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地下石炭ガス化（UCG）は、石炭を生成ガスに変換する工業プロセスです。UCGは、酸化剤と蒸気を注入して未採掘の炭層で行われる原位置ガス化プロセスです。生成ガスは、地表から掘削された生産井を通して地表に運ばれます。[ 1 ]
主な生成ガスはメタン、水素、一酸化炭素、二酸化炭素です。これらの比率は、地層圧力、石炭の深度、酸化剤バランスによって異なります。生成ガスは発電のために燃焼させることができます。あるいは、生成ガスを合成天然ガスの製造に利用したり、水素と一酸化炭素を燃料（ディーゼル油など）、肥料、爆薬、その他の製品の製造のための化学原料として使用することもできます。
この技術は、従来の採掘方法では採算が合わない、あるいは技術的に採掘が困難な石炭資源に適用できる。UCGは、一部の資源に対して従来の石炭採掘方法に代わる選択肢を提供する。環境保護活動家からは、多くの懸念が寄せられている。[ 2 ]
地下石炭ガス化のアイデアが最初に記録されたのは1868年で、ウィリアム・シーメンス卿がロンドン化学会での講演で、炭鉱の廃炭や余剰炭の地下ガス化を提案した時である。[ 3 ] [ 4 ]ロシアの化学者ドミトリ・メンデレーエフは、その後数十年にわたりシーメンスのアイデアをさらに発展させた。[ 4 ] [ 5 ]
1909年から1910年にかけて、アメリカ人エンジニアのアンソン・G・ベッツに「未採掘石炭の利用方法」に関するアメリカ、カナダ、イギリスの特許が付与された。[ 4 ] [ 5 ] UCGに関する最初の実験作業は、ノーベル賞受賞者のウィリアム・ラムゼー卿の指導の下、 1912年にイギリスのダラムで開始される予定だった。しかし、ラムゼーは第一次世界大戦が始まる前にUCGの現場作業を開始することができず、プロジェクトは中止された。[ 4 ] [ 5 ]
1913年、ラムゼイの研究はロシアの亡命者ウラジーミル・レーニンの目に留まり、彼は新聞「プラウダ」に「技術の偉大な勝利」という記事を書き、地下石炭ガス化によって炭鉱の危険な労働から労働者を解放することを約束した。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]
1928年から1939年にかけて、ソビエト連邦では国営組織ポドゼムガスによって地下試験が行われた。 [ 6 ]チャンバー方式を用いた最初の試験は、1933年3月3日にモスクワ炭田のクルートヴァ炭鉱で開始された。この試験とそれに続くいくつかの試験は失敗に終わった。最初の成功した試験は、1934年4月24日にドネツク炭田のリシチャンスクでドネツク石炭化学研究所によって実施された。[ 5 ]
最初のパイロット規模のプロセスは、1935年2月8日にドネツク盆地のホルリフカで開始されました。生産量は徐々に増加し、1937年から1938年にかけて、地元の化学工場が生産されたガスを使用し始めました。1940年には、リシチャンスクとトゥーラに実験プラントが建設されました。[ 5 ]第二次世界大戦後、ソ連の活動は1960年代初頭に5つの工業規模の地下石炭ガス化プラントの操業で頂点に達しました。しかし、その後、豊富な天然ガス資源の発見により、ソ連の活動は衰退しました。1964年、ソ連の計画は縮小されました。[ 5 ] 2004年現在ウズベキスタンのアングレンサイトとロシアのユジノアビンスクサイトのみが操業を継続した。 [ 7 ]
第二次世界大戦後、エネルギー不足とソ連の成果の普及により、西ヨーロッパと米国で新たな関心が高まった。米国では、1947年から1958年にかけてアラバマ州ゴーガスで実験が行われた。この実験はアラバマ・パワーと米国鉱山局の共同事業として実施された。ゴーガスでの実験は1953年まで7年間続いたが、米国議会が資金提供を打ち切ったため、米国鉱山局も支援を打ち切った。これらの実験では、1953年までに合計6,000トンの石炭が燃焼された。この実験では、可燃性の合成ガスの生成に成功した。[ 8 ] 1954年以降、今度は油と砂の混合物を用いた水圧破砕法で実験が再開されたが、1958年に採算が合わないとして最終的に中止された。[ 9 ] 1973年から1989年にかけて、大規模な試験が実施された。米国エネルギー省といくつかの大手石油・ガス会社がいくつかの実験を実施した。ローレンス・リバモア国立研究所は、 1976年から1979年にかけてワイオミング州キャンベル郡のホー・クリーク実験場で3回の実験を実施した。[ 4 ] [ 5 ]
リバモア研究所は、サンディア国立研究所およびラディアン社と協力して、1981～1982年にワシントン州セントラリア近郊のWIDCO鉱山で実験を行った。[ 4 ] 1979～1981年には、ワイオミング州ローリンズ近郊で急傾斜炭層の地下ガス化が実証された。このプログラムは、1986～1988年にワイオミング州ハンナ近郊で行われたロッキー山脈試験で最高潮に達した。[ 5 ] [ 7 ]
