【LNG】種類や環境特性について

天然ガスとは?種類や環境特性について

 

記事のポイント
  • 天然ガスは化石燃料の一つだが石油よりもクリーンなエネルギー
  • 天然ガスは在来型天然ガスと非在来型天然ガスに分けられる
  • 天然ガスの埋蔵量は豊富だが化石燃料であるためいつか必ず枯渇する

日本では主要なエネルギーとして考えられているのが天然ガスです。

都市ガスの主原料や、火力発電所の燃料として利用されていますが、約97%を輸入に頼っていることもあり、世界で貿易される3分の1を日本が輸入しています。

今回はそんな天然ガスについて詳しく説明をしていきます。

天然ガスとは?

天然ガスとは?

天然ガスは、石炭や石油と同じく、天然に存在する化石燃料と呼ばれるエネルギーの一つでメタンを中心とした成分で構成されている無色透明の可燃性ガスです。

天動物や植物の死骸が数億年〜数千万年前の時間をかけて地中の熱や土・海の重みによって変化して生成されたものと考えられています。

天然ガスはとてもクリーンなエネルギーであり、不純物や硫黄分を含まないために、燃やしても硫黄酸化物やススが発生しません。

また、二酸化炭素の発生量が石油より30%前後少ないのも特徴です。
自然に発火しはじめる温度も高いため、利用する場合の危険性が少なく、安全性が高いことも大きな特徴です。

広義には、地下に存在するガス、または地下から地表に噴出するガス全般を指しますので、不燃性ガスも含みますが、この記事では狭義のエネルギー資源として利用される可燃性の気体のことについてご説明をしていきます。

天然ガスの組成

天然ガスにはメタン・エタン・プロパン・ブタン・ペンタン以上の炭素化合物や窒素が含まれ、産出する場所によって割合が少しずつ異なります。

産地による成分の違いの例(単位は mol/100mol)
産地 メタン エタン プロパン ブタン ペンタン 窒素
ケナイ(アラスカ) 99.81 0.07 0.00 0.00 0.00 0.12
ルムート(ブルネイ) 89.83 5.89 2.92 1.30 0.04 0.02
ダス(アブダビ) 82.07 15.86 1.86 0.13 0.00 0.05

これらの他にも不純物として、水・炭酸ガス・硫黄酸化物・硫化水素・二酸化炭素などを含んでいる場合があります。

このように、産出する地域で組成が異なっており、燃焼した際の熱量なども違います。
そのため都市ガスなどで利用する際には定められた規格に沿うように各社で調整を行っています。

天然ガスの特性

天然ガスは揮発性が高く、常温では急速に蒸発する性質があります。

また、主成分のメタンやエタンが空気よりも軽いため、大気中に大きく拡散しやすいことも特徴です。

この点では、常温で空気より重く低い場所に滞留しやすいプロパンやブタンガスに比べれば、人体への危険性は低いといえますが、メタンやエタンは地球温暖化への影響も大きいとされており、むやみに放出するべきではないといえます。

またプロパンガスと同様、メタンやエタンも無臭ですが、人がガス漏れに気付きやすくするために、燃料用ガスには意図的に匂い成分を混ぜることが一般的です。

天然ガスの輸送

天然ガスの大量輸送方法は二つあります。
一つはパイプラインによる気体状態での輸送で、1930年代頃にアメリカで始まった方法です。
現在ではロシア連邦や北アフリカからヨーロッパ諸国への天然ガスの輸出のほか、中央アジア、中東、中華人民共和国などで使用されています。

もう一つがマイナス162℃に冷却して液化した天然ガス(LNG)を専用のタンカーで輸送する方法です。

中東やオーストラリア、東南アジアから日本や韓国への輸送に多用されています。

日本の場合、タンカーで搬入されたLNGは、港湾部を起点とするパイプラインで火力発電所や都市ガス事業者に送られます。

輸入するときは専用の設備でまず冷やして液化し、その後船に冷やしたまま入れて運びます。
日本に着いた後も、冷却してLNGの状態のままで保っておき、使うときに温めて気体にして使います。

