Natural gas - Tennengasu (English spelling)

Japanese: 天然ガス - てんねんがす（英語表記）natural gas

Natural gas is a general term for naturally occurring gases that are primarily composed of methane, which is gaseous under surface conditions, as well as flammable gases such as ethane and propane, excluding inorganic (non-flammable) gases such as volcanic gas and hot spring gas that exist underground. Impurities include carbon dioxide, nitrogen, helium, and hydrogen sulfide.

[Yuzo Sanada]

kinds

In addition to conventional natural gas, which is classified into oil field gas and gas field gas (structured gas and soluble gas) based on its production conditions, unconventional natural gas has begun to attract attention since the second half of the 20th century.

Conventional oil field gas exists as a gas layer above the oil layer of an oil deposit, or dissolved in the oil layer, and is extracted together with the oil. Structural gas has the same origin as oil, but is extracted from deposits that do not coexist with oil. Most of the world's natural gas resources are made up of structural gas and oil field gas.

Water-soluble gas is gas that exists dissolved in groundwater, and its origin is different from that of petroleum. It is generally extracted on a small scale in Japan (Niigata, Chiba, etc.) and Italy. Development is restricted because extraction requires pumping groundwater, which can cause land subsidence.

Unconventional natural gas includes coalbed gas (CBM), tight formation gas (shale gas), methane hydrate, and deep natural gas.

While conventional gas is found in sandstone layers, tight formation gas is found in dense mudstone layers (shale). It was previously difficult to extract, but advances in drilling technology have made it a promising resource.

Methane hydrate is a solid form in which methane molecules are enclosed in cage-shaped water molecules and exists in the ocean, lakes, and permafrost under low temperatures and high pressures.It is attracting attention as the next generation of natural gas, but extraction technology has not yet been established.

CBM is a gas (coal mine gas) that coexists in coal seams and is mainly composed of methane. By digging a well toward the coal seam underground and pumping groundwater, the CBM trapped under high pressure is released and collected. During coal mining, gas is removed from the coal seam by advanced drilling, and this process usually produces 40-50% CBM as a by-product.

[Yuzo Sanada]

Reserves and production

Natural gas reserves were estimated at 187 trillion cubic meters as of 2010. Total production was about 3,169 billion cubic meters. The recoverable years are 58.6 years, which is greater than that of oil (recoverable years is calculated by dividing the proven reserves in a given year by the production in that year).

Japan's natural gas reserves and production are extremely small compared to the rest of the world. Reserves are estimated at about 400 billion cubic meters, but production is only a tiny 3.4 billion cubic meters, so like oil, the country is almost entirely dependent on imports.

The recoverable reserves of tight formation gas in the United States are 5.7 to 15.6 trillion cubic meters. The confirmed reserves of shale gas that are actually being produced are reported to be 1.72 trillion cubic meters (2009), and production is increasing, but many technical issues remain, such as environmental pollution caused by the injection of water and chemicals underground during extraction.

The estimated original volume of methane hydrate resources is 317 trillion cubic meters, with an estimated 7.35 trillion cubic meters in the waters off Japan (2010).

The amount of CBM resources is thought to be roughly equivalent to the amount of coal resources, but detailed surveys have not been conducted. In the United States, where the most extensive surveys have been conducted, the amount of CBM resources was reported to be 11 trillion cubic meters (1987).

[Yuzo Sanada]

composition

The majority of the hydrocarbons in natural gas are methane, with others including ethane and propane. Natural gas that contains components that condense and liquefy once it reaches land (hydrocarbons heavier than propane) is called wet natural gas, while natural gas that does not contain enough of these to be economically recoverable is called dry natural gas. The liquid that is condensed and separated from wet natural gas is called natural gas liquids (NGL) or condensate, of which propane and butane are used as liquefied petroleum gas (LPG), and a hydrocarbon mixture with butane, pentane, and hexane as its main components is used as natural gasoline.

Impurities vary greatly depending on the place of origin. Carbon dioxide and nitrogen pose no harm other than reducing the calorific value, but water vapor condenses and hydrocarbon hydrates become solids, clogging pipelines. Hydrogen sulfide and other sulfur compounds have a foul odor and cause corrosion of equipment, so they must be removed. Removal methods include solid adsorption, liquid absorption, and cooling.

