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新DE燃料として、実用化段階に近付いているGTL(Gas to Liquids) |
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以下は、軽油代替あるいは軽油と混合使用する燃料として実用化可能性が高まっているGTL (Gas to Liquids)、国土交通省が専用車開発を開始したバイオディーゼル燃料、石油代替燃料ではないがPMとNOx削減効果の大きさが欧米で再評価されつつあるエマルジョン燃料をめぐる最近動向である。 ■実用化実験が相次いでいるGTL、プラント計画もカタールを中心に日量150万バーレル規模 ディーゼルエンジンのPM排出が多い要因のひとつは、燃料に含まれる硫黄の量が多いことであった。硫黄はPMの原因であるだけでなく、DPF(Diesel Particulate Filter)に付着した煤を酸化するための触媒も劣化させる。ディーゼル燃料としては硫黄を含まないことが望ましく、日本においては低硫黄軽油(50ppm以下)の供給が03年4月に始まり、05年1月には超低硫黄軽油(10ppm)も導入予定である。 硫黄をほとんど含まない液体燃料として、天然ガスを原料として作られるGTL (Gas to Liquid) があり、その実用化試験も始まっている。自動車メーカーも、既にVWがGolf、DaimlerChrysler(EvoBus)がBus、トヨタがAvensisで、Shellと共同走行実験を行った。 なお、石炭や天然ガスから製造するDME (ジメチルエーテル) やメタノール等も広義のGTLであるが、以下では主として天然ガスを原料として製造する合成軽油のGTLを対象とする(GTLは石炭や木片等のバイオマス資源からも製造可能だが、商用化プラントのほとんどは天然ガス原料で計画されている)。 ■ディーゼル排ガスのクリーン化に適した特性の GTL、既存の燃料インフラでも使用可能 炭素と水素が化合した炭化水素は(CnHm:nは炭素原子、mは水素原子の数)、nの値が5を超えると常温常圧でも液体であるが、4以下では気体である。クリーンエネルギーとされている天然ガスの主成分メタン(CH4)は、常温では気体であり、輸送や使用には圧縮するか(CNG)、液化する(LNG)必要があり、耐圧容器や冷却設備を必要とする。 天然ガスから作られる液体燃料であるGTLは輸送や使用が簡単なだけでなく、硫黄をほとんど含まず、ベンゼンやナフタレンなどの芳香族炭化水素もほとんど含まない。
芳香族炭化水素は、熱安定性が高くガソリンエンジンでノッキングを起こさない燃料として優れているが、着火性には劣り、ディーゼル燃料成分としては望ましくない。また、PM生成が増加する要因でもある。このため、芳香族をほとんど含まないGTLは、ディーゼル燃料としての条件に優れている。 GTLは、芳香族をほとんど含まないことに加えて、主成分が直鎖系炭化水素のため、着火性が高い。着火性の指標であるセタン価は約80で、一般的なディーゼル軽油の45~50に比べて非常に優れている。従って、ディーゼルエンジンの熱効率を現状よりもさらに高めることが可能とされている、低圧縮比ディーゼルエンジンに必要となる低温始動性にも優れ、将来のディーゼル燃料としての可能性を高めている。
ただし、GMが01年に発表したWell to Wheel評価によれば、GTL等のFischer-Tropsch法で生成するディーゼル燃料 (FTD) は、現時点の技術では、石油精製したディーゼル燃料より、地球温暖化ガスであるCO2排出量が多くなる。液体燃料の製造と輸送に多くのエネルギーを必要とするためである。しかしGTL生産技術の改善や、GTLの特性を活かしきるエンジン開発が出来れば、CO2排出でも現在の軽油同等のWell to Wheel 評価に達する可能性があるとされている。 供給量とコストを別にすると、自動車への実用化にあたっての課題は、潤滑性、低温流動性、容量燃費、シール適合性 (FTD燃料による浸潤では、ゴムの物性変化が少ないとされる。