エネルギー
代替燃料 – 光が二酸化炭素を再利用する方法
気候変動の最大の原因の一つは二酸化炭素（CO2）です。重要な温室効果ガスであるCO2は、石油、石炭、天然ガスなどの化石燃料の燃焼の結果として生じます。また、人間の呼吸、植物の呼吸、火山噴火でも自然に発生します。
山火事もCO2排出の顕著な原因の一つで、2023年だけで推定21億7,000万トンが放出されました。
新しい研究によると、過去23年間で山火事からのCO2排出量は世界的に驚異の60％増加しています。
イースト・アングリア大学（UEA）が主導したこの研究は、世界の地域を「パイローム」に分類しました。パイロームは、森林火災のパターンが類似した気候・人為・環境要因の影響を受ける地域です。
この研究では、森林火災と非森林火災の違いを調査し、最近の森林火災活動増加の主要因を明らかにしました。森林火災活動。
研究によると、最大のパイロームの一つである地域の火災からのCO2排出は、2001年から2023年の間にほぼ3倍に増加しました。これらのパイロームはユーラシアと北米の北方森林をカバーし、最も気候感受性の高い北方森林の一部です。
外熱帯森林全体でも大幅な増加が見られ、毎年追加で5億トンの二酸化炭素が排出されています。CO2排出の中心は熱帯森林から離れ、外熱帯へと移動しています。
排出増加は、熱波や干ばつ時に見られる高温乾燥といった、火災に適した気象条件の増加と関連しています。さらに、森林成長率の上昇により植生燃料が増加しています。これらの傾向は、北高緯度での気温上昇が全球平均の2倍の速度で進行していることでも裏付けられています。
森林火災の範囲が大幅に拡大しただけでなく、過去20年間でその深刻度も上昇しています。
炭素燃焼率は、火災が焼失した面積単位あたりの炭素排出量で火災の深刻度を測定する指標で、期間中に全球の森林で最大50％上昇しました。UEAのティンダル気候変動研究センターの主任著者、マシュー・ジョーンズ博士によれば：
森林火災の範囲と深刻度の両方の増加は、全球の森林火災から排出される炭素量の劇的な増加につながっています。火災の全球的な地理的シフトも進行中で、これは主に世界の北方森林における気候変動の影響拡大によって説明されます。
山火事が炭素隔離努力に与える影響
世界中の科学者が新しい研究のために集まり、森林火災の継続的な拡大を防ぐためには、気候変動の主な原因に対処しなければならないと警告しました。
野火の加速する脅威から重要な森林生態系を守るためには、地球温暖化を抑制しなければなりません。これが、ネットゼロ排出に向けて迅速に進展することが極めて重要である理由を強調しています。
– ジョーンズ博士、NERC独立研究フェロー
森林自体が国際的な気候目標達成に重要な役割を果たしています。結局のところ、森林は炭素シンクとして大気中のCO2を除去します。
その仕組みは、森林が大気中の二酸化炭素を吸収し、バイオマス、枯死木、リターダー、土壌の形で蓄えることで、炭素隔離（カーボンシーケストレーション）と呼ばれ、地球温暖化の進行を抑制します。
そのため、各国政府は航空業界やその他の産業などからの人為的CO2排出を相殺するために、植林・造林プログラムを導入しています。しかし、これらのプログラムの成功は森林内の永久的な炭素貯蔵に依存しており、森林は山火事によって脅かされています。
外熱帯の火災はすでに2001年に比べて5億トン以上のCO2を追加で排出しており、長期的な影響は森林の回復に依存しています。より広範で深刻な森林火災は、火災後の回復によって捕捉された炭素と排出のバランスを崩します。ジョーンズ博士は次のように述べています。
外熱帯森林火災排出の急激な増加傾向は、森林の脆弱性が高まっている警告であり、気候変動に取り組むための全球目標に対する重大な課題を提起しています。
彼はさらに、深刻な火災の後、森林は回復が不十分であることが知られていると述べました。そのため、火災の深刻度の増加が今後数年間で森林の炭素貯蔵にどのように影響するかに注意を払う必要があります。
このような状況の中で、熱帯の火災リスクが高いサバンナの燃焼は減少しており、過去の研究では2001年以降、森林火災と非森林火災の燃焼面積が全球で四分の一減少したことが示されています。
草原やサバンナでの燃焼が減少する中で、著者らによれば、火災は本来起こるべきでない場所でますます発生しており、つまり森林が森林火災の範囲と深刻度の増加を隠蔽していると指摘しています。ジョーンズ博士は「これは人々と重要な炭素貯蔵に対する最大の脅威です」と述べました。
これらの新たな観測は、機械学習の助けで、森林エコリージョンを12の異なるパイロームに分類したことにより実現しました。先日共有したように、AIモデルは山火事を早期に検出するために広く利用されています。AIと機械学習の莫大な可能性は、増加する火災発生データベースによってさらに強化されています。