LNGとは?天然ガスや都市ガスとの違い

天然ガスの環境特性

天然ガスの環境特性

天然ガスは石油や石炭に比べると環境に優しいクリーンなエネルギーです。

地球温暖化に影響を与えるとされる温室効果ガスには、二酸化炭素、メタン、一酸化二窒素、フロン等多くの種類の物質があります。

その中でも特に地球温暖化に与える影響が大きいのは、排出量の膨大な二酸化炭素で、この一つだけで全体の約6割を占めています。

天然ガスはメタンを主成分とするガスで、産地での液化の過程ですべて取り除かれるので、不純物をほとんど含みません。

そのため、石油と比較すると二酸化炭素は約3割ほど、温室効果ガスの発生を抑えることができます。

また、光化学スモッグや酸性雨などの環境汚染を引き起こす窒素酸化物(NOx)の発生量も6割と少なく、同じく酸性雨の原因となる硫黄酸化物(SOx)に関してはほとんど発生しません。

また液化した天然ガスを気体のガスに戻すには気化器外部に海水をかけるだけなので、水質汚染や大気汚染の心配もありません。

さらに気化時に生じる冷熱を回収して冷熱発電などに有効利用することも出来るといったメリットもあります。

こういった特性があるため、天然ガスは環境負荷の少ないクリーンエネルギーといえます。

また、資源の生産から消費・廃棄に至る全ての工程全体を通して環境性を評価するライフサイクルアセスメントという観点から見ても、天然ガス、都市ガスは非常に優れたエネルギーと言えます。

ただし、主成分であるメタンは地球温暖化への影響が大きいため、万が一廃棄が必要になった場合でも大気へ放出することは避ける必要があります。

天然ガスの環境特性

天然ガスは、石炭や石油に比べ燃焼時に二酸化炭素発生量が少ないため、地球温暖化抑制に寄与します。さらに、窒素酸化物の発生量が少なく、また硫黄酸化物やばいじんが発生しません。

出典:
CO₂は「火力発電所待機影響評価技術実証調査報告書」(1990年3月)/(一財)エネルギー総合工学研究所
SOx、NOxは「natural gas prospects」(1986) /OECD・IEA

 都市ガスのライフサイクル評価

エネルギーの環境性を評価するにあたっては、資源の生産から消費・廃棄に至るライフサイクルで考えることが重要です。IPCC第4次評価報告書等に基づき算出した、都市ガスのライフサイクルでの温室効果ガス排出量は下表の通りです。
都市ガスはライフサイクルの観点からも、環境性に優れたエネルギーであると言えます。

天然ガスの環境特性

参考文献:
「LNG 及び都市ガス 13A のライフサイクル温室効果ガス排出量の算定」(エネルギー・資源学会研究発表会講演論文集 2016)

一般社団法人 日本ガス協会 都市ガス・天然ガスとはより引用

天然ガスの種類

天然ガスの種類

天然ガスには、地下に穴を掘ると自然に噴出する、従来どおり採掘可能な「在来型天然ガス」と、シェールガスなどの従来の技術では採掘できなかった「非在来型天然ガス」があります。

在来型天然ガス

隙間の多い岩石の中の貯留層から産出される天然ガスで、産出する地質にあわせて大きく4つに分類することができます。

水溶性天然ガス

原油または石炭の鉱床を有しない地質系統中で,地層水に溶け込んだ状態になっている鉱床から産出する天然ガスです。

比較的深度の浅い帯水層の地下水中に溶解しており、地下水を汲み上げるとガスは減圧により水と分離するため、比較的簡単に採取することができます。

日本では、千葉県茂原市およびその近隣で商業的生産が行われています。
千葉県で生産される水溶性天然ガスは、日本の天然ガス総生産量の 25 ~ 30 %を占めています。

水溶性天然ガスの採取には、大量の地下水を汲み上げるため、地盤沈下のリスクが伴い、千葉県のガス田では汲み上げた地下水を帯水層に圧入(還元)することで対応しています。

