メタネーションとは？　原理やメリットと実用化に向けた課題を解説

メタネーションとは

メタネーションとは、二酸化炭素と水素から都市ガスの主成分でもあるメタンを合成する技術だ。メタンは燃焼時に二酸化炭素を排出するが、メタンを合成する際にも二酸化炭素を使用するため、燃焼時に排出された分が相殺される。したがって、CO２排出量は実質ゼロになるというわけだ。

以下より、メタネーションの歴史や注目される背景について説明する。（※１）

メタネーションの歴史

日本は1995年に、世界初のメタネーションによる合成メタン（e-メタン）の生成に成功している。その後も実用化に向けて開発が進み、世界中でメタネーションの研究開発が開始された。現在は、一部の場所に向けて合成メタンの供給を実施している。（※２）

メタネーションが注目される背景

「カーボンニュートラル」とは、温室効果ガスの排出量と吸収量を均衡（実質ゼロ）にするという意味である。政府は2050年までに「カーボンニュートラル」を目指すと宣言しており、「メタネーション」はCO２排出量が実質ゼロになるメタンを合成する技術であるため、カーボンニュートラルにも大きく貢献すると期待されている。（※３）

メタネーションの仕組み

ここでは、メタネーションの仕組みについて説明する。

化学反応のプロセス

メタネーションの原理は二酸化炭素（CO₂）と水素（H₂）を反応させ、天然ガスの主成分であるメタン（CH₄）と水（H₂O） を生成する。代表的な反応式は「サバティエ反応」であり、CO₂＋４H₂→CH₄＋２H₂Oだ。この合成技術を「メタネーション」という。（※１・４）

必要な設備と触媒

メタネーション実現のために用いられる反応装置を「メタネーション装置」という。メタネーション装置は二酸化炭素と水素を触媒で反応させて合成メタンを製造する仕組みとなっており、触媒にはルテニウム系やニッケル系を利用する場合が多い。主にニッケル触媒を使用することで、効率的な反応が可能となる。

メタネーションを生成するには高い効率と安定性をふまえた高グレードのメタン生成設備が必要だ。なぜなら、メタネーション反応を効率的で安全に進めるために、触媒の選定や精密な温度管理が必要となるからだ。

また生成設備の大規模化も大きな課題とされており、商用化には現在の設備規模からさらに20～100倍ほど拡大する必要があるといわれている。（※５・６）

再生可能エネルギーとの連携

合成メタンを生成する過程において、太陽光や風力などの再生可能エネルギーから水素を生成して二酸化炭素と反応させることにより、水素生成時に二酸化炭素が発生しないクリーンエネルギーの実現を可能にした。これにより、カーボンニュートラルの実現にも大きく貢献できると期待されている。（※７）

メタネーション技術のメリット

ここでは、メタネーション技術のメリットについて解説する。

二酸化炭素の再利用と削減

メタネーションはメタンを合成する際に二酸化炭素を必要とするため、燃焼時に排出された分が相殺されて総合的な排出量は実質ゼロとなる。したがって温室効果ガス削減に貢献し、産業分野での排出ガスを資源として循環利用することで、脱炭素化をサポートすると考えられている。（※１）

天然ガスインフラの活用

都市ガスの原料となっている天然ガスの主な成分はメタンである。仮に天然ガスを合成メタンに置き換えた場合、ガス消費機器や都市ガス導管といった既存のインフラ・設備をそのまま活用することが可能だ。

したがって、コストを大幅に抑えて脱炭素化を推進できると期待されている。また従来の天然ガスと同様に、電力や熱供給への利用が可能な点も大きなメリットだ。（※１）

再生可能エネルギーの有効活用

メタネーションは太陽光や風力エネルギーの余剰電力を利用できる。これらの余剰電力を利用して水素を生成してメタン化させることにより、安定したエネルギー供給が可能だ。したがって、再生可能エネルギーを有効活用できる点は大きなメリットといえる。

