水熱炭化

水熱炭化（HTC）（「高温高圧下での水性炭化」とも呼ばれる）は、有機化合物を構造化炭素に変換する化学プロセスです。これは、エネルギーを放出しながらバイオマスからさまざまなナノ構造炭素、褐炭代替品、合成ガス、液体石油前駆物質、腐植土を簡単に製造するために使用できます。技術的には、このプロセスは、自然界で5万年から5千万年という非常に長い地質学的期間にわたって起こる褐炭形成プロセス（ドイツ語の「Inkohlung」は文字通り「石炭化」）を数時間以内に模倣します。これはフリードリヒ・ベルギウスによって研究され、1913年に初めて説明されました。^[1]

有機物を燃料に変換するほとんどのプロセスの炭素効率は比較的低いです。つまり、バイオマスに含まれる炭素のうち、後で使用可能な最終製品に含まれる炭素の割合は比較的低いのです。

設計が不十分なシステムでは、使用されなかった炭素は二酸化炭素として、または発酵するとメタンとして大気中に放出されます。どちらのガスも温室効果ガスであり、メタンは分子単位では CO2 よりも気候にさらに影響を及ぼします_。さらに、これらのプロセスで放出される熱は、通常は使用されません。最新の高度なシステムでは、ほぼすべてのガスを捕捉し、その熱をプロセスの一部として、または地域暖房に使用します。

油植物からバイオディーゼルを生産する際の問題は、果実に含まれるエネルギーしか使用できないことです。植物全体を燃料生産に使用できれば、ヤナギ、ポプラ、ススキ、麻、葦、または林業などの成長の早い植物を栽培する場合、同じ栽培面積でエネルギー収量を3〜5倍に増やすことができます。同時に、エネルギー、肥料、除草剤の使用を減らし、現在のエネルギー植物栽培に痩せた土壌を使用する可能性もあります。水熱炭化により、バイオマス液体化プロセスと同様に、バイオマスに含まれる炭素のほぼすべてを燃料生成に使用することが可能になります。これは、最近ドイツでさらに開発された古い分野（バイオマスからバイオ燃料への変換）の新しいバリエーションです。 ^[2]これは、数時間にわたって希酸中のバイオマスの水溶液に中程度の 温度と圧力をかけることです。得られた物質は「炭」粉末中の炭素を100％捕捉すると報告されており、これは土壌改良のための飼料源（バイオ炭に類似）を提供する可能性があり、経済的なナノ材料生産のさらなる研究につながる可能性がある。^[3]

バイオマスは圧力容器内で水とともに180 °C (356 °F) まで加熱され、特に植物性材料（以下の反応式では、式C ₆ H ₁₂ O ₆の糖として簡略化されている）が使用される。圧力は約1メガパスカル（150 psi）まで上昇する。反応中、オキソニウムイオンも生成され、pHをpH 5以下に下げる。このステップは、少量のクエン酸を加えることで加速できる。^[4]この場合、pH値が低いほど、より多くの炭素が水相に移行します。流出反応は発熱反応であり、つまりエネルギーが放出されます。 12 時間後、反応物の炭素は完全に反応し、炭素の 90 ～ 99% は、8 ～ 20 nm の孔径を持つ多孔質褐炭球 (C ₆ H ₂ O) の水性スラッジとして固相として存在し、残りの 1 ～ 10% の炭素は水相に溶解するか、二酸化炭素に変換されます。褐炭の形成に関する反応式は次のとおりです。

${\displaystyle \mathrm {C_{6}H_{12}O_{6}} \quad \rightarrow \quad \mathrm {C_{6}H_{2}O} +\mathrm {5\ H_{2}O\ qquad \Delta H=-1.105\ \mathrm {kJ/mol} } }$

反応は、水の不完全な除去を伴う数段階で停止することができ、さまざまな中間生成物を生成します。数分後、液体の中間親油性物質が形成されますが、反応性が高いため、取り扱いが非常に困難です。その後、これらの物質は重合して泥炭のような構造が形成され、約 8 時間後に中間体として存在します。

水熱炭化の発熱反応の結果、乾燥質量に基づくバイオマスの発熱量の約3/8が放出されます（少なくとも1/4の高リグニン、樹脂および/または油分を含む）。プロセスが適切に管理されていれば、湿ったバイオマスからのこの廃熱を利用して乾燥バイオコールを製造し、変換されたエネルギーの一部をエネルギー生成に使用することが可能です。

