紫外光を用いた温室効果ガス(N2O・CH4)分解技術
地球温暖化の原因となる温室効果ガスとして、二酸化炭素(以下CO2)、メタン(以下CH4、一酸化二窒素(以下N2O)、フロンガス等が知られています。CH4の地球温暖化係数はCO2の25倍、N2Oに至ってはCO2の298倍であると報告されており、温暖化に与える影響は大きい。N2OとCH4は、下水処理場や焼却炉、産業排水の処理、畜産排せつ物管理場、農耕地土壌などの現場で放出されています。N2OとCH4の分解方法は現在、高温燃焼や高温触媒方式が知られていますが、高温にする際に大量のCO2を排出してしまうことや触媒時のアンモニア利用による排水処理などが課題となっています。特に排出されるガスはかなり希薄かつガスの捕集が難しく、現状ではその対策が困難な状態です。
これらの課題に対し、ウシオは創業以来培ってきた紫外線技術を応用し、これらの２種類のガスを低濃度にも関わらず、１プロセスで分解・無害化できる技術を開発しました。また、低濃度だけでなく高濃度のガスに対しても有効です。
ウシオのN2Oと CH4の分解方式は「光」や光によって生じる「ラジカル(活性化学種(O(1D),O(3P),OH))」を用いた光化学反応によるものです。この光化学反応の反応初期過程に必要な光波長(340 nm以下)と、ラジカル(O(1D),O(3P),OH)を生成できる光源として、波長172 nmの紫外光を放出できるキセノンエキシマランプ(以下エキシマランプ)があります。エキシマランプは1993年に当社が初めて上市した製品であり、液晶基板の洗浄工程や半導体製造工程に応用展開され、高シェアを誇るランプです。
エキシマランプから生じる紫外線によって、空気中に含まれる酸素(O2)や水分(H2O)が分解され、効率的にラジカルが生成されます。これらの特徴を持つエキシマランプを用いた光化学反応によりppmオーダーの低濃度N2OとCH4を選択的に分解が可能となります。
光による温室効果ガス分解イメージ図
出典：ウシオ電機WEBサイト
N2Oと CH4の「光」と「ラジカル」による反応初期過程
出典：ウシオ電機WEBサイト
例えば下水処理場から排出されるガスに対して本技術を用いると、当社が保有する技術により、N2Oから硝酸を生成でき、さらに硝酸をアンモニアと作用させて硝酸アンモニウム(硝安)を作り、窒素成分の多い肥料として植物の栄養源とすることで植物が育成し、育成された植物を家畜や人間が食し排せつ物として下水処理場へ戻ってくる。即ち、窒素を固定化し、硝酸利用により窒素循環を実現することになります。また、CH4が分解されてできるCO2は水処理工程から排出されるCO2と合わせてCCUS等の技術を用いて炭素循環社会にも資するものです。
なお、本研究は国土交通省の「令和５年度下水道応用研究で実施する研究テーマ」に採択されております。
ウシオは今後も本技術の実用化に向け、更に研究開発を加速し、本技術を様々な排出源への社会実装を通して「地上炭素ネットゼロと、人々の幸せを両立できる世界」に「光」で貢献していきます。
ウシオの目指す循環社会
出典：ウシオ電機WEBサイト
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大気中CO2の直接回収技術および太陽熱を利用したCO2回収技術
IPCCからの指摘にもあるように、気候変動の要因の１つとして、地下から石炭、石油、天然ガスといった炭素を掘り起こすことで発生する大気中のCO2濃度の上昇があげられています。2050年のカーボンニュートラルに向けて地下からの炭素に依存しない社会基盤や技術開発が進められる一方、完全にCO2の放出量をゼロにするために、大気中のCO2を直接回収、利用する技術であるダイレクト・エアー・キャプチャー（以下、DAC）が提案されています。しかしこの技術は、大気中の低濃度のCO2（400ppm）を回収するには、効率・コストの面で改善の余地があり、現在、高効率な材料やシステムが望まれています。
ウシオ電機株式会社はCO2の吸収の効率化を支援する吸収材の実装と、CO2の脱離の省エネ化を実現するための集光・集熱技術を活用し、協業先が保有する高効率ガス循環・熱交換システムと組み合わせることで、DACの装置化に取り組みます。
DAC装置は、「大気中のCO2のみを吸収するためのCO2吸収材」、「吸収したCO2回収に必要となる熱源（太陽光活用）」、「熱をCO2吸収材に伝える伝熱技術」、「制御技術」で構成されます。独自に固体化したCO2吸収材に、ウシオが開発中の円筒型太陽光集熱器を使って太陽光を効率よく熱に変換して電熱し、CO2を低エネルギーで回収します。
植物工場へのDAC装置の実装
出典：ウシオ電機WEBサイト
SkyCarbon構想イメージ図
出典：ウシオ電機WEBサイト
東京都立大学が中心に提案した DACによるカーボンステーション開発事業」が、東京都が実施する令和5年度「大学研究者による事業提案制度」に採択されました。ウシオは東京都立大学と共同開発しているCO2吸収材料の実装技術とそのシステムを提供し、DACによるカーボンステーションの事業化を支援します。
