メタノール経済

メタノール経済は、メタノールとジメチルエーテルが化石燃料を、エネルギー貯蔵、陸上輸送燃料、および合成炭化水素およびそれらの製品の原料として代替する、示唆された将来の経済である。 これは提案された水素経済またはエタノール経済の代替案を提供する。

1990年代、ノーベル賞受賞者George A. Olahはメタノール経済を提唱しました。 2006年に彼と2人の共著者、GK Surya PrakashとAlain Goeppertは、メタノール経済を示唆する前に、化石燃料と代替エネルギーの入手可能性と限界を含む概要を発表した。

メタノールは、豊富な化石燃料(天然ガス、石炭、オイルシェール、タールサンドなど)だけでなく、農産物や地方自治体の廃棄物、木材や様々なバイオマスを含む幅広い種類の供給源から製造することができます。 また、二酸化炭素の化学的リサイクルから製造することもできる。

前書き
2005年にはノーベル賞受賞者George A. Olahがエッセイでメタノール経済の創造を求めました。石油とガスを超えて:メタノール経済と2006年には他の2人の共同執筆者とともにこの本を出版しました。著者らは、いわゆるメタノール経済の実験を示唆する前に、化石燃料源およびその他の代替エネルギー源の状況、その利用可能性および限界を要約する。

メタノールは、熱機関と燃料電池の両方に使用できる燃料です。 優れたオクタン価により、すでに使用されている様々なタイプの内燃エンジンを使用する自動車(ハイブリッドカーやプラグインモデルを含む)の燃料として直接使用することができます。 メタノールは、直接、DMFCセル内で、または間接的に、改質による水素への変換の後に、燃料電池内で使用することもできる。

通常の条件下では、メタノールは液体であり、ガソリンとディーゼルの場合と同様に、容易に貯蔵、輸送、分配することができます。 化学的には、これはまた、脱水によりジメチルエーテル(セタン価55)を有するディーゼル代替物に迅速に変換することができる。

2000年には、メタノールは、多数の複雑な化学物質および高分子材料を製造するための基礎化学煉瓦として大規模に(約3700万トン/年)使用されています。 さらに、これは、エチレンおよびプロピレン中の「メタノール – オレフィン」(MTO)プロセス、通常は石油から得られるより高分子量の合成炭化水素およびその他の誘導体を製造するのに用いることができる不飽和炭化水素および天然ガス。

メタノール源
メタノールは、非常に豊富な種類の化石燃料(天然ガス、石炭、石油頁岩、瀝青質砂など)だけでなく、農産廃棄物や木材から都市化された一般的なごみからも効率的に製造することができます、および様々なタイプのバイオマスから得られる。

二酸化炭素のリサイクル
はるかに根本的な仮説は、二酸化炭素の化学的リサイクルからメタノールを得ることである。 当初の主な供給源は、セメント工場や他の工場からの化石燃料や排出物を燃焼させる発電所からのCO 2に富む排出物である可能性がある。 より長い時間では、化石燃料資源の減少と地球大気へのそれらの使用の影響を考慮すると、低濃度のCO 2自然も回収してメタノールを得るためにリサイクルすることができます。光合成と同じ自然サイクル。 新たなより効率的な吸収物質が開発されており、場合によっては生きた植物の作用を模倣する大気中のCO 2を捕捉することができる。 新しい燃料や材料を得るためのCO2の化学リサイクルは、人間の寿命に匹敵する時間スケールで再生可能な「非化石燃料」を可能にし、持続可能になる可能性がある。 アイスランドでは、2011/2012年に、年間200万リットルのメタノールの生産がこのシステムで既に開始されています。

