JP7497385B2 - ガソリン代替燃料の製造方法およびガソリン代替燃料 - Google Patents

Description

本発明は、再生可能エネルギーを用いたガソリン代替燃料の製造方法およびガソリン代替燃料に関する。

従来、石油代替燃料としての燃料組成物が知られている（例えば特許文献１参照）。上記特許文献１記載の燃料組成物は、多割合のメタノールまたはエタノールと、１５～２５容量％のベンゼン、トルエンまたはキシレンと、１２～３０容量％の石油精製工場における流動接触分解装置から留出する芳香族成分に富む留分と、相溶剤として、１～２５容量％のＣ₃～Ｃ₅のアルコールとを含有する。

特開平０２－０２２３８８号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の燃料組成物では、原料として化石燃料が用いられるため、最終的に製造される燃料の単位エネルギーあたりの炭素排出量（炭素強度）を抑制することが難しい。気候変動の緩和または影響軽減に寄与する観点では、炭素強度の高い化石燃料の消費量を抑制することが望ましい。

本発明の一態様は、再生可能電力を用いたフィッシャー・トロプシュ合成により得られたＦＴ軽質ナフサと再生可能電力を用いたメタノール合成により得られたメタノールとを混合してガソリン代替燃料を製造するガソリン代替燃料の製造方法である。

ガソリン代替燃料の製造方法は、ＦＴ軽質ナフサのオクタン価を測定し、測定されたＦＴ軽質ナフサのオクタン価と予め定められた目標オクタン価とに基づいてＦＴ軽質ナフサに対するメタノールの混合量を決定し、決定されたメタノールの混合量に基づいてＦＴ軽質ナフサとメタノールとを相溶させる相溶剤の混合量を決定し、決定されたＦＴ軽質ナフサに対するメタノールの混合量と相溶剤の混合量とに応じてＦＴ軽質ナフサとメタノールと相溶剤とを混合することを含む。

本発明によれば、炭素強度の低いガソリン代替燃料を製造することができる。

再生可能エネルギーを利用して製造される再生可能燃料について説明するための図。 燃料の炭素強度について説明するための図。 ガソリン代替燃料を製造するために必要なメタノールの混合量について説明するための図。 ＦＴ軽質ナフサとメタノールとの相分離について説明するための図。 相分離を解消するために必要な相溶剤の、メタノールに対する混合量について説明するための図。 相分離を解消するために必要な相溶剤の、混合物全体に対する混合量について説明するための図。 本発明の実施形態に係るガソリン代替燃料の製造方法を例示する図。

以下、図１～図６を参照して本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態に係るガソリン代替燃料の製造方法は、オクタン価の低い軽質ナフサとオクタン価の高いメタノールとを混合することで、オクタン価がガソリン相当となるガソリン代替燃料を製造する。特に、再生可能電力を用いたフィッシャー・トロプシュ合成により得られたＦＴ軽質ナフサと、再生可能電力を用いたメタノール合成により得られたメタノールとを混合することで、炭素強度が極めて低いガソリン代替燃料を製造する。

地球の平均気温は、大気中の温室効果ガスにより、生物に適した温暖な状態に保たれている。具体的には、太陽光で暖められた地表面から宇宙空間へと放射される熱の一部を温室効果ガスが吸収し、地表面へと再放射することで、大気が温暖な状態に保たれている。このような大気中の温室効果ガスの濃度が増加すると、地球の平均気温が上昇する（地球温暖化）。

温室効果ガスの中でも地球温暖化への寄与が大きい二酸化炭素の大気中における濃度は、植物や化石燃料として地上や地中に固定された炭素と、二酸化炭素として大気中に存在する炭素とのバランスによって決定される。例えば、植物の生育過程での光合成により大気中の二酸化炭素が吸収されると大気中の二酸化炭素濃度が減少し、化石燃料の燃焼により二酸化炭素が大気中に放出されると大気中の二酸化炭素濃度が増加する。地球温暖化を抑制するには、化石燃料を太陽光、風力、水力、地熱、あるいはバイオマスなどの再生可能エネルギーで代替し、炭素排出量を低減することが必要となる。