ヨーロッパでは、蒸気ボイラー方式が1948年にベルギーのボワ・ラ・ダムで、 1949年にモロッコのジェラダで試験された。 [ 7 ]掘削孔方式は、1949年から1950年にかけてイギリスのニューマン・スピニーとベイトンで試験された。数年後、1958年から1959年にかけて、ダービーシャーのニューマン・スピニーで商業パイロット計画であるP5試験の開発が初めて試みられた。[ 5 ] [ 7 ]ニューマン・スピニー計画は1957年に認可され、発電用の蒸気ボイラーと3.75MWのターボ発電機で構成されていた。 [ 10 ]国立石炭公社は1959年の夏にガス化計画を放棄した。 [ 10 ] 1960年代には、エネルギーの豊富さと原油価格の低さからヨーロッパでの作業は中断されたが、1980年代に再開された。 1981年にフランスのブリュエ＝アン＝アルトワで、1983～1984年にフランスのラ・オート・ドゥールで、1982～1985年にベルギーのチューリンで、1992～1999年にスペインのテルエル県エル・トレメダルで現地試験が実施された。[ 4 ] 1988年に欧州共同体委員会と6つの欧州諸国が欧州作業部会を結成した。[ 7 ]
ニュージーランドでは、1994年にハントリー炭田で小規模な試験が行われた。オーストラリアでは、1999年から試験が実施された。[ 7 ]中国は1980年代後半から16回の試験を含む最大規模のプログラムを実施している。[ 4 ] [ 11 ]
地下石炭ガス化は、石炭を炭層内でガスに変換する（原位置）。ガスは、未採掘の炭層に掘削された井戸を通して生成および抽出される。注入井戸は、酸化剤（空気、酸素）と蒸気を供給して、地下燃焼プロセスを着火および燃料化するために使用される。別の生産井戸は、生成ガスを地表に運ぶために使用される。[ 7 ] [ 12 ]高圧燃焼は700～900 ℃（1,290～1,650 °F）の温度で行われるが、 1,500 ℃（2,730 °F）に達することもある。[ 4 ] [ 7 ]
このプロセスは石炭を分解し、二酸化炭素（CO₂）を生成する。2 )水素(H2）、一酸化炭素（CO）およびメタン（CH4）4 ) さらに、硫黄酸化物（SO₂）x）、一窒素酸化物（NOx )、および硫化水素(H )2 S) が生成されます。 [ 7 ]炭層が燃え、周辺地域が枯渇するにつれて、注入される酸化剤の量はオペレーターによって制御されます。 [ 4 ]
地下石炭ガス化にはさまざまな設計があり、いずれも反応ゾーンに酸化剤と場合によっては蒸気を注入する手段を提供し、また生産ガスが制御された方法で地表に流れる経路も提供します。石炭は、その年代、組成、地質学的履歴によって流動抵抗が大きく異なるため、ガスを輸送するための石炭の自然な透過性は一般的に十分ではありません。石炭の高圧破砕には、水圧破砕、電気連結、逆燃焼がさまざまな程度で使用されることがあります。[ 4 ] [ 12 ]
最もシンプルな設計では、注入井と生産井の 2 つの垂直井を使用します。 2 つの井の間で通信を確立する必要がある場合があり、一般的な方法は、逆燃焼を使用して石炭内部の経路を開くことです。別の代替案は、2 つの垂直井を接続する水平井を掘削することです。[ 13 ]単純な垂直井、傾斜井、および長い偏向井を使用した UCG は、ソビエト連邦で使用されました。ソビエト連邦の UCG 技術は、Ergo Exergy によってさらに開発され、1999 ～ 2003 年に Linc の Chinchilla サイト、Majuba UCG プラント (2007 年)、および Cougar Energy のオーストラリアでの失敗した UCG パイロット (2010 年) でテストされました。
1980年代と1990年代には、ローレンス・リバモア国立研究所によってCRIP（制御された引き込みと注入点）と呼ばれる方法が開発され（特許は取得されず）、米国とスペインで実証されました。この方法は、垂直生産井と石炭層に方向掘削された延長された水平井を使用します。水平井は酸化剤と蒸気の注入に使用され、注入点は注入器を引き込むことで変更できます。[ 13 ]
Carbon Energyは、並列に2本の水平坑井を使用するシステムを最初に採用しました。このシステムでは、注入坑井と生産坑井の間の距離を一定に保ちながら、2つの坑井の間で石炭を段階的に採掘することができます。このアプローチは、坑井セットごとに最大の量の石炭にアクセスできるようにすることを目的としており、生産ガスの品質の一貫性を高めることもできます。[ 14 ]