用途

燃料
メタノールは、熱機関と燃料電池用の燃料です。 オクタン価が高いため、既存の内燃機関(ICE)を使用するフレックス燃料車(ハイブリッドおよびプラグインハイブリッド車を含む)の燃料として直接使用できます。 メタノールは、他の種類のエンジンで燃焼させることも、他の液体燃料を使用する際に熱を供給することもできます。 燃料電池は、メタノールを直接メタノール燃料電池(DMFC)または間接的に(改質による水素への変換後)使用することができる。
内燃機関(ICE)においては、
メタノールはオクタン価が高く(RON 107、MON 92)、ガソリンに代わる適切な代替品となっています。 それは、ガソリンよりも高い火炎速度を有し、より高い潜在的気化熱(ガソリンよりも3.7倍高い)をもたらすだけでなく、より高い効率をもたらし、エンジンによって発生した熱をより効果的に除去し、空気冷却されたエンジン。 さらに、メタノールは燃焼してガソリンよりも汚染が少なく、火災の場合にはより安全である。 しかし、メタノールは、ガソリン(8,600BTU /ポンド)と比較して、体積あたりのエネルギー含有量の半分しかありません。

圧縮点火エンジン(ディーゼルエンジン)では、
メタノール自体はディーゼル燃料の代用品にはならない。 しかし、化学的脱水のために、メタノールはジメチルエーテル(DME)に変換することができ、それは通常のディーゼルのセタン価45-55より良い55-60のセタン価を有する良好なディーゼル燃料である。 ディーゼル燃料と比較して、DMEは粒子状物質であるNO xおよびCOの放出量がはるかに少なく、いかなるタイプの二酸化硫黄または二酸化硫黄(SO x)も放出しない。 メタノールはまた、植物油のエステル交換により、バイオディーゼルを製造するためにも使用される。

高度なエンジンやメタノールを燃料とする燃料電池
メタノールおよびエーテル – ジメチルの使用は、より大きな走行距離(キロリットルあたりのキロメートル)およびより低い排出物を得るために、ハイブリッドエンジンおよび電気自動車技術と組み合わせることができる。 これらの燃料は、燃料電池に供給するために水素を得ることによって、または直接メタノール燃料電池(DMFC)においてメタノールを直接燃焼させることによって、改質を行う触媒および燃料電池の両方に使用することができる。

電気の生産のために
メタノールとDMEはガスタービンで発電に使用できます。 現在、非常に高価な燃料電池(PAFC、MCFC、SOFC)モデルは、特に低騒音が要求される環境、病院などの低発熱に加えて、発電に使用できます。 または空気または宇宙輸送車両のように植物の重量が非常に低い。

国内燃料として
メタノールおよびDMEは、熱および/または電気を発生させるために商業用建物および家庭で使用することができる。 DMEは、大きな変更なしに、商業用ガスストーブ/キッチンで使用することができます。 途上国では、木材よりもはるかにクリーンな(ナノ粒子やCO)が燃焼するため、メタノールは台所の燃料として使用でき、このようにして国内汚染に関連するいくつかの問題を軽減します。ガソリン、ディーゼル、または着色料と混合して、可能性のある詐欺を回避し、イタリアでメタノールワインの詐欺で発生した飲酒の添加物としての致命的な使用。

化学と高分子材料の基本要素
現在、メタノールは、プラスチックポリマーなどの様々な化学物質および他の製品を製造するための基材として、大規模に広く使用されている。 「メタノールからガソリン」(MTG)として知られているプロセスでは、メタノールはガソリンに変換することができます。 「メタノール – オレフィン」(MTO)プロセスを使用して、メタノールはエチレンとプロピレンのアルケンに変換することができます。この2つの化学物質は石油化学工業で大量に製造されています。 これらは、必須ポリマー(LDPE、HDPE、PP)および現在石油誘導体から製造されている他の化学中間体の製造のための重要なビルディングブロックである。 従って、メタノールから出発することは、油への依存を減少させる可能性がある。 また、化石燃料貯蔵所の終了後であっても、これらの基本的な化学物質およびプラスチックの生産を継続することが可能になります。

原料
メタノールは今日、様々な化学物質および製品を製造するために、今日、大規模に使用されている。 化学原料としての世界的なメタノール需要は、2015年時点で約4200万メートルトンに達しました。メタノール – ガソリン(MTG)プロセスにより、ガソリンに転換することができます。 メタノール – オレフィン(MTO)プロセスを使用して、メタノールはまた、石油化学工業によって最大量で生産されるエチレンおよびプロピレンに変換することができる。 これらは必須ポリマー(LDPE、HDPE、PP)の製造のための重要なビルディングブロックであり、他の化学中間体のように主に石油原料から製造されています。 したがって、メタノールからのそれらの製造は、石油への依存を減少させる可能性がある。 また、化石燃料の埋蔵量が枯渇した場合、これらの化学物質の生産を継続することも可能になります。

