産総研エネルギープロセス研究部門エネルギープロセス変換研究グループ

研究概要

石炭や天然ガスなどの既存の化石資源を高効率かつクリーンに利用する技術、再生可能エネルギー由来水素および工場などから排出されたCO₂を活用した合成ガスや化学基幹原料（ベンゼンなど）を製造するカーボンリサイクル/CCU技術の開発が強く求められています。

エネルギー変換プロセス研究グループでは、エネルギー資源の有効利用とカーボンニュートラル社会の実現に貢献するため、新たな物質変換を可能にする革新的な熱化学プロセスの構築を目指しています。加圧反応装置、固定層・流動層反応装置、移動層反応装置、マイクロ波触媒反応装置などを用い、反応場の設計、触媒・反応材料の評価、反応器内現象の解析、プロセス高効率化に関する研究開発を進めています。

これまでに関わったプロジェクト

NEDO「次世代火力発電等技術開発／次世代火力発電基盤技術開発／CO₂有効利用技術開発」、NEDO「水素利用等先導研究開発事業/炭化水素等を活用した二酸化炭素を排出しない水素製造技術開発/メタン熱分解による水素製造技術の研究開発」、NEDO「カーボンリサイクル・次世代火力発電等技術開発／次世代火力発電技術推進事業／カーボンリサイクル技術の共通基盤技術開発／二元機能触媒を用いた高効率炭酸ガス回収・メタン合成プロセスの研究開発」、科研費（基盤研究、若手研究、研究活動スタート支援、財団助成金、企業との共同研究、技術コンサルティングなど

研究テーマ

CO₂からメタン・液体燃料を合成
- CO₂水素化によるメタン・液体燃料合成プロセスの開発
  
  カーボンニュートラル社会の実現には、産業分野から排出されるCO₂や大気中の希薄CO₂を回収し、燃料や化学品へと変換して有効利用する技術の開発が重要です。当グループでは、CO₂排出削減と再生可能エネルギーの有効利用に資する技術として、CO₂と水素からメタンを合成するCO₂メタネーションプロセスの高効率化に取り組んでいます。 CO₂メタネーションは、再生可能エネルギー由来の水素とCO₂を反応させることで、都市ガスの主成分であるメタンを合成する技術です。既存の都市ガスインフラを活用できることから、再生可能エネルギーの貯蔵・輸送手段としても期待されています。一方で、CO₂メタネーションは大きな発熱を伴う反応であるため、反応器内の温度制御が触媒寿命や反応効率を左右します。本研究では、CO₂メタネーションプロセスの高効率化および長期安定運転に向けて、反応器内の温度分布、触媒劣化挙動を詳細に解析し、触媒活性成分の適切な配置制御などを通じて、最適な触媒構造および反応条件の設計を進めています。
  
  また、メタンのみならず、CO₂から液体燃料や化学原料を合成するための触媒反応プロセスの研究開発も進めています。再生可能エネルギー由来水素とCO₂を組み合わせることで、化石資源に依存しない炭素循環型の燃料・化学品製造プロセスの実現を目指しています。
- 二元機能触媒を用いた統合型CO₂回収/変換プロセスによる希薄CO₂からの直接メタン合成
  
  さらに当グループでは、CO₂を選択的に吸収・濃縮する機能と、吸収したCO₂を水素化してメタンへ変換する機能を併せ持つ二元機能触媒を用いた、CO₂回収と変換を一体化した新たなプロセスの開発に取り組んでいます。CO₂を選択的に回収する機能と、回収したCO₂を水素化してメタンへ変換する機能を併せ持つ二元機能触媒を用いることで、CO₂の「回収」と「変換」を一つの反応場で行うことが可能となります。これにより、従来必要であったCO₂分離・濃縮工程分の省エネルギー化が期待されます。当グループでは、二元機能触媒を用いたCO₂回収・メタン合成プロセスについて、材料開発だけでなく、反応器設計やプロセス化に向けた研究も進めています。固定層反応器におけるCO₂吸収・メタン化挙動の時空間解析、加圧条件下での反応促進効果の検討、移動層反応器や循環流動層反応器を用いた連続プロセス化など、多角的なアプローチにより、実用化に向けた課題解決に取り組んでいます。
  
  本プロセスはCO₂の濃縮を前提としないため、分散型CO₂利用システムや、再生可能エネルギー由来水素と組み合わせたオンサイト型燃料製造プロセスへの展開が期待されます。将来的には、工場排ガス、焼却炉排ガス、空気中CO₂など多様なCO₂源を対象とし、炭素循環型エネルギーシステムの構築に貢献することを目指しています。
CO₂から化成品原料（CO・メタノール）を合成