ゴムが膨潤しないことで、経年車での燃料シールが不十分になり易い) 等とされている。 なお、GTLと共に実用化開発が進行しているDMEは、常温では気体だが、6気圧以上または-25℃以下で液化する。セタン価が高く、PM発生も少ないが、熱量の不足を補うため軽油使用の場合よりも数倍のポンプ容量が必要などエンジン側の課題が多い。ディーゼル車燃料として使うには、漏れや圧縮性などの面でも課題が多く、新たな燃料供給インフラの整備も必要となる。このため、発電機等の定置型機器燃料やLPG代替燃料への利用が望ましいとする評価がある。ただし長期的には、燃料電池車の水素供給燃料としての可能性があるとされている。
■ GTLの量産技術を確立したRoyal Dutch/Shell Shellグループは、天然ガスからGTLを製造する技術である SMDS(Shell Middle Distillate Synthesis) を確立し、93年からマレーシアに世界初の商業用GTLプラントを稼動させ(石油調達難のため政策的にGTLを導入した南アフリカを除くと世界唯一の商業用プラントで、最大生産能力は日量1.2万バーレル)、20ヶ国以上に製品供給している。現時点での自動車分野における主用途のひとつは、排出ガス規制が厳しい地域のディーゼル燃料への添加燃料である。 ShellはGTLの今後の需要拡大を予測して、03年10月、カタールに世界最大規模のGTLプラントを建設すると発表した。投資規模は50億ドル、2008~09年には第1段階の操業を開始して日量7万バレル、最終的には14万バーレルのGTLを生産する計画。Shellは、イラン、エジプト、インドネシア、トリニダード等でもGTLプラント建設を計画しており、計画合計は日量45万バーレル規模に達する。 その他の石油会社も、カタール、トリニダード、アラスカを中心にGTLプラント建設を計画しており、Shellを含めて、計画最大日量は150万バーレル規模に達している。 ■ PMとNOxを同時削減するトヨタD-CATシステムの条件を満たすGTL トヨタ自動車は、排出ガス中に酸素が高濃度で存在するディーゼルエンジンでは実現が困難とされていたNOxの還元を可能とする排出ガス対策システムDPNR (Diesel Particulate - NOx Reduction system) を開発し、それに燃料噴射システムを統合したD-CAT (Diesel Clean Advanced Technology) を搭載したモデルの販売を開始している。 その作動メカニズムは以下。 DPNRのモノリス触媒で、NOxとPMが捕捉される。しかし、ディーゼルエンジンの通常の運転状態では排出ガス中の酸素濃度が高く、触媒作用があってもNOxは還元されず、PMも温度が低く酸化されない。そこでNOxとPMの蓄積状況を見計らってD-CATシステムの排気燃料添加装置から燃料を噴射し、排出ガス中の酸素濃度をゼロにすると、NOxが還元されて窒素(N2)となる。また温度が上昇することによりPMの主成分である炭素(C)も酸素と反応して二酸化炭素(CO2)となる。 トヨタはDPNRの触媒機能を発揮させるためには低硫黄軽油(50ppm以下)が必要で、効果を最大限発揮するためには超低硫黄軽油(10ppm以下)が必要としている。GTLは硫黄をほとんど含まず、D-CATにとって理想的な燃料としての条件を備えている。 ■ トヨタとShell、D-CATを搭載したAvensis 10台のGTL走行実験を英国で実施 トヨタ自動車は04年7月6日、Shell Gas & Power社と共同で、Shellが開発したGTL軽油と、トヨタが開発したディーゼル排出ガス浄化システムD-CATを搭載した Avensis 10台を用いた実車走行実験 Driving Tomorrow's Clean Technologyを、ロンドンで開始することを発表した。 主たる実験目的は、①何らかの改造や投資を行うことなく、現在のディーゼル車のエンジンに、GTLが使用可能であることを検証する、②D-CAT搭載のAvensisのような先進クリーンディーゼル車に使用した場合には、性能を犠牲にすることなく、排出ガスを著しく改善できることを検証する。 04年10月には、3ヶ月間の実験走行を終えたトヨタと、日野自動車、昭和シェル石油が、GTLとディーゼルエンジンの組合せを最適化する共同研究を日本で開始した。