製造
現在、ほとんどのメタノールは、合成ガスによってメタンから製造されています。 トリニダード・トバゴは現在、世界最大のメタノール輸出国であり、主に米国向けの輸出を行っています。 メタノール製造のための供給原料として役立つ天然ガスは、他の用途と同じ供給源から得られる。 炭層メタン、タイトな砂ガス、最終的には大陸棚のシベリアとカナダのトンドラの大陸棚の下にある非常に大きなメタンハイドレート資源などの非伝統的なガス資源も、必要なガスを供給するために使用することができる。

メタンからのメタノールへの従来の経路は、水蒸気改質による合成ガス生成を、部分酸化と組み合わせた(またはしない)。 メタンをメタノールに転換する新しい効率的な方法も開発されている。これらには、

硫酸媒体中での均一系触媒によるメタン酸化
メタン臭素化、続いて得られたブロモメタンの加水分解
メタンの酸素による直接酸化
メタンの微生物または光化学変換
部分的に酸化された生成物をトラップし、引き続いて銅および鉄で交換されたゼオライト(例えば、アルファ – 酸素)で抽出する部分メタン酸化は、

これらの合成ルートはすべて温室効果ガスの二酸化炭素CO2を放出します。 これを軽減するために、メタノールの排出量を最小限に抑える方法でメタノールを製造することができます。 1つの解決法は、バイオマスガス化によって得られる合成ガスからそれを製造することである。 この目的のために、木材、木材廃棄物、草、農作物およびその副産物、動物廃棄物、水生植物および地方自治体の廃棄物を含むあらゆるバイオマスを使用することができる。 トウモロコシ、サトウキビ、小麦などのエタノールの場合のように、食用作物を使用する必要はありません。

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バイオマス→シンガス(CO、CO 2 、H 2 )→CH 3 OH

メタノールは、入手可能な化石燃料およびバイオマスを含む、あらゆる供給源からの炭素および水素から合成することができる。 化石燃料の火力発電所や他の産業から排出されるCO2、ひいては大気中に含まれるCO2でさえも、炭素の供給源となり得る。 また、炭素リサイクリングインターナショナルが最初の商業規模の工場で実証した二酸化炭素の化学リサイクルから製造することもできます。 当初の主な供給源は、化石燃料を燃やす発電所のCO2に富んだ煙道ガス、セメントなどの工場からの排出ガスです。 しかし、化石燃料資源の減少と地球大気へのその利用の影響を考慮すれば、大気中のCO2自体の低濃度でさえ、メタノールを介して回収され、リサイクルされ、自然の光合成サイクルを補うことができる。 大気中のCO2を吸収するための効率的な新しい吸収剤が開発され、植物の能力を模倣しています。 新しい燃料や物質へのCO2の化学的リサイクルが可能になり、人間のタイムスケールで再生可能になる可能性があります。

メタノールは、水素が水の電気分解から得られたH2によるCO 2の接触水素化によってCO 2から製造することもできる。 これはアイスランドのCarbon Recycling Internationalが使用しているプロセスです。 メタノールは、電力が利用可能であれば、CO2電気化学的還元によって生成されてもよい。 カーボンニュートラルになるためにこれらの反応に必要なエネルギーは、風力、水力発電、太陽光、原子力などの再生可能エネルギー源に由来します。 実際には、それらの全てが自由エネルギーを、遊離水素中にエネルギーを貯蔵しようとするのではなく、水素と二酸化炭素から直ちに製造される容易に輸送可能なメタノールに貯蔵することを可能にする。

