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天然ガス（化石ガス、メタンガス、または単にガスとも呼ばれる）は、主にメタン（95％）[1]と、その他の高級アルカンのさまざまな成分からなる天然に存在するガス状炭化水素の混合物です。二酸化炭素、窒素、硫化水素、ヘリウムの痕跡も通常存在します。[2]メタンは無色無臭であり、二酸化炭素に次いで地球の気候変動に2番目に大きな温室効果ガスです。 [3] [4]天然ガスは無臭であるため、漏れが容易に検出されるように、安全のためにメルカプタン（腐った卵のような臭い）などの着臭剤が一般的に添加されています。[5]
天然ガスは、有機物（主に海洋微生物）の層[6]が嫌気性条件下で分解し、数百万年にわたって地下で高熱と圧力にさらされることで形成される化石燃料です。 [7]分解した生物が光合成によって太陽から得たエネルギーは、メタンやその他の炭化水素の分子内に化学エネルギーとして蓄えられています。[8]
天然ガスは暖房、調理、 [9]、発電のために燃焼することができます。天然ガスは主にメタンで構成されているため、化学原料として使用されることはほとんどありません。
天然ガスの採掘と消費は主要産業です。熱や電気を得るために燃焼した天然ガスは、他の化石燃料やバイオマス燃料に比べて、有毒な大気汚染物質や二酸化炭素の排出量が少なく、粒子状物質もほとんど排出しません。[10]しかし、サプライチェーン全体でのガスの放出や意図しない漏洩により、天然ガスは全体的に他の化石燃料と同程度の炭素フットプリントを持つことになります。[11]
天然ガスは地下の地層に存在し、石炭や石油などの化石燃料と一緒に存在することが多い。天然ガスのほとんどは生物起源または熱起源のプロセスによって生成される。熱起源のガスは生成に非常に長い時間がかかり、地中深くで有機物が加熱され圧縮されたときに生成される。[12] [7] メタン生成生物は、主に二酸化炭素からメタンを生成する。
石油生産の過程で、天然ガスは収集されて使用されるのではなく、燃やされることがあります。天然ガスを燃料として燃やしたり、製造プロセスで使用する前に、ほとんどの場合、水などの不純物を除去する処理が必要です。この処理の副産物には、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、および高分子量の炭化水素が含まれます。硫化水素（純粋な硫黄に変換される場合があります）、二酸化炭素、水蒸気、場合によってはヘリウムと窒素も除去する必要があります。
天然ガスは、特に石油、石炭、再生可能エネルギーなどの他のエネルギー源と比較される場合、非公式に単に「ガス」と呼ばれることがあります。ただし、特に北米では、口語的に「ガス」と短縮されるガソリンと混同しないでください。 [13]
天然ガスは標準立方メートルまたは標準立方フィートで測定されます。空気と比較した密度は0.58（16.8 g/モル、1標準立方メートルあたり0.71 kg）から0.79（22.9 g/モル、1立方センチメートルあたり0.97 kg）までの範囲ですが、通常は0.64（18.5 g/モル、1立方センチメートルあたり0.78 kg）未満です。[14]比較すると、純粋なメタン（16.0425 g/モル）の密度は、空気（1標準立方メートルあたり0.678 kg）の0.5539倍です。
名前
1800年代初頭、天然ガスは、当時の主流のガス燃料である石炭ガスと区別するために「天然」と呼ばれるようになりました。[15]石炭を加熱して製造される石炭ガスとは異なり、天然ガスは天然のガス状態で地中から抽出できます。20世紀に英語圏の国々で天然ガスの使用が石炭ガスの使用を上回ると、天然ガスは単に「ガス」と呼ばれるようになりました。[16]しかし、気候危機を悪化させる天然ガスの役割を強調するために、多くの組織が天然ガスを指す際に「天然」という言葉を使い続けることを批判しています。これらの支持者は、その気候への脅威を国民に伝えるのに「化石ガス」または「メタンガス」という用語を好みます。[17] [18] [19] 2020年に行われたアメリカ人の燃料に対する認識に関する調査では、政治的な認識を問わず、「メタンガス」という用語を使用すると、その害とリスクの推定が改善されることがわかりました。[20]
歴史
天然ガスは地中から湧き出て、長時間燃える火を起こすことができる。古代ギリシャでは、キメラ山のガスの炎が火を吐く生き物キメラの伝説の一因となった。古代中国では、塩水の掘削から生じるガスが紀元前400年頃に初めて使用された。[21]中国人は、地中から染み出るガスを竹で作った粗末なパイプラインで運び、四川省の子六井地区で塩水を沸騰させて塩を抽出するために使用した。[22] [23]
天然ガスは、20世紀初頭に長距離パイプラインが開発されるまでは広く使用されていませんでした。それ以前は、ほとんどの使用は井戸の源の近くで行われ、産業革命の間、燃料や照明用のガスとして主流だったのは製造された石炭ガスでした。[24]
米国における天然ガスの歴史は、局所的な使用から始まる。17世紀、フランス人宣教師は、アメリカインディアンがエリー湖周辺の天然ガスの湧出部に火をつけるのを目撃し、1700年代を通じて東海岸全域でヨーロッパ系の入植者によってこれらの湧出部が散発的に観察された。[25] 1821年、ウィリアム・ハートは米国ニューヨーク州フレドニアで米国初の商業用天然ガス井を掘り、これが1858年のフレドニア・ガス・ライト・カンパニーの設立につながった。[26]同様の事業は他の州でも井戸の近くで行われ、1920年代以降、技術革新によって主要な長距離パイプラインの成長が可能になった。[25]
2009年までに、天然ガスの推定残存回収可能埋蔵量850,000 km 3 (200,000 cu mi)のうち、 66,000 km 3 (16,000 cu mi) (または8%) が使用されました。 [27]
出典
天然ガス