■トヨタ・日野・昭和シェル石油が、GTL と DE の組合せ最適化を共同研究
資料:トヨタ広報資料 ( 04.10.1) ■VW も 03年に、Shell と共同で GTL 走行実験
資料:昭和シェル石油広報資料 ( 03.5.12) ■Shell が実施した、その他の多様な GTL 走行実験
資料:http://www.shell.com ■国土交通省が専用車開発を開始したバイオディーゼル燃料、排ガス性能目標は規制値の1/2 地球のCO2を増加させないバイオマス燃料も、限定的な範囲で、使用が拡大する動きがある。バイオマス燃料は、化石燃料を除いた、再生可能な生物由来の有機性資源から製造される。バイオマス燃料の燃焼で放出されるCO2は、生物の成長過程で光合成により大気中から吸収したCO2であるため、ライフサイクルの中では大気中のCO2を増加させないカーボンニュートラルとみなされている。 バイオマス燃料のうち、自動車に使用されている代表がバイオマスエタノールで、ブラジルと米国を中心に使用され、ASEAN各国でも使用拡大の動きがある。日本でも03年8月に、ガソリンへのエタノールの混合上限を3% とする規格が制定され、自治体の一部で公用車に利用するなどの動きがある (混合できるのはバイオマスエタノールだけでなく、化石燃料等から製造するエタノールも含む)。 エタノールはほとんどの場合ガソリンエンジンに使用され、ディーゼルエンジンにはバイオマス由来の油脂(日本では廃食用油や菜種油など)をメチルエステル化した脂肪酸メチルエステル(FAME)が使用され、バイオディーゼル燃料(BDF)と呼ばれている。ドイツ、フランス、イタリアの3カ国を中心に、欧州での使用量が多い。 日本では、一部の自治体や生協等で、廃食用油を回収して、公営バスやゴミ収集車等の燃料に使用している。多くは、廃食用油回収をボランティアに依存する小規模な取組で、廃食用油回収によって湖沼・河川の汚染や下水処理負担を小さくする狙い、休耕田や耕作放棄農地に菜種を栽培して地域の環境保全を図る取組(その一部は、菜の花プロジェクトとして日本全国に拡がっている)など、生活環境を保全する目的も大きい(欧米でのバイオマス燃料使用も農業保護の狙いが含まれている)。 こうした状況ではあるが、国土交通省は04年度から、燃費と出力が既存ディーゼル車と同等で、PMとNOx排出は規制値の1/2以下の性能を目的に、バイオマス燃料対応ディーゼル車開発を開始した。その成果によっては、日本でもバイオディーゼル燃料の使用が拡大する可能性がある。 ■国土交通省が、バイオマス燃料対応自動車開発を開始
■バイオマス燃料対応自動車の国土交通省開発目標
資料:国土交通省広報資料 (04.6.28) しかし、経済産業省の燃料政策小委員会が04年7月に発表した第2次中間報告によれば、最近年の日本のBDF生産量は年5,000KL。廃食用油全量を回収し、休耕地等の全てで菜種栽培した場合でも、日本で生産可能なBDFは年100万KLで、現在の軽油消費量の2.5%にとどまり、生産コストも現在の軽油の税抜き価格を大幅に上回る。 BDF輸入の可能性も、マレーシアとインドネシアからのパーム油BDFに限定され、コストはやはり軽油を上回るとしている。日本でのBDF使用の大幅な拡大には、いずれも厳しい条件であるが、CO2の総排出量を一定範囲にとどめるためのコストや、生活環境保全への効果をどう評価するかによって、あるいは原油価格の長期動向によっては、日本でもBDF使用量が拡大する可能性が残っている。 ■日本でのバイオディーゼル燃料
■日本でのBDF生産は最大ポテンシャルで年間 100万KL、軽油消費量の 2.5%
■輸入可能性はマレーシアとインドネシアからのパーム油 BDF
■誰でも使用可能なBDF