CO₂を資源として有効利用するためには、燃料だけでなく、化学品製造の基礎原料へ変換する技術が重要です。特に、一酸化炭素（CO）は合成ガスの主要成分として、液体燃料や各種化学品の製造に利用されます。また、メタノールは燃料としての利用に加え、オレフィンや芳香族化合物など多様な化学品へ展開可能な重要な基幹物質です。従来のCO₂利用プロセスでは、排ガスや大気中に含まれるCO₂を分離・濃縮した後、別の反応器で還元反応を行う必要がありました。これに対して二元機能触媒を用いることで、希薄なCO₂を直接取り込み、同じプロセス内でCOやメタノールへ変換することが可能になります。

当グループでは、遷移金属を用いない二元機能材料によるCO₂からCOへの選択的変換や、二元機能材料を用いたCO₂回収・メタノール合成プロセスの開発に取り組んでいます。さらに、固定層反応器や流動層反応器を用いた反応挙動の解析、連続プロセス化に向けた検討を進め、排ガスや大気中CO₂を原料とした化成品製造技術の実現を目指しています。
主要成果
1. "Integrated CO₂ capture and selective conversion to syngas using transition-metal-free Na/Al₂O₃ dual-function material", T. Sasayama et al., J. CO₂ Util. vol.60 No.102049, 2022/5（産総研論文賞2025受賞、産総研プレスリリース「遷移金属不使用の触媒を用いて大気濃度CO₂から合成ガスを製造する技術を開発 (2022/5/13)」、日経新聞等掲載
2. "Continuous CO₂ capture and reduction to CO by circulating transition-metal-free dual-function material in fluidized-bed reactor", Tomone Sasayama et al., Sep. Purif. Technol. , Vol 0354, Part 1, (2025)
3. "Combined capture and reduction of CO₂ to methanol using a dual-bed packed reactor, Luca Wirner et al., Chem. Eng. J. vol. No. pp.11 -18, (2023)
天然ガス（メタン・エタン）・バイオマスの有効利用

カーボンニュートラル社会の実現に向けて、天然ガスやバイオマスなど多様な炭素資源を有効利用し、燃料や化学品原料へ変換する技術の開発が求められています。当グループでは、固体触媒を用いた熱化学変換プロセスにより、天然ガスやバイオマス由来資源から、芳香族化合物やオレフィンなどの有用物質を合成する研究に取り組んでいます。特に、ベンゼン、トルエン、キシレン（BTX）は、樹脂など各種化学品の原料として重要な基幹化学品です。当グループでは、天然ガスの主成分であるメタンやエタンを原料とし、固体触媒反応によりBTXなどの芳香族化合物へ直接変換するプロセスの開発を進めています。天然ガスは世界的に豊富に存在する資源であり、これを燃料として利用するだけでなく、化学品原料へ高付加価値化することは、資源の有効利用やエネルギーセキュリティの向上に貢献します。本研究では、高活性・高選択性・長寿命を有する触媒の開発に加え、反応条件の最適化や実用化に向けた反応プロセス設計に取り組んでいます。

また、バイオマス由来資源の有効利用にも取り組んでいます。バイオエタノールを化学品や炭化水素系燃料へ変換する技術は、化石資源依存の低減とCO₂排出削減に寄与します。固体触媒を用いてバイオエタノールをエチレンやBTXなどの芳香族化合物へ変換する研究を進めています。
主要成果
1. "Catalytic conversion of various biomass feedstocks to liquid transportation fuels", Yanyong Liu, Journal of the Japan Petroleum Institute, vol.64 no.6 pp.317-330, (2021)
2. "Microwave-assisted temperature swing for integrated CO₂ capture and dry reforming of methane", Tomone Sasayama et al., Energy & Fuels, 2026/06
流動層等の粒子移動プロセスでバイオマス・廃棄物ガス化、排熱回収利用、水素製造

当グループでは、流動層などの粒子移動を伴う反応・熱利用プロセスを活用し、バイオマス・廃棄物のガス化、排熱回収・利用、CO₂を排出しない水素製造などに関する研究開発に取り組んでいます。固体資源や触媒、吸着材を効率よく移動・接触させるプロセスは、多様なエネルギー資源の有効利用や、反応・熱利用プロセスの高効率化において重要な技術です。流動層技術は、固体粒子と反応ガスを連続的かつ均一に接触させることができ、層内の混合や熱移動が良好であるため、燃焼、ガス化、触媒反応、吸着・脱着操作などに適した反応操作です。当グループでは、これまでにバイオマスや廃棄物などの固体資源の高温反応、CO₂の変換反応、固体触媒を用いた水素製造プロセスなど、さまざまな固気接触反応に取り組んできました。

排熱利用分野では、産総研で開発された吸着材「ハスクレイ」を用い、低温排熱を活用した熱回収技術の開発に取り組んでいます。さらに、乾燥空気を利用した農産物乾燥などへの応用も検討しています。また、メタンを直接分解して水素と固体炭素を製造するCO₂フリー水素製造技術の開発も進めています。鉄系触媒を用いた反応特性の解明に加え、ロータリーキルン型反応器や水素分離膜を組み合わせたプロセスを検討し、実用化に向けた反応器設計とプロセス高度化を進めています。