19 世紀、天然ガスは主に石油生産の副産物として得られました。抽出された流体が貯留層から地表まで圧力低下を受けると、小さくて軽いガス炭素鎖が溶液から出てきます。これは、ソフトドリンクのボトルのキャップを開けて二酸化炭素が発泡するのと似ています。天然ガスは、副産物、危険物、および活動中の油田での廃棄問題と見なされることが多かったです。生産された大量の天然ガスは、比較的高価なパイプラインと貯蔵施設が建設されて消費者市場にガスを届けるまで使用できませんでした。
20世紀初頭まで、石油に関連する天然ガスのほとんどは、油田で単に放出されるか燃やされていました。ガスの放出と生産フレアリングは現代でも行われていますが、世界中でそれらを廃止し、商業的に実行可能で有用な他の代替手段に置き換える取り組みが進行中です。[28] [29]
天然ガスは、発電用にパイプラインで輸送するほか、液化天然ガス（LNG）として輸出したり、ガス液体（GTL）技術で天然ガスを他の液体製品に変換したりすることもできる。GTL技術は、天然ガスをガソリン、ディーゼル燃料、ジェット燃料などの液体製品に変換できる。フィッシャー・トロプシュ（F-T）、メタノールからガソリン（MTG）、合成ガスからガソリンプラス（STG+）など、さまざまなGTL技術が開発されている。F -Tは合成原油を生産し、これをさらに精製して完成品にすることができる。一方、MTGは天然ガスから合成ガソリンを生産できる。STG+は、シングルループプロセスで、ドロップインガソリン、ディーゼル燃料、ジェット燃料、芳香族化学物質を天然ガスから直接生産できる。[30] 2011年、ロイヤル・ダッチ・シェルの1日あたり14万バレル（22,000 m 3 ）のF-Tプラントがカタールで稼働を開始した。[31]
天然ガスは「付随型」（油田で見つかる）と「非付随型」（天然ガス田で分離）があり、炭層でも見つかる（炭層メタン）。[32]天然ガスには、エタン、プロパン、ブタン、ペンタンなど、商業利用のために取り除かれた重質炭化水素が大量に含まれていることがある。メタンが消費者向け燃料や化学プラントの原料として販売される前に取り除かれる。二酸化炭素、窒素、ヘリウム（まれ）、硫化水素などの非炭化水素も、天然ガスを輸送する前に取り除かなければならない。[33]
油井から抽出された天然ガスは、ケーシングヘッド ガス (実際にアニュラスからケーシングヘッド出口を通って抽出されたかどうかに関係なく) または随伴ガスと呼ばれます。天然ガス業界では、酸性ガス、タイトガス、シェールガス、炭層メタンなどの難しい非従来型の 資源タイプから、ますます多くのガスを抽出しています。
どの国が最も多くのガス埋蔵量を持っているかについては意見の相違がある。ロシアが圧倒的に最大の埋蔵量を持っていると考える情報源には、米国中央情報局（47,600 km 3）[34]、米国エネルギー情報局（47,800 km 3 ） [35]、[36] 、石油輸出国機構（48,700 km 3）などがある。 [37]一方、BPはロシアの埋蔵量を32,900 km 3としており、[38]イラン（情報源によって 33,100～33,800 km 3 ）にわずかに次ぐ2位となる。
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シェールガスなどの「非在来型」ガスは約90万km3あると推定されており、そのうち18万km3は回収可能と見込まれている。[39]一方、MIT、ブラック＆ビーチ、米国エネルギー省の多くの研究では、将来的には天然ガスが発電と熱の大きな部分を占めると予測されている。[40] [より良い情報源が必要]
世界最大のガス田は、イランとカタールにまたがる沖合のサウス・パルス/ノース・ドーム・ガス・コンデンセート田である。このガス田には、51,000立方キロメートル（12,000立方マイル）の天然ガスと500億バレル（79億立方メートル）の天然ガスコンデンセートがあると推定されている。
天然ガスは純粋な製品ではないため、非随伴ガスが超臨界（圧力/温度）条件下のフィールドから抽出される際に貯留層圧力が低下すると、等温減圧時に高分子成分が部分的に凝縮することがあります。この現象を逆行凝縮といいます。このようにして形成された液体は、ガス貯留層の細孔が枯渇すると閉じ込められることがあります。この問題に対処する方法の 1 つは、地下圧力を維持し、凝縮液の再蒸発と抽出を可能にするために、凝縮液のない乾燥ガスを再注入することです。より頻繁に発生するのは、液体が地表で凝縮することであり、ガスプラントのタスクの 1 つは、この凝縮液を収集することです。結果として得られる液体は天然ガス液（NGL）と呼ばれ、商業価値があります。
シェールガス
シェールガスはシェール層から生産される天然ガスである。シェール層のマトリックス浸透性はガスを経済的な量で流すには低すぎるため、シェールガス井はガスを流すために亀裂に依存している。初期のシェールガス井はガスが流れる自然の亀裂に依存していたが、今日のシェールガス井のほとんどには水圧破砕によって人工的に作られた亀裂が必要である。2000年以降、シェールガスは米国とカナダの天然ガスの主要な供給源となっている。[41]シェールガス生産の増加により、米国は2014年に世界一の天然ガス生産国となった。[42]米国におけるシェールガスの生産は「シェールガス革命」および「21世紀の画期的な出来事の1つ」と評されている。[43]
米国での生産増加に続き、ポーランド、中国、南アフリカなどの国でもシェールガスの探査が始まっている。[44] [45] [46]中国の地質学者は、米国で生産が実証されているものとシェールが類似していることから、四川盆地をシェールガス掘削の有望なターゲットと特定している。Wei-201井からの生産量は1日あたり10,000〜20,000 m 3である。 [47] 2020年後半、中国石油天然気集団は、長寧-威源実証区で毎日2,000万立方メートルのガスを生産していると主張した。[48] [信頼できない情報源？ ]
都市ガス
