マトリックス法を用いた製油所副生水素の環境負荷分析

Journal of Japan Society of Energy and Resources, Vol. 33, No. 1
マトリックス法を用いた製油所副生水素の環境負荷分析
Analysis of Environmental Burdens on By-Product Hydrogen in Oil Refinery using a
Matrix Method
角 鹿 誠 真 *・ 内 山 洋 司 *・ 岡 島 敬 一
Seima Tsunoka
Yohji Uchiyama
*
Keiichi Okajima
・村 田 謙 二**
Kenji Murata
(原稿受付日 2011 年 9 月 14 日,受理日 2011 年 12 月 9 日)
In recent years, hydrogen is expected as an attractive energy to achieve a low-carbon society. By-product hydrogen in oil
refinery is one of the promising resources to produce hydrogen. It is needed to evaluate an environmental burden, especially
CO2 emission, of the by-product hydrogen. Analysis of the environmental burden in oil refinery is complicated because
manufacturing processes in oil refinery have some recurrent flows. A matrix method is useful to analyze consistently
environmental burdens on refinery processes including recurrent flows. In this study, the method is applied to investigate CO2
emissions of by-product hydrogen in oil refinery in Japan. The emission is analyzed for two different hydrogen concentration
of off-gas. The effect of changing feedstock of hydrogen production unit(HPU) is analyzed from LPG of an internal
production material to natural gas of an external raw material. The result shows that most of CO2 burdens emitted from some
processes which require a lot of heat energy in the refinery. The study also estimates CO2 emissions of the by-product
hydrogen, which is about the same amount as that of the gasoline.
Keywords: by-product hydrogen , oil refinery , CO2 emission
1.はじめに
的に明らかにできる方法である.プロセス分析法を発展し
た方法にマトリックス法がある[7] -[14].製油所のようなプロ
近年,化石燃料の需給逼迫や地球温暖化問題が深刻化す
セスでは,製造プロセスに石油製品がループするフィード
る中,水素は低炭素化に向けたエネルギーとして注目され
バックフローがあるため,単純な積み上げ計算で製油所の
ている[1].その理由としては,水素は燃焼時に CO2 を排出
環境負荷を求めることは極めて困難である.この問題を解
しない,燃料の貯蔵と輸送が可能である,化石燃料やバイ
決する方法として,著者らはマトリックス法を基にしたフ
オマスなど様々な一次エネルギーから生産できる,といっ
ィードバックフローを含む生産システムの環境負荷分析法
たことが挙げられる.
[15]
水素の製造方法は数多くある[1][2]. 中でも製油所の副生
を開発した.その手法は,製品システム内の全てのフロ
ーを行列によって表すことで,フィードバックフローを正
水素は現在の製油所施設を利用して製造できるため,経済
確に反映して製品システムの環境負荷を求めることが可能
的にも有望とみなされている.そのため,本格的な水素社
となる手法である.本研究では,この手法を用いて製油所
会へ移行する過渡期において,製油所副生水素の利用拡大
副生水素の環境負荷分析を行った.
が期待されている[3].
一方で,石油業界を取り巻く環境は,輸入原油の重質化,
2. マトリックス法による環境負荷分析方法
重油需要の減少[4][5],次世代車の普及による自動車用燃料の
ガソリン・軽油などの需要の減少[6] など製品需給に大きな
本章では,著者らが開発した手法の製油所モデルに対す
変化が現れ始めている.従って,水素は低炭素社会の需要
る適用方法について述べる.
に応じるだけでなく,石油業界にとっては新たな市場開拓
図 1 に本研究で分析対象とした製油所モデルを示す.こ
のエネルギー源として期待されている.
のモデルは,一般財団法人石油エネルギー技術センター(旧
副生水素は製油所の脱硫装置や分解装置から発生するオ
(財)石油産業活性化センター)「水素社会における製油
フガスを精製して得られる.オフガスは様々な水素濃度・
所水素の位置付けに関する調査(PEC-2008L-03)」[3]で構築
組成を持つため[3],副生水素を効率的に生産するには,製
された製油所モデルである.本研究では,図 1 に示したモ
油所のプロセスの多様性を考慮した分析を行うことが重要
デルに,オフガスを回収するガス回収プロセスとオフガス
になる.
か ら 水 素 を 抽 出 す る 圧 力 ス イ ン グ 吸 着 (Pressure Swing
ライフサイクル評価のインベントリ分析として広く使わ
Adsorption,PSA)プロセスを加え分析を行う.また,マテリ
れているプロセス分析法は,製油所の各プロセスの入力・
アルに関しては,図 1 に示したマテリアルだけでなく,ユ
出力から,製油所全体にわたるマテリアルのフローを定量
ーティリティである自所燃料・電力も含めて分析を行う.
*
2.1 製油所全体・各プロセスの環境負荷分析
筑波大学大学院システム情報工学研究科リスク工学専攻
〒305-8573 茨城県つくば市天王台 1-1-1 総合研究棟 B726 室
e-mail
[email protected]
[email protected]ト試験研究部
マトリックス法では,各プロセスのマテリアル入出力量
23
第 26 回エネルギーシステム・経済・環境コンファレンスの
内容をもとに作成されたもの
Journal of Japan Society of Energy and Resources, Vol. 33, No. 1
は各プロセスの活動量に比例すると仮定している.この仮
ス活動量を求めることができる.
定により,式(1)で表されるマテリアルバランス式が成り立
p=A-1F
つ.
Ap=F
(5)
しかし,製油所モデルを表す行列 A は,プロセス数とマ
(1)
テリアル数が異なるため,プロセス活動量を求めるために
ここで,行列 A の列はプロセス,行はマテリアルを示し,
は,行列の正方化が必要となる.本研究では,行列の正方
要素は各プロセスの単位活動量あたりのマテリアル入出力
化の際に著者らが開発したプロセスの分離[15]を用いる.
量を示す.A は各プロセスの単位活動量あたりのマテリア
製油所モデルのマテリアル数がプロセス数よりも 15 大
ルの入出力関係を表しているため,プロセス原単位行列と
きいため,境界ベクトル F を式(6)で示す 16 個の列ベクト
する.F はシステム全体の入出力量を示すベクトルであり,
ルの和で表す.
p はプロセス活動量を表す列ベクトルである.製油所モデ
F  F   D1  D2    D15
ルのプロセス数は 14,マテリアル数は 29 であるため,A ,
ここで, F  と D1…D15 は全て零ベクトルではなく,かつ線
F,p はそれぞれ式(2),(3),(4)で表される.t は転置を表す.
 a1・1