[Yuzo Sanada]

Applications

Natural gas can be broadly divided into fuel and raw material for the chemical industry. The use of natural gas as fuel has rapidly expanded since the middle of the 20th century. Refined natural gas has a high calorific value (methane has a high calorific value of 9,536 kilocalories per cubic meter), contains almost no sulfur, is non-toxic, has a narrow explosive range, and is easy to disperse due to its low gas density (0.56-0.95 based on air), making it ideal for use as city gas. Most city gas in the United States is dependent on natural gas, and it is also becoming more widely used in Western Europe and Japan. Natural gas vehicles are also being operated as an alternative to gasoline.

As an industrial fuel, its economic efficiency compared to coal and heavy oil is important, but since it contains no sulfur and produces relatively little nitrogen oxide during combustion, it is advantageous in terms of preventing air pollution, and since it emits the least amount of carbon dioxide per unit heat compared to coal and oil, it is particularly valuable as a power generation fuel. The disadvantage of natural gas is that its transportation costs are relatively high; compared to oil with the same calorific value, the pipelines must be about four times larger, and liquefied natural gas (LNG) tankers are about twice as large as crude oil tankers, and the construction costs of liquefaction, storage, and vaporization facilities are also high. Therefore, the farther the production area is from the consumption area, the worse the economic efficiency becomes.

Natural gas is an important raw material in the chemical industry. The most widely used method is the production of synthetic gas (a mixture of one volume of carbon monoxide and two volumes of hydrogen) by steam reforming. Large quantities of synthetic gas are used for the synthesis of methanol (methyl alcohol) and ammonia. In order to realize a future hydrogen energy society (hydrogen-fueled vehicles, hydrogen fuel cells, etc.), natural gas, which has low hydrogen production costs, will be one of the main starting materials. Other products made from methane include hydrocyanic acid, acetylene, carbon black, and chloroform.

In the United States, ethane and propane separated from natural gas are thermally cracked to produce ethylene and propylene, basic petrochemical raw materials.

If methanol is synthesized from natural gas in a production area far from major consumption areas, it can be transported in a normal oil tanker. Therefore, it is said that it is advantageous to transport it as methanol fuel, even though its calorific value is low, when the transportation distance is about 10,000 km or longer, and research and development is being conducted. When the transportation amount is the same based on calorific value, methanol requires 40 to 50% more raw natural gas than liquefied natural gas. A method of converting natural gas into methanol and then converting it into gasoline using a zeolite (ZSM-5) catalyst developed by Mobil Corporation in the early 1970s was demonstrated in New Zealand. One of the keys to using natural gas produced in a place far from the consumption area is whether water resources are easily available. Without water, synthesis gas and methanol cannot be produced.

[Yuzo Sanada]

Synthetic Natural Gas

Globally, natural gas is a promising energy source for the future, but synthetic natural gas (SNG) can also be produced from coal, oil shale, bitumen, biomass, and other raw materials. Synthetic natural gas production facilities that use naphtha or crude oil as raw materials have already been designed and constructed, but research and development is underway on a method that uses coal, which is an abundant resource, as the raw material. In this method, solid coal is first gasified, and then the raw gas is converted into methane and carbon dioxide through steam transformation and methanation, and finally the carbon dioxide is removed.

[Yuzo Sanada]

"New Petroleum Dictionary" edited by the Japan Petroleum Institute (1982, Asakura Publishing)" ▽ "Understanding Natural Gas" edited by the Natural Gas Division of the Japan Society of Energy (1999, Japan Society of Energy)" ▽ "Petroleum Dictionary, 2nd Edition edited by the Japan Petroleum Institute (2005, Maruzen)" ▽ "Resource Issues Study Group, "Easy to Understand! Latest World Resource Map - See the Current State of Energy, Rare Metals, and Food!" (2011, Diamond Publishing)"

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

天然に産出するガスのうち、地下に存在する火山ガス、温泉ガスなどの無機（不燃性）ガスを除き、地表条件下で気体となるメタンを主成分としたもの、およびエタン、プロパンなどの可燃性のガスを総称して天然ガスとよぶ。不純物として炭酸ガス、窒素、ヘリウム、硫化水素などが含まれる。