都市ガスは、石炭を分解蒸留して作られる可燃性のガス燃料です。水素、一酸化炭素、メタン、その他の揮発性炭化水素などのさまざまな発熱性ガスと、少量の二酸化炭素や窒素などの非発熱性ガスが含まれており、天然ガスと同様に使用されていました。これは歴史的な技術であり、今日では他の燃料ガス源と経済的に競合することはありません。
19 世紀後半から 20 世紀初頭にかけて米国東部にあったほとんどの町の「ガスハウス」は、気密室で瀝青炭を加熱する単純な副産物コークス炉でした。石炭から放出されたガスは収集され、パイプ網を通じて住宅やその他の建物に供給され、調理や照明に使用されました (ガス暖房は 20 世紀後半まで広く普及しませんでした)。ガスハウスの炉の底に溜まったコールタール(またはアスファルト) は、屋根ふきやその他の防水目的によく使用され、砂や砂利と混ぜて道路の舗装に使用されました。
結晶化天然ガス – クラスレート
沖合の大陸棚の堆積物の下や、シベリアなどの永久凍土がある北極圏の陸上には、大量の天然ガス（主にメタン）がクラスレートの形で存在しています。ハイドレートが形成されるには、高圧と低温の組み合わせが必要です。
2013年、独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構（JOGMEC）はメタンハイドレートから商業的に価値のある量の天然ガスを回収したと発表した。[49]
処理
下の画像は、典型的な天然ガス処理プラントの概略ブロックフロー図です。原料天然ガスを最終ユーザー市場にパイプラインで送られる販売ガスに変換するために使用されるさまざまなユニットプロセスを示しています。
ブロックフロー図は、原料天然ガスの処理によって副産物の硫黄、副産物のエタン、天然ガス液（NGL）のプロパン、ブタン、天然ガソリン（ペンタン+と表記）がどのように生成されるかを示しています。[50] [51] [52] [53]
要求
2020年半ばの時点で、米国の天然ガス生産は3度ピークを迎え、現在のレベルは以前の2度のピークを上回っている。1973年には年間24.1兆立方フィートに達したが、その後減少し、2001年には24.5兆立方フィートに達した。短期間の減少の後、2006年以降はほぼ毎年採掘量が増加し（シェールガスブームによる）、2017年の生産量は33.4兆立方フィート、2019年の生産量は40.7兆立方フィートであった。2019年12月の3度目のピークの後、米国でのCOVID-19パンデミックによる需要の減少により、3月以降も採掘量は減少し続けた。[54]
2021年の世界的エネルギー危機は、世界がCOVID-19による経済不況から脱却し、特にアジアのエネルギー需要が堅調だったことによる世界的な需要の急増によって引き起こされました。[55]
保管と輸送
天然ガスは密度が低いため、貯蔵したり車両で輸送したりするのは簡単ではない。パイプライン内の摩擦でガスが熱くなるため、ガスを冷却して圧縮する必要があるため、海を越える天然ガスパイプラインは実用的ではない。米国の既存のパイプラインの多くは容量の限界に近づいており、北部の州を代表する政治家の中には潜在的な不足について話す人もいる。貿易コストが大きいため、天然ガス市場は世界的にあまり統合されておらず、国によって価格に大きな差が生じている。西ヨーロッパでは、ガスパイプラインネットワークはすでに密集している。[57] [より良い情報源が必要] [全文引用が必要]西ヨーロッパと近東または北アフリカの間で新しいパイプラインが計画または建設中である。[58]
ガスが保管中継地点で売買される際には、ガスの品質に関する規則や合意が交わされる。これには、 COの最大許容濃度が含まれる場合がある。
2、H
2SとH
2O . 通常、汚染物質を除去する処理が施された販売品質のガスは「乾燥ガス」ベースで取引され、保管移送ポイントの下流にある機器に損傷を与えたり、その動作に悪影響を与える可能性のある、不快な臭気、物質、ほこり、その他の固体または液体物質、ワックス、ガム、ガム形成成分が商業的に含まれていないことが求められます。
LNG運搬船は液化天然ガス（LNG）を海を越えて輸送しますが、タンクローリーはLNGまたは圧縮天然ガス（CNG）を短距離で輸送することができます。[59]現在開発中のCNG運搬船を使用した海上輸送は、特定の条件下ではLNG輸送と競合する可能性があります。[60]
ガスは液化プラントで液体にされ、ターミナルの再ガス化プラントでガス状に戻されます。船舶での再ガス化設備も使用されます。LNG は天然ガスの長距離大量輸送に適した形式ですが、パイプラインは陸上で最大 4,000 km (2,500 マイル) の距離、および約半分の距離の沖合輸送に適しています。
CNGは、通常 200バール(20,000 kPa、2,900 psi)を超える高圧で輸送されます。コンプレッサーと減圧装置は資本集約的ではなく、液化/再ガス化プラントよりも小規模なユニットで経済的です。天然ガス トラックと輸送業者は、天然ガスをエンド ユーザーに直接輸送したり、パイプラインなどの配送ポイントに輸送したりします。
過去には、石油を回収する過程で回収された天然ガスは利益が出るほど売れず、フレアリングと呼ばれる方法で油田で燃やされていました。フレアリングは現在多くの国で違法です。[61]さらに、過去20〜30年間の需要の高まりにより、石油関連ガスの生産は経済的に実行可能になりました。さらなる選択肢として、圧力維持や混和性または非混和性攻法による石油回収の強化のために、ガスを地層に再注入することもあります。石油関連天然ガスの保全、再注入、フレアリングは、主に市場（パイプライン）への近さや規制上の制限に依存します。
天然ガスは、他の物理的生産物への吸収を通じて間接的に輸出される。米国におけるシェールガス生産の拡大により、他の国に比べて価格が下落した。これにより、エネルギー集約型製造業の輸出が急増し、米国の製造業輸出の平均ドル単位は、1996年から2012年の間にそのエネルギー含有量がほぼ3倍になった。[62]
1970年代後半にサウジアラビアで「マスターガスシステム」が発明され、フレアリングの必要性がなくなった。しかし、衛星や近赤外線カメラの観測によると、一部の国ではフレアリング[63] [64] [65] [66]やベント[67]が依然として行われている。