資料:経済産業省 「燃料政策小委員会の第2次中間報告(04年7月)」、その他 ■水を混合するエマルジョン燃料も欧米で再評価、米国CARB認証も相次いで取得 GTLやバイオマス燃料のような石油代替燃料ではないが、エマルジョン燃料も新たなディーゼル燃料として欧米で認知されつつある。 互いに溶け合わない2種類の液体を激しく攪拌すると、一方が微粒子となり、他方の液体の中に分散する。この過程が乳化(emulsification)である。混ざり合わないものの代表である水と油も乳化するが、時間経過とともに水と油に再分離する。しかし少量の乳化剤を入れると再分離を防ぐことができる。このようにして作られた水と油の混合燃料がエマルジョン燃料 (emulsified fuels) である。 エマルジョン燃料が燃焼を改善することが古くから経験的に知られており、ディーゼル燃料に水を加えることも1900年代初頭から行われてきた。73年の第一次オイルショック後にも一時期、盛んに研究された。しかし、原油価格が安値安定して、燃料節減効果よりもエマルジョン燃料化のコストが大きくなり、開発・普及は進まなかった。 その後、1990年代初頭に米国のベンチャー企業A-55(現Clean Fuel Technology)がCaterpillarの協力を得てエマルジョン燃料の研究開発を開始、大手石油会社の一部も参入して、欧州では税制優遇措置やエンジンメーカーからのエマルジョン燃料使用許可が得られるレベルにまで普及、エマルジョン燃料の技術標準制定作業も開始された。米国カリフォルニア州大気資源局(CARB)からNOx・PM低減効果の認証も得るに至っている。 エマルジョン燃料が、ディーゼル燃料として見直されている理由は、①PMとNOxを同時に削減することができ、②そのためのエンジン改造を必要とせず、③既存の保有車両にも有効、等のためである。 ■エマルジョン燃料による燃焼改善のメカニズム エマルジョン燃料をディーゼルエンジンで使用すると、PMとNOxの排出量が減るだけでなく、水を除いた正味の燃料基準で、燃費も5~10%改善するとされている。エマルジョン燃料による燃焼改善のメカニズムは十分には解明されていないが、次のように考えられている。 ①PMの削減効果 ②NOx削減効果 ③燃費改善効果 ■エマルジョン燃料再評価の契機となったA-55社の開発、大手石油メーカーも参入 エマルジョン燃料への関心を再び高めたのは、Caterpillarの協力を得て、水の含有率55%のエマルジョン燃料でディーゼルエンジンを運転する技術を93年に発表した米国のA-55(現Clean Fuel Technology)である。その後、フランスの石油大手TOTAL等もこの分野に参入し、新しい燃料カテゴリーになろうとしている。 ■欧米におけるエマルジョン燃料の製造メーカー概要
■NOxとPM削減効果について、エマルジョン燃料メーカー3社が取得した米国CARB認証
■Clean Fuel Technology:自動車用エマルジョン燃料のパイオニア Clean Fuel Technologyは米国ネバダ州のベンチャー企業で、自動車用エマルジョン燃料開発のパイオニア。旧社名はA-55で、当初は水含有量55%で、油が微粒化して水中に分散した水中油滴型(Oil in Water Type)エマルジョン燃料開発を進めた。その後、水含有量13%(体積比)で、水が微粒化して油中に分散した油中水滴型(Water in Oil Type)を開発、北米, 中南米, イタリア, 韓国, オーストラリアの企業にライセンスを供与して事業展開している。 (注) ガソリンの代表的成分のオクタンを、水蒸気改質反応で完全に水素と酸化炭素にするための、水とオクタンの質量比は約0.55:0.45である。A-55の当初のエマルジョン燃料開発は、このレベルを目標にしていたことになる。 ① EPAとCARBの認証取得 ② Shell Australiaと技術提携 ■TOTAL:燃料サイドからの有害排出ガス削減対策としてエマルジョン燃料を開発 フランスに拠点を置く世界第4位の石油会社TOTALは、96年に燃料面からの排出ガス対策の一環としてエマルジョン燃料研究を開始し、98年にフランスで、フリート向け燃料の販売を開始した。