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水素化処理植物油（HVO）は、植物油または動物性脂肪を水素化分解または水素化することによって作られるバイオ燃料です。水素化分解は、水素を用いて大きな分子を小さな分子に分解するものであり、水素化は、分子に水素を付加することによって二重結合を除去します。これらの方法を用いて、ガソリン、ディーゼル、プロパン、灯油、その他の化学原料の代替品を作ることができます。これらの原料から生産されるディーゼル燃料は、グリーンディーゼルまたは再生可能ディーゼルと呼ばれることもあります。
水素化処理によって製造されるディーゼル燃料は、エステル化によって製造されるバイオディーゼルとは異なる。
植物油と動物油の大部分はトリグリセリドであり、精製に適しています。精製原料には「トール油、[...]スラッジパーム油、使用済み食用油[黄色グリース]、微生物油、藻類油、酵母またはカビ製品由来の油、バイオマス由来の油、菜種油、キャノーラ油、アブラナ油、ヒマワリ油、大豆油、麻の実油、オリーブ油、亜麻仁油、綿実油、マスタード油、パーム油、ピーナッツ油、ヒマシ油、ココナッツ油、カリナタ油、牛脂、獣脂、鯨油などの動物性脂肪、再生食用脂肪、遺伝子工学によって生産された原料、昆虫油、藻類や細菌などの微生物によって生産された生物学的原料。[ 1 ]： 8
ある種の藻類であるボトリオコッカス・ブラウニーは、トリテルペンと呼ばれる別の種類の油を生成し、それが別のプロセスによってアルカンに変換される。
昆虫油は、水素化処理植物油の製造原料として研究されている。この油は、昆虫の幼虫、特にアメリカミズアブ（Hermetia illucens）の幼虫から、通常は前処理として乾燥工程を経て抽出される。回収された脂質は、触媒水素化プロセスを経て、化石ディーゼルに類似した特性を持つパラフィン系燃料が製造される。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]
動物性脂肪は、水素化処理植物油の製造原料としても使用されます。これらの脂肪は、主に3つの工業的方法、すなわち乾式レンダリング、湿式レンダリング、および低温湿式レンダリングによって抽出されます。100℃（212°F）以下で脂肪を液化する低温湿式レンダリングプロセスでは、バイオ燃料の製造により適した動物性脂肪が得られます。このプロセスは熱分解を制限することで、乾式レンダリングで製造された脂肪に通常多く含まれるアミド、アミン、アンモニアなどの窒素含有化合物の生成を抑制します。これらの窒素化合物は、バイオ燃料合成の水素化処理段階で使用される触媒を毒する可能性があるため、好ましくないと考えられています。[ 5 ]
水素化処理に使用される原料には、脂肪酸エステルのエステル交換反応、または植物油や動物性脂肪に含まれる脂肪酸のエステル化によって得られるエステルも含まれる。 [ 6 ]
水素化処理された植物油の製造は、原料の脂肪または油分子に水素分子を導入することに基づいています。このプロセスは、炭素化合物の還元と関連しています。水素がトリグリセリドと反応すると、さまざまな種類の反応が起こり、さまざまな結果生成物が組み合わされます。[ 7 ]プロセスの2番目のステップでは、水素化脱酸素（酸素を水として除去）および/または脱炭酸（酸素を二酸化炭素として除去）によって、トリグリセリド/脂肪酸を炭化水素に変換します。
この定型的な例はCです3 H5 (RCOO)3 + 12H2 ⟶C3 H8 + 3RCH3 + 6H2 O
HVOディーゼルの化学式はC n H 2n+2です。
水素化処理油は、非常に優れた低温特性を特徴としています。曇り点も-40 ℃（-40 °F）以下で発生します。したがって、これらの燃料は、高セタン価と優れた低温特性を持つプレミアム燃料の製造に適しています。低温フィルター目詰まり点（CFPP）は、曇り点の値とほぼ一致するため、水素化処理油の場合、曇り点の値は重要です。[ 7 ]
