CO2を捕獲！低炭素生活のミダスタッチ

制作：中国科学普及協会

制作：智耀科学

制作者: 中国科学院コンピュータネットワーク情報センター

2021年8月23日、第31回全国省エネ推進週間が正式にスタートしました。今回の省エネ推進週間では、「カーボン」という概念がしっかりと中心的な位置を占めています。広報テーマとして「省エネ・炭素削減、グリーン開発」が選ばれただけでなく、「カーボンピーク」「カーボンニュートラル」「カーボントレーディング」「炭素固定」などの概念も何度も言及されました。

現在、我が国はグリーン・低炭素政策と市場システムを継続的に改善し、2030年までにカーボンピークを、2060年までにカーボンニュートラルを達成することを目指しています。カーボンニュートラルの目標を達成するには、一方では、人々がグリーン・低炭素のライフスタイルを実践し、炭素排出量を削減する必要があります。一方、排出された炭素を適切に処分するためには、工学的および技術的な手段を活用する必要があります。

国家発展改革委員会は2021年6月17日、「国家発展改革委員会弁公庁による二酸化炭素回収・利用・貯留（CCUS）プロジェクト関連情報提出要請に関する通知」を発行し、CCUS技術を「炭素回収」分野の重要技術として位置付けた。この文書が公開されるやいなや、学界と産業界に大きな騒動が起こりました。

では、CCUS 技術とは一体何なのでしょうか? CCUS技術をどのように活用するのか？カーボンニュートラルにどのように役立ちますか?

リサイクル炭素の寿命

CCUS の正式名称は Carbon Capture, Utilization and Storage で、炭素の回収、利用、貯留技術を意味します。この技術の重要性を理解するために、まず炭素がどのように「生命」を過ごすのかを見てみましょう。

地球上の水が気体、液体、固体の形で陸地、海洋、大気圏の間を絶えず循環しているのと同様に、地球上の炭素元素は生物圏、岩石圏、水圏、大気圏の間で絶えず交換され、地球の動きとともに循環しています。

炭素はありふれた、しかし素晴らしい元素です。互いに結びつくことでさまざまな有機物を形成し、豊かな生命体へと進化していきます。生物活動と生殖のプロセスには、常に炭素の代謝サイクルが伴います。

地球上で元素の変化がほとんど起こらないため、地球上の炭素は基本的に保存されます。炭素が関与するあらゆる物理的または化学的プロセスでは、炭素をある場所から取得し、プロセス後に別の場所に移動させる必要があります。

古代、未開の人類が初めて木材に文明的な火を灯したとき、二酸化炭素が排出されました。その後、ある時点でこの二酸化炭素は森林に吸収され、森林の木材の一部となりました。これらの木材に含まれる炭素は燃焼して大気中に再放出され、流動プロセスに参加し続け、「移動性炭素」になる可能性があります。あるいは地中に埋もれて徐々に炭化して化石燃料となり、岩石圏に入り「休眠炭素」となる。これにより、単純な「炭素循環」プロセスが形成されます。

地球上の炭素の循環経路と量（赤い部分は人間の影響による排出部分、黄色い部分は自然界の炭素循環フラックス、白い数字は炭素の蓄積量（炭素量十億トン）を表します）

（画像出典：参考1）

地球が何万年もかけて進化する過程で、炭素元素の99.9％以上が炭酸塩、石炭、石油、天然ガスなどの物質に変化し、地中深くや海中に埋もれ、「休眠」状態に入り、もはや循環に参加しなくなりました。

しかし、社会の継続的な発展に伴い、人類の化石燃料に対する需要は日々増加しています。岩石圏の奥深くにある「休眠炭素」は大量に採掘・利用され、大気の循環に再び入り込み、「移動性炭素」となっている。 1965 年以降、世界の GDP の成長は二酸化炭素排出量の傾向とほぼ一致しています。化石エネルギーの消費が人類社会の発展を促進してきたことがわかります。

