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ガス化とは、バイオマスまたは化石燃料由来の炭素質材料を、窒素（N₂ ）、一酸化炭素（CO）、水素（H₂ ）、二酸化炭素（CO₂ ）を主成分とするガスに変換するプロセスです。これは、反応中の酸素や水蒸気の量を制御することにより、原料を高温（通常700 ℃以上）で燃焼させずに反応させることで実現されます。生成されたガス混合物は、合成ガス（syngas）または生成ガスと呼ばれ、ガスの大部分を構成するH₂とCOの可燃性のため、それ自体が燃料となります。生成されたガスを燃焼させることで電力を得ることができ、ガス化された化合物がバイオマス原料から得られた場合は、再生可能エネルギー源とみなされます。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]
ガス化の利点は、合成ガスは元の原料の直接燃焼よりも効率的である可能性があることです。これは、合成ガスをより高い温度で燃焼できるため、カルノーの法則で定義される効率の熱力学的上限が高くなるためです。合成ガスは燃料電池の水素源としても使用できますが、ほとんどのガス化システムで生成される合成ガスは、低温燃料電池での使用に適したものにするために、汚染物質や CO やCO 2などの他のガスを除去するための追加の処理と改質が必要ですが、高温固体酸化物燃料電池は、H 2、CO、CO 2、水蒸気、メタンの混合物を直接受け入れることができます。 [ 5 ]
合成ガスは、ガスエンジンで直接燃焼させたり、メタノールや水素の製造に使用したり、フィッシャー・トロプシュ法で合成燃料に変換したりするのが一般的です。一部の材料では、ガス化は埋め立てや焼却の代替手段となり、メタンや粒子状物質などの大気汚染物質の排出量を削減できます。一部のガス化プロセスは、塩化物やカリウムなどの腐食性灰分を除去することを目的としており、そうでなければ問題のある原料からクリーンなガスを生産できます。化石燃料のガス化は現在、発電のために産業規模で広く使用されています。ガス化は、燃焼よりもSO xやNO xなどの一部の汚染物質の発生量を減らすことができます。[ 6 ]
19世紀初頭から、ガス化によって工業規模でエネルギーが生産されてきた。当初は石炭と泥炭をガス化して照明や調理用の都市ガスを生産し、最初の公共街灯は1807年1月28日にロンドンのパル・モールに設置され、すぐに広まって19世紀末までほとんどの工業都市に商業用ガス照明を供給した[ 7 ] 。その後、電気照明に置き換えられた。ガス化と合成ガスは高炉で引き続き使用され、さらに重要なことに、1920年代から使用されている合成化学物質の生産にも使用されている。数千か所の現場には有毒な残留物が残された。一部の現場は修復されたが、他の現場は依然として汚染されている。[ 8 ]
両世界大戦中、特に第二次世界大戦中は、石油不足のため、ガス化によって生成される燃料の必要性が再び高まった。[ 9 ]ガソジェンまたはガゾジェンと呼ばれる木質ガス発生器は、ヨーロッパで自動車の動力源として使用された。1945年までに、トラック、バス、農業機械がガス化によって動力を得ていた。世界中で、発生ガスで走行する車両が約900万台あったと推定されている。
もう一つの例として、Xe than （ベトナム語で文字通り「石炭車」）は、ガソリンではなく石炭で走るように改造されたミニバスです。この改造は、ガソリンが不足していた補助金支給期間中にベトナムで再び人気を博しました。ガソリンが再び広く入手可能になったドイモイ時代には、 Xe thanはあまり見られなくなりました。
ガス化装置内では、炭素質材料はいくつかの異なるプロセスを経る。
本質的には、限られた量の酸素または空気を反応器に導入することで、有機物の一部を「燃焼」させて二酸化炭素とエネルギーを生成し、これがさらに有機物を水素と二酸化炭素に変換する第2の反応を促進します。生成された一酸化炭素と有機物由来の残留水が反応してメタンと過剰な二酸化炭素を生成する反応（4CO + 2H₂O → CH₄ + 3CO₂ ）がさらに起こります。この第3の反応は、反応性ガスと有機物の滞留時間、および熱と圧力を高める反応器でより多く発生します。より高度な反応器では、反応速度を向上させるために触媒が使用され、一定の滞留時間でシステムを反応平衡に近づけます。
ハイドロガス化は、石炭やバイオマスからメタン/天然ガスを生成するために酸素の代わりに水素を使用するガス化プロセスです。[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]
