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CARBON NEUTRAL

脱炭素への取り組み

2050年のカーボンニュートラル実現に向け、
さまざまな取り組みを進める東京ガス。
ここではその一例として、
メタネーションについて、紹介します。

メタネーションとは?

メタネーションとは、水素とCO₂を化学反応させ、都市ガスの主成分であるメタンを合成する技術です。
東京ガスは、2050年のカーボンニュートラルに向けて、2030年までに、
都市ガス1%相当のe-methane(合成メタン)導入に取り組んでいます。
それに向けて2022年3月より、当社施設内での実証試験を開始しており、
横浜市の清掃工場における燃焼排ガスから回収したCO₂や、下水処理場のバイオガスを用いた実証も計画しています。

e-methane(合成メタン)の社会実装に向けたロードマップ

※図は右にスワイプしてご覧ください

メタネーションを推進する革新技術とは?

メタネーションの導入を進めると同時に、東京ガスでは設備の大型化、
低コスト化に向けて、高効率な革新的メタネーション技術開発にも取り組んでいます。

国内外で進展するe-methaneの製造。
メタネーションの実現と普及拡大に向け、
高い視座で戦略を立て、実行する。

水素・カーボンマネジメント技術戦略部
水素・カーボンマネジメント戦略企画グループ

岸 雄大

2018年入社
理工学研究科 機械工学専攻修了

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横浜市との連携協定による
地域のカーボンニュートラル化の試み。

日本政府が掲げる「2050年カーボンニュートラル」の実現には、熱需要に対応するガス体エネルギーの脱炭素化は極めて重要なテーマです。ガス体エネルギーの脱炭素化に有効なのが、水素とCO₂を化学反応させてメタンを合成する技術であるメタネーションです。東京ガスは、メタネーションによるカーボンニュートラルの実現を積極的に推進しており、私が所属する水素・カーボンマネジメント戦略企画グループは、メタネーションを含む脱炭素化関連の動向や最新技術を国内外で幅広く探索・評価し、事業化に向けた検討を進めるなど、東京ガスの脱炭素化に向けた戦略を企画・立案し、実行する役割を担っています。

そのため、メタネーション技術領域を高い視座からとらえた、幅広い、多角的なアプローチを進めています。その一つが、横浜市との連携協定による地域のカーボンニュートラル化の取り組みです。これは横浜市が管轄する下水道センターで発生する消化ガス(下水汚泥を処理する過程で発生するバイオガス)や再生水、清掃工場の排ガスから分離回収したCO₂の提供を受け、メタネーションによってe-methane(合成メタン)を製造する取り組みで、実証試験開始に向けた検討を進めています。今後は、太陽光発電と連携した水電解装置やメタネーション装置の実力値・課題の把握、e-methaneの製造から利用までの一連の技術・ノウハウの獲得、さらに、一層の高効率化や設備コストの低減等が期待される「革新的メタネーション技術」の開発も視野に入れて、実証試験を推進していく計画です。

米国でe-methaneを製造し日本へ輸出、
世界最大規模のメタネーションプロジェクト。

水素・カーボンマネジメント戦略企画グループが、現在、最も力を注いでいる取り組みの一つが、米国でe-methaneを製造、日本に輸出するe-methaneのサプライチェーンの構築です。これは東京ガス、大阪ガス、東邦ガス、三菱商事の4社共同で、米国テキサス州でe-methaneを製造し、現地のLNG液化基地やパイプライン、LNG船・受入基地などの既存インフラを活用し、e-methaneを液化・輸送するというもの。2030年に日本へのe-methane導入を目指すビッグプロジェクトです。
2030年、13万トン/年のe-methane製造を計画しており、これはガス会社3社の都市ガス需要合計の1%に相当します。なぜ米国でe-methaneを製造するか。それは、水素製造のための水電解に使用される再生可能エネルギーが、安価かつ豊富に調達できることに加え、既存インフラが整備されているため、早期のサプライチェーン確立が図れるというアドバンテージがあるからです。
現在、関係各社と事業可能性調査における技術的側面の評価等を進めており、2023年度末に事業コンセプトが決定する予定です。その後、施設の基本設計、投資意思決定を経て、2029年にe-methaneの生産開始を目指しています。