新しい研究では、AIによるグルーピングにより、科学者は気候変動の影響を植生生産性や土地利用といった他の要因から分離することができました。さらに、これらの異なるパイロームで火災を引き起こす要因を理解することは、山火事を予測・軽減し森林を保護するための効率的な戦略を策定する上で重要です。
森林管理、ステークホルダーエンゲージメント、公共教育の戦略的プログラムを支援するためには、相当な資金が必要です。これらは、主に受動的だった火災管理戦略をますます能動的に転換する重要な変化を意味します。
– ジョーンズ博士
新たなフロンティア：CO2を有価製品に変換
炭素隔離に加えて、CO2の環境への負の影響を軽減する別の方法は、CO2を有価製品に変換することです。
これには、CO2を炭素ナノファイバーに変換し、建築材料の強化に使用したり、 水素と組み合わせてメタン、メタノール、ガソリン、航空燃料などの燃料を生成したり、CO2を医薬品、食品添加物、香料などの化学品やその他の製品に変換することが含まれます。
新しい研究は、可視光と電気化学を組み合わせることで、CO2の有価製品への変換を強化しました。
その過程で、チームは可視光が選択性を大幅に向上させるという驚くべき発見をしました。選択性は重要な化学的特性です。この発見は、CO2変換だけでなく、触媒研究や化学製造で使用される多くの他の化学反応にも新たな道を開きます。
CO2を廃棄物や排出物ではなく、エネルギーキャリアへとリサイクルすることは、気候変動を削減する優れた方法です。ここで、二酸化炭素は燃料、化学品、材料、熱エネルギーに変換されます。
CO2のリサイクル方法には、人工光合成があり、太陽エネルギーを利用してCO2を原料とした化学品を合成します。また、電気化学的変換では、電力を用いてCO2をエタノール、酢酸、蟻酸などの化学品に変換します。
新しい研究では、電気化学的還元を利用して二酸化炭素を有価製品にリサイクルしました。このプロセスで、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の化学教授プラシャン・ジャインは、CO2ガスの流れが電解槽を通過し、二酸化炭素と水を有毒な一酸化炭素（CO）と水素に分解すると説明しました。これらの新しいガスは、さらに炭化水素製品の生成に利用できます。
しかし、ジャインはこの反応はかなり遅く、このプロセスには大きな電極が必要であると指摘しています。これらの電極は銅や金などの高価な触媒材料を大量に含んでいます。
これらの障壁を考慮し、ジャインは元大学院生のフランシス・アルコーンと共に、触媒材料の使用量を減らす方法を模索し、結果として「代替燃料産業にとってより実行可能な選択肢」となるようにしました。
可視光を利用してCO2変換効率を向上させる
新しい手法では、チームは可視光と金‑銅合金の極小粒子で覆われた電極を組み合わせました。これにより、従来の方法に比べてCO2の還元速度が向上し、選択性がより制御されます。
ジャインは次のように説明しました：
（新しい電極は）可視光領域の光子を探し出し、化学反応経路と結合させる小さなアンテナのように機能します。
これらの電極の導電性を向上させるため、チームは水、CO2、電解質の溶液に浸しました。その後、電極表面を可視光レーザーで照射しながら電圧を加えました。
これにより、水分子の分解と二酸化炭素の分解から得られる一酸化炭素から水素が迅速に生成される反応が起こりました。
チームは可視光使用時の生産性向上に「非常に興奮」しましたが、予想外だったのは可視光が化学選択性に大きな影響を与えることでした。ジャインは「これが本研究の重要な進歩です」と述べました。
では、この選択性とは何でしょうか？触媒において、化学選択性とは、ある分子や経路を他よりも優先させる反応の能力を指します。
この特定の研究では、水素ガスを生成する水分解反応が光を使用することで選択的に強化されることが判明しました。ジャインは次のように述べました：
結果は、可視光が生成される一酸化炭素と水素ガスの比率を調整するユニークな機会を提供し、合成ガスの産業的生産にとって重要な要素であることを示唆しています。この発見は、より持続可能で効率的なエネルギー未来への道を開きます。
しかし、光は熱も伴うため、光を用いて化学反応を促進することには議論があります。そのため、チームは対照実験を行い、光の加熱効果が反応速度と選択性の向上の原因であるかどうかを慎重に測定しました。
チームは、レーザーを使用した場合と使用しない場合で、光励起によって生じる正確な同一温度で実験を行い、加熱が要因でないことを確認しました。
チームは、実際には光励起によって生成された電場と指向性の電荷流が、生産性向上と水分解の選択性向上の原因であることを発見しました。
今後の課題として、電極ベースのナノ粒子の繰り返し使用があり、時間とともに劣化し、特に産業規模での適用を拡大する際に問題となります。
チームは、プロセス全体のエネルギー効率と光管理の改善に向けたさらなる研究が必要です。
（全体として）本研究で見出したことは、電気化学と触媒について全く新しい考え方を提示しています。