［真田雄三］

種類

天然ガスは、その産出状況から油田ガス、ガス田ガス（構造性ガス、水溶性ガス）に分類される在来型天然ガスのほか、20世紀後半に入って非在来型天然ガスが注目されるようになった。

　在来型の油田ガスは、石油鉱床の油層上部にガス層として、または油層中に溶解して存在しており、石油とともに採取される。構造性ガスの成因は石油と同じであるが、石油が共存していない鉱床から採取される。世界の天然ガス資源のほとんどは構造性ガス、油田ガスで占められている。

　水溶性ガスは、地下水に溶解して存在するガスで、その成因は石油のそれとは異なっている。一般に規模は小さいが日本（新潟・千葉県など）、イタリアで採取されている。採取時に地下水をくみ上げなければならず、地盤沈下の原因となるので開発は制限されている。

　非在来型天然ガスとして炭層ガス（コール・ベッド・メタンcoalbed methane＝CBM）、タイトフォーメーションガス（シェールガス）、メタンハイドレートmethane hydrate、深層天然ガスがある。

　在来型のガスは砂岩層に含まれているが、タイトフォーメーションガスは緻密(ちみつ)な泥岩層（シェール）中に存在しており、以前は採集することが困難であったが、掘削技術の進歩によって有望な資源として評価されるようになった。

　メタンハイドレートは、メタンの分子が水の籠(かご)型分子に包み込まれた形で低温・高圧のもと固体で海域、湖沼域、永久凍土域に存在し、次世代天然ガスとして注目されているが、採掘技術はまだ確立されていない。

　CBMは、石炭層に共存するガス（炭鉱ガス）でメタンが主成分である。地下の石炭層に向けて坑井(こうせい)を掘り地下水をくみ上げることによって高圧で閉じ込められていたCBMが遊離してくるのでこれを採集する。石炭の採掘に伴って先進ボーリングにより炭層中のガスを抜くが、そのときに普通40～50％のCBMが副生する。

［真田雄三］

埋蔵量と生産量

天然ガスの埋蔵量は、2010年時点で187兆立方メートルと見積もられている。総生産量は約3兆1690億立方メートルであった。可採年数は58.6年で石油より大きい（可採年数とは、ある年の確認埋蔵量をその年の生産量で割った値）。

　日本の天然ガス埋蔵量、生産量は世界的にみてもきわめて小さく、埋蔵量は約4000億立方メートルと見積もられているが、生産量は34億立方メートルとごくわずかであり、石油と同様にほとんど輸入に頼っている。

　タイトフォーメーションガスの可採埋蔵量はアメリカで5.7～15.6兆立方メートルである。実際に生産されているシェールガスの確認埋蔵量は1兆7200億立方メートル（2009）と報告され生産量も増えているが、採掘の際、水や化学物質を地下に圧入するため環境汚染がおこるなど技術的に多くの問題点が残されている。

　メタンハイドレートの推定原始資源量は317兆立方メートル、日本近海にも7.35兆立方メートルあると見積もられている（2010）。

　CBMの資源量はほぼ石炭資源量に匹敵すると考えられるが詳細な調査は行われていない。もっとも調査の進んだアメリカの例ではCBM資源量は11兆立方メートル（1987）と報告されている。

［真田雄三］

組成

天然ガス中の炭化水素の大部分はメタンであり、そのほかエタン、プロパンなどが含まれている。地上に出てから凝縮液化する成分（プロパン以上の重質の炭化水素）を含むものを湿性天然ガス、これらを経済的に回収できるほど含まないものを乾性天然ガスという。湿性天然ガスから凝集分離した液体は天然ガス液（略称NGL）あるいはコンデンセートcondensateといい、そのなかのプロパン、ブタンは液化石油ガス（LPG）として、また、ブタン、ペンタン、ヘキサンを主成分とする炭化水素混合物は天然ガソリンとしてそれぞれ利用される。