図１は、このような再生可能エネルギーを利用して製造される再生可能燃料（ｅ－ｆｕｅｌ）について説明するための図である。図１に示すように、太陽光発電や風力発電、水力発電、地熱発電などにより再生可能電力が生成され、再生可能電力により水の電気分解が行われて再生可能水素が生成される。さらに、再生可能水素と、工場排ガスなどから回収された二酸化炭素とを利用し、ＦＴ（フィッシャー・トロプシュ）合成により再生可能燃料としてのＦＴ粗油が生成されるとともに、メタノール合成により再生可能燃料としてのメタノールが生成される。

ＦＴ粗油には、重合反応であるＦＴ合成プロセスの原理上、多様な成分が含まれる。このようなＦＴ粗油は、沸点範囲に応じて分留し、再生可能燃料としてのＦＴディーゼル、ジェット燃料、およびＦＴ軽質ナフサに分離することができる。このうち、ＦＴディーゼルはディーゼルエンジン用の燃料として、ジェット燃料はジェットエンジン用の燃料として、そのまま利用することができる。

ＦＴ軽質ナフサには、ＦＴ合成プロセスに応じて、炭素数が４～６程度の鎖状飽和炭化水素（パラフィン系炭化水素）が主成分として含まれ、ＦＴ軽質ナフサのオクタン価（リサーチ法オクタン価）は、６０～７０程度の範囲で変化する。ＦＴ軽質ナフサのオクタン価はガソリン相当のオクタン価（９０程度）より低いため、ＦＴ軽質ナフサをそのままガソリンエンジン用の燃料として利用すると、ノッキングが発生し、エンジンの燃焼性能を損なうおそれがある。

メタノールは、オクタン価が１１２程度と極めて高いものの、毒性や腐食性があり、エネルギー密度も低いため、単独で車載燃料として利用することは難しい。また、ＭＴＧ（Methanol to Gasoline）法によりメタノールからガソリン代替燃料を合成する場合には、追加的なエネルギーが必要となり、最終的に製造される燃料の単位エネルギーあたりの炭素排出量である炭素強度が増大する。

このような再生可能燃料としてのＦＴ軽質ナフサとメタノールとを適宜な割合で混合することで、オクタン価がガソリン相当であり、かつ、炭素強度が極めて低いガソリン代替燃料を製造することができる。また、メタノールの毒性や腐食性、エネルギー密度の低さを緩和することができる。

しかしながら、パラフィン系炭化水素が主成分であるＦＴ軽質ナフサとメタノールとは、極性等の性質が異なるため、これらを混合すると、互いに溶解して一様な溶液をなすことなく、２相に分離する相分離が生じる。そこで、本実施形態では、適当な相溶剤を用いることでＦＴ軽質ナフサとメタノールとを相溶させ、オクタン価がガソリン相当であり、かつ、炭素強度が極めて低いガソリン代替燃料を製造する、ガソリン代替燃料の製造方法について説明する。

図２は、燃料の炭素強度について説明するための図であり、車載燃料として利用した場合の炭素強度の一例を示す。図２に示すように、再生可能燃料であるＦＴ軽質ナフサとメタノールの炭素強度は１［ｇ／ｍｉｌｅ］であり、化石燃料由来のガソリンの炭素強度である２２０［ｇ／ｍｉｌｅ］よりも極めて低い。また、相溶剤として利用可能なバイオアルコールの炭素強度は７３～１６１［ｇ／ｍｉｌｅ］であり、化石燃料由来のガソリンの炭素強度よりも低い。

図３は、ガソリン代替燃料を製造するために必要なメタノールの混合量について説明するための図であり、ＦＴ軽質ナフサとメタノールとの混合物のオクタン価がガソリン相当の目標オクタン価（図３の例では９０）となるメタノールの混合量の一例を示す。

図３に示すように、混合物全体に対するメタノールの混合量（容量％）は、メタノールを混合する前のＦＴ軽質ナフサのオクタン価に応じて変化する。より具体的には、ＦＴ軽質ナフサのオクタン価が目標オクタン価より低くなるほど、ガソリン代替燃料を製造するために必要なメタノールの混合量が多くなる。

