エネルギー
CO2捕獲の代替ソリューション
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CO2の捕獲は、地球温暖化が私たちの気候に及ぼす可能性のある被害を効果的に逆転させるために重要です。しかし、人類文明が理想的に達成したいことと、現実の間には矛盾があります。パリ協定は、産業革命前の水準からの平均気温上昇を2°C未満に抑えるという世界的なコミットメントを示しました。
化石燃料からの転換により温度上昇を1.5度に抑えるためには真摯な努力が必要ですが、石炭とガスを燃料とする発電所が依然として世界の電力部門を支配していると、International Energy Association (IEA)は報告しています。
実際、再生可能エネルギーへの転換が世界的に推進されているにもかかわらず、化石燃料からの発電は2000年以降70%増加しています。石炭は発電用燃料の最大シェアで38%を占め、次いでガスが約20%です。
世界各国で実施されている政策は、既存の石炭火力発電所および現在建設中の発電所からの排出問題に取り組むことに重点を置いています。しかし、CO2排出量の削減や減少が、熱を捕らえる炭素の不存在を保証するわけではありません。IEAは、既存の石炭火力艦隊のCO2排出が約40%減少したとしても、2040年には年間排出量が6GtCO2に達すると示唆しています。
このようなシナリオでは、排出削減だけでは気候目標を達成できません。炭素を捕獲し、規模的に利用・貯蔵できる代替ソリューションが必要です。しかし、これらのソリューションは全体的に実行可能で、コスト効果が高く、長期的に持続可能でなければなりません。
最近、発表された研究（5月1日、ACS Energy Letters誌）で、CUボルダーの研究者らと共同研究者は、多くのエンジニアが検討している炭素捕獲の一般的なアプローチが失敗することを明らかにしました。
しかし、コロラド州ゴールデンにある国立再生可能エネルギー研究所（NREL）とオランダのデルフト工科大学の科学者で構成された研究チームは、既存システムの欠陥を指摘するだけでなく、炭素を捕獲し燃料に変換する、より持続可能な代替ソリューションも提案しました。
今後のセグメントでは、元のソリューションが何を提案したのか、その欠点は何か、そしてそれらの欠点がどのように代替ソリューションで修正できるかを見ていきます！
炭素捕獲の元のソリューション
ここでいう元のソリューションとは、空気コンタクタ（大量のファンで空気を塩基性液体で満たされたチャンバーに引き込む）を用いる、最も広く使用されている直接空気捕獲アプローチの一つを指します。CO2は化学的に酸性であるため、塩基性液体はそれと結合し、炭酸塩または重炭酸塩を形成します。
炭酸塩または重炭酸塩に捕獲されたCO2は、エンジニアが液体から分離し、プラスチックや炭酸飲料などの製品に変えることができます。これらの炭酸塩・重炭酸塩をさらに加工すれば、家庭や将来的には航空機の燃料としても利用可能です。一方、塩基性液体は再びチャンバーに戻り、さらなるCO2を捕獲します。
このソリューションは炭素を捕獲し、再利用するための完璧な手段のように思えますが、問題が存在します。
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元のソリューションの問題点
問題は、炭酸塩または重炭酸塩が液体から分離される方法にあります。液体から分離されることにあります。捕獲されたCO2を放出するには、企業は炭酸塩・重炭酸塩溶液を少なくとも900˚C（1,652°F）まで加熱する必要があります。 この温度は太陽光や風力といった再生可能エネルギーでは達成できません。そのため、この温度を得るには天然ガスや純粋なメタンなどの化石燃料を燃焼させる必要があります。
このシステムに隠された問題点について語る際、システムに隠された Wilson Smith、化学・生物工学部の教授であり、再生可能・持続可能エネルギー研究所（CU Boulder）に所属する、次のように述べました。これは本質的に問題を要約しています：