メタネーション技術の普及に向けた課題

ここでは、メタネーション技術の普及に向けた課題について解説する。

生成コストの高さ

生成する過程において、メタネーションは触媒や装置にコストがかかる。サバティエ反応にはメタン合成装置や水電解装置、水素タンクといった複数の設備を用意する必要があり、機器コストも高くなってしまう。そのため、商用化として導入する際には高い初期投資が必要となる。

また商用化する場合は合成メタンを生成する設備の大規模化も必須となるため、いかにコストを削減できるかが今後の課題だ。（※１）

反応効率の限界

メタネーションの反応には高温・高圧下で二酸化炭素と水素を触媒の表面でメタンに変換する「サバティエ反応」を用いている。しかしこの合成技術はエネルギー効率が低いため、効率的な触媒開発や反応プロセスの改善が課題とされている。（※８）

CO２の安定供給

メタネーションには安定した二酸化炭素の供給が必要とされており、供給元が限られていることで支障をきたすおそれがある。したがって、二酸化炭素の供給に支障をきたさないためのインフラ整備も必要になる。

メタネーションの活用事例

ここでは、メタネーション技術の活用事例について紹介する。

産業分野での活用

産業分野の活用において、大阪ガス株式会社はINPEXと共同事業でメタネーション実証事業を進めている。2025年からは都市ガスパイプラインへの注入を実施予定だ。

再生可能エネルギー由来の水素と生ごみを発酵させて製造したバイオガスをメタネーションに活用し、製造されたメタンを配管で送ることで都市ガス消費機器に利用するサプライチェーン構築を目指している。（※９）

エネルギー分野での実用化

日立造船株式会社はエネルギー分野の実用化において、高性能触媒を用いた試験用メタネーション装置を販売し、実証運転を開始している。独自の高性能メタネーション触媒を含む高効率システムを開発し、社会実装に向けて高効率化や大型化、コストダウンなどに取り組んでいる。（※10）

都市インフラでの展開

東京ガスでは、合成メタンの製造コスト低減を目指して「革新的メタネーション技術」の研究開発を進めており、「ハイブリッドサバティエ技術」ではJAXA（宇宙航空研究開発機構）と共同研究を行っている。

メタン合成は都市ガスインフラを用いた輸送や供給が可能なため、合成メタンに置き換えてガスのCO２ネット・ゼロを目指すことが可能だ。したがって、メタネーション技術はガス事業の地方自治体でのカーボンニュートラル推進プロジェクトへの応用や、カーボンニュートラルを実現できる有力な技術と期待されている。（※11）

メタネーションとは新たな次世代エネルギー

メタネーションとは、二酸化炭素と水素からメタンを合成する技術だ。CO２排出量が実質ゼロになるメタンを合成する技術であるため、環境に負荷をあたえず、カーボンニュートラルの実現にも大きく貢献すると考えられている。

私たちもCO２排出量をゼロに近づける活動を小さなことから取り入れつつ、カーボンニュートラルの実現に向けて行動していきたい。

※１ ガスのカーボンニュートラル化を実現する「メタネーション」技術｜資源エネルギー庁
※２ ガスだって、「カーボンニュートラル」に！｜資源エネルギー庁
※３ 2050年カーボンニュートラルに伴うグリーン成長戦略｜経済産業省
※４ メタネーション技術の概要｜橘川武郎
※５ メタネーション技術に関する動向｜経済産業省
※６ メタネーションで脱炭素化社会に？仕組みやメリット・課題を解説｜PEAKS MEDIA by 松尾産業
※７ 水素社会 実現にむけた取り組み｜環境省
※８ LaNi５を触媒としたメタネーションによる二酸化炭素の有効利用の検討｜山本大会

※９ 舞洲工場におけるメタネーション実証設備の竣工式を開催 ｜大阪ガス
※10 日立造船グループのメタネーションによる脱炭素化の取組 ｜日立造船株式会社
※11 革新的メタネーション技術でエネルギー業界に変革を◆普及拡大へe-メタンのコスト削減に向けた挑戦｜東京ガス