a
A   2・1


a
 29・1
F   f1
p   p1
a1・2
a 2・2

a 29・2
 a1・14 

 a 2・14 

 

 a 29・14 
f2 
f 29 
t
形独立である. F  をプロセス追加後の境界ベクトル,D1
…D15 をダミープロセスとしてシステムに加えることでプ
ロセス原単位行列の正方化を行う.正方化を行った後のマ
(2)
テリアルバランス式は式(7)で表される.
Ap  F 
t
(7)
ここで,行列 A ,ベクトル p  はそれぞれ式(8),(9)で表さ
(3)
p2  p14 
(6)
れる.
(4)
 a1・1

a
A   2・1


a
 29・1
aij はプロセス j の単位活動量あたりに入出力されるマテリ
アル i の物量を表し,入力は負,出力は正の値で表される.
行列 A が正則行列である場合には,式(5)によってプロセ
 a1・14 - d1・1
 a 2・14 - d 2・1



 a 29・14 - d 29・1
p   p1
 - d1・15 

 - d 2・15 

 

 - d 29・15 
p2  p29 
t
(8)
(9)
式(7)は式(1)の右辺の一部を左辺に移項した式であるた
め,式(1)と同様のマテリアルバランスを表す.また,プロ
セス 1…14 に関する値は変化していないため,式(7)を解く
ことでプロセス活動量を求めることができる.従って,プ
ロセス活動量ベクトルは式(10)によって求めることができ
る.
p  A 1 F 
(10)
p  の要素である p1…p14 がプロセス活動量ベクトル p の要
素の値となる.
環境負荷因子に関してもマテリアルと同様の式が成り立
つため,環境負荷ベクトルを B とすると,製油所全体の環
境負荷 β は式(11)で求めることができる.
  Bp
(11)
環境負荷ベクトル B は単位活動量あたりの各プロセスの環
図1
製油所モデル
24
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境負荷因子排出量を示すベクトルであり,式(12)で表される.
B  b1 b2  b14 
(12)
また,各プロセスのマテリアル入出力量を示すマテリア
(18)
j
和を示す.
B はそれぞれ式(13),(14)によって求めることが出来る.
ˆ
B  Bp
hij
ここで,ηjはプロセスjから出力されるマテリアルの量の総
ルフロー行列 A ,環境負荷因子排出量を示す環境負荷行列
ˆ
A  Ap
hij 
マテリアルの入力量にマテリアルの出力比を乗じること
で,出力マテリアルのために利用された入力マテリアルの
(13)
量を求めることができる.このことから,マテリアルの入
出力行列Eは次の式で求められる.
(14)
 e1・1  e1・j  e1・29 