天然ガスは、淡水化のための電気と熱を生成するために使用されます。同様に、メタンガスを排出するいくつかの埋立地は、メタンを回収して電気を生成するために設置されています。
天然ガスは、以前のガス井、岩塩ドームからの枯渇したガス貯留層内の地下 [地中貯蔵に関する参考資料が必要] に貯蔵されるか、または液化天然ガスとしてタンクに貯蔵されることがよくあります。ガスは需要が低いときに注入され、需要が回復したときに抽出されます。最終ユーザーの近くに貯蔵すると、不安定な需要を満たすのに役立ちますが、そのような貯蔵は常に実行可能であるとは限りません。
15カ国が世界の採掘量の84%を占めているため、天然ガスへのアクセスは国際政治の重要な問題となっており、各国はパイプラインの支配権を争っている。[68] 21世紀の最初の10年間、ロシアの国営エネルギー会社ガスプロムは、天然ガスの価格をめぐってウクライナやベラルーシと紛争を起こし、政治的な理由でヨーロッパの一部へのガス供給が停止されるのではないかとの懸念が生じている。[69]米国は天然ガスの輸出を準備している。[70]
浮体式液化天然ガス
浮体式液化天然ガス(FLNG) は、陸上の LNG 事業による開発が現状では現実的ではない環境的または経済的要因により未開発のままとなっている沖合のガス資源の開発を可能にするために設計された革新的な技術です。FLNG 技術には、次のような環境的および経済的利点も数多くあります。
- 環境 – すべての処理はガス田で行われるため、陸上までの長いパイプライン、ガスを陸上に送り出すための圧縮装置、浚渫や桟橋の建設、陸上でのLNG処理プラントの建設は必要なく、環境への影響が大幅に軽減されます。[71]建設を避けることは、海洋および沿岸環境の保護にも役立ちます。さらに、施設は改修して別の場所に再配置する前に簡単に切断して撤去できるため、廃止時の環境への影響は最小限に抑えられます。
- 経済的 – ガスを陸上に汲み上げるのに法外な費用がかかる場合、FLNGは開発を経済的に実行可能にします。その結果、東アフリカ沖合のガス田など、そうでなければ取り残されてしまう沖合ガス田を開発する新たなビジネスチャンスが各国に開かれます。[72]
多くのガス・石油会社は、浮体式液化天然ガス（FLNG）の経済的および環境的利点を検討しています。現在、5つのFLNG施設を建設するプロジェクトが進行中です。ペトロナスは、大宇造船海洋のFLNG-1 [73]が完成に近づいており、サムスン重工業のFLNG-2プロジェクト[74]が進行中です。シェルプレリュードは2017年に生産を開始する予定です。[75]ブラウズLNGプロジェクトは2019年に基本設計を開始する予定です。 [76]
用途
天然ガスは主に北半球で使用されています。北米とヨーロッパが主要な消費地です。
多くの場合、坑井ガスは、ガス中に含まれるさまざまな炭化水素分子を除去する必要があります。これらのガスには、ヘプタン、ペンタン、プロパン、およびメタン（CH）を超える分子量を持つその他の炭化水素が含まれます。
4天然ガスの送電線は、天然ガス処理プラントまたはユニットまで伸びており、そこで高分子量の炭化水素が除去され、1立方メートルあたり35～39メガジュール（1立方フィートあたり950～1,050英国熱量単位）のエネルギー含有量を持つ天然ガスが生産されます。処理された天然ガスは、その後、住宅、商業、工業用途に使用できます。
ミッドストリーム天然ガス
配電線を流れる天然ガスはミッドストリーム天然ガスと呼ばれ、コンプレッサーを回転させるエンジンの動力源としてよく使用されます。これらのコンプレッサーは、中間流の天然ガスが移動するにつれて加圧および再加圧するために、送電線で必要です。通常、天然ガス駆動エンジンは、回転銘板仕様で動作するために、35～39 MJ/m 3 (950～1,050 BTU/cu ft) の天然ガスを必要とします。[77]これらの高分子量のガスを除去して天然ガスエンジンで使用するために、いくつかの方法が使用されています。いくつかの技術は次のとおりです。
- ジュール・トムソンスキッド
- 極低温または冷却システム
- 化学 酵素学システム[77]
発電
家庭用
米国では、世帯の3分の1以上（4,000万世帯超）がガスを使って調理を行っています。[4]住宅地に供給される天然ガスは1,100℃（2,000℉）を超える温度を生み出すことができるため、強力な家庭用調理・暖房燃料となっています。[80]スタンフォード大学の科学者らは、ガスコンロは使用するガスの0.8～1.3%を未燃焼のメタンとして排出し、米国のコンロの総排出量は28.1ギガグラムであると推定しています。[4]先進国の多くでは、メタンがパイプを通じて各家庭に供給され、コンロやオーブン、暖房/冷房、屋外用およびポータブルグリル、セントラルヒーティングなど、多くの目的で使用されています。[81]家庭やその他の建物の暖房器具には、ボイラー、炉、給湯器などがあります。北米とヨーロッパはどちらも天然ガスの主要消費者です。
家庭用機器、炉、ボイラーは低圧を使用しますが、標準圧力は通常、大気圧より約1.7キロパスカル（0.25psi）高い圧力です。供給ラインの圧力は、前述の標準使用圧力（UP）または大気圧より7～800キロパスカル（1～120psi）高い高圧（EP）のいずれかになります。EPを使用するシステムには、サービス入口にUPまで下げるためのレギュレーターがあります。 [82]
建物内の天然ガス配管システムは、14～34キロパスカル（2～5psi）の圧力で設計されることが多く、必要に応じて圧力を下げるための下流圧力調整器が備わっています。米国では、建物内の天然ガス配管システムの最大許容動作圧力は、公安当局の承認がある場合や保険会社がより厳しい要件を定めている場合を除き、NFPA 54：国家燃料ガスコード[83]に基づいています。
一般に、天然ガス システムの圧力は、以下の条件がすべて満たされない限り、5 psi (34 kPa) を超えることはできません。