　不純物は産地により大きく異なる。二酸化炭素、窒素は発熱量を低下させる以外の害はないが、水蒸気は凝縮し、また炭化水素水和物は固体となるのでパイプラインを詰まらせる。硫化水素その他の硫黄(いおう)化合物は悪臭をもち、器材の腐食原因となるので除去しなければならない。除去法として固体吸着法、液体吸収法および冷却法がある。

［真田雄三］

用途

天然ガスの用途は、燃料と、化学工業の原料とに大別される。20世紀なかばころから天然ガスを燃料として利用することが急速に広まってきた。精製した天然ガスは、発熱量が高い（メタンの高発熱量は1立方メートル当り9536キロカロリー）、硫黄分をほとんど含まない、無毒で爆発範囲が狭く、ガス比重（空気基準で0.56～0.95）が小さく拡散しやすいため危険性が少ない、などの特徴があり、都市ガス用に最適である。アメリカの都市ガスはほとんど天然ガスに依存しており、西ヨーロッパや日本でも広く用いられつつある。ガソリンに代替して天然ガス自動車も運行されている。

　工業用燃料としては、石炭、重油と比較しての経済性が重要であるが、硫黄分を含まず、燃焼時に発生する窒素酸化物が比較的少ないため、大気汚染防止対策上有利であり、とくに石炭、石油に比べて二酸化炭素の排出量が単位熱量当りもっとも少ないので発電用燃料としての価値が高い。天然ガスの欠点は、輸送費が比較的高いことで、同じ熱量の石油と比べてパイプラインは約4倍大きくなくてはならず、また液化天然ガス（LNG）タンカーは原油タンカーのおよそ2倍の大きさであるうえに、液化、貯蔵、気化設備の建設費も大きい。したがって産地と消費地が離れているほど経済性が悪くなる。

　天然ガスは化学工業における重要な原料である。もっとも広く行われているのは水蒸気改質法による合成ガス（一酸化炭素1容と水素2容との混合物）の製造である。合成ガスはメタノール（メチルアルコール）、アンモニア合成に大量に向けられている。将来の水素エネルギー（水素燃料自動車、水素燃料電池など）社会が実現するためには、水素製造コストの低い天然ガスが主要出発原料の一つとなる。このほかメタンを原料とする製品には、青酸、アセチレン、カーボンブラック、クロロホルムなどがある。

　アメリカでは、天然ガスから分離されるエタン、プロパンを熱分解し、基礎石油化学原料であるエチレン、プロピレンを製造している。

　大消費地から遠く離れた生産地で天然ガスからメタノールを合成すれば、普通の石油タンカーで輸送できるので、輸送距離が1万キロメートル程度を境にして、それより長い場合には、発熱量は低いがメタノール燃料として輸送しても有利であるといわれ、研究開発が進められている。発熱量基準で輸送量が等しい場合、メタノールは液化天然ガスよりも原料天然ガスを40～50％多く必要とする。天然ガスをいったんメタノールに転換したのち、1970年代前半にモービル社が開発したゼオライト（ZSM-5）触媒を用いてガソリンへ転換する方法がニュージーランドで実証された。消費地が遠い場所で生産される天然ガスの利用の鍵(かぎ)の一つは、水資源が容易に入手できるかどうかである。水がなければ合成ガスやメタノールの製造ができないからである。

［真田雄三］

合成天然ガス

世界的にみて天然ガスは将来の期待が大きいエネルギー源であるが、石炭、オイルシェール、ビチューメン、バイオマスなどを原料としても合成天然ガスsynthetic natural gas（SNG）を製造することができる。合成天然ガスは、ナフサあるいは原油を原料とする装置がすでに設計、建設されているが、資源の豊富な石炭を原料とする方法が研究開発中である。固体である石炭をいったんガス化し、さらに水蒸気変成、メタン化によって粗ガスをメタンと二酸化炭素とに変換し、最後に二酸化炭素を除去する方法である。

［真田雄三］

『石油学会編『新石油事典』（1982・朝倉書店）』▽『日本エネルギー学会天然ガス部会編『よくわかる天然ガス』（1999・日本エネルギー学会）』▽『石油学会編『石油辞典』第2版（2005・丸善）』▽『資源問題研究会著『一目でわかる！最新世界資源マップ――エネルギー、レアメタル、食糧の今が見える！』（2011・ダイヤモンド社）』