現在、商業利用されているガス化装置には、向流固定床、並流固定床、流動床、同伴流、プラズマ、フリーラジカルなど、いくつかの種類があります。[ 1 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]
炭素質燃料（石炭やバイオマスなど）の固定床に、「ガス化剤」（蒸気、酸素、空気など）が向流で流れる。[ 17 ]灰は乾燥状態で除去されるか、スラグとして除去される。スラグ化ガス化炉は、蒸気と炭素の比率が低く、[ 18 ]灰の融点よりも高い温度に達する。ガス化炉の性質上、燃料は高い機械的強度を持ち、理想的には非粘着性でなければならず、透過性のある床を形成する必要があるが、最近の開発によりこれらの制約はいくらか緩和されている。このタイプのガス化炉の処理量は比較的少ない。ガス出口の温度が比較的低いため、熱効率は高い。しかし、これは、通常の運転温度でタールとメタンの生成が相当量になることを意味するため、生成ガスは使用前に徹底的に浄化する必要がある。タールは反応器にリサイクルできる。
米殻などの微細で密度の低いバイオマスをガス化する場合、ファンを使って反応器に空気を送り込む必要があります。これにより、1000℃にも達する非常に高いガス化温度が生まれます。ガス化ゾーンの上部には、微細で高温の炭化物の層が形成され、ガスがこの層を通過する際に、ほとんどの複雑な炭化水素が水素と一酸化炭素の単純な成分に分解されます。[ 19 ]
向流式に似ていますが、ガス化剤ガスは燃料と並流（下向き、そのため「ダウンフロー式ガス化炉」と呼ばれます）で流れます。ベッドの上部には、少量の燃料を燃焼させるか、外部熱源から熱を加える必要があります。生成されたガスは高温でガス化炉から排出され、この熱の大部分はベッド上部に添加されたガス化剤に伝達されるため、エネルギー効率は向流式と同程度になります。この構成ではすべてのタールが高温のチャー層を通過する必要があるため、タール濃度は向流式よりもはるかに低くなります。
燃料は酸素と蒸気または空気中で流動化される。灰は乾燥状態で、または流動化が解除される重い凝集物として除去される。乾燥灰ガス化炉の温度は比較的低いため、燃料は高い反応性を持つ必要がある。低品位炭が特に適している。凝集ガス化炉は温度がやや高く、高品位炭に適している。燃料処理量は固定床式よりも高いが、噴流床式ガス化炉ほど高くはない。炭素質物質の飛散により、変換効率はかなり低くなる可能性がある。固体のリサイクルまたは後続燃焼を使用して変換率を高めることができる。流動床ガス化炉は、スラグ化ガス化炉の壁を損傷するほど腐食性の高い灰を生成する燃料に最も適している。バイオマス燃料は一般的に高濃度の腐食性灰を含む。
流動床ガス化炉は、流動化した不活性床材を使用することで、ガス化炉内部の熱とバイオマスの分布を促進します。流動化状態では、表面流速は床材を床の重量に逆らって持ち上げるのに必要な最小流動化速度よりも大きくなります。流動床ガス化炉は、気泡流動床（BFB）、循環流動床（CFB）、および二重流動床（DFB）の3種類に分類されます。
乾燥した粉末状の固体、霧状に噴霧された液体燃料、または燃料スラリーを、酸素（まれに空気）と並流させてガス化する。ガス化反応は、非常に細かい粒子の濃密な雲の中で起こる。運転温度が高く、石炭粒子同士が十分に分離しているため、ほとんどの石炭はこのタイプのガス化炉に適している。
高温高圧であるため、処理量を増やすことができますが、既存の技術ではガスを冷却してから精製する必要があるため、熱効率はやや低くなります。また、高温のため、生成ガス中にタールやメタンが含まれませんが、酸素要求量は他のタイプのガス化炉よりも高くなります。すべての同伴流式ガス化炉は、運転温度が灰の融点をはるかに上回るため、灰の大部分をスラグとして除去します。
灰のごく一部は、非常に細かい乾燥フライアッシュ、または黒色のフライアッシュスラリーとして生成されます。一部の燃料、特に特定の種類のバイオマスは、ガス化炉の外壁を保護するセラミック製の内壁を腐食させるスラグを生成することがあります。しかし、一部の同伴流式ガス化炉はセラミック製の内壁ではなく、部分的に固化したスラグで覆われた水冷式または蒸気冷式の内壁を備えています。このタイプのガス化炉は、腐食性のスラグの影響を受けません。