 
  
ei・j
ei・29 
E  G ( H )t   ei・1



 
 
e

 29・1  e29・j  e29・29 
ここで, p
ˆ はプロセス活動量ベクトルの要素を対角成分
に持つ対角行列である.
以上の方法で,製油所全体の環境負荷,各プロセスの環
境負荷を求めることができる.
2.2 各最終製品に付加される環境負荷分析
(19)
製油所では,複数の最終製品が出力されるため,副生水
n
eij   g is hsj
素の環境負荷を求めるためには,各製品の環境負荷を求め
方法について述べる.
ただし, hij は (H ) の要素であり, hij
t
本研究で用いる手法では,産業連関表を用いた環境負荷
テリアルの入出力関係だけでなく,環境負荷原単位ベクト
間の入出力関係を示すマテリアル入出力表を作成する.マ
ルOを求める必要がある.このベクトルの要素の値は,各
テリアル入出力表の列は,その列が表すマテリアルを出力
マテリアルを単位量出力する際に発生する直接環境負荷を
するために利用されたマテリアルとその量を表し,行は,
示す.この値は,マトリックス法で求めた各プロセスの環
その行が表すマテリアルがどのマテリアルを出力するため
境負荷を統一した単位を基準に各プロセスの出力マテリア
に利用されたかとその量を表す.
ルに配分し,同一マテリアルの環境負荷を足し合わせるこ
マテリアル入出力表を作成するためにまず,マテリアル
とで求めることができる.マテリアルiの環境負荷原単位を
フロー行列の各要素の値の単位統一を行う.本研究では,
求める式を式(21)に示す.
石油製品や水素の特性を考慮し,基準となる単位は熱量を
用いる.各マテリアルの熱量は文献[3]の値を用いる.
n
次に単位統一を行ったマテリアルフロー行列を入力値の
Oi 
みを示す入力行列と出力値のみを示す出力行列に分割する.
 (b
j 1
入力行列,出力行列はそれぞれ式(15),(16)で表される.
(15)
H  [h29,14 ]
(16)
 hji である.
産業連関分析と同様の手法で環境負荷を求めるため,マ
分析法と同様の形式で環境負荷を求めるため,マテリアル
G  [ g 29,14 ]
(20)
s 1
る必要がある.本節では,各最終製品への環境負荷の配分
j
p j )hij
Xi
(21)
ここで,Xi はマテリアル i の総出力量を示す.
以上で求めたマテリアル入出力行列・環境負荷原単位ベ
クトル,各マテリアルの総入出力量,境界ベクトルを示す
マテリアル入出力表を表 1 に示す.マテリアル入出力表で
gijはプロセスjに入力されるマテリアルiの量を示し,hijはプ
表される関係から,製品の環境負荷を示すベクトル L は式
ロセスjで出力されるマテリアルiの量を示す.次に,入力さ
(22)で表される.
れたマテリアルが各出力マテリアルのために利用される量
L  O( I  E ) 1 Fˆ
を求めるために,各プロセスにおける出力マテリアルの比
を示す出力係数行列 H  を求める.
 ,14 ]
H   [h29
(22)
ˆ は境界ベクトルの要素を対角成分に持つ対角行
ここで,F
列である.E  は産業連関表の投入係数行列に相当する行列
(17)
であり,式(23)で表される.
25
Journal of Japan Society of Energy and Resources, Vol. 33, No. 1
の水素濃度により異なる.ケース1では,0.02 [kWh/Nm3],
表 1 マテリアル入出力表
マテリアル
境界ベクトル F
総出力量
ケース2では,0.33 [kWh/Nm3] [3]とする.また,現状では,
1
2

29
マ
1
e1・1
e1・2

e1・29
f1
X1
テ
2
e2・1
e2・2

e2・29
f2
X2
リ







ある.本研究では,補助熱源として,現行プラントで自所
29
e29・1
e29・2

e29・29
f29
X29
燃料として利用されているLPGを用いる.副生水素を生産
総入力量
Y1
Y2

Y29
ア
ル
副生水素は回収されずに自所燃料の一部として,利用され
ている.そのため回収する副生水素分の熱量を補う必要が
する場合,この補助熱源の燃焼により製油所のCO2排出量
損失
X1- Y1
X2- Y2
X1
X2
 X29- Y29