メタノールのオクタン価は１１２程度と極めて高いため、ＦＴ合成プロセスに応じてＦＴ軽質ナフサのオクタン価が６０～７０程度の範囲で変化した場合でも、ガソリン代替燃料を製造するために必要なメタノールの混合量は３０％以下となる。このため、メタノールの毒性や腐食性、エネルギー密度の低さは、車載燃料として利用可能な程度まで十分に緩和される。

図４は、ＦＴ軽質ナフサとメタノールとの相分離について説明するための図である。図４に示すように、ＦＴ軽質ナフサとメタノールのみを混合すると、ＦＴ軽質ナフサが上相、メタノールが下相に分離する相分離が生じる。このように相分離した混合液に所定量の相溶剤を混合し、相分離を解消することで、ＦＴ軽質ナフサとメタノールとが互いに溶解して一様な溶液となったガソリン代替燃料が得られる。

図５Ａおよび図５Ｂは、それぞれ、相分離を解消するために必要な相溶剤の、メタノールに対する混合量および混合物全体に対する混合量について説明するための図であり、室温における試験結果の一例を示す。より具体的には、図４に示すように相分離が生じた状態の混合物に対し、相溶剤を少量ずつ混合して混合物の観察を行い、相分離が解消するときの相溶剤の混合量を確認した試験結果の一例を示す。このような試験は、少量のサンプルを用いて行ってもよい。

図５Ａに示すように、トルエンを相溶剤とする場合は、メタノールに対し５０～７０％（容量％）以上を混合すると相分離が解消する。エタノールを相溶剤とする場合は、メタノールに対し４０％以上を混合すると相分離が解消する。プロパノール（１－プロパノール）またはブタノール（１ブタノール、イソブタノール）を相溶剤とする場合は、メタノールに対し２０％以上を混合すると相分離が解消する。

相溶剤としてバイオアルコールを用いることで、相溶剤を含む混合物としてのガソリン代替燃料の炭素強度を極めて低く抑えることができる。ただし、図２に示すように、バイオアルコールの炭素強度は、再生可能燃料であるＦＴ軽質ナフサおよびメタノールの炭素強度よりは高い。したがって、相溶剤としてのバイオアルコールの混合量を、図５Ａおよび図５Ｂに示すように最小限とすることで、相溶剤を含む混合物としてのガソリン代替燃料の炭素強度を極低く抑えることができる。

図６は、本発明の実施形態に係るガソリン代替燃料の製造方法を例示する図である。図６に示すように、先ず、ＦＴ軽質ナフサのオクタン価を測定する（工程Ｓ１）。次いで、図３に示すような予め試験により得られた特性に基づいて、工程Ｓ１で測定されたＦＴ軽質ナフサのオクタン価に応じた適切なメタノールの混合量を決定し、ＦＴ軽質ナフサとメタノールとを混合する（工程Ｓ２）。

次いで、図４に示すように相分離が生じた状態の混合物に対し、相溶剤を少量ずつ混合し（工程Ｓ３）、混合物を観察して相分離が解消したか否かを確認する（工程Ｓ４）。工程Ｓ３および工程Ｓ４は、相分離が解消するまで繰り返される。工程Ｓ４で相分離の解消が確認されると、そのときの相溶剤の混合量を、相溶に必要な相溶剤の混合量として決定する（工程Ｓ５）。

次いで、工程Ｓ２および工程Ｓ５で決定されたメタノールおよび相溶剤の混合量に応じて混合されたＦＴ軽質ナフサとメタノールと相溶剤との混合物のオクタン価を測定し、目標オクタン価以上であるか否かを確認する（工程Ｓ６）。工程Ｓ６で測定された混合物のオクタン価が目標オクタン価以上であることが確認されると、ガソリン代替燃料が完成する。