商品名はAquazoleで、水含有量14~17%の油中水滴型、水滴の平均サイズは0.5ミクロンと非常に小さい。水と油に分離しないことを3ヶ月間保証している。 カリフォルニア州は、大気浄化法(Clean Air Act)に定める基準を05年までに達成するため、大型ディーゼル車両の使用事業者に対して、クリーン燃料を使用した場合にガロン当たり25セントの補助金を交付する州法を定めている。このインセンティブを目標に、TOTALは02年8月、カリフォルニア州のADEPT Groupと組んでカリフォルニア州市場への参入を開始した。02年9月、NOx削減効果16%、PM削減効果60%の燃料としての認証をCARBから取得した。 ■CAM Tecnologie:イタリアでエマルジョン燃料普及を進める Pirelli Groupやエネルギー関連企業を傘下に置く持株会社Camfinは、97年にエマルジョン燃料の研究開発のためにCAM Tecnologieを設立した。99年には商品名Gecam™ の出荷を開始し、02年には約70の地方行政当局が公共交通機関のバスとゴミ収集車で使用、03年1月にはローマ市も、市営バスとゴミ収集車でのGecam™ 使用を決定した。出荷量は、00年に2000万L、01年に6440万L、03年が8810万L。 ■Lubrizol:エマルジョン燃料PuriNOx™ でR&D 100 Awardを受賞 Lubrizolはガソリン及びエンジンオイルの添加剤メーカーの世界Top企業。Caterpillarの協力を得て97年からエマルジョン燃料開発に着手し、01年にPuriNOx™ を商品化した。このPuriNOx™ は国際的に権威のあるR&D Magazine誌により、01年の R&D 100 Awardに選ばれた。 ① CARBがPuriNOx™をディーゼル用代替燃料として認可(verify) ② ChevronがPuriNOx™ 技術を導入 ■エマルジョン燃料使用を認めるエンジンメーカーが増加、技術標準制定も開始 エマルジョン燃料は、大型ディーゼルエンジンメーカーの協力も得て開発されてきた。エマルジョン燃料での運転実績が増えるに伴って、エマルジョン燃料使用を容認するエンジンメーカーが増加している。また、イタリアとフランスでは、エマルジョン燃料に優遇税制を導入している。 ■エマルジョン燃料の使用を容認したエンジンメーカー
エマルジョン燃料が広く使用されるためには、銘柄ごとの性能のバラツキを一定の範囲に押さえ、エンジンの性能を保証する必要がある。欧州では、CAM Tecnologie, Lubrizol, TOTALの3社が業界団体 European Emulsified Fuel Manufacturers'Association (EEFMA) を結成し、ヨーロッパ標準化委員会European Committee for Standardization (CEN) に技術標準制定の働きかけを開始、04年3月15日、CENの中に標準化作業部会が設置されることが決定された。 ■S&Sエンジニアリング:車載エマルジョン化装置を組み込んだDuet Burn Systemを開発 日本では、エマルジョン燃料をスタンドで給油して公道を走ることは許されていない。しかし、スタンドで給油した燃料を、車上でエマルジョン化して使用することは、排出ガスが規制値に合格すれば許されている。この条件で、車載エマルジョン化装置を組み込んだDuet Burn Systemを開発したのが(株)S&S エンジニアリングである。エンジンの始動および停止時には軽油のみを使用し、走行中は負荷条件によって軽油と水の割合をコンピューター制御したエマルジョン燃料を使用する。その結果、PMとNOxが減少するだけでなく、軽油の消費量が約10%削減されるとしている。 ① 国土交通省のNOx・PM低減装置認定第1号を取得したDuet Burn System ②発電機では、コマツが水含有率50%のエマルジョン燃料を実用化 |
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