X29
は増加する.
総出力量
環境負荷原単位
O1
O2

表 2 各プロセスの電力使用量
 e1・1

 X1
 

e
E    i・1
 X1
 

 e 29・1
 X
1


O29
e1・j
X

j

e i ・j
X
j


e 29・j
X

j
e1・29
X 29

ei・29
X 29

e 29・29
X 29












(23)
以上の方法で最終製品の環境負荷を求めることができる.
3. 製油所の環境負荷分析
電力量
[GWh/年]
平均
344
140
252
329
150
155
666
503
936
1195
494
17
最小
33
140
207
329
150
155
666
168
314
1195
494
17
常圧蒸留
減圧蒸留
接触分解
水素化分解
アルキ
水素製造
接触改質
ナフサ脱硫
灯軽油脱硫
直接脱硫
間接脱硫
熱分解
最大
656
140
297
329
150
155
666
837
1559
1195
494
17
表3 水素消費プロセスのオフガス中水素濃度
サンプル
ガス
水素濃度
製油所数
サンプル数
[%]
ナフサ脱硫
8
16
55(13~98)
灯軽油脱硫
9
25
58(22~93)
間接脱硫
8
9
56(30~88)
直接脱硫
4
5
55(40~63)
水素化分解
4
6
36(7~86)
本章では,分析を行う際の条件設定について述べる.分析
ケースの設定に関しては,文献[3]で設定されたケース,値を
用いた.
3.1 ケース設定
各プロセスの石油製品・脱硫用水素・自所燃料の入出力
量はモデルで設定された値を用いる.
表2に各プロセスの電力使用量 [3]を示す.電力は全て外
部からの購入電力である.このモデルは,全国の製油所デ
表4 ケースごとのオフガス中水素濃度と副生水素生産量
ータを収集し構築したモデルであり,製油所ごとに電力使
水素濃度[%]
用量には幅があるため,最大,平均,最小の場合で分析を
行った.
副生水素量 [億Nm3]
ケース1
ケース2
ケース1
ケース2
80
50
1.87
0.62
80
50
4.19
1.40
80
50
3.65
1.21
80
50
4.38
1.34
80
50
1.05
0.32
20
10
2.76
1.11
20
10
0.26
0.10
ナフサ
表3に各水素消費プロセスのオフガス中水素濃度 [3]を示
脱硫
す.オフガス濃度も電力同様,個々の製油所により異なる.
灯軽油
表中の水素濃度の値は,平均値(最小値~最大値)を示す.
脱硫
表3に示すようにオフガスの組成もデータにばらつきが
間接
[3]
ある.そこで,本研究では文献 同様,オフガス水素濃度
脱硫
が高い場合をケース1,低い場合をケース2とし,分析を行
直接
った.表4に各ケースにおけるプロセスごとのオフガス水
脱硫
素濃度,副生水素生産量を示す.副生水素の回収率は80%
水素化
分解
とした.
オフガス中から水素を抽出するためには,ガス分離・精
接触
製を行うことが必要になる.このガス分離・精製のために
分解
熱分解
PSAを用いる.PSA稼働のための電力使用量はオフガス中
26
27
副生水素 [億Nm3]
電力 [百万kWh]
原油
水素 [億Nm3]
オフガス
オフガス(水素除)
LPG
軽質ナフサ
脱硫軽質ナフサ
重質ナフサ
脱硫重質ナフサ
アルキレート
改質ガソリン
分解ガソリン
粗灯油
脱硫灯油
粗軽油
脱硫軽油
重質軽油
脱硫重質軽油
減圧軽油
脱硫減圧軽油
分解軽油
分解重油
常圧残油
脱硫常圧残油
減圧残油
コークス
自燃ガス
-234.3
0
0.2
0
1.2
17.8
0
35.3
0
0
0
0
46.2
0
35.1
0
5.2
0
0
0
0
0
93.5
0
0
0
-1.92
0
-344
常圧蒸留
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
42.6
0
0
0
-63.6
0
21
0
-1.09
0
-140
減圧蒸留
0
0
1.9
0
12.7
0
0
0
0
0
0
28.4
0
0
0
0
0
0
0
-36.9
8
2.8
0
-10.2
0
0
0
0
-252
接触分解
表 5 プロセス原単位行列と境界ベクトル
0
-17.6
0.1
0
0.2
0
0.5
0
0.9
0
0
0
0
0.9
0
0
-6.1
2.4
0
1.6
0
0
0
0
0
0
-0.67
0
-329
水素化分解
HPU
0
0
0
56
0
0
0
0
-2.9 -2.2
0
0
0
0
0
0
0
0
2.5
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-0.08 -0.6
0
0
-150 -155
アルキ
0
85.4
0
0
4.4
0
0
0
-36.8
0
27.2
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-1.26
0
-666
接触改質
0
-4.1
0.2
0
0
-8.4
8.4
-35.9
35.9
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-0.42
0
-503
ナフサ脱硫
0
-53.4
0.4
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-46.2
46.2
-36.3
36.3