一方、工程Ｓ６で目標オクタン価に達していないことが確認されると、工程Ｓ２に戻り、図３の特性に基づいて、工程Ｓ６で測定された混合物のオクタン価（横軸）に応じたメタノールの追加混合量（縦軸）を決定し、以後の工程Ｓ３～Ｓ６を繰り返す。

エタノール、プロパノール、およびブタノールのオクタン価は、メタノールのオクタン価よりも低いため、これらを相溶剤として混合することでＦＴ軽質ナフサとメタノールと相溶剤との混合物のオクタン価が低下する可能性がある。この点を考慮し、混合物のオクタン価が目標オクタン価以上であることが確認されるまでメタノールを追加的に混合することで、最終的な混合物であるガソリン代替燃料のオクタン価を確実に目標オクタン価以上とすることができる。

本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）再生可能電力を用いたフィッシャー・トロプシュ合成により得られたＦＴ軽質ナフサと再生可能電力を用いたメタノール合成により得られたメタノールとを混合してガソリン代替燃料を製造するガソリン代替燃料の製造方法は、ＦＴ軽質ナフサのオクタン価を測定し（図６の工程Ｓ１）、測定されたＦＴ軽質ナフサのオクタン価と予め定められた目標オクタン価とに基づいてＦＴ軽質ナフサに対するメタノールの混合量を決定し（工程Ｓ２）、決定されたメタノールの混合量に基づいてＦＴ軽質ナフサとメタノールとを相溶させる相溶剤の混合量を決定し（工程Ｓ３～Ｓ５）、決定されたＦＴ軽質ナフサに対するメタノールの混合量と相溶剤の混合量とに応じてＦＴ軽質ナフサとメタノールと相溶剤とを混合する（工程Ｓ２，Ｓ３）ことを含む。

このように、再生可能燃料としてのＦＴ軽質ナフサとメタノールとを適宜な割合で混合することで、オクタン価がガソリン相当であり、かつ、炭素強度が極めて低いガソリン代替燃料を製造することができる。また、メタノールの毒性や腐食性、エネルギー密度の低さを緩和することができる。また、ＦＴ軽質ナフサとメタノールとを相溶させる相溶剤の適切な混合量を決定することで、相分離を解消するとともに、相溶剤を含む混合物としてのガソリン代替燃料の炭素強度を極低く抑えることができる。また、常温常圧での混合により、追加的なエネルギーを投入することなくガソリン代替燃料を製造するため、最終的に製造されるガソリン代替燃料の炭素強度を増大することがない。

（２）相溶剤は、バイオアルコール、より具体的には、バイオエタノール、バイオプロパノール、およびバイオブタノールのいずれかである。メタノールに対するバイオエタノールの混合量は、４０容量％以上であり、メタノールに対するバイオプロパノールの混合量は、２０容量％以上であり、メタノールに対するバイオブタノールの混合量は、２０容量％以上である（図５Ａ）。相溶剤としてバイオアルコールを用いることで、製造されるガソリン代替燃料の炭素強度を一層抑制することができる。

（３）ＦＴ軽質ナフサとメタノールとを混合してガソリン代替燃料を製造するガソリン代替燃料の製造方法は、混合されたＦＴ軽質ナフサとメタノールと相溶剤との混合物のオクタン価を測定し（図６の工程Ｓ６）、測定された混合物のオクタン価が目標オクタン価未満のとき、測定された混合物のオクタン価と目標オクタン価とに基づいて混合物に対するメタノールの追加混合量を決定し（工程Ｓ２）、決定されたメタノールの追加混合量に基づいて混合物とメタノールとを相溶させる相溶剤の追加混合量を決定し（工程Ｓ５）、決定された混合物に対するメタノールの追加混合量と相溶剤の追加混合量とに応じて混合物とメタノールと相溶剤とを混合する（工程Ｓ２，Ｓ３）ことをさらに含む。

このように、混合物のオクタン価が目標オクタン価以上であることが確認されるまでメタノールを追加的に混合することで、最終的な混合物であるガソリン代替燃料のオクタン価を確実に目標オクタン価以上とすることができる。

