メタンハイドレートの行方

 

 

独立総合研究所の青山繁晴がテレビでメタンハイドレートの開発促進を熱く語っていたので、
これはちょっと真剣に考えてみないとだめなのかと思い、採取処理方法についてワンポイン
トで下調べしてみた。例えば、メタンハイドレートからメタンガスを採取する場合、回収す
るまではガスが発生する環境を維持しなければ、再びメタンハイドレートが生成し、海底で
加熱した場合、発生したメタンガスを地上に移送中、高温状態を維持し圧力を制御しなけれ
ばならずコストやエネルギー効率の面で問題となる。

 特開2012-072029
【符号の説明】

１：メタンハイドレート処理装置、３：電極ユニット、３２：プラズマ用電極、５：パイプ
ライン、６：ガス回収配管、７：同軸ケーブル、８：高周波発生装置、９：水素貯蔵装置

そこで考えたのが電子レンジでメタンハイドレートを解凍？しようとする方法で、愛媛大学の液中プ
ラズマプロセスの研究グループが提案している（下図参照）。なお、このグループの研究は半導体製
造プロセスにも応用可能だとしてわたしも注目していたものだった。

簡単に言うと、プラズマ用電極に高周波を供給→プラズマ用電極によりメタンハイドレート
に電磁波を照射→プラズマ発生させる。そして、プラズマでメタンハイドレートを分解→水
素発生させるという二段工程方式。この方法で、プラズマ用電極から照射される電磁波で、
メタンハイドレートのプラズマ化し、メタンハイドレートは、主に水素と炭化物に分解する。
つまり、メタンハイドレートから水素を取り出すことができ水素燃料電池に用いられるなど、
二酸化炭素を出さないクリーンエネルギーとして活用できるというのだがそれは本当だろう
か？それが下図のメタンハイドレートと見立ててテーブルテストを模式図だ。それによると

【符号の説明】

３０：プラズマ用電極、４：容器、 Ａ：電子レンジ

メタンハイドレートは入手が容易でないため、実験としては同じ性質を有するシクロペンタ
ンハイドレートを代替使用。シクロペンタンハイドレートは、常圧下（約１atm）で固体で
存在。両者は、共にＣとＨの結合を有し結合エネルギーは同程度。理論上、シクロペンタン
ハイドレートが分解されれば、メタンハイドレートも同方法で分解されるとして実験。なお、
シクロペンタンハイドレートはシクロペンタン（Ｃ_５Ｈ_１０）と純水（Ｈ_２Ｏ）を界面活性
剤（ノイゲン）を用いて混合、シクロペンタンと水のエマルジョンを生成。シクロペンタン
ハイドレート（液体）を冷却し凝固し、この冷却中のシクロペンタン系内の温度分布状態を
均一化（撹拌器）。冷却が進んでいくと、シクロペンタンハイドレートは徐々に固体状にな
る。シクロペンタンハイドレートのシクロペンタン（Ｃ_５Ｈ_１０）と純水（Ｈ_２Ｏ）とノイ
ゲンの質量比は、およそ３２：６６：２。

それではテスト方法。まず、電子レンジＡと、プラズマ用電極３０と、容器４である。電子
レンジＡは、上部にガスの給排気用の配管ａ１、ａ２が設けられており、その他の構成は、
市販されている汎用のものと同様である。電子レンジＡは、７５０Ｗで駆動し、マグネトロ
ンａ３からマイクロ波（２.４５ＧHz）を発生させる。プラズマ用電極３０は、台座３１０
と複数のアンテナ３２０とを有し、電子レンジＡ内に配置する。台座３１０は、テフロン製
円板状の台座本体上面に、銅薄板が配置されて構成。アンテナ３２０は、棒状の導体（銅線
）。複数のアンテナは、台座３１０の銅薄板上に、等間隔にほぼ垂直に立たせて配置。アン
テナは、マイクロ波を補足。なお、実験において、アンテナの直径は１.５mmで、アンテナの
長さ及び配置間隔は、約２０mm。プラズマ用電極３０は、複数の同軸ケーブル７を海底に挿
入し、複数のプラズマ用電極３２がメタンハードレート層に配置されていることに相当。ア
ンテナの長さは、マイクロ波が有機溶媒であるｎ－ドデカン中を伝播する場合のマイクロ波
の波長（λ）の１／４に相当。

　　　　　　　　　　　　

