成果報告書詳細
管理番号20120000001075
タイトル平成23年度成果報告書 光エネルギーを用いた化学品原料・化学製品の製造等に関する基盤技術開発
公開日2013/1/8
報告書年度2011 - 2011
委託先名株式会社三菱総合研究所 神鋼リサーチ株式会社
プロジェクト番号P09018
部署名環境部
和文要約我が国化学産業は現在、資源制約、地球温暖化問題、国際競争激化等の従来からの課題に加え、東日本大震災による電力制約等への対応も急務となっている。これらの課題を解決しうる1つの技術として、光エネルギーの活用を取上げる。
光エネルギーを用いた化学品原料・化学製品の製造等を実現するためには、光エネルギーを化学エネルギーに変換するための革新的触媒技術がキーテクノロジーとなる。具体的には、水の光分解による水素製造と、CO2の光還元による含酸素化合物製造を含む人工光合成(明反応)プロセスを中心に、水素等の人工光合成生成物を用いた化学品製造プロセスの達成が重要となる。
光化学反応は、エネルギー資源を必要としない環境調和型プロセスである一方、一般に反応収率が低く、選択性が低いことが欠点とされてきた。これまでも化学産業では紫外線(UV)の利用は進められてきたが、無尽蔵なエネルギー源である太陽光を利用した人工光合成を達成するためには、可視光領域における光触媒の量子収率の向上が必要であり、国内外で多くの研究が進められている。いずれも基礎研究段階にあり、実用化に至るまでには、今後多くの技術的ブレークスルーが見出されるものと期待されている。また、人工光合成プロセスと従来の熱化学反応とを比較したメリット・デメリット分析では、環境面ではメリットが期待できるものの、現在の技術水準ではコスト面や生産性の改善が従来プロセスに代替する上での課題として示された。
光エネルギーを用いた化学品原料・化学製品の製造については、日本ではNEDOやJSTにて大規模な研究開発投資が行われているほか、多くの国で国家プロジェクトとして大規模な開発が進められている。日本では基礎研究に重点が置かれ、我が国研究機関の有する光触媒関連技術は高い研究水準を誇っている。一方、海外では欧州、米国、韓国を中心に基礎研究のみならず高額の費用を要する実用化に向けた研究開発が推進されており、脅威になりつつある。
人工光合成を実際に製造プロセスに適用する際には、様々な課題が発生する。例えば触媒反応システムデザイン上の課題、プラント建設地の課題、水素の需給状況等を勘案する必要がある。また、事業性を確保するためには、水素、含酸素化合物のいずれを製造する場合でも、当該生成物の市況価格と同等もしくはそれ以下での製造を目指す必要がある。
以上の調査結果を踏まえ、光エネルギーを用いた化学品原料・化学製品の製造等のうち中核技術となる人工光合成について開発を促進するためのアクション案を検討した。具体的にはまず、我が国資源・エネルギー戦略における人工光合成の位置づけ明確化等、本分野による国のリーダーシップ発揮が期待されるほか、実用化に向けた研究開発の推進が必須となる。また、研究開発人材の育成、多様な分野からの研究者参加による技術的ブレークスルーの創出、企業の参画による実用化研究の強化等の研究人材拡充、加えて、本分野での国際競争力確保に向け、戦略的な特許出願、戦略的国際連携等も重要なアクションとなっている。
英文要約Light energy can be a key technology to overcome many challenges such as resource constraint, global warming, and electricity constraint after the Great East Japan Earthquake. Utilization of light energy has been studied and proposals have been made to solve these problems and to augment the competitiveness of Japanese chemical industry.
Innovative catalytic technologies which convert light energy into chemical energy should be an important factor to utilize photochemical energy. Particularly, achievement of chemical production from artificial photosynthesis products (i.e. hydrogen from water photolysis and oxygenated compounds from carbon dioxide photoreduction) is essential.
A benefit of light energy is sustainability but the reactions are generally seen inefficient and less-selective. At present, ultraviolet has been used in chemical industry but the utilization of optical wavelength is necessary to make full use of sun light in artificial photosynthesis reactions. In this context, the literature research has found that improvement of quantum yield in optical wavelength is a hot topic in the academic field. Most of them are at basic stage and many breakthroughs are expected in near future. The comparative analysis has revealed the environmental advantage of artificial photosynthesis over conventional thermochemical reactions but also disadvantages of cost and productivity.
The policy research has found that utilizing light energy to chemical production has been a main topic of national research projects and extensively funded by NEDO and JST as well as in overseas countries. Compared with other countries, Japanese projects focus on basics and the technical level is advanced especially in photocatalytic technologies. Countries such as U.S.A., Europe, and Korea also invested much in practical researches, which can threaten technological advantage of Japan.
Technological problems have been clarified in putting artificial photosynthesis into practice. Among them are: system design of catalytic reaction, plant location, hydrogen demand etc. In terms of profitability, chemical production should be achieved at a competitive cost with existing processes.
In conclusions, several proposals have been made with a view to enhancing researches and technological developments of artificial photosynthesis as a core technology in chemical production by light energy. The leadership of the Japanese government is expected. This involves clarifying the role and position of artificial photosynthesis in the national resource and energy strategy, and accelerating practical researches. Fostering human resources for research and development, involvement of researchers from various fields for technological breakthrough, enhancing the practical researches in collaboration with the corporate sector are also proposed. Global strategies such as patent application and organizational alliance are also important to augment the global competitiveness of Japanese chemical industry.
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