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-1.76
0
-936
灯軽油脱硫
0
-30.5
0.4
0
0
0
0.7
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-20.6
20.5
0
0
-2.26
0
-1195
直接脱硫
0
-35.8
0.3
0
0
0
0.4
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-0.1
0
-35.2
35.3
0
0
0
0
0
0
-1.76
0
-494
間接脱硫
0
0
0.2
0
0.6
0.6
0
0.6
0
0
0
0
0
0
1.2
0
1
0
0
0
0
0
0
0
-5.2
1.7
-0.25
0
-17
0
0
0
0
0 -3.70
-2.90
2.90
-7.49
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-1.7
0
12.07
0
0 18.15
0 -0.36
熱分解 ガス回収 PSA
-234.3
0
0
0
6.5
10
10
0
0
2.5
27.2
28.4
0
47.1
0
36.3
0
2.4
7.4
0
8
2.8
9.3
10.3
15.8
0
0
18.15
-5181
境界ベクトルF
Journal of Japan Society of Energy and Resources, Vol. 33, No. 1
28
副生水素 [億Nm3]
電力 [百万kWh]
原油
水素[億Nm3]
オフガス
オフガス(水素除)
LPG
軽質ナフサ
脱硫軽質ナフサ
重質ナフサ
脱硫重質ナフサ
アルキレート
改質ガソリン
分解ガソリン
粗灯油
脱硫灯油
粗軽油
脱硫軽油
重質軽油
脱硫重質軽油
減圧軽油
脱硫減圧軽油
分解軽油
分解重油
常圧残油
脱硫常圧残油
減圧残油
コークス
自燃ガス
-234.3
0
0.2
0
1.2
17.8
0
35.3
0
0
0
0
46.2
0
35.1
0
5.2
0
0
0
0
0
93.5
0
0
0
-1.92
0
-344
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
42.6
0
0
0
-63.6
0
21
0
-1.09
0
-140
0
0
1.9
0
12.7
0
0
0
0
0
0
28.4
0
0
0
0
0
0
0
-36.9
8
2.8
0
-10.2
0
0
0
0
-252
0
0 0
-17.6
0 56
0.1
0 0
0
0 0
0.2 -2.9 -2.2
0
0 0
0.5
0 0
0
0 0
0.9
0 0
0 2.5 0
0
0 0
0
0 0
0
0 0
0.9
0 0
0
0 0
0
0 0
-6.1
0 0
2.4
0 0
0
0 0
1.6
0 0
0
0 0
0
0 0
0
0 0
0
0 0
0
0 0
0
0 0
-0.67 -0.08 -0.6
0
0 0
-329 -150 -155
常圧蒸留 減圧蒸留 接触分解 水素化分解 アルキ HPU
表 6 正方化行列と境界ベクトル
0
85.4
0
0
4.4
0
0
0
-36.8
0
27.2
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-1.26
0
-666
0
-4.1
0.2
0
0
-8.4
8.4
-35.9
35.9
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-0.42
0
-503
0
0
-53.4 -30.5
0.4
0.4
0
0
0
0
0
0
0
0.7
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-46.2
0
46.2
0
-36.3
0
36.3
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0 -20.6
0 20.5
0
0
0
0
-1.76 -2.26
0
0
-936 -1195
0
0
0
0
-35.8
0
0
0
0.3 0.2
0 -3.7
0
0 -2.90 2.90
0 0.6 -7.49
0
0 0.6
0
0
0.4
0
0
0
0 0.6
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0 1.2
0
0
0
0
0
0
-0.1
1
0
0
0
0
0
0
-35.2
0
0
0
35.3
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0 -5.2
0
0
0 1.7 -1.7
0
-1.76 -0.25 12.07
0
0
0
0 18.15
-494 -17
0 -0.36
接触改質 ナフサ脱硫 灯軽油脱硫 直接脱硫 間接脱硫 熱分解 ガス回収 PSA
0
0
0
0
0
-10
-9.3
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-0.7
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-6.5
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-2.5
0
0
0
0 -27.2
0
0
0 -28.4
0
0
0
0
0
0