CO 2 + 3H 2 →CH 3 OH + H 2 O
または電気エネルギーで

CO 2 + 5H 2 O + 6e -1 →CH 3 OH + 6 HO -1
6 HO -1 →3H 2 O + 3/2 O 2 + 6e -1

合計:
CO 2 + 2H 2 O +電気エネルギー→CH 3 OH + 3/2 O 2

必要なCO2は、化石燃料燃焼発電所およびセメント工場を含む他の工業用煙道ガスから捕捉される。 化石燃料資源の減少とそれに伴うCO2排出量のため、大気中のCO2含有量も使用することができます。 空気中のCO2の濃度が低い(0.04%)ことを考慮すると、CO2を吸収するための改良された経済的に実行可能な技術が開発されなければならない。 この理由から、水からのCO2の抽出は、溶解した形態でのそのより高い濃度のために、より実現可能であり得る。 これにより、CO2の化学的リサイクルが可能になり、自然の光合成を模倣することになります。

利点
光合成の過程で、緑の植物は、水を遊離酸素(放出される)と遊離水素に分けるために太陽光のエネルギーを利用する。 水素を貯蔵しようとするのではなく、直ちに空気から二酸化炭素を捕捉して、炭化水素(植物油およびテルペン)およびポリアルコール(グリセロール、糖およびデンプン)などの貯蔵可能な燃料に還元する。 メタノール経済において、同様に遊離水素を生成するいずれのプロセスも、それを直ちに「捕捉的に」使用して二酸化炭素をメタノールに還元することを提案しており、光合成からの植物生成物と同様に、

メタノールは通常の条件下では液体であり、ガソリンやディーゼル燃料によく似た、貯蔵、輸送、分配が容易です。 それはまた、脱水によりジメチルエーテル、セタン価55のディーゼル燃料代替物に容易に変換することができる。

水素との比較
水素経済と比較したメタノール経済の利点:

圧縮水素と比較して、容積による効率的なエネルギー貯蔵。 水素圧力封じ込め容器を考慮すると、重量によるエネルギー貯蔵の利点も実現することができる。 メタノールの体積エネルギー密度は、液体水素の密度が71グラム/リットルと低いために、液体水素よりもかなり高い。 したがって、液体水素1リットルよりもメタノール1リットル(99グラム/リットル)には実際に水素が多く、メタノールは-253℃の温度に維持された極低温容器を必要としません。
液体水素インフラストラクチャは、非常に高価です。 メタノールは既存のガソリンインフラを限られた改造だけで使用することができます。
ガソリンと混合することができます(例えば、M85、メタノール85%、ガソリン15%の混合物)。
使いやすい。 水素は揮発性であり、その閉じ込めは高圧または極低温システムを使用する。
少ない損失:水素はメタノールよりも容易に漏れます。 熱は液体水素を蒸発させ、貯蔵タンク内で1日当たり0.3%の予想損失を与える。 (チャートFerox貯蔵タンクの液体酸素参照)。

エタノールとの比較
合成ガスを通した実証済みの技術を使って、あらゆる有機材料から作ることができます。 食料作物を使用したり、食糧生産と競合する必要はありません。 バイオマスから生成されるメタノールの量は、エタノールよりはるかに多い。
多様化したエネルギー市場で競争し、エタノールを補完することができます。 化石燃料から得られたメタノールはエタノールよりも安価である。
エタノールのようなガソリンに混ぜることができます。 2007年に中国は10億USガロン(3,800,000 m3)以上のメタノールを燃料に配合し、2008年半ばまでにメタノール燃料基準を導入する予定です。 M85では、今日のいくつかのガソリンスタンドで販売されているE85のように、85%メタノールと15%ガソリンの混合物を使用することができます。

短所
現時点でオフサイトでの水素の生成と輸送に伴う高いエネルギーコスト。
原料によっては、生成自体がクリーンではない場合があります。
現在、化石燃料に依然として依存している天然ガスから生成されている(可燃性の炭化水素は使用できるが)。
ガソリンの半分とエタノールよりも24%低いエネルギー密度(重量または体積による)

取り扱い
インヒビターを使用しない場合、メタノールはアルミニウム、亜鉛およびマンガンを含むいくつかの一般的な金属に対して腐食性である。 エンジンの燃料吸気系の部品はアルミニウム製です。 エタノールと同様に、燃料タンク、ガスケット、およびエンジン摂取に適合する材料を使用しなければならない。
同様に腐食性で親水性のエタノールと同様に、石油製品用に設計された既存のパイプラインはメタノールを取り扱うことができない。 したがって、メタノールは、新しいパイプラインインフラストラクチャーが建設されるまで、または既存のパイプラインがメタノール輸送のために改装されるまで、トラックおよび列車の高いエネルギーコストでの輸送を必要とする。
メタノールは、アルコールとして、いくつかのプラスチックの蒸気を燃やすための透過性を高めます(例:高密度ポリエチレン)。 このメタノールの性質は、燃料からの揮発性有機化合物(VOCs)の排出を増加させる可能性があり、これは対流圏オゾンの増加とおそらくは人の暴露に寄与する。