大気中のCO2を効率良く吸着・回収するDACのシステムと、回収したCO2を炭素資源に変換する電解システムを組み合わせた“カーボンステーション”を開発し、CO2排出量の削減と炭素資源供給を同時に実現するものです。ウシオは、前者のDACにおいて、CO2の吸収を効率良く行い、吸着したCO2を容易に脱離するシステムで支援します。
カーボンステーション：DACとCO2を炭素資源に変換する電解システムの組み合わせ
出典：ウシオ電機WEBサイト
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ウシオ、大気社と共に東京都立大学の「ダイレクトエアーキャプチャ―（DAC）」の研究開発へ参画
https://www.ushio.co.jp/jp/news/1002/2024-2024/501191.html
ウシオの技術が、東京都立大学のDACによるカーボンステーションの事業化を加速
https://www.ushio.co.jp/jp/news/1002/2024-2024/501197.html
東京都立大学、東北大学、東京大学による提案が 「東京都の大学研究者による事業提案制度」に採択 ～ＤＡＣによるカーボンステーション開発事業～
円筒型太陽電池の開発と社会実装
地球温暖化の問題を解決する手段として注目されている太陽電池、その設置場所が課題となっています。森林伐採を通しての設置、傾斜の高い無理のある設置などが挙げらます。
そこで俄かに注目されている設置として、耕作地のソーラシェアリングが注目されています。しかしながら耕作地に通常の太陽電池を農作物の上空に設置すると農作物に必要な日射量を確保できず、農業との両立が難しいとの課題がありました。そこでウシオのガラス封止技術を活かし長寿命化を実現しつつ農作物に必要な日射量を供給することができる円筒型太陽電池を開発。農業と発電の両立に貢献します。
※ウシオが国立大学法人電気通信大学（以下 電通大）と共同開発している円筒型太陽電池が、東京都の令和4年度「大学研究者による事業提案制度」において、「都市型太陽電池による創電・蓄電の強化推進事業」として採択されました。ウシオは、電通大にランプの製造技術を応用したガラス封止技術を提供し、円筒型太陽電池の事業化を支援しています。
円筒型太陽電池
出典：ウシオ電機WEBサイト
営農型発電の実証
出典：ウシオ電機WEBサイト
円筒型太陽電池は、発電シートを円筒型のガラスの中に入れ込み、封止した太陽電池です。軽量で運搬やメンテナンスが容易なことから設置する場所や形態を問わず、全方向の光で発電できるため一日の総発電量が平板型の約1.5倍という特長を持っています。円筒型のガラス管が一定の隙間を空けて並べられ、風や光を通すことから、耕作地などに設置して太陽光を分け合う「営農発電」に最適です。軽量化しているため太陽電池を支える支柱の負担も軽減させることができます。
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光によりバイオガスからギ酸を生成する技術
家畜ふん尿や生ごみ、食物残渣などの嫌気性発酵で得られるバイオガスは、温室効果ガスであるメタンが約60%含まれており、エネルギーとして活用できます。現在、そのバイオガスのエネルギー活用のため各地でプラントが建設され、メタンガスをボイラーや発電機の燃料として利用して熱や電気を取り出していますが、その過程でCO2が発生するという課題があります。また、取り出した電力の活用目的は、固定価格買取制度（FIT）を利用した売電というケースが大半を占めますが、そのFITも近い将来に終焉を迎えるといわれており、FIT終了後のバイオガス活用について多くの議論がされています。
ウシオは、二酸化塩素を用いた光反応でCO2を排出することなく常温・常圧下で空気とメタンからメタノールとギ酸を作り出すことに世界で初めて成功した大阪大学の大久保 敬教授と共同研究を進めています。これまで培ってきた光技術を使い、その光反応に最適な「光」とリアクターの開発を目指しています。
この技術を応用することで、バイオマス事業・酪農・下水処理場などで排出されるバイオガスの一部を、温室効果をもたらすことなく貯蔵、運搬可能な液体エネルギーとして利用することが可能となります。今後は実用化に向けさらに研究・開発を進め、2024年に実証実験を開始し、2027年の事業化を目指します。
反応メカニズムの概要
出典：ウシオ電機WEBサイト
二酸化塩素によるメタンの光酸化の反応式
出典：ウシオ電機WEBサイト
バイオマス由来であるこのギ酸は、化石資源の置き換えとしての可能性があると考えています。マスバランス方式を活用することで、100％バイオマス由来と認定された化成品の生産にも役立てる可能性を秘めています。
バイオギ酸の新たなニーズ開拓とともに活動を進めてまいります。
バイオギ酸の利活用シーンのイメージ
出典：ウシオ電機WEBサイト
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