外国では、イタリアのポー川河口、ネパールのカトマンズ盆地などでその存在が報告されているが、一定の規模で資源として利用している例は知られていません。

構造性ガス

地層構造に天然ガスが封じ込められている鉱床から算出する天然ガスです。

原油とともに産出する石油系ガスの中に含められることもありますが、地殻にガス単独で蓄えられているものを特に構造性ガスといいます。

有機物が地中で変化していく中で、背斜構造や断層などの地質構造の下で、粘土等の不浸透層に捕われて貯留されたもので、地層にガス体のまま圧縮されて貯まっています。

地質構造が鉱床成立に深くかかわっているので、構造性の名がついています。

水溶性天然ガスに比べると、深いところにあり、通常、3000-5000m程度の深さの地層から採取しています。地域的には、主に新潟県、北海道、秋田県などで鉱山が稼動中です。

炭田ガス

石炭が出来る過程で発生したメタンが鉱床となっているところから産出する天然ガスです。

石炭の生成過程で生じたメタンを主成分とする乾性天然ガスで、石炭に吸着、吸収されて存在し、二次的に炭層の上下岩石層に浸透し保存されます。

炭田地帯で炭層または炭層付近の地層から産出します。

石油系ガス

油田から産出する天然ガスで、原油の生産に伴って油井から同時に採取されるため、随伴ガスとも呼ばれます。

構造性ガスと違い、メタンやエタン以外にプロパン、ブタンや天然ガスの原料となるペンタンなどの重質分も比較的多く含むのが特徴です。

従来はほとんど利用されることがありませんでしたが、最近では随伴ガスを原料とした液化天然ガス(LNG)や液化石油ガス (LPG)もつくられるようになっています。

非在来型天然ガス

豊富な埋蔵量が確認されており次世代の資源として注目されているものの、掘削に高い技術を要する他、精製のコストが大きいため2000年前後になるまでほとんど開発が進んでいなかった天然ガス資源を非在来型天然ガスと言います。

主に「タイトサンドガス」「コールベッドメタン」「シェールガス」「メタンハイドレート」などがあります。

すでに一部では商業的な採掘が行われているもの(タイトサンドガス、コールベッドメタン、バイオマスガス、シェールガス)もありますが、商業的な採掘が今後行われていくと期待されるもの(メタンハイドレート、地球深層ガスなど)もあります。

従来から石油産業にある技術では採掘できないものも多く、今後の技術開発に負うところが大きい資源です。

新たな可能性を秘めた非在来型ガス

新たな天然ガスとして頁岩けつがん(シェール)層に含まれるシェールガス、硬質な砂岩層に含まれるタイトサンドガス、石炭層に含まれるコールベッドメタン(炭層ガス)は、従来のガス田から採掘される天然ガスと区別され、「非在来型天然ガス」と呼ばれています。これらは採掘技術の大幅な向上によって、積極的に開発・利用されるようになりました。

非在来型ガスの賦存状況
新たな可能性を秘めた非在来型ガス

※シェールガスの賦存(黒色部分)。シェールガスを含む頁岩層(Gas-rich shale)に水平にパイプを入れ、高水圧で人工的に割れ目をつくり、ガスを採取する

※出所:米国エネルギー省エネルギー情報局

西武ガスホールディングス 天然ガスの特性より引用

タイトサンドガス

在来型ガスが貯留している地層よりも稠密な浸透率が低い砂岩に含まれる天然ガスです。

タイトサンドガスは生産性が低く、また、一般に地層深度が深いため、掘削費用がかさむなどに理由より、従来商業生産が進まなかったことから、非在来型とされていました。

現在、タイトサンドガスの商業的生産が行われているのは、主にアメリカです。

1970年代に2度のオイルショックを受けたアメリカは、未利用国内資源の活用を促進するため、80年代から非在来ガスへの奨励策を始め、税制優遇措置を行いました。

このため、急速に商業化が進みました。

優遇措置は1992年に撤廃されましたが、この間にフラクチャリングと呼ばれる採掘法が普及し、生産量が増加し、現在もアメリカを中心に多く採掘がおこなわれています。

シェールガス

シェール(頁岩)という堆積岩の層に含まれる天然ガスです。

元は太古の海にいたプランクトンや藻などであり、それらが堆積したものが数千万年から数億年という長い時間をかけて変化しガスになったもので、「化石燃料」の一つです。

シェールガスを含む頁岩は、泥岩の一種で硬く薄片状にはがれる性質があり、粒子が細かく流体を通す隙間がほとんどないため、自然の状態では天然ガスを取り出すことが難しいという特徴があります。