アンテナの配置は、下図に示すように、台座３１０の中心に１本固定され、台座の中心から
等間隔で周上に６本が等間隔で垂直に固定されている。なお、アンテナの長さは、伝播する
マイクロ波の波長の１／４又は１／４の整数倍が好ましく、実験例１の場合、空気中を伝播
するマイクロ波の波長の１／４（約３０ｍｍ）が理想。アンテナは、マイクロ波が捕捉可能
であればよく、約２０ｍｍから４０ｍｍであれば十分プラズマが発生する。この場合マイク
ロ波が導波管の１つである同軸ケーブル７内を伝播し、直接プラズマ用電極３２に伝わるた
め、電極の長さはプラズマ発生に対して大きな影響を与えないという。プラズマ用電極は、
アンテナが下方となるように、支持部材４ｂにより蓋４ａに支持され、後述する容器４内に
配置されている。なお、支持部材４ｂは、蓋４ａの下面に吊り下げられており、長さ調節が
可能となっている。これにより、プラズマ電極の高さ調節可能。また、容器は、耐熱性があ
りマイクロ波を透過し液体を収容する。容器は、耐熱ガラスで、蓋４ａにより上部開口を塞
がれている。この蓋は、配管ａ１、ａ２が配置される貫通孔を有している。容器内には、プ
ラズマ用電極と円板状のシクロペンタンハイドレートＣＰ（直径３０ｍｍ、厚さ２ｍｍ）が
配置。容器は、電子レンジＡ内のプラットホーム上に配置。実験開始にあたり、配管ａ１を
介して容器内に窒素を供給し、配管ａ２を介して容器内のガスを排出。電子レンジを作動さ
せて、マグネトロンａ３からマイクロ波が容器に照射。液中において、プラズマ用電極のア
ンテナ先端部でプラズマを発生させた上、ガスクロマトグラフ分析装置でガスを分析すると
いう。その結果は下表となる。

これによると、排出ガスには水素が３８％含まれ、シクロペンタンハイドレートがプラズマ
により分解され水素が発生している。その他、ＣＯ、Ｏ２、不活性ガス等が含まれていた。
また、特定できないガスも含まれ、気化したガスの一部がプラズマ内部を通過せずに上昇し
たものと考えられている。

尚、シクロペンタンハイドレートＣＰの代わりに、シクロペンタン（液体）を入れて実験を
行っていて、排出ガスには水素が１９.７％含まれて、この比較実験例では酸素が含まれて
いないため、ＣＯやＣＯ_２が発生しなかったという。

以上の実験結果より、メタンハイドレートを分解させ、水素を取り出すことが可能で、メタ
ンハイドレートを有効利用することができる。また、プラズマの発生においては、マイクロ
波（周波数およそ０.５～２０ＧＨｚ）以外の高周波（周波数およそ百ｋＨｚ以上）であっ
てもよいが、マイクロ波のほうが、パワーが大きく、マグネトロン等により作成が容易であ
るため、より効率的で効果的である。プラズマ発生及び水素発生原理は、アンテナがマイク
ロ波を捕捉すると、アンテナの先端部において電場が強くなり、シクロペンタンハイドレー
トに電磁波が照射→アンテナの先端部でプラズマが発生。マイクロ波を連続的に供給→プラ
ズマを継続的発生→対向配置されたシクロペンタンハイドレートは、高温・高エネルギーの
プラズマにより分解される。さらに、まず、マイクロ波を受けたアンテナが電磁波を照射す
ると共に高温となり、シクロペンタンハイドレートが溶解する。その後、アンテナの先端で
プラズマが発生し、シクロペンタンハイドレートは、液体から気体に気化していく。気化し
た気体は、プラズマにより分解される。シクロペンタンハイドレートが分解されると、水素
及び炭化物等が発生する。この原理は、海底のメタンハイドレートであっても同様である。
発生した水素は、給排気用の配管から排出され貯蔵される。容器内に残った炭化物は、フラ
ーレン・ナノチューブなどのニューカーボンや活性炭として利用可能である。海底のメタン
ハイドレート層に存在するメタンハイドレートを分解し、燃料ガスである水素を回収するこ
とができ、燃料ガスである水素を地上に運搬する際に温度・圧力調整をする必要がなく、設
備・コスト面で有利である。また、メタンハイドレートの分解により生じる炭素成分は、海
中で固形化（ハイドレート化）する。この固形化した炭素成分を回収し、ナノテクノロジー
材料とすることも可能であるという。

このように考えていくと、電子レンジを使い、メタンハイドレートを回収すれば原理的に、
水素と炭化物を得ることになるから温暖化ガスの排出はなくなる。青山繁晴が言うようにシ
ェールガスの回収より環境破壊のリスクが逓減されるので日本の資源大国は実現できる。そ
う考えると『海洋海底立国構想』をこのブログ掲載してきた甲斐があったというもので、青
山らの構想は法螺話ではなく限りなく現実的なものとなる。「鉄は熱いうち打て」とそう思
えてきた。後は、原発開発促進事業に投じられる予算をメタンハイドレート開発促進事業に
転換すれば良いという道筋に光明が開ける。今回はすこし無理をしてこの考察をタイピング
してきた。そうして、心の高揚を感じている。