0
0 -10 -37.1
0
0
0
0
0
0 -28.4
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-2.4
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-7.4
0
0
-2.8
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-7.9
0
0
0
0
-8
0
-0.8
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-8.5
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-10.3
-10.3
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-5.5
0
0
0
0
0
0 -18.15
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
5181
-234.3
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
ダミー1 ダミー2 ダミー3 ダミー4 ダミー5 ダミー6 ダミー7 ダミー8 ダミー9 ダミー10 ダミー11 ダミー12 ダミー13 ダミー14 ダミー15 境界ベクトルF´
Journal of Japan Society of Energy and Resources, Vol. 33, No. 1
Journal of Japan Society of Energy and Resources, Vol. 33, No. 1
脱硫用の水素を製造する水素製造プロセスでは,水素製
補助燃料として利用したLPGの量から按分して求めた.ケ
造装置(Hydrogen Production Unit,HPU)によって水素が製造
ース1では2.17 [kg-CO2/l],ケース2では2.10 [kg-CO2/l]とな
される.モデルでは,水素製造の原料として所内で生産さ
った.
外販電力のCO2 排出原単位は,文献 [3] で用いられた値
れる LPG を用いて,脱硫用水素を製造している.本研究で
(0.378 [kg-CO2/kWh])を用いた.
は,LPG に加え,水蒸気改質反応の CO2 排出量の変化が副
生水素の環境負荷へ与える影響を調べるため,水素原料を
接触分解装置では,原料の熱分解の際に触媒に付着した
LPG から水蒸気改質反応での CO2 排出量が小さい天然ガス
炭素を酸化することで触媒を再生するが,このときCO2が
に変更した場合の分析も行った.天然ガスは外部から購入
排出される.接触分解装置の触媒再生の際のCO2排出原単
することを想定した.LPG を用いた水素製造の化学反応式
位は,原料により異なる.本研究では,文献[16]で用いられ
は式(24)で表わされる.
た値を用いた.その値は脱硫減圧軽油では,170 [kg-CO2/kl],
C4H10 + 8H2O → 13H2 + 4CO2
脱硫常圧残油では,210 [kg-CO2/kl]である.
(24)
天然ガスを用いた水素製造の化学反応式は式(25)で表わさ
HPUでは,精製用水素を製造するための水蒸気改質反応
れる.
に伴いCO2が排出される.本研究では,水蒸気改質反応に
CH4 + 2H2O → 4H2 + CO2
伴うCO2排出量と発生水素量の割合が式(17),(18)に示す反
(25)
応式の化学量論比と等しいと仮定してCO2 排出量を推計
表5にケース1・電力平均におけるプロセス原単位行列A
した.
と境界ベクトルFを示す.境界ベクトルFと表記されている
以上の4つの要素からの単位活動量あたりの排出量を足
列が境界ベクトルであり,それ以外の部分がプロセス原単
し合わせることで環境負荷ベクトルBを求めた.表7にケー
位行列を示す.オフガス(水素除)と表記されているマテ
ス1・電力平均における環境負荷ベクトルを示す.自燃ガ
リアルは水素抽出後のオフガスを示す.
スは自所燃料の燃焼によるCO2排出量を示し,電力は電力
3.2 CO2排出量の分析
使用に伴うCO2排出量を示し,反応は流動接触分解の触媒
本研究の分析対象である製油所モデルはm>nであるた
活性の復元・水蒸気改質反応に伴うCO2排出量を示す.ま
め,まず,2.1で示したプロセスの分離によって,行列の
た、合計は各要素を足し合わせたCO2排出量を示しており,
正方化を行った.正方化を行い,プロセス数を増やした行
合計の行が環境負荷ベクトルBを示す.
列と変化した境界ベクトル F  を表6に示す.追加したプロ
自所燃料を使用するプロセスにおいては,電力と比較し
セスはダミーと表記した.次に,各プロセスの自所燃料・
て,自所燃料の燃焼によるCO2排出量が大きくなっており,
電力の使用量,反応によるCO2排出から環境負荷行列の各
主なCO2排出要因となっている.これは,自所燃料のCO2
要素の値を算出し,マトリックス法を用いて製油所の環境
排出原単位が電力のCO2 排出原単位よりも大きいためで
負荷を求めた.その後,2.2で示した環境負荷の配分方法
ある.また,接触分解・HPUでは,自所燃料の燃焼や電力
を用いて最終製品の環境負荷を求めた.
使用によるCO2排出量よりも反応によるCO2排出量が大き
本研究では,製油所のCO2排出要因として以下の4つを
く,主なCO2排出要因となっている.
考慮した.