- AHJ はより高い圧力を許可します。
- 配管は溶接されています。(注: 2. 管轄区域によっては、連続性を確認するために溶接接合部の放射線撮影も要求される場合があります)。
- パイプは保護のために閉じられており、ガスが溜まらない換気の良い場所に設置されています。
- パイプは、工業プロセス、研究、保管、機械設備室などに使用されるエリアに設置されます。
一般的に、建物がNFPA 58:液化石油ガスコード、第7章に従って建設されている場合、最大液化石油ガス圧力20psi（140kPa）が許容されます。[84]
55 psig（3.7 bar）の圧力で作動する耐震地震弁は、敷地全体の天然ガス配管網（屋外の地下、建物の屋根の上、または天蓋屋根の上部支持部内）への天然ガスの流れを止めることができる。耐震地震弁は最大60 psigで使用するように設計されている。[85] [86]
オーストラリアでは、天然ガスはガス処理施設から送電パイプラインを経由して調整ステーションに輸送される。その後、ガスは分配圧力まで調整され、ガス本管を経由してガスネットワーク全体に分配される。ネットワークからの小さな枝はサービスと呼ばれ、個々の住宅または集合住宅をネットワークに接続する。ネットワークの圧力は通常、7 kPa（低圧）から515 kPa（高圧）の範囲である。その後、ガスは1.1 kPaまたは2.75 kPaに調整され、計測されて家庭用として消費者に渡される。[87]天然ガス本管はさまざまな材料で作られている。歴史的には鋳鉄が使われていたが、より現代的な本管は鋼鉄またはポリエチレンで作られている。
米国の一部の州では、天然ガス選択プログラムを通じて、既存のパイプライン所有者のインフラストラクチャを使用して、独立した天然ガス卸売業者/供給業者が天然ガスを供給することができます。
LPG (液化石油ガス) は、通常、屋外用およびポータブルグリルの燃料として使用されます。ただし、安価でより豊富な LPG (液化石油ガス) の既存のパイプライン システムと配送ネットワークが十分に整備されていない米国の農村地域では、同様の用途に圧縮天然ガス(CNG) がまれにしか利用できません。
交通機関
CNGは、ガソリンなどの他の自動車燃料よりもクリーンで安価な代替品です。[88] 2014年末までに、世界中で2000万台を超える天然ガス車があり、イラン（350万台）、中国（330万台）、パキスタン（280万台）、アルゼンチン（250万台）、インド（180万台）、ブラジル（180万台）がトップでした。[89]エネルギー効率はガソリンエンジンとほぼ同じですが、現代のディーゼルエンジンと比べると低くなります。天然ガスで走行するように改造されたガソリン/ガソリン車は、エンジンの圧縮比が低いため、天然ガスでの走行中に出力が低下します（10〜15％）。ただし、CNG専用エンジンでは、この燃料のオクタン価が120〜130と高いため、より高い圧縮比を使用します。[90]
CNGは道路車両だけでなく航空機にも使用できます。[91]圧縮天然ガスは、アビアット・エアクラフト・ハスキー200CNG [92]やクロマラットVX-1キティホーク[93]などの航空機で使用されています。
LNGは航空機にも使用されている。例えば、ロシアの航空機メーカーであるツポレフは、 LNGと水素を動力とする航空機を生産する開発プログラムを実行している。[94]このプログラムは1970年代半ばから実行されており、Tu-204とTu-334旅客機、およびTu-330貨物機のLNGと水素の派生型の開発を目指している。ジェット燃料とLNGの現在の市場価格に応じて、LNGを動力とする航空機の燃料は1トンあたり5,000ルーブル（100米ドル）安くなり、約60％安くなる可能性があり、一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物の排出量が大幅に削減される。[要出典]
ジェットエンジン燃料としての液体メタンの利点は、標準的な灯油混合物よりも比エネルギーが高く、低温であるためエンジンが圧縮する空気を冷却して容積効率を高めることができ、事実上インタークーラーの代わりとなることです。あるいは、排気ガスの温度を下げるためにも使用できます。[要出典]
肥料
天然ガスは、ハーバー法によるアンモニア生産の主要な原料であり、肥料生産に使用されます。 [81] [95]合成窒素肥料の開発は、世界の人口増加に大きく貢献しており 、現在、地球上のほぼ半数の人々が合成窒素肥料の使用によって食料を得ていると推定されています。[96] [97]
水素
天然ガスは水素の製造に利用することができ、一般的な方法の 1 つは水素改質器です。水素には多くの用途があり、化学産業の主要原料、水素化剤、石油精製所の重要な商品、水素自動車の燃料源となっています。
動物および魚の飼料
タンパク質を豊富に含む動物や魚の飼料は、天然ガスをメチロコッカス・カプスラタス菌に与えることで商業規模で生産されている。 [98] [99] [100]
オレフィン（アルケン）
天然ガス成分（アルカン）は、オレフィン（アルケン）や他の化学合成に変換できます。 エタンは酸化脱水素によってエチレンに変換され、エチレンはさらにエチレンオキシド、エチレングリコール、アセトアルデヒド、またはその他のオレフィンに変換できます。 プロパンは酸化水素化によってプロピレンに変換されるか、またはアクリル酸やアクリロニトリルに酸化されます。
他の
天然ガスは、織物、ガラス、鉄鋼、プラスチック、塗料、合成油などの製品の製造にも使用されています。 [101]
工業用加熱および乾燥プロセス用の燃料。
ガスから液体への変換（GTL）プロセスを使用した大規模燃料生産（例：低排出燃焼による硫黄および芳香族を含まないディーゼル燃料の生産） のための原料。
健康への影響
天然ガスを使った調理は室内の空気の質を悪化させ、喘息などの重篤な呼吸器疾患を引き起こす可能性があります。[102] [103]
環境への影響
温室効果と天然ガスの放出