上記のような特性を持つため、従来は経済的な生産が困難で、ほとんど開発が進みませんでした。

しかし、2000年代に入ってから水圧破砕法と呼ばれる採掘法などの人工的に大きな割れ目をつくってガスを採取する技術が確立され、これらの技術進歩の結果シェールガス生産量が飛躍的に増加しました。

 全世界のシェールガスの埋蔵量は世界のエネルギー消費量の200年分以上あるとかんがえられており、非常に期待されている資源の一つです。
しかし残念ながら日本にはシェールガスはほとんどありません。

また、採掘技術は開発されましたが、その技術を使うと地下水の汚染や地震の誘発など、新たな問題も浮かび上がっています。

シェールガスの生産が豊富になったことにより、市場価格が低下し、採掘設備への投資額に対してペイできなくなってきているという問題も出てきています。

シェールガスには、今後の更なる採掘技術開発にも期待が込められています。

コールベッドメタン

地下の石炭層やその近くの地層に貯留された天然ガスで、主な成分はメタンガスです。

英語では coal-bed methane 、coalbed methane とも綴られるため、CBM と略されますが、オーストラリアではコールシームガス(Coal seam gas、CSG)、日本の文献では炭層メタンと表されることもあります。

石炭層に吸着したメタンガスを二酸化炭素を注入することで取り出すという採取方法がおこなわれており、経済的に石炭の採掘を行うことが難しく廃坑になった炭鉱の炭層でも、メタンガスを採取することが可能になります。

従来、炭鉱の坑道内に漏出し、爆発事故の原因の一つとして厄介者扱いされてきましたが、天然ガスの需要拡大とともにコールベッドメタンの生産計画も活発化しています。

しかし、商業的生産のためには特に熱量が高い石炭の層で、ガスのメタン成分が92%以上必要とされるなど、条件もあります。

油田の天然ガスと異なり、硫化水素を含まず、エタンガスなど重い成分もほとんど含みません。

メタンハイドレート

メタンハイドレートは、メタンガスなどの小さな分子が、水分子が作るかご状の構造の中に閉じ込められてできた氷のような物質で、低い温度と高い圧力のときに生成されます。

海底下で氷状に固まって存在しており、火を点けると燃えるために「燃える氷」とも呼ばれています。

体積の約160倍もの豊富なメタンガスを含有し、地震探査によって得られる反射信号から、その存在を推定することができます。

メタンハイドレートは、温度が低く圧力が高い環境であることが存在の条件となっていることもあり、永久凍土地帯や、大陸の周縁部の水深500m以深の海底下の地層、またカスピ海やバイカル湖などの深い水深の湖底でも発見されています。

また、世界中の広域に分布していることから、アメリカやインド、中国、韓国など世界各国が国家プロジェクトとしてメタンハイドレートの研究開発に乗り出しており、次世代の天然資源として期待されています。

日本の周辺海域にも大量に存在しており、主に水深500メートルよりも深い海の底やその下の地層の中に存在が確認されています。

資源エネルギー庁がおこなった調査では、日本海側には海底の表面や真下に「表層型」と呼ばれる塊状態のメタンハイドレートが、太平洋側には海底下の地層の中に砂と混じりあった「砂層型(すなそうがた)」と呼ばれるメタンハイドレートが存在していることが分かっています。

エネルギー自給率が7%(2015年度の推計値)ととても低く、エネルギー資源のほとんどを輸入に頼っている日本にとって、自国の領海内にあるメタンハイドレートは貴重な存在で、実用を目指した研究が進められています。

都市ガスの種類と違いについて

天然ガスの取引量と用途

天然ガスの取引量と用途

日本は利用する天然ガスのほとんどを輸入に頼っており、オーストラリアなどからLNGタンカーを使って運ばれてきます。

国内消費量の増加に伴い、天然ガスの輸入量は増加し続けています。

日本が輸入している天然ガスの取引国は、2018年ではオーストラリア、マレーシアなどのアジア大洋州地域とロシア、アメリカ等の中東以外の地域が78.8%を占めており、中東依存度は21.2%と石油と比べて低いのが特徴です。

特にオーストラリアは2012年度から最大の天然ガスの取引国となっており、新規LNG基地からの輸入が順次開始されていることもあり、2018年度は全取引のうち36.6%がオーストラリアからの輸入となりました。