自所燃料の燃焼

外販電力の使用

流動接触分解の触媒活性の復元

HPUの水蒸気改質反応
4.分析結果
最初に式(10),(11)を用いて算出した製油所全体から排出
されるケース毎のCO2量を比較した.図3に各ケースにお
[3]
自所燃料のCO2排出原単位は,文献 で用いられた値と
ける製油所全体から排出されるCO2排出量を示す.NGは
表7 各要素からの単位活動量あたりのCO2排出量と環境負荷ベクトルB
[万t-CO2]
常圧
減圧
接触
水素化
蒸留
蒸留
分解
分解
417.2
236.8
電力
13.0
反応
0
430.2
アルキ
自燃ガス
合計(B)
0
145.6
17.4
5.3
9.5
12.4
0
841.5
0
242.1
851.0
158.0
接触
ナフサ
灯軽油
直接
間接
改質
脱硫
脱硫
脱硫
脱硫
ガス
熱分解
HPU
PSA
回収
130.4
273.8
91.3
382.4
491.0
382.4
54.3
0
0
5.7
5.8
25.1
19.0
35.4
45.2
18.7
0.6
0
0.014
0
337.9
0
0
0
0
0
0
0
0
23.1
474.1
298.9
110.3
417.8
536.2
401.1
54.9
0
0.014
29
Journal of Japan Society of Energy and Resources, Vol. 33, No. 1
HPU の原料を天然ガスに変更した場合の結果を示す.電力
は,自所燃料の使用量は多くはないが,水蒸気改質反応,
使用量の違いによる分析については,どのケースでも CO2
触媒再生によるCO2排出があるため,CO2排出量は大きく
排出量の変化が等しいため,ケース 1 での結果だけを示す.
なった.
ケース 1 以外の結果は全て,電力使用量が平均の場合の結
900
果である.
800
700
CO2 排出量 [万t]
4500
CO 2排出量 [万t]
4000
3500
3000
2500
2000
600
反応
500
電力
400
自所燃料
300
200
1500
1000
500
反応
100
電力
0
自所燃料
0
電
力
最
大
電
力
平
均
電
力
最
小
N
G
・
電
力
平
均
電
力
平
均
ケース1
N
G
・
電
力
平
均
図4 各プロセスのCO2排出量
図5に2.2で示した環境負荷の配分方法を用いて算出した
ケース2
ケース1電力平均での各最終製品のCO2排出量原単位を示
図3 製油所全体のCO2排出量
す.環境負荷の配分は,石油と水素の特性を考慮し熱量に
製油所でのCO2排出量の約65%は自所燃料の燃焼分であ
よる配分を行った.単位統一の際と同様に各マテリアルの
熱量は文献[3]の値を用いた.
り,HPUと接触分解装置での反応分が約30%,電力分が約
5%となった.このことから,製油所でのCO2排出量は自所
CO2 排出原単位 [g/MJ]
燃料の影響が大きく,電力による影響は小さいといえる.
また,ケース1とケース2での排出量を比較すると,ケース1
でのCO2排出量がケース2の場合よりも88万トン大きいと
いう結果になった.これは,ケース1での製油所全体の排出
量の2%となっている.ケース1の方が,副生水素生産量が
大きく,補助熱源利用量も大きいため,このような結果に
なった. HPUの原料を天然ガスにした場合のCO2削減量は
62万トンであり,製油所全体の排出量の1.6%となっている.
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
電力最大の場合と最小の場合での排出量の差は100万トン
であり,電力最大での製油所全体の排出量の2.5%となって
いる.
図5 各製品のCO2排出原単位
次に式(14)を用いて製油所の各プロセスのCO2排出量を
算出した.図4にケース1電力平均での結果を示す.ただし,
ガソリンやLPG,A重油といった様々なプロセスで製造さ
ガス回収プロセスはオフガス,LPG,コークスを収集し,
れる製品は環境負荷が大きく,ナフサ,アスファルトは他
自所燃料として出力する仮想的なプロセスであり,環境負
の石油製品と比較して,環境負荷が小さい結果になった.
荷が0と仮定しているため図示していない.また,PSAの環
また,副生水素のCO2排出原単位はガソリンと同等の値で
境負荷は他のプロセスと比較して1/1000程度であることか
あった.
ら,PSAの環境負荷も図示していない.
表8に各ケースにおける副生水素のCO2排出原単位を示
灯軽油・直接・間接脱硫プロセスや常圧蒸留プロセスな
す.
ど自所燃料の使用量が多いプロセスではCO2排出量が大き
