二酸化炭素回収の仕組み

邪悪な超天才が空気中の酸素をすべて吸い取り、それを地中に埋める方法を見つけたというシナリオを想像してみてください。漫画の内容のように聞こえますか？そうですね、酸素について話しているのであれば。しかし科学者たちは、二酸化炭素を使ってまさにそれを実現する方法を開発中です。なぜ空気から二酸化炭素を回収するのでしょうか?地球温暖化と気候変動と闘う。

二酸化炭素 (CO2) は、太陽光を地球に届ける天然ガスですが、太陽の熱の一部が宇宙に放射されるのを防ぎ、地球を温暖化させます。科学者はこれを温室効果と呼んでいます。この効果が自然に起こると、生命を維持できるほど地球が温暖化します。実際、温室効果がなければ、地球の平均表面温度はわずか華氏 0 度 (摂氏 -18 度) になります [出典: ]。確かに、スキーは素晴らしいかもしれませんが、私たちは皆、それを楽しむには死ぬほど死んでいるでしょう。

はい、二酸化炭素と温室効果は地球上の生命が生きていくために必要です。しかし、発電所や輸送車両など、化石燃料を燃やすように設計された人間の発明は、余分な二酸化炭素を大量に排出しています。そして、それは良くありません。

2011 年から 2020 年の 10 年間は、記録上最も暖かい年でした。その結果、両極の氷が溶け、海面が上昇し、動物の移動パターンが変化し、多くの場所で異常気象が増加しています。

では、この温暖化傾向の主な原動力は何でしょうか?残念ながら、人間です。 1970 年から 2004 年の間に、二酸化炭素排出量は 90% 増加しました。

最近、国連の欧州経済委員会 (UNECE) は、炭素回収技術の大規模な導入を呼びかけました [出典: ]。

炭素回収には、二酸化炭素を排出源で捕捉し、貯蔵場所（通常は地下深く）に輸送して隔離することが含まれます。これは、過剰な CO2 が大気中に入るのを潜在的にブロックできる可能性があることを意味します。

この記事では、既存および新たな二酸化炭素回収・貯留方法のいくつかを見ていきます。

二酸化炭素を捕捉する: 炭素回収技術

二酸化炭素回収・貯留 (CCS) には、主に 3 つのステップがあります。

捕獲と分離のプロセスをさらに詳しく見てみましょう。

炭素は、後燃焼、前燃焼、酸素燃料燃焼という 3 つの基本的な方法で発電所の供給源から採取されます [出典: ]。

化石燃料発電所は、化石燃料 (石炭、石油、天然ガス) を燃焼させて発電し、発生する熱が蒸気になります。その蒸気が発電機に接続されたタービンを回転させます。燃焼プロセスの別の言葉は燃焼です。

燃焼後炭素回収では、化石燃料が燃焼した後に CO2 が回収されます。化石燃料を燃焼すると、CO2、水蒸気、窒素、二酸化硫黄などの煙道ガスと呼ばれるものが生成されます。

燃焼後プロセスでは、化石燃料の燃焼から生じる燃焼排ガスから CO2 が分離および回収されます。このプロセスは、炭素回収技術で最も一般的に使用される技術です。これは、新規および既存の石炭火力発電所の両方に導入できるため、便利な戦略です。ただし、いくつかの欠点もあります。燃焼後の炭素回収を機能させるには、物理​​的に大型の装置が必要であり、タービンの効率が低下する可能性があります [出典: ]。

燃焼前炭素回収では、燃焼プロセスが終了する前に炭素が捕捉され、化石燃料から除去されます。

石炭、石油、または天然ガスは蒸気と酸素中で加熱され、合成ガスが生成されます。ガスには主に CO2、水素 (H2)、一酸化炭素 (CO) が含まれています。その後、別の反応により水 (H2O) が水素に変換されます。その過程で、一酸化炭素の一部が二酸化炭素に変わります。最終的には、H2 と CO2 が含まれた混合ガスが生成されます [出典: ]。

その混合物から CO2 を分離、捕捉、隔離するのは簡単です。一方、エンジニアは水素を他のエネルギー生産プロセスに使用できます。

通常、燃焼前の炭素回収は燃焼後戦略よりも効率的です。ただし、機器には高価な値札が付いています。さらに、古い発電所は、一部の新しい発電所に比べてこの技術に適していない傾向があります [出典: ]。

酸素燃料燃焼による炭素回収により、発電所は化石燃料を燃焼しますが、通常の空気中では燃焼しません。代わりに、燃料は、大量の純酸素を含む混合ガス中で燃焼されます。これにより、CO2 と水が 2 つの主成分である排ガスが生成されます。その後、水を圧縮して冷却することで CO2 を分離することができます [出典: およびカナダ国家資源]。

酸素燃料燃焼炭素回収の特定の側面は安価ですが、プロセス全体のコストは高くなります。 （純粋酸素は安くありません。）また、その適用性についてはいくつかの懸念があります。 Catalysts 誌に掲載された 2020 年のレビューでは、関連するテクノロジーが「大規模な運用で実証される必要がある」と主張されています [出典: Elhenawy]。