2012年5月、開発元のPortman Energy社は、SWIFT（Single Well Integrated Flow Tubing）と呼ばれる新しい技術を発表しました。この技術では、単一の垂直井戸を使用して酸化剤の供給と合成ガスの回収の両方を行います。この設計では、単一のケーシングにチュービングストリングが収められ、不活性ガスが充填されているため、漏洩監視、腐食防止、熱伝達が可能です。石炭層に水平に掘削された一連の側方酸化剤供給ラインと、1本または複数の合成ガス回収パイプラインにより、一度に燃焼できる石炭の面積が大きくなります。開発者らは、この方法により合成ガスの生産量が従来の設計アプローチよりも最大10倍増加すると主張しています。単一井戸設計により、開発コストが大幅に削減され、設備と坑口が1箇所に集中するため、地上のアクセス道路、パイプライン、設備の設置面積が削減されます。[9] 英国特許庁は、Portman Energy社による特許出願GB2501074の全文が2013年10月16日に公開されると通知しました。
UCGプロセスには幅広い種類の石炭が適しており、褐炭から瀝青炭まで、様々なグレードの石炭をガス化することが可能だ。UCGに適した場所を選定する際には、地表条件、水文地質、岩相、石炭の量と質など、多くの要素が考慮される。CSIRO探査・鉱業部門のアンドリュー・ビース氏によると、その他の重要な基準には以下のようなものがある。
リバティ・リソーシズ社のピーター・サランズ氏によると、主な基準は以下のとおりです。
地下石炭ガス化により、他の技術では経済的に回収できない石炭資源、例えば深すぎる炭層、低品位の炭層、または薄い地層プロファイルを持つ炭層にアクセスできるようになります。[ 4 ]一部の推定では、UCG により経済的に回収可能な埋蔵量が 6,000 億トン増加するとされています。[ 17 ]ローレンス・リバモア国立研究所は、UCG により米国の回収可能な石炭埋蔵量が 300% 増加する可能性があると推定しています。[ 18 ]リバモアとLinc Energy は、UCG の設備投資と運営コストは従来の採掘よりも低いと主張しています。[ 4 ] [ 19 ]
UCG生成ガスは、複合サイクルガスタービン（CCGT）発電所の燃料として使用され、一部の研究では、発電効率が最大55%、UCG/CCGT複合プロセス効率が最大43%に達すると示唆されています。天然ガスの代わりにUCG生成ガスを使用するCCGT発電所は、微粉炭火力発電所（および関連する上流プロセス）よりも高い出力を達成でき、温室効果ガス（GHG）排出量を大幅に削減できます 。
UCG生成ガスは、以下の用途にも使用できます。
さらに、地下石炭ガス化の副産物として生成される二酸化炭素は、石油増進回収のために転用される可能性がある。
地下産出ガスは天然ガスの代替エネルギー源であり、採掘、輸送、固形廃棄物の発生を削減することでコスト削減につながる可能性がある。排出量取引、税金、その他の排出削減政策（例えば、オーストラリア政府が提案する炭素汚染削減制度）によって石炭価格が上昇すれば、期待されるコスト削減効果はさらに高まる可能性がある。
Cougar EnergyとLinc Energyは、Ergo Exergyが提供するUCG技術に基づいてオーストラリアのクイーンズランド州でパイロットプロジェクトを実施しましたが、2016年に活動が禁止されました。[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] Linc Energyの子会社であるYerostigazは、ウズベキスタンのアングレンで1日あたり約100万立方メートル（3500万立方フィート）の合成ガスを生産しています。生産された合成ガスは、アングレン発電所の燃料として使用されます。[ 26 ]
南アフリカでは、Eskom（技術提供者としてErgo Exergy ）が、商業用発電用の合成ガスを商業規模で供給する準備として、実証プラントを運営している。 [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] African Carbon Energy [ 30 ]は、フリーステート州のテウニッセン近郊で50MWの発電所の環境承認を取得しており、国内ガス供給オプションとしてUCGが指定されているDOEの独立発電事業者（IPP）ガスプログラム[ 31 ]への入札準備が整っている。
ENNは中国でパイロットプロジェクトを成功裏に実施した。
さらに、オーストラリア、イギリス、ハンガリー、パキスタン、ポーランド、ブルガリア、カナダ、アメリカ、チリ、中国、インドネシア、インド、南アフリカ、ボツワナなどの国々でプロジェクトを開発している企業もあります。[ 27 ]ゼウス開発公社によると、世界中で60以上のプロジェクトが開発中です。