二酸化炭素排出量とGDP成長曲線（画像出典：参考文献2）

しかし、化石燃料の採掘が加速するにつれ、大気中の温室効果ガスの濃度は上昇し続けています。 1985年から2020年にかけて、大気中の二酸化炭素濃度は345ppmから412ppm（注：ppm、百万分の一）に20％増加し、年間複合成長率は0.51％でした。

温室効果ガス濃度の上昇は気温の大幅な上昇に寄与しています。世界気象機関のデータによると、2020年の世界の平均気温は1850年から1900年の年間平均気温の基準より1.2±0.1℃高く、世界の平均海面上昇率は年間3.3±0.3mmに達した。

気温の上昇により海洋の蒸発量が増加し、大気中に大量の水が流入したため、陸上の一部地域では短期間のうちに降雨量が急増しました。鄭州での継続的な大雨はその典型的な例です。温室効果の激化により環境の安定性が低下し、異常気象が頻発し、「100年に一度、1000年に一度」の気象現象が徐々に増加しています。

1850年から1900年までの平均気温に基づく世界産業革命の平均気温差（°C）

（画像出典：参考資料2）

状況が悪化するのを防ぐために、人類は協力して「移動性炭素」のレベルを下げる必要があります。現在、2 つの主な方法があります。1 つ目は、炭素排出量を削減し、発生源からの「移動性炭素」を削減することです。 2つ目は、より多くの「移動可能な炭素」を捕捉、利用、貯蔵し、消費およびリサイクルできるようにすることです。後者はCCUS技術を指します。

CCUSとは: 炭素回収・利用・貯留技術

炭素回収・利用・貯留技術（CCUS）のプロセス全体は、収集、輸送、貯留、使用という 4 つの単語で簡単に要約できます。

「収集」とは、二酸化炭素の回収を指し、工業生産、エネルギー使用、または大気から二酸化炭素を分離し、その後の処理を実行するプロセスです。主に燃焼前回収、燃焼後回収、酸素濃縮燃焼、化学連鎖回収、大気からの直接回収（DACCS）に分けられます。

「輸送」とは二酸化炭素の伝送を指し、回収した二酸化炭素をパイプラインや圧縮輸送などを通じて使用可能場所または貯蔵場所まで輸送するプロセスです。

「貯蔵」とは二酸化炭素を貯蔵することであり、捕捉した二酸化炭素を地中深部の貯留層に注入し、二酸化炭素を長期間大気から隔離して「休眠状態」にすることである。主な貯蔵方法は陸上貯蔵、海洋貯蔵、炭酸塩固体貯蔵です。

「利用」とは、二酸化炭素の利用を指し、回収した二酸化炭素を工学的・技術的手段によって資源利用を実現するプロセスです。これは「炭素を宝物に変える」ための重要なステップでもあります。

さらに、樹木などの生物を直接利用して二酸化炭素を一挙に固定する技術もCCUS技術の枠組みに含まれており、他の人工技術とは異なり、バイオマス利用プロセス（BECCS）として別途記載されています。

一般的に言えば、CCUS 技術は、工業プロセス、エネルギー利用、または大気から二酸化炭素を分離し、それを地層に直接利用または注入することで、炭素を「資源」または「休眠状態」に変え、永続的な排出削減を実現します。

CCUS 技術プロセスの概略図 (画像出典: 参考文献 3)

「炭素を宝に変える」二酸化炭素をどう活用するか？

CCUS技術で回収した二酸化炭素がすべて地中や深海に埋め立てられてしまうと、資源の無駄遣いになってしまう恐れがあります。何か活用方法は考えられますか？私たちは何をすべきでしょうか?