社会的認知度の向上による制度面の整備が、
メタネーション普及拡大には不可欠。

横浜市との連携協定、米国でのe-methane製造の取り組みを紹介しましたが、技術面に加えて、e-methaneの環境価値の取り扱いをどうするかといった制度面の課題も解決していく必要があります。各プロジェクトにおいて技術的課題は山積していますが、一方で重要なことは、e-methaneそのものの社会的認知度の向上です。カーボンニュートラル実現に、e-methaneを社会実装していくことが極めて有効であることを広く知ってもらうことで、「環境価値」や「カーボンクレジット」のような売買取引可能な仕組みの構築、補助金創設等、メタネーションに係る制度面の整備に貢献していきたい。それがメタネーションによるe-methaneの普及・拡大には必要不可欠と考えています。
脱炭素の取り組みは人類が生存していくための地球規模の取り組みです。中でもエネルギー供給業者は、社会に対して大きな責任を負っています。その責任を果たすためには、業界全体で連携しながら脱炭素社会の実現に向けて進んでいく必要があります。その中でメタネーションは実用化前の最先端の取り組みであり、脱炭素化の大きな潮流の最前線で仕事をしていることにやりがいを感じています。未来の子どもたちのために、メタネーション実用化に向けた挑戦を続けていきます。

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「革新的メタネーション技術」の推進が、
カーボンニュートラルを実現し、
地球と世界のより良い未来に貢献する。

水素・カーボンマネジメント技術戦略部
メタネーション推進グループ

赤羽 俊之輔

2017年度入社
理工学研究科 電子物理学専攻修了

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水分解と低温サバティエ反応を組み合わせた、
「ハイブリッドサバティエ技術」。

東京ガスが推進するメタネーション技術とは、水素とCO₂からe-methane(合成メタン)を製造する技術であり、古くから知られているものです。近年になってメタネーション技術は、ガス事業のカーボンニュートラルを実現できる最も有力な技術であることから注目されており、東京ガスの事業のみならず、日本全体のカーボンニュートラル化と安定的なエネルギー供給の実現に貢献する、極めて重要な技術の一つとされています。メタネーション技術の実用化の課題は、e-methaneの製造コストが高額であることであり、私たちメタネーション推進グループはe-methaneの製造コスト低減を目指して「革新的メタネーション技術」の研究開発を進めています。
「革新的メタネーション技術」の一つ目が「ハイブリッドサバティエ技術」です。水素とCO₂を高温(約500℃)で化学反応させ、触媒で反応を促進させる従来の「サバティエ反応」に対し、そのサバティエ反応を低温(~220℃)で行うことにより、従来では難しかった“サバティエ反応で発生する熱を水電解へ活用する技術”の確立に取り組んでいます。
というのも、水電解により水素を製造する際には大量の電力が必要であり、高コストの要因の一つとなっているためです。そこで、サバティエ反応で発生する熱を水電解へ活用できれば、高効率化によるコストダウンを実現できます。現在は、サバティエ反応と水電解反応の熱融通を可能とする一体型デバイス構造による適正な熱マネジメントの検討も進めています。この「ハイブリッドサバティエ技術」は、JAXA(宇宙航空研究開発機構)との共同研究です。宇宙用の小規模試作デバイスで原理実証済みであり、その成果を応用することで早期の社会実装を目指しています。