下水汚泥の水熱炭化の大規模な技術的実施では、90%最終乾燥HTC石炭に含まれる燃料エネルギー含有量の約20%がプロセスの加熱に必要であることが示されています。さらに、生成されたエネルギー含有量の約5%がプラントの電気操作に必要です。HTCプロセスの場合、機械的脱水により、生の炭素の乾燥物質含有量の60%以上を達成できるため、石炭の最終乾燥にかかるエネルギーと設備の支出が、これらのスラリーの従来の乾燥方法と比較して低いことが特に有益であることが証明されています。^[5]

汚泥消化と乾燥とを比較すると、HTCのエネルギー必要量は、電気エネルギーで約20％、熱エネルギーで約70％低くなります。貯蔵可能な石炭としてHTCによって生成されるエネルギー量は、同時に10％高くなります。^[6]従来の下水汚泥の熱乾燥と比較すると、HTCは排水が大幅に簡単なため、62％の電気と69％の熱エネルギーを節約します。^[7]

• 発熱プロセス設計は、バイオマスのさらなる酸化なしに炭素含有量が生物学的、化学的、または熱的に変換可能なままである点で有利であり、これにより CO2 放出が特異的に削減される可能性があり_ます。
• マルクス・アントニエッティによれば、最も重要な点は「...バイオマスの迂回によって大気中の CO2 を安定かつ安全な貯蔵形態、つまり炭素吸収源に_変換する簡単な方法がある」ということです。水熱炭化、および「木炭」を作成する他の方法を使用すると、大量の炭素を世界中で適切に貯蔵できます。現在議論されている二酸化炭素の液体または気体隔離よりも基本的に安全です。石炭の十分な化学的安定性により、土壌改良にも非常に有効に使用できます ( Terra pretaも参照)。
• 人工腐植土は、侵食された表面の再緑化に使用できます。このようにして植物の成長が促進されるため、大気から追加の二酸化炭素を結合して、1を超える炭素効率、またはマイナスのCO _{2バランスを達成できます。結果として生じる炭素スラッジは、現在}ハーバード大学で研究されているように、60％の効率で新しいタイプの燃料電池を燃焼または操作するために使用できます。従来の燃料を生成するには、炭素と水の混合物をより強力に加熱する必要があり、その結果、一酸化炭素と水素のガス混合物であるいわゆる合成ガスが形成されます。

${\displaystyle \mathrm {C_{6}H_{2}O} +\mathrm {5\ H_{2}O} \quad \rightarrow \quad \mathrm {6\ CO} +\mathrm {6\ H_{2 }} }$

この合成ガスは、フィッシャー・トロプシュ法でガソリンを生産するために使用できます。あるいは、バイオマスの不完全な変換中に生成される液体中間体は、燃料やプラスチックの製造に使用できます。

• さらに、得られた炭素泥はブリケットに加工して、環境に優しい二酸化炭素中立の「天然炭素」として販売することができます。これは、出発バイオマスと比較して、より少ないエネルギー消費で沈殿濾過または圧縮を使用して乾燥することができ、体積または質量あたりのエネルギー含有量が高いため、輸送コストが削減され、必要な保管場所も小さくなります。
• 水熱炭酸化の利点は、植物バイオマスの利用可能性が水分含有量の少ない植物に限定されず、二酸化炭素を排出せずに得られるエネルギーは必要な乾燥措置によって減少せず、最終製品の乾燥に直接使用できることです。たとえば、庭や都市の緑地からの廃棄物など、ほとんど利用できない植物材料でもエネルギーを生産できます。^[8]二酸化炭素も節約されます。二酸化炭素は、バイオマスの細菌変換によって生成されるメタンとともに、気候にさらに悪影響を与える物質です。
• 近年、HTCは下水汚泥からのリン回収のための上流調整技術として適用され、より高い収量が得られるという利点がある。^[9]