燃料によっては、灰の融点が非常に高いものがあります。この場合、ガス化の前に主に石灰石を燃料に混合します。少量の石灰石を加えるだけで、通常は融点を下げるのに十分です。燃料粒子は、他のタイプのガス化装置よりもはるかに小さくする必要があります。つまり、燃料を粉砕する必要があり、そのためには他のタイプのガス化装置よりもやや多くのエネルギーが必要になります。噴流床ガス化に関連するエネルギー消費の大部分は、燃料の粉砕ではなく、ガス化に使用する酸素の生成です。
プラズマガス化装置では、トーチに高電圧電流を流すことで高温のアーク放電が発生する。発生した無機残留物はガラス状の物質として回収される。
ガス化炉で使用される原料にはさまざまな種類があり、それぞれサイズ、形状、かさ密度、水分含有量、エネルギー含有量、化学組成、灰融点特性、およびこれらの特性の均質性など、異なる特性を持っています。石炭と石油コークスは、世界中の多くの大規模ガス化プラントの主要原料として使用されています。さらに、さまざまなバイオマスや廃棄物由来の原料をガス化することができ、木質ペレットやチップ、廃木材、プラスチックやアルミニウム、都市固形廃棄物（MSW）、廃棄物由来燃料（RDF）、農業廃棄物や産業廃棄物、下水汚泥、スイッチグラス、廃棄された種子トウモロコシ、トウモロコシの茎葉、その他の作物残渣などがすべて使用されています。[ 1 ]
Chemrec社は黒液のガス化プロセスを開発した。[ 21 ]
廃棄物ガス化は、焼却に比べていくつかの利点がある。
廃棄物ガス化技術における大きな課題は、許容可能な（正の）総発電効率を達成することである。合成ガスを電力に変換する効率は高いものの、廃棄物の前処理における電力消費量、大量の純酸素（ガス化剤としてよく用いられる）の消費量、およびガス浄化工程における電力消費量が大きいため、その効率は相殺される。また、実際の運用において明らかになるもう一つの課題は、プラントの稼働間隔を長くすることである。これにより、反応器の洗浄のために数か月ごとにプラントを停止する必要がなくなる。
環境保護活動家はガス化を「偽装焼却」と呼び、この技術は依然として大気質と公衆衛生に危険であると主張している。焼却炉代替案のためのグローバルアライアンスによると、「2003年以降、ガス化技術の使用を希望する廃棄物処理施設の多数の提案は、プロジェクト推進者の主張が主要な主張に対する国民と政府の精査に耐えられなかったため、最終的な運転承認を得られなかった」。[ 22 ]オタワで2009年から2011年まで稼働したある施設では、その3年間で29件の「排出事故」と13件の「流出」が発生した。また、稼働できたのは約25%の時間だけだった。[ 23 ]
いくつかの廃棄物ガス化プロセスが提案されているが、実際に建設され試験されたものは少なく、実際の廃棄物を処理するプラントとして実装されたものはごくわずかであり、ほとんどの場合、化石燃料と組み合わせて使用されている。[ 24 ]
ある工場（日本の千葉県にあり、サーモセレクトプロセス[ 25 ]を使用）は、2000年から天然ガスと精製酸素で産業廃棄物を処理しているが、このプロセスから正味のエネルギー生産がプラスになったという記録はまだない。
2007年、ゼーゲンはマサチューセッツ州ニューベッドフォードに廃棄物ガス化実証施設を建設した。この施設は、液体金属ガス化を用いて特定の非一般廃棄物ストリームのガス化を実証するために設計された。[ 26 ]この施設は、マサチューセッツ州アトルボロでの同様のプラントの計画が広範な住民の反対により棚上げされた後に建設された。[ 27 ]現在、ゼーゲンは廃業しているようで、同社のウェブサイトは2014年に閉鎖された。[ 28 ]
また米国では、2011年にPyroGenesis Canada Inc.が納入したプラズマシステムが、フロリダ州ハールバートフィールド特殊作戦軍空軍基地で都市固形廃棄物、有害廃棄物、生物医学廃棄物のガス化試験に使用された。建設費740万ドルのこのプラント[ 29 ]は、 2013年5月に閉鎖され、政府の清算オークションで売却された[ 30 ] [ 31 ]。 開始価格は25ドルだった。落札価格は非公開。
2022年12月、ネバダ州リノにシエラ・バイオ燃料工場が開設され、埋立地廃棄物を合成原油に変換した。[ 32 ]この工場は2024年に閉鎖され、所有者のフルクラム・バイオエナジー社は破産保護を申請した。[ 33 ]
合成ガスは、熱発生や機械・電気エネルギーの発電に利用できます。他の気体燃料と同様に、生成ガスは固体燃料に比べて出力レベルの制御性が高く、より効率的でクリーンな運転を実現します。
合成ガスは、液体燃料や化学薬品へのさらなる加工にも利用できる。