気候変動への寄与因子としてますます大きくなっています。[106] [107] [108]天然 ガス自体（特にメタン）と、天然ガスが燃焼したときに放出される二酸化炭素は、どちらも温室効果ガスです。[109] [110]人間の活動は、すべてのメタン排出量 の約60％と、大気中のメタンの増加の大半を占めています。[111] [112] [113]天然ガスは、化石燃料の抽出、貯蔵、輸送、および分配中に意図的に放出されるか、または漏洩することが知られています。世界的に、メタンは人為的な温室効果ガスによる温暖化の33％を占めると推定されています。[114]都市固形廃棄物（埋立地ガスの発生源）と廃水の分解は、そのような排出量のさらに18％を占めています。 これらの推定には大きな不確実性が含まれています[115] MethaneSATで計画されているような衛星測定の改善により、近い将来に削減されるはずです。[110]
大気中に放出された後、メタンはヒドロキシラジカル（OH−
）が対流圏または成層圏で形成され、全体的な化学反応はCH
4+ 2 0
2→コー
2+ 2時間
2O . [116] [117]大気中のメタンの寿命は二酸化炭素に比べて比較的短く、[118]半減期は約7年ですが、大気中の熱を閉じ込める効率が高く、一定量のメタンは20年間で二酸化炭素の84倍、100年間で28倍の地球温暖化係数を持っています。したがって、天然ガスは、短期的にはメタンの強い放射強制力と、長期的には二酸化炭素の継続的な影響により、強力な温室効果ガスです。[113]
人為的なメタン排出を削減することで温暖化を迅速に抑制するための的を絞った取り組みは、地球規模メタンイニシアチブが支援する気候変動緩和戦略である。[114]
温室効果ガスの排出
天然ガスは精製され燃焼すると、1ジュールあたりの二酸化炭素排出量が石油よりも25～30％少なく、石炭よりも40～45％少なくなります。[119]また、他の炭化水素燃料よりも有毒な汚染物質の発生が少ない可能性があります。[119] [120]しかし、他の主要な化石燃料と比較すると、天然ガスは燃料の生産と輸送中に相対的に多くの排出量を発生させるため、ライフサイクル全体の温室効果ガス排出量は消費場所からの直接排出量よりも約50％高くなります。[121] [122]
100年間の温暖化効果の観点から見ると、天然ガスの生産と使用は人間の温室効果ガス排出量の約5分の1を占めており、この寄与は急速に増加しています。世界的に、天然ガスの使用により約78億トンのCOが排出されています。
22020年には、石炭と石油の使用によるメタン排出量はそれぞれ144億トンと120億トンに達した（フレアリングを含む）。[123] IEAは、エネルギー部門（石油、天然ガス、石炭、バイオエネルギー）が人間のメタン排出量の約40％を占めていると推定している。 [124] IPCC第6次評価報告 書によると、天然ガスの消費量は2015年から2019年の間に15％増加したのに対し、石油と石油製品の消費量は5％増加した。[125]
新しいガスパイプラインの継続的な資金調達と建設は、化石燃料由来の温室効果ガスの膨大な排出が今後40年から50年にわたって固定される可能性があることを示している。[126]米国テキサス州だけでも、5つの新しい長距離ガスパイプラインが建設中であり、最初のパイプラインは2019年に稼働し、[127]他のパイプラインは2020年から2022年に稼働する予定である。[128] : 23
インストール禁止
オランダは、温室効果ガスの排出を削減するため、2050年までに国内の全家庭で天然ガスからの移行を補助している。アムステルダムでは、2018年以降、住宅用の新規ガス口座は認められておらず、2040年までに市内のすべての住宅が、隣接する工業ビルや工場からの余剰熱を利用するように転換される予定である。[129] 米国の一部の都市では、新築住宅へのガス接続を禁止し始めており、州法が可決され、電化を義務付けるか、地域の要件を禁止するかが検討されている。[130]ニューヨーク州[131]とオーストラリア首都特別地域[132]では、ガス器具の新規接続は禁止されている。さらに、オーストラリアのビクトリア州は、ガス代替ロードマップの一環として、2024年1月1日から天然ガスの新規接続を禁止した。[133] これは、2014年にビクトリア州での陸上ガスの探査と生産の禁止につながる運動に続くものである。これは2021年に部分的に解除されたが、水圧破砕法に対する憲法上の禁止は残っている。[134]
英国政府も気候目標を達成するために代替の家庭用暖房技術の実験を行っている。[135]米国の天然ガス事業者は、事業を守るために、地方の電化条例を禁止する法律の制定を求めてロビー活動を行っており、再生可能な天然ガスと水素燃料を推進している。[136]
その他の汚染物質
天然ガスは他の化石燃料に比べて二酸化硫黄や窒素酸化物（NOx）の排出量がはるかに少ないものの、 [120]家庭で天然ガスを燃焼させることで発生するNOxは健康被害を引き起こす可能性があります。[137]
放射性核種
天然ガスの採掘では、ポロニウム（Po-210）、鉛（Pb-210）、ラドン（Rn-220）などの放射性同位元素も生成される。ラドンは、1立方メートルあたり5～20万ベクレルの初期放射能を持つガスである。ラドンは急速に崩壊してPb-210となり、ガス採掘装置内で薄膜として蓄積される可能性がある。[138]
安全上の懸念
天然ガス採掘労働者は、特有の健康と安全の課題に直面している。[139] [140]
生産
いくつかのガス田では硫化水素（H
2S）、吸入すると有毒な化合物です。酸性のガス成分を除去する工業規模のプロセスであるアミンガス処理は、天然ガスから硫化水素を除去するためによく使用されます。[141]
天然ガス（または石油）の採掘は、貯留層内の圧力低下につながります。このような圧力低下は、今度は地盤沈下、つまり上部の地面の沈下を引き起こす可能性があります。地盤沈下は、生態系、水路、下水道や給水システム、基礎などに影響を及ぼす可能性があります。[142]
水圧破砕