「CO2を捕獲するためにCO2を放出しなければならないなら、炭素捕獲の本来の目的が無意味になります。」
良い点は、研究者たちが課題を超えて取り組んだことです。システムの欠陥を指摘するだけでなく、矛盾を解消できる代替案を提案しました。
元のソリューションの代替治療法
研究者は問題を解決するためにリアクティブ捕獲プロセスの導入を提案しました。しかし、従来のリアクティブ捕獲プロセスを微調整することを推奨しました。
従来のリアクティブ捕獲とは、炭酸塩・重炭酸塩溶液に電気を流し、チャンバー内でCO2と塩基性液体を分離させるプロセスを指します。これは、再循環した液体形態でより多くのCO2を捕獲できる閉ループシステムとも呼ばれます。
しかし、このケースでは研究者は欠点を指摘しました。産業環境では、電力だけでは塩基性液体を再生し、空気からさらにCO2を捕獲するには不十分であることが分かりました。元の形態では非常に非効率的で、炭素捕獲と再生の5サイクル後には、塩基性液体はほとんどCO2を空気から取り出せなくなります。
研究者はこのプロセスに電気透析を加えることを提案しました。この方法は複数の利点を提供します。主に、再生可能エネルギーで動作できることです。さらに、水をより多くの酸性イオンと塩基性イオンに分離し、塩基性液体のCO2吸収能力を維持します。Wilson Smithはこのチームの成果を「1つの技術で複数の問題を解決する」と評価し、当然の評価です！
研究者が新しいソリューションを革新し、既存のものを効率化することは重要ですが、企業やビジネスにも責任があり、多くの企業がその責任を果たしています。以下のセグメントでは、この分野で革新的かつ効率的なソリューションを提供している数社をご紹介します。
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#1. Graphyte
Graphyteは、耐久性があり、手頃な価格で、すぐにスケール可能な世界初かつ唯一の二酸化炭素除去ソリューションとして位置付けています。耐久性に関して、Graphyteはそのソリューションが千年以上にわたりCO2を除去できると主張しています。
手頃さの面では、同社はソリューションをトン当たり100米ドル未満の均一化生産コストで提供しています。また、スケーラビリティに関しては、数十億トン規模の炭素除去が実現可能なレベルまで拡大できると主張しています。
Graphyteの具体的な手法は、Carbon Castingというアプローチに従い、木材や農業の残渣などの利用可能なバイオマスを活用します。Graphyteはこのバイオマスを乾燥・圧縮して高密度の炭素ブロックに変えます。これらのブロックは環境に安全な不透水性バリアを備えており、最先端の地下施設で安全に保管できます。
Graphyteの手法について語る際、同社創業者兼CEOのBarclay Rogersは次のように述べました：
「Carbon castingは自然にCO2捕獲の作業を効率的に行わせ、エンジニアリング技術で気候に関わる時間スケールで保存します。どこでも実施でき、市場を変えるソリューションであり、何よりも地球を救う手助けとなります。」
Carbon castingはバイオマスに捕獲されたほぼすべての炭素を維持し、エネルギー消費も極めて少ないです。光合成と実用的なエンジニアリングを組み合わせた、低コストで耐久性のある炭素除去プロセスです。
Graphyteの潜在力は投資家コミュニティからの信頼と信用を得るのに役立ちました。同社はSeries A資金調達ラウンドを完了し、総額3,000万米ドルを調達しました。ラウンドはPrelude VenturesとCarbon Direct Capitalが共同で主導し、Breathable Energy VenturesやOvertureなど既存投資家からの出資も含まれました。
Graphyteのような株式資金で支援された革新的ベンチャーが新時代のソリューションで登場する一方、Lindeのような老舗上場企業も吸着型炭素捕獲と二酸化炭素回収に取り組んでいます。
#2. Linde
この HISORP® CC吸着型炭素捕獲ソリューションは、Lindeの炭素捕獲ポートフォリオへの最新の追加で、実績のある圧力変動吸着（PSA）および膜技術を補完します。