ケ ー ス 1 と ケ ー ス 2 で の CO2 排 出 原 単 位 の 差 は 0.16
くなった.また,水素製造プロセス,接触分解プロセスで
[g-CO2/MJ]であり,その差はケース1での原単位の1.7%とな
30
Journal of Japan Society of Energy and Resources, Vol. 33, No. 1
った.HPUの原料を天然ガスにすることによる副生水素の
石油産業活性化センター);水素社会における製油
CO2排出原単位の減少は0.17 [g-CO2/MJ]であり,1.4%だけ
所水素の位置付けに関する調査(PEC-2008L-03),
原単位が小さくなった.電力最大と最小でのCO2排出原単
2009 年 3 月
位の差は0.07 [g-CO2/MJ]であり,その差は電力最大の原単
[4] 西川輝彦;石油産業の現状と課題,エネルギー・資
位の0.8%になる.
源,30-6(2009),337-342
[5] 酒井眞人;次世代に向けた革新的石油精製技術開発,
表8 副生水素のCO2排出原単位
エネルギー・資源,30-6(2009),358-361
[g-CO2/MJ]
[6] JX 日鉱日石エネルギー株式会社;石油便覧,第2編
電力最大
9.11
電力平均
9.07
http://www.eneos.co.jp/binran/part02/chapter04/s
電力最小
9.04
ection02.html , (最終アクセス日
NG・電力平均
8.94
[7] 日本太陽エネルギー学会編集委員会;持続可能エネ
電力平均
8.91
ルギー講座,第2巻,(2008),61-63,日本太陽エネ
NG・電力平均
8.78
ルギー学会
ケース1
ケース2
4章2節石油製品需要の動向,
2011/07/17)
[8] Reinout Heijungs ; A generic method for the
identification of options for cleaner products,
5. おわりに
Ecological Economics,10 (1994),69-81
本研究では,フィードバックフローを含む生産システム
の環境負荷分析法を用いて,日本全体の製油所を表わす製
[9] Jong Myung Gwak , Mi-Ryang Kim , Tak Hur;
油所統一モデルにおける副生水素の環境負荷を分析した.
Analysis of internally recurring unit processes in
分析した結果,製油所副生水素の環境負荷はガソリンと
life cycle assessment , Journal of Cleaner
Production , 11 , (2003) , 787-795
同程度ということが明らかになった.ただし,これは製造
時での結果であり,Well to Wheel(WtW)で考えると,燃料電
[10] Reinout Heijungs , Sangwon Suh;Reformulation
池の効率のほうがガソリンエンジンよりも高いため,水素
of matrix-based LCI : from process balance to
利用時の環境負荷の方が小さくなると考えられる.
product balance , Journal of Cleaner Production ,
14 , (2006) , 47-51
今後の課題としては,定置用・移動体用燃料電池システ
ムなど水素の利用プロセスも含めた水素エネルギーチェー
[11] Sangwon Suh , Gjalt Huppes;Method for Life
ン全体での分析を行うこと,副生水素だけでなく水素を積
Cycle Inventory of a product , Journal of Cleaner
極的に製造し出荷する場合の環境負荷分析,水素価格を考
Production , 13 , (2005) , 687-697
[12] Shinsuke sakai , Koji Yokoyama;Formulation of
慮した経済性の分析を行うことなどが挙げられる.
sensitivity analysis in life cycle assessment using
a perturbation method , Clean Techn Environ
謝辞
Policy , 4 , (2002) , 72-78
本研究を進めるにあたり,分析に必要なデータを提供し
[13] 福原一朗,本藤裕樹;マトリックス法における一意
て頂きましたエネルギー総合工学研究所の坂田興部長,石
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