地下の多孔質岩層から天然ガスを放出することは、水圧破砕または「フラッキング」と呼ばれるプロセスによって達成される可能性があります。1949 年に最初の商業用水圧破砕作業が行われて以来、米国では約 100 万の井戸が水圧破砕されています。[143]水圧破砕井戸からの天然ガスの生産には、方向性掘削と水平掘削の技術開発が利用されており、これにより、タイトな岩層内の天然ガスへのアクセスが改善されました。[144 ]水圧破砕井戸からの非在来型ガスの生産は、2000 年から 2012 年の間に大幅に増加しました。[145]
水圧破砕法では、坑井作業員がさまざまな化学物質を混ぜた水を坑井ケーシングを通して岩石に押し込む。高圧水が岩石を破壊、つまり「フラッキング」し、岩石層からガスが放出される。岩石の亀裂を開いたままにしておくためのプロパントとして砂やその他の粒子が水に加えられ、ガスがケーシングに流れ込み、地表に出る。流体に化学物質が加えられると、摩擦を減らしたり腐食を抑制したりする機能を果たす。「フラッキング」の後、石油またはガスが抽出され、フラッキング流体、つまり水、化学物質、砂などの混合物の 30～70% が地表に戻る。多くのガス含有層には水も含まれており、水圧破砕井戸と非水圧破砕井戸の両方で、ガスとともに坑井から地表に流れ出る。この産出水には、層に含まれる塩分やその他の溶解鉱物が多く含まれることが多い。[146]
油井の水圧破砕に使用される水の量は、油井の水圧破砕技術によって異なります。米国では、1953年以前の垂直油井とガス井の水圧破砕あたりの平均水使用量は、垂直油井とガス井では約7,375ガロン、2000年から2010年では垂直油井とガス井では約197,000ガロン、水平ガス井では2000年から2010年では約300万ガロンと報告されています。[147]
油井の生産性にとってどの水圧破砕技術が適切かを判断することは、石油やガスを抽出する貯留岩の特性に大きく依存する。岩石が低浸透性（つまり、ガスなどの物質を通過させる能力）を特徴とする場合、その岩石はタイトガスの供給源とみなされる可能性がある。[148]現在では非在来型ガスの供給源としても知られているシェールガスの水圧破砕では、水平方向にボーリング孔を掘削し、シェール岩の側方層に到達した時点でドリルを回転させ、岩石に沿って数百フィートまたは数千フィート水平に掘削する。[149]対照的に、在来型の石油およびガスの供給源は、岩石の浸透性が高いことが特徴であり、タイトガスの生産に必要とされていたよりも強度の低い水圧破砕技術で、自然に石油またはガスを油井に流入させることができる。[150] [151]従来型および非従来型の石油・ガス生産のための掘削技術の数十年にわたる開発は、低浸透性貯留岩中の天然ガスへのアクセスを改善しただけでなく、環境と公衆衛生に重大な悪影響を及ぼした。[152] [153] [154] [155]
米国環境保護庁は、ベンゼンやエチルベンゼンなどの有毒で発がん性のある化学物質が、高容量水平破砕（HVHF）用の水と化学物質の混合物のゲル化剤として使用されていることを認めている。[156] HVHFでの水圧破砕後、井戸の表面に戻る水、化学物質、フラッキング流体（フローバックまたは生成水と呼ばれる）には、シェール岩層に自然に存在する放射性物質、重金属、天然塩、炭化水素が含まれている可能性がある。[157]井戸のオペレーターによってHVHF井戸から除去されるフラッキング化学物質、放射性物質、重金属、塩は、混合されている水から除去するのが非常に困難であり、水循環を著しく汚染するため、フローバックのほとんどは他のフラッキング作業に再利用されるか、地下深部の井戸に注入され、HVHFに必要な水が水循環から排除される。[158]
歴史的に低いガス価格は、原子力の復活と太陽熱エネルギーの開発を遅らせた。[159]
臭いが加わる
天然ガスは、無色でほとんど無臭である。米国では、1937年にテキサス州で発生したニューロンドン校の爆発事故をきっかけに、消費者がガス漏れを検知しやすくするために臭気物質の添加を義務付ける法律が制定されることになった。チオファンやtert-ブチルチオール（t-ブチルメルカプタン）などの不快な臭いのする臭気物質が添加されることがある。分析機器では検知できるにもかかわらず、通常の嗅覚を持つ観察者には臭気物質が適切に検知できないという状況が発生したことがある。これは、ある臭いが別の臭いの感覚を圧倒する臭気マスキングによって引き起こされる。2011年現在、業界では臭気マスキングの原因について調査が行われている。[160] [更新が必要]
爆発の危険
天然ガス漏れによる爆発は、年に数回発生している。個人の住宅、小規模企業、その他の建物は、内部漏れにより建物内にガスが蓄積した場合に最も頻繁に影響を受ける。漏れは、請負業者がパイプラインを掘削して打ち付けるなどの掘削作業によって発生することが多く、時には損害が発生したことを知らない場合もある。爆発の威力は建物に重大な損害を与えるが、そのまま残る場合が多い。このような場合、建物内にいた人々は軽度から中程度の怪我をする傾向がある。時折、ガスが大量に集まり、致命的な爆発を引き起こし、その過程で1つ以上の建物を破壊することがある。多くの建築基準法では、このリスクを軽減するために、現在、中空壁の内側や床板の下にガス管を設置することを禁止している。ガスは通常、屋外では容易に拡散するが、流量が高すぎると危険な量に集まることがある。[161]しかし、この燃料を使用する何千万もの建物を考慮すると、天然ガスの使用による個々のリスクは低い。
一酸化炭素吸入の危険
天然ガス暖房システムは、換気が不十分であったり、換気が不十分な場合、一酸化炭素中毒を引き起こす可能性があります。天然ガス炉の設計の改良により、一酸化炭素中毒の懸念は大幅に減少しました。一酸化炭素やメタン、プロパンなどの爆発性ガスを警告する検知器も販売されています。[162]
エネルギー含有量、統計、価格