CO₂から直接メタンを合成する「PEMCO₂還元技術」。
メタン菌を活用する「バイオリアクター技術」。

「革新的メタネーション技術」の二つ目が、「PEM(固体高分子電解質膜=Polymer Electrolyte Membrane)CO₂還元技術」です。既存の水電解にも用いられているPEMを利用して、CO₂を直接e-methaneへ電気化学還元する技術です。サバティエ反応を必要とせず、1つの反応でメタンを合成できるため、シンプルな設備構成から大幅な設備コスト低減が可能となります。水電解では水のみを供給しますが、PEMCO₂還元デバイスでは水とCO₂を供給します。既存の水電解ではデバイスの電極に塗布された触媒によって電解反応を引き起こし、H₂とO₂が得られますが、CO₂還元デバイスではCO₂還元触媒によって、H₂の代わりにメタンが合成される仕組みです。しかし、「PEMCO₂還元技術」では、メタン以外にも副生成物が合成されます。そのためメタン合成の選択性が高い電極の開発をはじめ、エネルギー変換効率の向上といった開発課題に、大阪大学と共に取り組んでいます。
「革新的メタネーション技術」の三つ目が、「バイオリアクター技術」です。「バイオリアクター」は微生物の生存活動(代謝)を用いて、特定の原料から所望の物質(生産物)を生み出す反応器であり、発酵食品や醸造食品などの生産にも活用されています。メタネーション技術に応用する微生物は「メタン菌」。メタン菌は代謝するとメタンガスを発生します。メタン菌による「バイオリアクター技術」は、低コストかつ大規模化が容易に実現できる可能性を秘めていますが、課題も少なくありません。その一つが、メタン菌の代謝速度が遅いことです。菌一つ当たりのメタンガス生成の代謝速度を上げるのが、今後の開発のポイントになってきます。その実現のために、現在、SyntheticGestalt株式会社や東京工業大学と連携して、AIを用いたメタン菌の遺伝子組み換えの検討も進めています。

未来にフォーカスするメタネーション技術。
2050年に、カーボンニュートラルを実現。

「ハイブリッドサバティエ技術」「PEMCO₂還元技術」「バイオリアクター技術」からなる「革新的メタネーション技術」の研究開発は、数年前から始まったもので、現在は、社会実装に向けラボベースで検討を進めている準備段階です。今すぐ社会実装できる段階ではないため、当面のメタネーション技術の主流になるのは既存技術(サバティエ反応)を用いたe-methaneです。2020年代前半に小規模実証、同後半には国内での地産地消などによる活用を進め、2030年には海外で大量に製造したe-methaneを日本に輸送し、東京ガスが供給する都市ガスの1%分をe-methaneに置き換えることを目指しています。その後、商用化を順次拡大し、2050年には東京ガスが目標としているカーボンニュートラルを実現します。
社会実装の拡大において、既存のメタネーション技術から「革新的メタネーション技術」への順次転換を想定しています。e-methaneの製造コスト低減に向けた「革新的メタネーション技術」の開発は、どの企業もなし得ていない、未来のガスエネルギーにフォーカスした取り組みです。誰も達成していないことに挑戦できること、それが東京ガスの将来を左右し、また地球環境や世界の明るい未来に貢献できるところに、やりがいを感じています。

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メタネーションに必要な水素製造技術とは?

メタネーションを行うには大量の水素が必要ですが、水素の製造にはコストがかかります。
そこで、安価な水素調達を実現するために、
東京ガスでは低コスト水素製造技術の早期確立にも取り組んでいます。

サステナブルな地球のため、
低コストで「グリーン水素」製造を。
技術革新による新たな「水電解触媒」の開発。

水素・カーボンマネジメント技術戦略部
機能材料グループ

内野 幸奈

2021年度入社
人間文化創成科学研究科 理学専攻修了

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メタネーションに必要な水素製造。
CO₂を排出しない「グリーン水素」を。