良い面としては、酸素燃料燃焼回収は古い石炭火力発電所と新しい石炭火力発電所の両方で使用できるということです [出典: Elhenawy]。

さて、ここで重要な質問があります。炭素が捕捉された後、それはどのように保管場所に輸送されるのでしょうか?読み続けて調べてください。

二酸化炭素の輸送

二酸化炭素 (CO2) が回収されたら、次のステップはそれを保管場所に輸送することです。 CO2を輸送する通常の方法はパイプラインです。

パイプラインは数十年にわたって使用されており、毎日大量のガス、石油、水がパイプラインを流れています。二酸化炭素パイプラインは、米国および他の多くの国で既存のインフラストラクチャの一部です。実際、現在、アフリカ、オーストラリア、中東、北米に 4,039 マイル (6,500 キロメートル) 以上の CO2 パイプラインが敷設されています。ほとんどは石油増進回収 (EOR) と呼ばれるプロセスのために作成されましたが、一部は CCS プロジェクトに関連しています [出典: ]。

パイプラインは、地下や水中など、ほぼどこにでも設置できます。彼らは砂漠、農地、山脈、海洋などの多様な環境を走っているのが見られます。 [ソース： ]。

パイプラインは、化石燃料や天然の CO2 源に依存する処理工場や発電所に接続されている場合があります。ラインの CO2 供給の純度は、その供給源で使用されている技術の種類によって影響を受ける可能性があります [出典: ]。

場合によっては、CO2 はパイプ内を可能な限り遠くまで移動し、その後タンクローリー、タンカー船、または加圧シリンダーに移ってその旅を終えることもあります。大量の CO2 が大気中に漏れると窒息の危険があることに注意してください。天然ガスやその他の危険物を輸送するタンクと同様、適切な構造が鍵となります。それと運転の上手さ。

パイプラインの話に戻りますが、パイプラインは CO2 を気体、液体、固体の 3 つの状態で輸送できます。固体 CO2 は一般にドライアイスとして知られており、CO2 を固体として輸送するのはコスト効率が良くありません。

パイプラインは通常、二酸化炭素を気体の状態で輸送します。このガスは、点 A から点 B に移動する前に圧縮する必要があります。 によると、理想的な圧力範囲は 1500 ～ 2200 PSI (または 10,342 ～ 15,168 KPA) です。

エンジニアは、硫化水素や水など、CO2 ストリーム中の不純物に注意する必要があります。後者はパイプラインを腐食させることが知られていますが、それは氷山の一角にすぎません。高圧と低温の下では、これらのパイプ内の水は天然ガス水和物、つまり固体の結晶を形成し、ラインを詰まらせる可能性があります。科学者たちは依然としてそのような不純物を処理する方法を考案中である [出典: Onyebuchi と Bai]。

建設の世界では、安全は最優先事項です。人口密集地域の近くでパイプが破裂した場合、突然大量の CO2 ガスが放出され、公衆衛生と環境の両方に深刻な影響を与える可能性があります。産業用掘削装置が誤ってパイプに衝突するのを防ぐために、計画担当者はそれらを地下深くに埋めることができます。また、可能であれば、都市や町などから遠く離れた場所にパイプラインを敷設することが賢明かもしれません[出典: Onyebuchi]。

ノルウェーに本拠を置く著名なリスク管理および品質保証会社である DNV は、2021 年に CO2 輸送パイプラインの新しい安全手順を発表しました。一方、英国では現在、腐食から土地利用まであらゆるものを網羅する広範なガイドラインのリストがあります。

パイプラインのコストは、パイプラインのルート（混雑の激しい地域、山間部、沖合を通る）によって変動します。材料の品質。関連する機器。どれだけの労力が必要か。およびその他の費用。

炭素貯蔵

二酸化炭素 (CO2) をすべて収集して輸送したら、それを置く場所が必要になります。しかし、どこでしょうか？巨大な保管庫のような場所でしょうか？砂漠に巨大な戦車？ CO2廃棄物を保管するためにさらに多くの埋め立て地が必要になるでしょうか?

心配しないでください。これらの質問に対する答えはすべて「いいえ」です。 CO2 を貯蔵できる場所がいくつか見つかっており、その中には地下も含まれています。実際、米国だけでも、深層帯水層や浸透性の岩石などに潜在的に 1.8 兆トン (1.71 兆トン) の二酸化炭素を保持できる十分な地下空間があることを示唆する研究があります [出典: ]。

地下貯蔵庫の物流について話しましょう。地下深くでは、CO2 は 1,057 PSI (72.9 気圧) 以上の圧力と華氏 88 度 (摂氏 31.1 度) 以上の温度に保たれます。

これらの特定の条件が満たされると、CO2 は超臨界状態になります。その状態では、二酸化炭素は通常、気体と液体の両方に関連する特性を帯びます。超臨界 CO2 は気体と同様に粘度が低くなります。しかし同時に、液体のような高密度も備えています [出典: および Imaging Technology Group]。