ガス化装置は、オーブン、炉、ボイラーなどの既存のガス燃料装置に後付けできるため、熱利用用途において柔軟な選択肢となります。これらの装置では、合成ガスが化石燃料の代替として使用される場合があります。合成ガスの発熱量は 一般的に4～10 MJ/m³程度です。
現在、工業規模のガス化は主に石炭などの化石燃料から発電するために用いられており、生成された合成ガスはガスタービンで燃焼される。また、ガス化は、統合ガス化複合発電（IGCC ）を用いて、電力、アンモニア、液体燃料（石油）の生産にも工業的に利用されており、燃料電池用のメタンや水素の生産も可能である。IGCCは、従来の技術と比較して、二酸化炭素回収の効率も高い。IGCCの実証プラントは1970年代初頭から稼働しており、1990年代に建設されたプラントの一部は現在、商業運転を開始している。
持続可能な木材資源を使用する小規模事業や建物用途では、木材からタールを含まない合成ガスを生成し、熱回収機能付き発電機に接続された往復動エンジンで燃焼させる、250～1000 kWe の新しいゼロカーボンバイオマスガス化プラントがヨーロッパに設置されている。このタイプのプラントは、しばしば木質バイオマスCHPユニットと呼ばれるが、バイオマス処理、燃料供給、ガス化、ガス浄化、廃棄物処理、発電、熱回収の7つの異なるプロセスを備えたプラントである。[ 34 ]
ディーゼルエンジンは、生成ガスを使用してデュアル燃料モードで運転できます。高負荷時には80%以上、通常の負荷変動時には70～80%のディーゼル代替を容易に達成できます。[ 35 ]火花点火エンジンと固体酸化物燃料電池は、 100%ガス化ガスで運転できます。[ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]エンジンからの機械エネルギーは、たとえば灌漑用のウォーターポンプを駆動したり、発電用のオルタネーターと接続したりするために使用できます。
小型ガス化装置は100年以上前から存在しているものの、すぐに使える装置を入手できる場所は限られていた。小型装置は通常、自作プロジェクトだった。しかし現在、米国では小型エンジンを駆動するためのガス化装置を販売する企業がいくつか存在する。
原理的には、バイオマスやプラスチック廃棄物を含むほぼすべての有機材料からガス化を進めることができます。生成された合成ガスは燃焼させることができます。あるいは、合成ガスが十分にクリーンであれば、ガスエンジン、ガスタービン、燃料電池での発電に使用したり、メタノール脱水によるジメチルエーテル（DME）への変換、サバティエ反応によるメタンへの変換、フィッシャー・トロプシュ法によるディーゼルのような合成燃料への変換に効率的に利用することもできます。多くのガス化プロセスでは、金属や鉱物などの原料の無機成分のほとんどが灰の中に残ります。一部のガス化プロセス（スラグ化ガス化）では、この灰は浸出性の低いガラス状固体の形をとりますが、スラグ化ガス化の正味発電量は少なく（場合によってはマイナス）、コストが高くなります。
最終的な燃料形態に関わらず、ガス化自体とその後の処理工程は、二酸化炭素などの温室効果ガスを直接排出したり、吸収したりすることはありません。ただし、ガス化および合成ガス変換プロセスにおける電力消費量は相当なものになる可能性があり、間接的に二酸化炭素排出を引き起こす可能性があります。スラグ化およびプラズマガス化においては、電力消費量が合成ガスからの発電量を上回る場合もあります。
合成ガスやその派生燃料の燃焼によって排出される二酸化炭素の量は、元の燃料を直接燃焼させた場合に排出される量と全く同じです。バイオマスのガス化と燃焼は、再生可能エネルギー経済において重要な役割を果たす可能性があります。なぜなら、バイオマスの生産によって、ガス化と燃焼によって排出される二酸化炭素と同じ量が大気中から除去されるからです。バイオガスやバイオディーゼルなどの他のバイオ燃料技術はカーボンニュートラルですが、ガス化は原理的に、より多様な原料で稼働でき、より多様な出力燃料を生産するために使用できます。
現在、産業規模のバイオマスガス化プラントは数少ない。スウェーデンのスヴェンリュンガでは、2008年からバイオマスガス化プラントが最大14 MWthの発電を行い、 スヴェンリュンガの産業界と市民にそれぞれプロセス蒸気と地域暖房を供給している。このガス化装置は、CCAやクレオソートを含浸させた廃木材、その他の種類の再生木材などのバイオマス燃料を使用して合成ガスを生成し、それをその場で燃焼させる。[ 39 ] [ 40 ]
実証プロジェクトの例としては、以下のようなものがあります。