また、2014年度にはパプアニューギニアからの天然ガスの輸入が、2017年1月にはアメリカからのシェールガスを原料にした天然ガスの輸入がはじまるなど、様々な国から供給されるようになっています。

日本は天然ガスの輸入量の大きな国で、2018年は世界の天然ガスの貿易の26%を日本の輸入が占めました。

また、輸入した天然ガスは63%が火力発電所で、37%が都市ガスの原料として使用されています。

日本のLNG輸入量は10年前に比べ大幅に増加しており、特にオーストラリアからの輸入が増加しています。

今後、シェールガス革命により生産の拡大している米国からの輸入など、LNG調達先の多様化を図っていきます。

日本のLNG輸入量日本のLNG輸入量
日本のLNG輸入量日本のLNG輸入量

※数値は都市ガス用途以外も含みます。※四捨五入のため、合計値があわない場合があります。※LNG輸入量の合計値は、財務省貿易統計より、都市ガスの輸入量は、資源エネルギー庁ガス事業統計年報より(原料の海外受入量を使用)、発電用他は、その差し引きにより算出した値。

出典:財務省貿易統計

一般社団法人日本ガス協会 天然ガスの取引量より引用

天然ガスの埋蔵量

天然ガスの埋蔵量

天然ガスの埋蔵量は、2020年時点で、全世界に約198.8兆m3が確認されています。

現在と同じ消費スピードが続くとすると約50年枯渇することはない量です。
これは石油に比べても長い数字です。

しかも新しいガス田が発見されたり、技術が開発されることでシェールガスなどの非在来型の天然ガスを採掘できるようになっており、その度に少しずつ伸びています。

こういった現在生産されていない天然ガスを加えると、150年以上枯渇しないほどの量になると考えられています。
しかし無限のエネルギーではないので、枯渇するエネルギーでもあるということも忘れてはいけません。

主力エネルギーを従来のものから新エネルギーに替えるにはすぐには出来ず、技術開発やインフラ整備などを必要とし、数年から数十年はかかります。
化石燃料が枯渇してから、次のエネルギーを模索することは手遅れになります。

そのため、次世代のエネルギーを模索し、開発し続けていく必要があります。

天然ガスは世界各地に広く豊富に埋蔵されており、可採年数は50年といわれています。また、現在も新しいガス田が世界中で開発され、長期にわたる安定供給が見込まれています。

天然ガスの特性

西武ガスホールディングス 天然ガスの特性より引用

天然ガスは、都市ガスの主原料

天然ガスは、都市ガスの主原料

天然ガスは都市ガスの主原料です。

輸入した天然ガスがそのまま都市ガスとして供給されている訳ではありません。
都市ガスには熱量など、規定された基準があるため、プロパンガスなどと混ぜて調整を行います。

例えば東京ガスの13Aという規格の場合、1m3あたりの標準熱量が45メガジュールと定められています。

また、天然ガスやプロパンガスは無色無臭の気体です。
そのため、ガス漏れを起こしたときにすぐに気付けるように特徴的なガスの匂いをつけています。
これを付臭と言います。

都市ガスの製造

LNGは、一度、受入基地のタンクに貯蔵し、その後、気化・熱量調整・付臭したものを「都市ガス」としてお客さまへ供給しています。
LNG受入基地とガス導管がつながっていない一部の地域には、ローリー車や貨車でLNGを輸送し、サテライト基地等でLNGを気化・熱量調整・付臭して供給しています。

一部の都市ガス事業者では、国内で採取された天然ガスを都市ガスの原料としており、熱量調整・付臭して供給しています。
都市ガスの製造

一般社団法人 日本ガス協会 都市ガスの製造より引用

まとめ

いかがでしたか?

今回は天然ガスについて詳しく説明をしてきました。

天然ガスは日本のエネルギーの中でも重要なものの一つですが、ほとんど全てを輸入に頼っているのが現状です。

しかし、これまでの技術では採掘が難しかった非在来型天然ガスの開発が進んでおり、日本近海でも豊富に埋蔵されているメタンハイドレートの採掘を実用化するため、新しい技術の開発が進んでいます。

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