスのみが開発されている。^{[ 14 ]}

中国の石炭採掘会社である神華は、2002年に内モンゴル自治区オルドス市に、ディーゼル^油、液化石油ガス（LPG）、ナフサ（石油エーテル）などの液体製品を1日あたり2万バレル（3.2×10^3 m3/日）生産できる直接液化プラント（オルドスCTL ）を建設すること^を決定した。最初の試験は2008年末に実施された。2009年10月には、2回目のより長期の試験キャンペーンが開始された。2011年、神華グループは、直接液化プラントが2010年11月から継続的かつ安定的に稼働しており、2011年上半期にこのプロジェクトで税引き前利益8億元（1億2510万ドル）を上げたことを報告した。^{[ 16 ]} 

シェブロン社は、ジョエル・W・ローゼンタールが考案したシェブロン石炭液化プロセス（CCLP）と呼ばれるプロセスを開発した。^{[ 17 ]}このプロセスは、非触媒溶解装置と触媒水素化処理装置が密接に結合している点で独特である。生成された油は、他の石炭油と比較して独特の特性を持っていた。より軽く、ヘテロ原子不純物がはるかに少なかった。このプロセスは1日あたり6トンのレベルまでスケールアップされたが、商業的に実証されなかった。

一般的に、石炭液化プロセスは、ガス化プロセスや、液化反応器への必要なプロセス熱と電力投入の生成から大量の CO ₂排出を伴い、 ^{[ 10 ]}人為的な地球温暖化に寄与する温室効果ガスを放出します。これは、石炭液化が炭素回収および貯留技術なしで行われる場合に特に当てはまります。 ^{[ 21 ]} CTL プラントには技術的に実現可能な低排出構成があります。^{[ 22 ]}

水性ガスシフト反応や水蒸気メタン改質における多量の水消費は、もう一つの有害な環境影響である。^{[ 10 ]}

米国では、カリフォルニア州などで制定されている再生可能燃料基準や低炭素燃料基準は、低炭素フットプリント燃料に対する需要の高まりを反映している。また、米国の法律では、2007年のエネルギー独立安全保障法（EISA）第526条の規定により、ライフサイクル温室効果ガス排出量が従来の石油系燃料と同等以下であることが実証された代替液体燃料のみに軍が代替液体燃料を使用することを制限している。^{[ 23 ]}

米国軍は代替燃料の利用促進に積極的に取り組んでおり^{[ 24 ]}、米国内の膨大な石炭埋蔵量を活用して石炭液化によって燃料を生産することは、経済的にも安全保障的にも明らかな利点がある。しかし、石炭液化による燃料は炭素排出量が多いため、ライフサイクルGHG排出量を競争力のあるレベルまで削減するという大きな課題に直面しており、効率を高め排出量を削減するために液化技術の継続的な研究開発が求められる。研究開発には、以下のような多くの分野を追求する必要がある。

• 石炭からの液体燃料の合成と利用の両方からの排出量を相殺するための、強化石油回収と開発中のCCS方法を含む炭素回収および貯留、
• 石炭液化のための石炭/バイオマス/天然ガス原料混合物：石炭液化プロセスでカーボンニュートラルなバイオマスと水素豊富な天然ガスを共原料として利用することは、燃料製品のライフサイクルGHG排出量を競争力のある範囲に引き下げる大きな可能性を秘めている。
• 再生可能エネルギー由来の水素：石炭液化プロセスの水素需要は、風力、太陽光、バイオマスなどの再生可能エネルギー源によって供給できる可能性があり、従来の水素合成方法（蒸気メタン改質やチャーガス化など）に伴う排出量を大幅に削減し、
• 酸素製造に必要なプロセス改善としては、フィッシャー・トロプシュ法の強化、ハイブリッド液化プロセス、より効率的な空気分離技術（例えば、セラミック膜を用いた酸素分離）などが挙げられる。

2014年以来、米国エネルギー省と国防総省は、軍事仕様の液体燃料、特にジェット燃料を製造するための石炭液化分野の新たな研究開発を支援するために協力しており、これは費用対効果が高く、EISA第526条に準拠している。^{[ 25 ]}この分野で進行中のプロジェクトは、米国エネルギー省国立エネルギー技術研究所の石炭および石炭バイオマスから液体燃料へのプログラムの先進燃料合成研究開発分野で説明されている。

毎年、石炭転換分野の研究者または開発者が、業界からワールドカーボン・トゥ・X賞を受賞することで表彰されます。2016年の受賞者は、ジンダル・スチール・アンド・パワー社（インド）のガス化・CTL担当エグゼクティブディレクター、ジョナ・ピレイ氏です。2017年の受賞者は、神華寧夏石炭集団（中国）の副総経理、ヤオ・ミン博士です。^{[ 26 ]}

商業開発の観点から見ると、石炭転換は急激に加速している。^{[ 27 ]}地理的には、最も活発なプロジェクトと最近稼働を開始した事業はアジア、主に中国に位置しており、米国のプロジェクトはシェールガスとシェールオイルの開発により遅延または中止されている。

• 石炭水スラリー燃料
• バイオマスから液体へ
• シンセティック・フューエルズ・コーポレーション（現在は解散した米国の国営企業）
• 合成液体燃料プログラム
• 非在来型（石油・ガス）貯留層

• 直接液化プロセス、NETL公式サイト
• 間接液化プロセス、NETL公式サイト
• 石炭および石炭バイオマス液化プログラム、NETL公式サイト
• 石炭・鉄鋼研究基金の研究プログラム 世界の石炭液化研究開発活動のレビューと欧州におけるさらなる取り組みの必要性（2.9MB）、52ページ、2009年
• 世界の石炭液化技術公式サイトにおける石炭液化技術