HVOディーゼル（グリーンディーゼル）とバイオディーゼルはどちらも、植物油や動物性脂肪などの同じ原料から作られています。[ 8 ]しかし、これら2つの燃料の処理技術と化学組成は異なります。バイオディーゼルの製造に一般的に使用される化学反応は、エステル交換反応として知られています。[ 9 ]
バイオディーゼルの製造過程ではグリセロールも生成されるが、HVOの製造過程では生成されない。
水素化処理によって生成された再生可能な炭化水素燃料を変換する様々な段階が、エネルギー産業全体で行われています。植物油精製の商業的な例としては、以下のようなものがあります。
Nesteは最大のメーカーであり、年間約330万トン（2023年）を生産している。[ 16 ] Nesteは2007年夏に最初のNExBTLプラントを完成させ、2009年には2番目のプラントを完成させた。Petrobrasは2007年にH-Bio燃料の生産に2億5600万リットル（161万バレル）の植物油を使用する計画を立てた。ConocoPhilipsは1日あたり4万2000米ガロン（1000バレル/日）の植物油を処理している。再生可能な炭化水素とバイオ燃料の商業化と工業化に取り組んでいる他の企業には、Neste、REG Synthetic Fuels, LLC、ENI、UPM Biofuels、Diamond Green Dieselなどがあり、世界中の国々と提携している。これらの再生可能ディーゼルの製造業者は、化石ディーゼルと比較して温室効果ガス排出量を60～95%削減し[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]、寒冷地でも使用できる優れた低温流動性も報告している[ 17 ] 。さらに、これらのグリーンディーゼルはすべて、石油系ディーゼルと任意の比率で、多くの機械的変更なしに、あらゆるディーゼルエンジンやインフラに導入できる[ 20 ] 。 [ 17 ]
植物油由来の再生可能ディーゼルは、石油の代替燃料として普及が進んでいます。[21] カリフォルニア州の車両は、2017年に2億ガロン（76万立方メートル）を超える再生可能ディーゼルを使用しました。カリフォルニア州大気資源局は、今後10年間で、低炭素燃料基準の要件に基づき、州内で20億ガロン（760万立方メートル）を超える燃料が消費されると予測しています。さまざまな精製業者や原料から作られた再生可能ディーゼルで運行している車両は、排出量の削減、メンテナンスコストの削減、そしてこの燃料で運転する際のほぼ同等の体験が報告されています。[ 22 ]
HVOの持続可能性については、主にその脂質原料の調達に関して、多くの問題が提起されている。使用済み食用油などの廃油は限られた資源であり、その使用をある一定の点を超えて拡大することはできない。さらに、原料の大部分である使用済み食用油（UCO）は、すでに収集され、GHG排出量を削減するための一連の熱的および化学的プロセスで利用されている[ 23 ]。そこからUCOを取り出して化石油に置き換えても、 GHG排出量の削減にはつながらない可能性がある。
HVOのさらなる需要は作物由来のバージン植物油で満たす必要があるが、植物油が食料市場からバイオ燃料部門に転用されることは、世界的な食料価格の上昇、そして世界的な農業の拡大と集約化と関連付けられている。これはさまざまな生態学的および環境的影響と関連しており、さらに、土地利用の変化による温室効果ガスの排出は、状況によっては化石燃料の代替による利益を相殺または上回る可能性がある。[ 24 ]
国際クリーン輸送評議会が2022年に発表した調査によると、米国で予想される再生可能ディーゼル生産能力の拡大により、利用可能な廃油や残渣油の供給がすぐに枯渇し、国内産および輸入大豆油への依存度が高まることがわかった。[ 25 ]また、同報告書は、米国の再生可能ディーゼル生産の増加が、パーム油産業が依然として森林破壊や泥炭破壊と密接に関連している東南アジアでのパーム油栽培の拡大を間接的に促進するリスクがあることも指摘している。