二酸化炭素は多孔質の岩石の隙間に浸透するため、比較的狭い面積に大量の二酸化炭素を貯留することができます。石油とガスの貯留層は、長年にわたって石油とガスを閉じ込めてきた多孔質の岩石層で構成されているため、CO2 を貯蔵するのに適しています [出典: ]。

CO2 は、地球の表面の下にある地下の岩石層に人工的に注入されます。これらの自然の貯留層には、シールを形成する岩が重なっており、ガスが閉じ込められています。ただし、地下貯蔵庫にはリスクが存在する可能性があり、それについては後ほど説明します。

玄武岩質の岩石層も魅力的な CO2 貯留場所となります。玄武岩は火山起源で、地球の地殻で最も一般的な種類の岩石の 1 つです。研究者らは、CO2が天然に含まれるマグネシウムおよびカルシウム玄武岩と反応すると、固体鉱物、具体的にはドロマイト、方解石、マグネサイトに変化する可能性があることを発見しました[出典: ]。

それから石炭鉱床もあります。場合によっては、「採掘不可能」とみなされたものには、非常に大量の CO2 が捕捉されている可能性があります。内部では、ガスをより低い圧力で保管することができ、それによってコストを節約できます [出典: ]。

地下貯蔵に加えて、CO2 の恒久的な貯蔵については海洋も検討しています。歴史的には、CO2 を水深 3,000 メートル (9,842 フィート) を超える海洋に直接投棄する可能性について多くの議論が行われてきました。地表のはるか下では、二酸化炭素は実際には水よりも密度が高くなります。したがって、うまくいけば、投棄された CO2 はしばらくその場所に閉じ込められるでしょう [出典: ]。

海洋炭素貯留はほとんど実験されておらず、海洋生物の安全性や二酸化炭素が最終的に環境に戻る可能性について多くの懸念があります。

次に、これらの懸念のいくつかをより詳細に検討し、二酸化炭素の回収と貯留が私たちの将来にとって実行可能な解決策であるかどうかを確認します。

炭素貯蔵に関する懸念

二酸化炭素の回収と貯蔵は奇跡の解決策のように思えるかもしれませんが、懸念や論争がないわけではありません。

まず、二酸化炭素回収・貯留 (CCS) は大気中に CO2 を排出し続ける許可ではないことを覚えておくことが重要です。 CCS の将来がどうなるにせよ、他の排出削減努力が依然として必要である。ただし、CCS は、既存の発電所の一部を浄化する方法を提供します。

Global CCS Institute の 2020 年の報告書によると、現在「世界中で 65 の商用 CCS 施設が開発のさまざまな段階にある」とのことです。

しかし、批評家の中にはCCSの経済性を懸念する人もいる。電気自動車とソーラーパネルは、個人や民間組織に販売および販売できる商品です。しかし対照的に、回収した CO2 を収益化する方法を見つけることは困難であることが判明しています。

もう一つの欠点は？現在の CCS テクノロジーは、実際には実装と実行に多くのエネルギーを必要とします。さらに、冷却と加工の目的で水、そして大量の水に依存しています。

このような H2O の必要性を考えると、CCS が水不足にどのように寄与するのか (あるいは寄与しないのか) について議論が行われてきました。 2020年、カリフォルニア大学バークレー校が率いるチームは、世界中のすべての大規模石炭火力発電所を4種類の異なるCCS技術で改修した場合の効果をシミュレーションした。

同誌が2020年5月4日に発表した彼らの論文を引用すると、「特定の地域では、CCS技術による追加の水需要を満たすのに十分な水資源が不足している」という。

そして、これは二酸化炭素の回収と貯留に関して人々が提起している環境上の懸念の 1 つにすぎません。

二酸化炭素が地下に漏れ出たらどうなるのでしょうか？私たちがすでに地表の下に閉じ込めている二酸化炭素が、遠い将来どうなるかを予測するのは困難です。適切な規制を導入し、質の高い保管場所を選択することは、将来的に大きな違いを生む可能性があります。

再回収された CO2 が地表に漏れる可能性のある経路はいくつかあります。皮肉なことに、最初にそれを地下に注入するために建設された井戸は、後に避難経路になる可能性があります。放棄された油井やガス井、あるいは自然の断層も同様である可能性があります [出典: ]。

2018 年の予測の 1 つは、「現実的に適切に規制されたストレージ」が実施されていれば、漏洩の可能性は低いと主張しています。これは、この問題に関する以前の研究の一部と矛盾します。

CCS の反対者の中には、実行可能かどうかにかかわらず、焦点がすべて間違っていると信じている人もいます。私たちは を実現する方法に焦点を当てるべきだと彼らは言いますが、CCS はそれに依存する発電所の寿命を延ばします。

溝の反対側では、CCS 支持者は、再生可能エネルギーは解決策の一部にすぎないと信じています。彼らの見解では、壊滅的な気候変動を阻止する真剣な希望を得るには、おそらくテクノロジーが必要になるでしょう。

温室効果を緩和し、気候変動と戦う上で、炭素の回収と貯留が最終的に果たす役割については、まだ多くの疑問が残っています。しかし、一つ確かなことは、二酸化炭素の排出は世界的な問題であるということです。