寒い季節の低揮発性:純粋なメタノール燃料エンジンは始動が難しく、暖機まで非効率的に作動します。 このため、一般にICEでは85%のメタノールと15%のガソリンを含む混合物がM85と呼ばれています。 ガソリンは、低温でもエンジンを始動させます。
低レベルのばく露を除いて、メタノールは有毒である。 メタノールは大量(30〜100mL)で摂取すると致命的です。 しかし、ガソリン(120〜300mL)やディーゼル燃料など、ほとんどの自動車燃料もそうです。 ガソリンはまた、発癌性であることが知られている多くの化合物(例えばベンゼン)を少量含んでいます。 メタノールは発癌物質ではなく、発癌物質も含まれていません。 しかし、メタノールは体内でホルムアルデヒドに代謝されることがあります。ホルムアルデヒドは毒性と発癌性の両方があります。 メタノールは、人体および食用果実において少量で自然発生する。
メタノールは液体である:これは、メタノール漏出が散逸しないので、開放空間の水素と比較してより大きな火災リスクを生じる。 メタノールはガソリンとは異なり目に見えないほど燃える。 しかし、ガソリンに比べて、メタノールはずっと安全です。 発火すると発火する熱量が少なくなります。 ガソリンは水に浮かんで燃え続けるのに対し、メタノールの燃焼は普通の水で消すことができます。 EPAは、ガソリンからメタノールへの燃料の切り替えは、燃料関連の火災の発生率を90%削減すると推定している。
メタノールは水溶性である:偶発的に放出され、このリスクは十分に研究されていないが、比較的迅速な地下水輸送を受け、地下水汚染を引き起こす可能性がある。 しかし、環境中のメタノールの不慮の放出は、同等のガソリンまたは原油流出よりもはるかに少ない被害を引き起こすであろう。これらの燃料とは異なり、メタノールは生分解性であり、水に完全に可溶性であり、微生物が生分解を開始するのに十分低い濃度まで急速に希釈される。 この効果はすでに水処理プラントで利用されており、メタノールはすでに脱窒のために、そして細菌の栄養素として使用されています。

応用
次いで、メタノールおよびその誘導体、例えばジメチルエーテルを使用して、古典的な内燃機関およびメタノール燃料電池の燃料の両方で発電することができる。

室温で液体であるメタノールの貯蔵、輸送および分配は、既存のインフラおよび技術を使用することができる。 消費者と再生エネルギーの生産者との間の距離を効率的に橋渡しすることができます。 エネルギー貯蔵密度は、ガソリンおよびディーゼルの貯蔵密度の約50%である。

ヨーロッパ
アイスランドでは、Carbon Recycling Internationalがメタノール生産プラントを運営しています。植物はオラの名前を付けられました。

ドイツでは、製錬所からメタノールを製造するための、ThyssenKruppのCarbon2Chemイニシアチブと連邦教育研究省のプロジェクトがあります。

中国
コンサルティング会社のメタノール市場サービスアジア(MMSA)の調査によると、世界の生産能力は2027年に5580万トン増加し、そのうち3800万トンが燃料として使用されると推定されています。

中国におけるメタノールの生産は主に石炭をベースとしており、M85やM100のような高メタノール含有燃料として、またジメチルエーテルのような誘導体として使用される。 2007年には、中国におけるスポットメタノールの価格はガソリン価格の約40%でした。 中国の国家委員会は全国的なメタノール燃料基準に取り組んでおり、中国の自動車メーカーは改善されたメタノールエンジンに取り組んでいる。

メタノールからのジメチルエーテル生産能力は、2007年のわずか100万トンから600万トン以上に増加すると予想されている。 Sinopecだけでも、DMEの能力を300万トンに拡大したいと考えています。

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