シンガス

シンガス、または合成ガスは、水素と一酸化炭素^{[ 1 ]}がさまざまな比率で混合されたものです。このガスには、二酸化炭素とメタンが少量含まれていることがよくあります。主にアンモニアやメタノールの 製造に使用されます。シンガスは可燃性で、燃料として使用できます。^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}歴史的には、ガソリンの供給が制限されたときにガソリンの代替として使用されてきました。たとえば、第二次世界大戦中、ヨーロッパでは木質ガスが自動車の動力源として使用されました（ドイツだけでも、50万台の自動車が木質ガスで走行するように製造または改造されました）。^{[ 5 ]}

合成ガスは、天然ガスまたは液体炭化水素の水蒸気改質または部分酸化、あるいは石炭ガス化によって製造される。^{[ 6 ]}

C + H ₂ O → CO + H ₂ ^{[ 1 ]}

CO + H ₂ O → CO ₂ + H ₂ ^{[ 1 ]}

C + CO ₂ → 2CO ^{[ 1 ]}

メタンの水蒸気改質は吸熱反応であり、 206 kJ/molのエネルギーを必要とする。

CH₄ + H₂O _{→ CO} + _3H₂

原理的には、バイオマスおよび関連する炭化水素原料は、廃棄物発電ガス化施設でバイオガスおよびバイオ炭を生成するために使用できるが、実際にはほとんど行われていない。 ^{[ 7 ]}生成されるガス（主にメタンと二酸化炭素）は合成ガスと呼ばれることもあるが、その組成は合成ガスとは異なる。廃棄バイオマスからの従来の合成ガス（主にH2とCO）の生成が_検討されている。^{[ 8 ] [ 9 ]}

合成ガスの化学組成は、原料とプロセスによって異なります。石炭ガス化によって生成される合成ガスは、一般的に一酸化炭素30～60%、水素25～30%、二酸化炭素5～15%、メタン0～5%の混合物です。また、他のガスも少量含まれています。^{[ 10 ]}合成ガスのエネルギー密度は天然ガスの半分以下です。^{[ 11 ]}

最初の反応は、白熱したコークスと水蒸気の間で起こり、強い吸熱反応であり、一酸化炭素（CO）と水素（H）を生成する。₂（水性ガス）。コークス層が吸熱反応が進行しなくなる温度まで冷却されると、蒸気は空気の噴射に置き換えられます。

次に、第2および第3の反応が起こり、まず発熱反応（最初に二酸化炭素が生成され、コークス層の温度が上昇する）が起こり、続いて吸熱反応（二酸化炭素が一酸化炭素に変換される）が起こります。全体の反応は発熱反応であり、「生成ガス」（旧用語）が生成されます。その後、蒸気、次に空気などを再注入することで、コークスが最終的に消費されるまで無限のサイクルが繰り返されます。生成ガスは、主に大気中の窒素による希釈のため、水性ガスに比べてエネルギー値が大幅に低くなります。希釈効果を避けるために、空気の代わりに純酸素を使用することで、はるかに高い発熱量のガスを生成できます。

この混合物からより多くの水素を生成するために、さらに水蒸気が加えられ、水性ガスシフト反応が行われます^{[ 12 ]}。

CO + _H₂O → _CO₂ + _H₂

水素は、圧力スイング吸着(PSA)、アミン洗浄、膜反応器によってCO ₂から分離できます。さまざまな代替技術が調査されていますが、商業的価値のあるものはありません。^{[ 13 ]} いくつかのバリエーションは、二酸化炭素とメタンなどの新しい化学量論^{[ 14 ] [ 15 ]}または二酸化炭素の部分水素化に焦点を当てています。他の研究は、電気分解、太陽エネルギー、マイクロ波、電気アークなどのプロセスを駆動するための新しいエネルギー源に焦点を当てています。^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}

再生可能エネルギー源から生成された電力は、高温電気分解によって二酸化炭素と水を合成ガスに処理するためにも使用されます。これは、生成プロセスでカーボンニュートラルを維持するための試みです。アウディは、サンファイアという会社と提携して、このプロセスを使用してe-ディーゼルを生成するパイロットプラントを2014年11月に開設しました。^{[ 22 ]}

メタン化されていない合成ガスは、通常、120 BTU/ scfの低い発熱量を持つ。^{[ 23 ]}未処理の合成ガスは、運転温度が低く、部品寿命が長いため、効率を高めることができるハイブリッドタービンで運転することができる。^{[ 23 ]}

合成ガスは水素源としてだけでなく燃料としても使用されます^{[ 13 ]}（燃料電池を参照）。また、鉄鉱石を直接スポンジ鉄に還元するためにも使用されます^{[ 24 ]}。化学用途としては、酢酸や多くの酢酸塩の前駆体であるメタノール の製造、フィッシャー・トロプシュ法および以前のモービル・メタノール・トゥ・ガソリン法による液体燃料および潤滑油の製造、大気中の窒素（ _{N2 ）を}肥料として使用されるアンモニアに変換するハーバー・ボッシュ法によるアンモニアの製造、および中間体アルデヒドを経由したオキソアルコールの製造などがあります。

合成ガス生産の環境への影響は、生産に使用されるエネルギー投入量、原料、および処理方法によって異なります。^{[ 25 ]}合成ガスの環境影響を評価する研究には、バイオガスベースの改質システムの評価が含まれます。これは、原料の選択とプロセス条件が排出量とシステム全体の効率にどのように影響するかを調べます。^{[ 26 ]}化石燃料ベースのエネルギー源に依存する生産方法は、一般的に排出量が多いと関連付けられています。これらをバイオマスまたは再生可能電力と比較すると、比較した場合、排出量が多くなります。^{[ 25 ]}報告された結果は、分析に適用される土地利用、サプライチェーンの投入量、およびシステム境界などの多くの要因に依存します。^{[ 25 ]}

合成ガス生産のライフサイクル評価では、エネルギー需要、資源利用、大気汚染物質排出量などの追加の環境指標も検討されています。^{[ 27 ]}いくつかの研究では、原料抽出や輸送などの上流活動が全体的な環境負荷に寄与する可能性があることが強調されています。^{[ 27 ]}その結果、さまざまな合成ガス生産システムの比較的な持続可能性は、技術構成、地域のエネルギーミックス、システムの効率に依存することがよくあります。^{[ 28 ]}これらの知見は、環境性能はすべての合成ガスシステムで異なる可能性があるが、特定の生産経路内で評価する必要があることを示唆しています。

• 「下水処理場、合成ガス試験で成功の兆し」ARENA、2020年12月6日アクセス
• フィッシャー・トロプシュアーカイブ
• https://www.technologyreview.com/s/508051/a-cheap-trick-enables-energy-efficient-carbon-capture/