異なる工学的および技術的手段に応じて、「利用」ステップは地質学的利用、化学的利用、および生物学的利用に分けられます。

地質利用の面では、中​​国の二酸化炭素地質利用・貯留プロジェクトは主に石油回収率の向上（二酸化炭素増進石油回収、CO2-EOR）を目的としており、主に中国東北部の松遼盆地、中国北部の渤海湾盆地、中国北西部のオルドス盆地、ジュンガル盆地など、いくつかの石油・ガス盆地周辺で実施されている。同時に、炭層メタンの回収率を向上させる炭層メタンの二酸化炭素置換（CO2-ECBM）技術もあります。

二酸化炭素による石油増進回収法、CO2-EOR（画像出典：参考文献4）

化学的な利用の面では、ビールや炭酸飲料への注入など、応用シナリオは非常に多様です。食品等の冷蔵輸送用ドライアイスの製造二酸化炭素の超臨界抽出;有機小分子などのファインケミカルや尿素、炭酸塩などの一般的な化学物質の合成。プラスチックを作るための二酸化炭素合成;メタノール、オレフィン、合成ガスの触媒製造;鉄鋼スラグやリン酸石膏の鉱化利用、その他多くの用途があります。

生物学的利用の観点から言えば、地球全体の炭素循環プロセスに関する限り、生物学的方法による二酸化炭素の固定と変換は、地球上で最も自然な利用方法です。二酸化炭素は、成長サイクルの短い植物や藻類を栽培してバイオ燃料を生産するために使用できます。現在、微細藻類などの生物は主に二酸化炭素を固定してバイオ燃料や化学物質に変換するために使用されており、さらにバイオ肥料や食品添加物などに加工することができます。

同時に、微細藻類は生活排水、産業排水、農業排水を窒素、リンなどの栄養素の供給源として利用できるため、廃水処理、二酸化炭素固定、バイオ燃料合成の 3 つのプロセスを組み合わせることが可能であり、プロセスの経済的および環境的利点を最大化できます。

中国のCCUS技術の全景（画像出典：参考文献3）

CCUS技術は低炭素生活を促進する

私の国の「カーボンニュートラル」への道のりにおいて、CCUS テクノロジーはどのような役割を果たすことができますか?つまり、CCUS 技術の応用によってどのような目標が達成されるのでしょうか?

国際エネルギー機関のデータによると、2050年までにCCUSは世界の二酸化炭素排出量削減の約14%に貢献すると予想されています。このコンセプトは何ですか?いくつかの数字を見てみましょう:

世界全体の炭素排出量：2020年は322.8億トン。

中国の総炭素排出量：2020年は98億9,400万トン。

CCUS技術が排出量削減に14%貢献すると仮定すると、世界は年間45億トンの排出量を削減することができ、これは中国の排出量の約半分に相当します。中国は年間14億トンの排出量を削減することができ、これは中国の鉄鋼業界全体の総排出量に近い。

2025年から2060年までのさまざまな産業におけるCCUS CO2排出削減需要の可能性（画像出典：参考文献3）

おそらくいつの日か、私たちはCO2-ECBM技術で供給される天然ガスを天然ガスストーブの点火に使用し、CCUS技術で供給されるドライアイスを食品の冷蔵に使用し、DACCS技術で作られた缶ビールやコーラを飲むようになり、真に低炭素を日常生活に取り入れるようになるだろう。その時までに、CCUS があなたや私にとってそれほど遠いものではないことがわかるでしょう。

参考文献:

(1) Wikipedia-ZH、炭素循環。

（２）王静傑世界の炭素排出量取引市場の発展の道筋[N]。先物日報、2021年7月21日(003)。

（3）中華人民共和国生態環境部、「2021年中国二酸化炭素回収・利用・貯留（CCUS）年次報告書」

（４）国立研究会議、地球生命研究部、地球科学資源委員会、地震学・地球力学委員会、地質・地盤工学委員会、地球資源委員会、エネルギー技術における誘発地震活動の可能性委員会。エネルギー技術における誘発地震の可能性[M]。全米科学アカデミー出版局: 2013-09-14.