採掘をなくすことで、鉱山の安全上の問題も解消される。[ 32 ]従来の石炭採掘と処理と比較して、地下石炭ガス化は地表の損傷や固形廃棄物の排出をなくし、二酸化硫黄（SO₂）の排出量を削減する。2）および窒素酸化物（NO）x ) 排出量。 [ 4 ] [ 33 ]比較のために、UCG合成ガスの灰分含有量は約10 mg/m3のに対し、従来の石炭燃焼による煙の灰分含有量は最大70 mg/m3。 [ 18 ]しかし、UCGの運転は、地表ガス化炉ほど正確に制御することはできない。変数には、水の流入速度、ガス化ゾーンにおける反応物の分布、空洞の成長速度などがある。これらは、温度測定と、生成ガスの品質と量の分析からのみ推定できる。 [ 4 ]
地盤沈下は、あらゆる形態の採掘産業で共通する問題です。UCGでは灰が空洞内に残りますが、UCG後に残る空洞の深さは、他の石炭採掘方法の場合よりも一般的に大きくなります。[ 4 ]
地下燃焼ではNOが発生するxとSO2.酸性雨を含む排出量を削減します。
大気中のCO2排出量に関して2地下石炭ガス化（UCG）の支持者は、このプロセスが地質学的炭素貯留に利点があると主張している。 [ 4 ] UCGとCCS（二酸化炭素回収・貯留CO2の一部を再注入することが可能になる。2燃焼プロセス中に生成された高浸透性の岩盤、つまり石炭があった空洞に現場で注入します。 [ 34 ]アンモニアや硫化水素などの汚染物質は、比較的低コストで生成ガスから除去できます。
しかし、2013年末の時点では、CCSはUCGプロジェクトの範囲外であったため、商業規模で成功裏に実施されたことはなく、環境上の懸念も生じていた。2014年、オーストラリアでは、クイーンズランド州のダーリングダウンズの穀倉地帯にあるチンチラ近郊のLinc Energyのパイロット地下石炭ガス化プラントに起因する深刻な環境被害の疑いで、政府が訴訟を起こした。[ 35 ] 2016年4月にUCGが禁止された際、クイーンズランド州鉱業大臣のアンソニー・リンハム博士は、「クイーンズランド州の環境と貴重な農業産業に対する潜在的なリスクは、潜在的な経済的利益をはるかに上回る。UCG活動は、クイーンズランド州でのさらなる利用に見合うものではない」と述べた。[ 25 ]
一方、2010年3月のBulletin of Atomic Sciencesの記事が指摘したように、UCGは大量の炭素排出につながる可能性がある。「炭素回収やその他の緩和技術を使用せずにさらに4兆トンの[石炭]が採掘された場合、大気中の二酸化炭素濃度は4倍になる可能性があり、その結果、世界の平均気温が5～10℃上昇する可能性がある」と記事は述べている。[ 36 ] [ 37 ]
帯水層の汚染は潜在的な環境問題です。[ 4 ] [ 38 ]地下室が廃止されない場合、ガス化後に有機物や有毒物質（フェノールなど）が地下室に残る可能性があります。サイトの廃止と修復は、UCG、石油・ガス、鉱業など、資源開発の承認における標準的な要件であり、UCG チャンバーの廃止は比較的簡単です。フェノールの浸出液は、水溶性が高く、ガス化に対する反応性が高いため、最も重大な環境リスクです。米国エネルギー省のローレンス・リバモア研究所は、ワイオミング州ホー・クリークで、非常に浅い深度で静水圧なしで初期の UCG 実験を実施しました。彼らはそのサイトを廃止せず、検査によりチャンバー内に汚染物質（発がん性物質ベンゼンを含む）があることが判明しました。その後、チャンバーは洗浄され、サイトは正常に修復されました。いくつかの研究では、これらの汚染物質の微量成分が地下水中に残留する期間は短く、地下水は2年以内に回復することが示されている。[ 33 ]それでも、規制要件に裏付けられた適切な慣行は、各チャンバーを洗浄して廃止し、UCGサイトを修復することである。
最新のUCG技術と手法は、「クリーンケーバーン」コンセプトを導入することで、地下水汚染に関連する問題などの環境上の懸念に対処すると主張している。[ 39 ]これは、運転中および廃止後に発生する蒸気によってガス化装置が自己洗浄されるプロセスである。もう1つの重要な手法は、地下ガス化装置の圧力を周囲の地下水圧より低く維持することである。圧力差により、地下水がガス化装置に継続的に流れ込み、ガス化装置からの化学物質が周囲の地層に漏れることはない。圧力は、地上の圧力弁を使用してオペレーターによって制御される。[ 39 ]
SF作家の劉慈欣は、短編小説「地中の火」の中で、地下石炭ガス化（UCG）のプロセスを主要なプロットポイントとして用いており、架空のエンジニアが中国で石炭ガス化の試験プラントを率いる様子を描いている。
「フラッキングのその先へ」、ニュー・サイエンティスト誌特集記事（フレッド・ピアース）、2014年2月15日