HISORP CCソリューションは、広範なCO2供給濃度範囲でプロセスガスからCO2を分離します。 圧力変動吸着（PSA）、低温分離、圧縮など、Lindeの複数の技術を活用し、正確には99.7%という99%以上の捕獲率を実現します。
このソリューションの最大の利点の一つは、再生可能エネルギー由来のエネルギーで稼働することです。再生プロセスは蒸気を必要とせず、炭素フットプリントを最小限に抑えます。
さらに、HISORP CCは低CAPEX・低OPEX技術で、特定エネルギー消費率が最小限であり、溶剤管理、補充、および取り扱いにほぼ追加コストがかかりません。
Lindeは、この技術が広く互換性と包括性を保ち、蒸気改質（SMR）、自動熱改質（ATR）、部分酸化（POX）やガス化など、Lindeの全ソリューションと組み合わせられるようにしています。SMR、POX、ATRの既存・新規プラントへの統合に適しており、水素生産の増加にも対応可能です。
2023年、世界的な産業ガス・エンジニアリング企業であるLindeは、売上高333億米ドルを記録しました。
企業が目標にコミットする一方で、企業と研究機関間の学びと交流は相互的です。最後のセグメントでは、炭素捕獲の将来をより効果的かつ効率的に変える可能性のある技術研究を検討します。
炭素捕獲の未来：変革的可能性を持つツール
2024年7月、研究者グループは吸着剤ベースの炭素捕獲を加速するための包括的プラットフォームを提案しました。彼らはこのプラットフォームをPrISMaと名付け、Process-Informed Design of tailor-made Sorbent Materials（プロセス情報に基づくカスタム吸着材設計）を意味します。
このプラットフォームは、炭素捕獲技術の大規模導入をより炭素効率的にすることを目指しました。分散したコンポーネントと実装者を統合することを強調しています。
従来、化学者は材料設計に、エンジニアはプロセス最適化に注力していましたが、PrISMaプラットフォームは材料、プロセス設計、技術経済性、ライフサイクル評価を統合しました。5つの地域で異なる技術を用いた、さまざまなCO2供給源からの捕獲に関する60件以上のケーススタディを比較しました。
そして、さまざまなステークホルダーに対し、技術やプロセス構成、ロケーションのコスト効果を同時に提示しました。また、最高性能吸着剤の分子特性を明らかにし、環境影響、相乗効果、トレードオフに関する実用的な洞察を提供しました。最終的な成果は、研究初期段階でステークホルダーを結集させ、ネットゼロ社会に向けた炭素捕獲技術の開発を加速することを目的としています。
PrISMaの開発を担当する科学者である、EPFLのBerend SmitとHeriot-Watt大学のSusana Garciaは、この手法の実用性に非常に楽観的です。 Berend Smit教授によれば：
「この革新的なアプローチは、炭素捕獲における最高性能材料の発見を加速し、従来の試行錯誤手法を上回ります。」
PrISMaは将来に大きな可能性を秘めています。実験データと分子シミュレーションを用いて、潜在的な吸着材の吸着特性を予測できます。
最終的に、開発者コミュニティは情報に基づいた選択ができるようになります。PrISMaのプロセス層特性により、科学者が純度、回収率、エネルギー要件などのプロセス性能パラメータを算出し、炭素捕獲ソリューションの性能を測定・ベンチマークできるようになります。
科学的・技術的ソリューションの成否を左右する重要なパラメータは経済的実現性です。PrISMaは炭素捕獲プラントの経済性と技術的実現性を評価できます。最終的に、プラント全体のライフサイクルにわたる環境影響を評価し、包括的な持続可能性を確保します。
総じて、PrISMaは革命的、あるいは変革的なものに他なりません。
私たちは、広く採用されているが不十分で自己矛盾的であることが判明したソリューションから議論を始めました。現在、科学コミュニティがPrISMaを活用すれば、環境に効率的で、スケーラブルかつコスト効果の高いソリューションをゼロ日から設計することが可能です。