• バイオマスからの合成ガス生産における問題はタールの生成であるが^[10]、これは水熱プロセス管理中に回避することができる。
• バイオマスは通常、180～350℃の温度範囲で処理され、その後バイオマスは水中に沈められ、2～6MPaの圧力下で5～240分間加熱されます。そして、温度と圧力には高いエネルギー入力が必要になります。^[11]
• 水熱炭化のもう一つの問題は、使用されるオートクレーブまたは類似の装置が非常に高価になる可能性があることです。つまり、産業、研究、およびデモンストレーションの目的以外では、HTC は通常、特に一般の人々にとって経済的に利用できません。
• 適切なプロセス管理、および蓄積されたバイオマスの収集、輸送、保管に関する問題により、HTC を使用した処理が採算が取れなくなる可能性があります。これらのプロセスにはエネルギーも必要であり、これは水熱炭化によって放出されるエネルギーよりも少なくする必要があります。

メキシコシティは、2022年に年間23,000トンの有機廃棄物を変換するための最初のHTCモジュールの建設を開始しました。このプラントはTerraNova HTCテクノロジーに基づいており、HTCプロセスにプロセス熱を供給する熱分解プラントが含まれています。^[12]

米国ペンシルベニア州フェニックスビルでは、ソマックスバイオエナジーが建設した北米初の自治体所有の廃水処理施設にHTCが使用される予定である^[13]

イタリアのメッツォコロナ（TN）では、2019年後半にCarboREM社によって国内初のHTCが建設され、既存の嫌気性消化プラント（AD）からの消化物を処理しています。ADには、地域のワイナリーや酪農場から出る汚泥が投入されます。HTCプラントからのスラリーは遠心分離機で分離され、HTC液体はADプラントに再循環されてさらにバイオガスが生成され、年間約500トンのハイドロチャーが生産されます。その後、ハイドロチャーは第3の企業によって安定化され、循環プロセスで農業に再導入するための堆肥として処理されます。

ドイツのアンクラム（メクレンブルク＝フォアポンメルン州）近郊のレルツォウでは、2017年11月中旬に「イノベーションパークフォアポンメルン」内にHTC工場が正式に開設されました。^[14] AVAは、2010年に産業レベルでHTC工場を設立した世界初の企業でもあります。^[7]

2016年夏、中国の済寧市で下水汚泥処理用のHTCプラントが稼働を開始し、地元の石炭火力発電所向けの再生可能燃料を生産している。製造業者のテラノバ・エナジーによると、このプラントは年間14,000トンの生産能力で継続的に稼働しているという。^[15]

• バイオマス
• チェルノーゼム
• 気候農業 [de] (ドイツ語のみ)
• 熱分解炭素 [de] (ドイツ語のみ)

• TerraNova Energy GmbH による商用 HTC 設置の動画 (YouTube)、2019 年 3 月 25 日取得
• Hydrothermale Carbonisierung HTC、Wayback Machineで 2017 年 2 月 2 日にアーカイブ、kompostverband.ch、2017 年 1 月 22 日閲覧。
• Max-Planck-Gesellschaft: Zauberkohle aus dem Dampfkochtopf auf mpg.de、2017 年 1 月 22 日取得。
• 高圧下での化学反応 Vorlesung von Friedrich Bergius anlässlich der Verleihung des Nobelpreises 1931、(PDF-Datei; 781 kB)、auf nobelprize.org、2017 年 1 月 22 日取得。
• Kraftstoff aus Orangen auf sueddeutsche.de、2017 年 1 月 22 日取得。
• ithaka-journal.net に関する議論に関する AVA-HTC-Reaktor に関する情報 (2017 年 1 月 22 日取得)。
• 2017年11月、レルツォウのAVA HTC工場が正式にオープン
• 2010年、AVAは世界で初めてHTC工場を工業規模で運営する企業となった。2010年
• TerraNova®ultraプロセスは、天然の石炭形成プロセスを模倣し、大幅に加速します。
• Carborem C700 工業規模連続運転プラントによる汚泥残渣の水熱炭化

• トビアス・ヘルムート・フライターグ:カルボニシエルング水熱水。 Studienarbeit、グリン、2011 年、ISBN  978-3-656-07822-7。
• XJ Cui、M. Antonietti、SH Yu:酸化鉄ナノ粒子と鉄イオンの構造的影響によるデンプンと米炭水化物の水熱炭化。In : Small。2 (6): 756–759、2006。
• SH Yu、XJ Cui、LL Li、K. Li、B. Yu、M. Antonietti、H. Colfen:デンプンから金属/炭素ハイブリッドナノ構造へ: 水熱金属触媒炭化。Advanced Materials 16 (18): 1636、2004 。