（４）ガソリン代替燃料は、再生可能燃料であるＦＴ軽質ナフサと、再生可能燃料であるメタノールと、バイオエタノール、バイオプロパノール、およびバイオブタノールのいずれかと、を含有する。ＦＴ軽質ナフサに対するメタノールの含有量は、ＦＴ軽質ナフサのオクタン価と予め定められた目標オクタン価とに基づいて定められる（図３）。メタノールに対するバイオエタノールの含有量は、４０容量％以上であり、メタノールに対するバイオプロパノールの含有量は、２０容量％以上であり、メタノールに対するバイオブタノールの含有量は、２０容量％以上である（図５Ａ）。

このように再生可能燃料としてのＦＴ軽質ナフサとメタノールとを適宜な割合で含有するガソリン代替燃料は、オクタン価がガソリン相当であり、かつ、炭素強度が極めて低い。また、メタノールの毒性や腐食性、エネルギー密度の低さが緩和される。また、相溶剤として炭素強度の低いバイオアルコールを適切な量だけ含有するため、炭素強度を極低く抑えながらＦＴ軽質ナフサとメタノールとの相溶が確保される。

上記実施形態では、相溶剤としてバイオアルコールを用いる例を主に説明したが、ＦＴ軽質ナフサとメタノールとを相溶させる相溶剤は、このようなものに限らない。例えば、バイオアルコール以外のアルコールを用いてもよく、トルエン等の芳香族炭化水素を用いてもよい。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能であり、変形例同士を組み合わせることも可能である。

Claims (5)

1. 再生可能電力を用いたフィッシャー・トロプシュ合成により得られたＦＴ軽質ナフサと再生可能電力を用いたメタノール合成により得られたメタノールとを混合してガソリン代替燃料を製造するガソリン代替燃料の製造方法であって、
   前記ＦＴ軽質ナフサのオクタン価を測定し、
   測定された前記ＦＴ軽質ナフサのオクタン価と予め定められた目標オクタン価とに基づいて前記ＦＴ軽質ナフサに対する前記メタノールの混合量を決定し、
   決定された前記メタノールの混合量に基づいて前記ＦＴ軽質ナフサと前記メタノールとを相溶させる相溶剤の混合量を決定し、
   決定された前記ＦＴ軽質ナフサに対する前記メタノールの混合量と前記相溶剤の混合量とに応じて前記ＦＴ軽質ナフサと前記メタノールと前記相溶剤とを混合することを含むことを特徴とするガソリン代替燃料の製造方法。
2. 請求項１に記載のガソリン代替燃料の製造方法において、
   前記相溶剤は、バイオアルコールであることを特徴とするガソリン代替燃料の製造方法。
3. 請求項２に記載のガソリン代替燃料の製造方法において、
   前記バイオアルコールは、バイオエタノール、バイオプロパノール、およびバイオブタノールのいずれかであることを特徴とするガソリン代替燃料の製造方法。
4. 請求項３に記載のガソリン代替燃料の製造方法において、
   前記メタノールに対する前記バイオエタノールの混合量は、４０容量％以上であり、
   前記メタノールに対する前記バイオプロパノールの混合量は、２０容量％以上であり、
   前記メタノールに対する前記バイオブタノールの混合量は、２０容量％以上であることを特徴とするガソリン代替燃料の製造方法。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載のガソリン代替燃料の製造方法において、
   混合された前記ＦＴ軽質ナフサと前記メタノールと前記相溶剤との混合物のオクタン価を測定し、
   測定された前記混合物のオクタン価が前記目標オクタン価未満のとき、測定された前記混合物のオクタン価と前記目標オクタン価とに基づいて前記混合物に対する前記メタノールの追加混合量を決定し、
   決定された前記メタノールの追加混合量に基づいて前記混合物と前記メタノールとを相溶させる前記相溶剤の追加混合量を決定し、
   決定された前記混合物に対する前記メタノールの追加混合量と前記相溶剤の追加混合量とに応じて前記混合物と前記メタノールと前記相溶剤とを混合することをさらに含むことを特徴とするガソリン代替燃料の製造方法。

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