東京ガスは経営ビジョン「Compass2030」で「CO₂ネット・ゼロ」への挑戦を掲げ、カーボンニュートラル実現に向けてガス体エネルギーの脱炭素化・メタネーションの技術開発を推進しています。メタネーションは水素とCO₂を化学反応させ、e-methane(合成メタン)を製造する技術ですが、そのプロセスの中で重要なカギを握るのが「グリーン水素」の製造です。水素はその製造方法によって「グレー」「ブルー」「グリーン」に区分けされています。化石燃料を原料に製造する「グレー水素」、化石燃料を原料にしつつも発生したCO₂を回収・利用して、CO₂排出量を削減する「ブルー水素」、そして、再生可能エネルギーを利用して水の電気分解(水電解)で製造する、CO₂を一切排出しない水素は「グリーン水素」と呼ばれています。
カーボンニュートラルなe-methaneの普及には、グリーン水素の大幅なコストダウンが必要不可欠です。グリーン水素が高コストとなっている要因は、大量の電力が必要であることに加え、化学反応を起こす「水電解触媒」に高価な貴金属が多く使用されていることがあります。私はその課題を解決すべく、「水電解触媒」と向き合った技術開発に携わっています。

水電解による水素製造のコストダウンを目指した、
貴金属使用量の削減と非貴金属系新規触媒の開発。

本開発は固体高分子電解質膜(PEM:Polymer Electrolyte Membrane)型水電解を対象としています。東京ガスは、家庭用燃料電池エネファームの開発の歴史と知見があり、PEM型水電解では燃料電池の逆反応が進行することから類似点も多く、そのため燃料電池開発で培った技術を活用することができます。一方で作動条件が異なるため、燃料電池で使用していた触媒や構成材料をそのまま使用することはできず、コストダウンを実現する新たな技術開発が必要です。
その取り組みの一つが、高価な貴金属の使用量の削減です。水電解の触媒として高い活性を持つのが、イリジウムやルテニウムなどの希少な貴金属であり、これらは高い耐久性を示しますが非常に高価です。エビデンスに基づいて、高耐久性を維持する適正な貴金属の塗布(使用)量の検討を進めています。ただ単に塗布量を削減するだけでなく、塗布の方法もコストに密接に関わってきます。塗布量を削減した上で、PEMとの高い密着性や劣化抑制を実現する、安価な塗布法の開発も重要なテーマです。さらに、貴金属を使わない新しい触媒の開発では、汎用的で安価な金属の最適な配合を、AIを使って探索し、水電解反応の活性を向上させる「多元金属触媒」の開発にも取り組んでいます。

イリジウム使用量削減への挑戦が加速する。
それがカーボンニュートラルの実現に大きく寄与。

現在、私が最も力を注いでいる取り組みの一つは、イリジウムを限りなく削減した触媒の開発です。安定で多様な機能性を有する結晶構造に着目し、この結晶構造内に極めて微量のイリジウムを添加して作られた触媒の分析・評価を進めています。私たちのチームはこうした取り組みによって、従来の触媒コストの50%削減を実現しました。これはイリジウム使用量を半分に削減した成果であり、近い将来、3分の1まで削減することを目標としています。究極的にはイリジウム・ゼロを実現したいと考えています。またPEM型水電解システムは一つのデバイスであり、その耐久性確保のためにはめっきが必要ですが、これも触媒同様に白金や金など高価な貴金属が採用されています。白金、金に代わるめっき材料の開発も、私が力を注いでいる重要なテーマです。
これら、触媒、塗布方法、めっきの技術革新は、水素製造コストの大幅低減を可能とするものであり、低コストグリーン水素を製造し、水素供給事業やメタネーションに適用することでカーボンニュートラルの実現に大きく寄与すると考えています。自分自身や身近な人たちだけでなく、未来の世代までもが、豊かで平和に暮らすことができる世界の実現に貢献できることにやりがいを感じています。サステナブルな地球のため、必ず低コストのグリーン水素製造を成し遂げたい。それは技術者としての使命だと思っています。

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このような革新的技術の開発に加え、
業界を超えたパートナーシップ構築、
制度設計等に取り組むことにより、
2030年に都市ガス1%相当のe-methane導入を実現していきます。

MOVIEでご紹介

東京ガスのメタネーション施設

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