製油所の水素化処理装置はHVOの処理に使用されます。ディーゼル水素化処理装置に微量のバイオ材料を導入すると、影響や潜在的なリスク要因が生じます。[ 26 ]主な問題は腐食、水素消費量の増加、触媒の不活性化です。[ 27 ]
ハルドール・トプソー社がライセンス供与を受けた設備での経験によると、HVOの製造は水素化処理装置にとって以下のような課題を伴う。
腐食- 植物油や動物性脂肪の水素化処理には、いくつかの腐食メカニズムがあります。ほとんどは酸性ですが、トリグリセリドやジグリセリドに結合することで酸性が緩和されます。しかし、蒸留コーン油のような扱いの難しい原料には、10～15%の遊離脂肪酸が含まれている場合があります。[ 28 ]これらの酸は、予熱トレイン、加熱炉、配管、バルブ、反応器の非ステンレス鋼を侵食する可能性があります。さらに、原料を汚染する塩化物は、反応器内で塩化水素に変換され、排出ラインや酸性水で腐食が加速される可能性があります。湿潤環境における塩化物の存在は、粒界応力塩化物割れの可能性から、一般的なステンレス鋼グレード304および316にとっても問題となります。 [ 29 ]さらに、水素化処理中の脱炭酸反応による二酸化炭素の生成は、水と接触すると炭酸を生成する可能性があります。[ 27 ]
水素消費量- 酸素を除去し、長鎖分子を分解し、オレフィン結合を飽和させると、従来のULSD水素化処理装置の2～4倍の水素が化学的に消費されます。ULSD水素化処理の化学的水素消費量は、サイクルオイルやその他の分解された原料に必要な芳香族飽和度に応じて、通常300～600 scf/bblです。[ 30 ] HVOの化学的消費量は、原料の飽和度と炭素鎖の長さに応じて、2,500 scf/bblに近づきます。[ 27 ]消費用の水素に加えて、クエンチと追加の余剰循環水素を供給すると、油圧、分配、コンプレッサー出力が重要となるため、装置の改修設計と運転に大きな課題が生じる可能性があります。[ 31 ]
汚染- アルカリ金属、特にリンは、汚染や一般的な触媒の失活による圧力低下を最小限に抑えるために、HVO原料中で低く保つ必要があります。リン脂質ガラス化は、反応器の細孔空間を塞いで急速な圧力低下を引き起こすだけでなく、触媒の外側をコーティングして他の触媒粒子に付着し始めることで、触媒の酸性サイトを妨害する、強力な触媒被毒メカニズムです。[ 27 ]
HVO処理は、他のほとんどの精製プロセスに比べて比較的新しい技術です。米国で最初の商業規模のHVOユニットは、2010年にルイジアナ州で稼働を開始し、年間1億米ガロン（38万立方メートル）の生産能力を有しています。 [ 32 ]
2010年、ルイジアナ州ガイスマーに、シントロリウム社とその合弁事業パートナーであるタイソン・フーズ社によって新設工場が建設されました。 [ 33 ]工場は第3四半期に操業を開始し、年間7500万米ガロン（28万立方メートル）を目標としていました。 [ 34 ]工場の原料は植物油と前処理されたレンダリング鶏脂でした。この工場は2011年に設計能力の87%を達成しました。[ 35 ]塩化物関連の応力腐食割れを含む腐食により、2012年に工場は1年以上停止しました。[ 36 ] タイソン社は50%の所有権をリニューアブル・エナジー・グループ（現在のシェブロン）に売却し、シントロリウム社の株式は2013年に同じ買い手によって発表され、2014年に取引が完了しました。[ 37 ] 2015年には、2度の火災により工場が被害を受け、大きな損害が発生しました。[ 38 ]
出典: [ 32 ]
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