– ジャイン
結局、光の使用は触媒の活性を高めただけでなく、選択性を変えることができ、異なる生成物を作る新たな化学経路を開くことができました。これは、CO2還元や水分解が始まりに過ぎず、この手法は化学産業にとって重要な他の多くの触媒反応にも応用できることを意味します。
CO2削減と変換に関与する企業
山火事の深刻化と壊滅的な被害は、熱活性型バイオミメティックハイドロゲルなどの防火技術の進歩をもたらしました。しかし、CO2排出を削減し再利用する関心も高まっています。この再利用は、気候変動の主要因である二酸化炭素を燃料、化学品、建築材料などの有用な製品に変換することを意味します。
これらの取り組みの最前線にいる企業は、最先端技術を組み合わせてCO2排出がもたらす環境的・経済的課題に取り組んでいます。
これには、シェブロン・コーポレーション (CVX )（CVX）、FuelCell Energy (FCEL )（FCEL）、オキシデンタル・ペトロリウム (OXY ) が含まれます。シェブロンは炭素捕捉技術に投資し、FuelCell Energyはクリーンエネルギーソリューションに注力し、オキシデンタルは大気からCO2を除去し利用可能な製品に変換する直接空気捕捉（DAC）技術に関与しています。
Air Products and Chemicals (APD ) も水素製造とCO2変換技術に関与しています。時価総額は734億4000万ドルで、APD株は現在1株330.37ドルで取引され、年初来20.66％上昇しています。
(APD
)
では、炭素捕捉のもう一つの主要プレーヤーを詳しく見てみましょう：
ExxonMobil (XOM )
この米国の多国籍石油・ガス企業は、ジョン・D・ロックフェラーのスタンダード・オイルの最大の直接系統企業であり、CO2排出削減のために炭素捕捉・利用・貯留（CCUS）技術への関心を高めています。
ExxonMobilのCCSネットワークは、米国で最も長い1,500マイル（約2,414km）のCO2パイプラインの運用を含みます。また、米国メキシコ湾岸に戦略的に配置された複数の貯蔵サイトも保有しています。
ExxonMobil Low Carbon Solutionsを通じて、同社は炭素捕捉・貯留技術の規模拡大に重要な役割を果たしています。現在の捕捉能力は年間900万トン、累積捕捉量は1億2000万トンで、公式サイトの数字によれば、全人為的CO2捕捉の約40％を占めています。
同社は三菱重工業（MHI）と協力し、燃焼後CO2捕捉の包括的なエンドツーエンドソリューションを実現しています。このソリューションは、完全な炭素捕捉、輸送、貯蔵を提供します。
同社は、パイプライン不足で燃やされるはずだったガスをノースダコタ州の油井から利用し、ビットコインマイニング事業者に電力供給するパイロットプロジェクトも実施しています。このため、ExxonMobilはCrusoe Energy Systemsと提携し、油井からのガスを回収してビットコインマイニング用のモバイル発電機に供給しています。同社は、2030年までに世界銀行のゼロ例外燃焼を達成することを目指しています。
(XOM
)
執筆時点で、同社の株価は119.94ドルで取引されており、年初来で20.72％上昇しています。これにより、ExxonMobilの時価総額は5,362億ドルとなり、EPS（TTM）は8.34、P/E（TTM）は14.47、配当利回りは3.15％です。
2024年第2四半期に、同社は92億ドルの利益を報告し、これは「ExxonMobilポートフォリオの差別化された強みと収益力の向上」を示すと述べました。また、新たな契約によりCO2の年間契約取得量を550万トンに拡大し、炭素捕捉・貯留（CCS）リーダーシップを強化しました。ExxonMobilによれば、これは他社が発表したどの企業よりも「コミットされた量」が多いとのことです。2024年第3四半期の財務結果は11月1日に公表されます。
結論
毎年数十億トンものCO2が大気中に放出され、気候変動だけでなく、極端な気象現象、健康被害、海洋酸性化を引き起こし、海洋生物やサンゴ礁を危険にさらしています。
気候危機が深刻化する中、CO2排出増加という重大な問題に対処し、地球温暖化とその壊滅的な影響を抑えることが不可欠です。気候変動が引き起こす森林火災は前例のない量の二酸化炭素を放出し、問題をさらに加速させています。植林・造林プログラムは排出相殺に重要ですが、山火事の脅威が大きく、積極的な火災管理戦略が必要です。
CO2の電気化学的還元や可視光を用いた触媒反応の改善といった革新的なソリューションは、有害な炭素排出を合成燃料や工業用化学品などの有価製品に再利用する有望な手段を提供します。
これらの進展はまだ開発段階ですが、CO2を全球的な汚染物質から将来の資源へと転換することで、気候変動を緩和する可能性を示しています。企業が炭素捕捉技術や代替燃料に投資し続けることで、エネルギー構造を変える持続可能な解決策に近づいています。