天然ガスの量は、標準立方メートル（温度15°C（59°F）および圧力101.325kPa（14.6959psi）でのガスの立方メートル）または標準立方フィート（温度60.0°Fおよび圧力14.73psi（101.6kPa）でのガスの立方フィート）で測定され、1標準立方メートル = 35.301標準立方フィートです。商用品質の天然ガスの総燃焼熱は約39MJ/m3（0.31kWh/立方フィート）ですが、これは数パーセント変化する可能性があります。これは、密度に応じて約50〜54MJ/kgです。[164] [165]比較すると、純粋なメタンの燃焼熱は標準立方メートルあたり37.7MJ、または55.5MJ/kgです。
欧州連合、米国、カナダを除き、天然ガスはギガジュール小売単位で販売されている。LNG（液化天然ガス）とLPG（液化石油ガス）は、スポットデリバリーとしてメートルトン（1,000 kg）または百万BTU単位で取引されている。長期天然ガス配給契約は立方メートルで締結され、LNG契約はメートルトンで締結される。LNGとLPGは、ガスが極低温で液化されるため、専用の輸送船で輸送される。各LNG/LPG貨物の仕様には通常、エネルギー含有量が記載されているが、この情報は一般に公開されていない。欧州連合は、 2022年までにロシアへのガス依存を3分の2に削減することを目指していた。 [166]
2015年8月、イタリアのガス会社ENI社が、おそらく史上最大の天然ガス発見を報告した。同エネルギー会社は、地中海で約40平方マイル（100 km 2 ）の「超巨大」ガス田を発見したと発表した。これはゾフルガス田と名付けられ、30兆立方フィート（8500億立方メートル）の天然ガスを埋蔵できる可能性がある。ENI社によると、そのエネルギーは石油換算で約55億バレル（3.4 × 10 10 GJ）である。ゾフルガス田はエジプト北岸沖の深海で発見され、ENI社は地中海、さらには世界でも最大となるだろうと主張している。[167]
欧州連合
エンドユーザー向けのガス価格はEU全体で大きく異なる。[168] EUの主要目標の1つである単一の欧州エネルギー市場は、すべてのEU加盟国のガス価格を平準化するはずである。さらに、供給と地球温暖化の問題を解決するのに役立つだけでなく、[169]他の地中海諸国との関係を強化し、この地域への投資を促進するだろう。[170] カタールは、ロシアとウクライナの危機で供給が途絶えた場合に備えて、EUに緊急ガスを供給するよう米国から要請されている。[171]
アメリカ合衆国
米国の単位では、1標準立方フィート（28リットル）の天然ガスは約1,028英国熱量単位（1,085kJ）を生成します。生成された水が凝縮しない場合の実際の発熱量は正味燃焼熱であり、10％ほど少なくなることがあります。[172]
米国では、小売販売はサーム(th) 単位であることが多く、1 サーム = 100,000 BTU です。国内消費者へのガス販売は、100標準立方フィート(scf) 単位であることが多いです。ガスメーターは、使用されたガスの容積を測定し、その容積にその期間に使用されたガスのエネルギー含有量を掛けてサームに変換します。エネルギー含有量は時間の経過とともにわずかに変化します。一戸建て住宅の一般的な年間消費量は、1,000 サームまたは 1住宅顧客換算(RCE) です。卸売取引は通常、デカサーム(Dth)、1000 デカサーム (MDth)、または 100 万デカサーム (MMDth) 単位で行われます。100 万デカサームは 1 兆 BTU、およそ 10 億立方フィートの天然ガスです。
天然ガスの価格は、場所や消費者の種類によって大きく異なります。天然ガスの典型的なカロリー値は、ガスの組成によって異なりますが、1 立方フィートあたり約 1,000 BTU です。米国の天然ガスは、ニューヨーク商品取引所で先物契約として取引されています。各契約は、10,000 百万 BTU または 100 億 BTU (10,551 GJ) です。したがって、NYMEX でのガス価格が 100 万 BTU あたり 10 ドルの場合、契約の価値は 100,000 ドルになります。
カナダ
カナダは、石油化学製品の国内取引にメートル法を使用しています。したがって、天然ガスはギガジュール (GJ)、立方メートル (m 3 )、または千立方メートル (E3m3) で販売されています。配給インフラとメーターは、ほとんどの場合、メーターの容積 (立方フィートまたは立方メートル) を計測します。サスカチュワン州など、一部の管轄区域では、ガスを容積のみで販売しています。アルバータ州など、その他の管轄区域では、エネルギー含有量 (GJ) でガスを販売しています。これらの地域では、住宅および小規模商業顧客向けのほぼすべてのメーターが容積 (m 3または ft 3 ) を計測し、請求書には、容積を地元のガス供給のエネルギー含有量に変換するための乗数が含まれています。
ギガジュール(GJ) は、石油 80 リットル (0.5 バレル)、ガス 28 m 3または 1,000 立方フィート、100 万 BTU にほぼ等しい単位です。カナダのガス供給のエネルギー含有量は、ガス供給と、油井と顧客間の処理に応じて、37 ～ 43 MJ/m 3 (990 ～ 1,150 BTU/立方フィート) の範囲で変化します。
吸着天然ガス（ANG）
天然ガスは、吸着剤と呼ばれる多孔質固体に吸着させることで貯蔵することができる。メタン貯蔵の最適条件は室温および大気圧である。4 MPa（大気圧の約40倍）までの圧力で、より大きな貯蔵容量が得られる。ANGに使用される最も一般的な吸着剤は活性炭（AC）であり、主に活性炭繊維（ACF）、粉末活性炭（PAC）、および活性炭モノリスの3つの形態がある。[173]
参照
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さらに読む
- ブランチャード、チャールズ（2020年）。『抽出国家：アメリカにおける天然ガスの歴史』ピッツバーグ大学出版局。オンラインレビュー。
外部リンク
- 世界の化石燃料インフラトラッカー
- ウルゲヴァルトによる世界の石油・ガス出口リスト（GOGEL）
- メタンのポイントソースデータを備えたCarbon Mapperデータポータル