サステナビリティ
海水からセメント材料を抽出しながら炭素を捕獲する
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コンクリートは現代社会に不可欠な材料であり、砂とセメントは実際に体積と重量で世界最大規模の材料生産の中に含まれています。
セメントの生産は非常にエネルギー集約的な活動でもあります。また、ほぼすべてが化石燃料で賄われており、セメント生産が世界のCO2排出量の8％を占めている結果となっています。
これは自動車やバンのCO2排出量と比較できます。それらは世界全体の排出量の10％を占めています。したがって、コンクリートをより持続可能にすることは、世界中のすべての自動車を電気自動車に置き換え、再生可能エネルギーだけで動かすことと同等のインパクトがあります。
セメント製造に伴う炭素排出の多くは、原料となる鉱石の採掘、破砕、加工、精製から生じます。石灰石のように、炭酸カルシウムが豊富な岩石（CaCO3）は採掘され、粘土と混合されてコンクリートになる原料が得られます。
地球上には別の炭酸カルシウムの供給源として海水が考えられます。海洋には多くの溶存ミネラルが含まれており、もちろん食塩（ナトリウムと塩素イオン）だけでなく、マグネシウム、カルシウム、カリウム、さらには金属も含まれています。その中でも特にウランは、将来的に鉱山ではなく世界の海から供給される可能性があります。 炭酸イオンの形で溶存するCO2も海中に豊富に存在し、地球の最も強力な炭素シンクの一つとなっています。
ノースウェスタン大学とCEMEX Innovation Holding AG（スイス）の研究者は、海水に豊富に存在するこの資源を利用して、CO2を排出せずにコンクリートの原料を生産できるかを探求しています。彼らは実験結果をAdvanced Sustainable Systems1に掲載し、タイトルは「海水中の炭素捕捉鉱物の電析：可変電位と二酸化炭素注入」です。
水の電気分解
水（H2O）は、通常は触媒を用いて強力な電流を流すことで、水素と酸素に分解することができます。これは再生可能エネルギーから電力を得て行うグリーン水素製造の基礎です。
しかし、純水でなく、特に海水でこのプロセスを行うと、電解反応は水中に溶解したミネラルとも反応します。
これは通常望ましくない反応で、電極に堆積物が形成され、目的である水素生成からエネルギーが逸脱してしまいます。
しかし、電解条件を調整すれば、この不要な副産物反応をカルシウム炭酸塩を生成する有用な新手法に転換できる可能性があります。
海水からのセメント製造
無限の供給
これは必ずしも新しい概念ではありません。海水中のCaCO3やマグネシウムは、コンクリート、セメント、石膏、塗料、充填剤など、建設、製造、環境修復分野で多様な用途があります。
地球を覆う広大な海は実質的に無限の供給源となるため、これらの材料の最も持続可能な潜在的供給源と考えられています。
これまで、これらの鉱物の電気還元を検討しても、海水からの生産を経済的に実現する方法は得られていませんでした。ここで、ノースウェスタン大学の研究者は重要な追加ステップを導入しました：プロセスにCO2を加えることです。
海水へのCO2注入
海水は多種多様なミネラルが混在した複雑な組成であるため、電解を行うと同時にカルシウムやマグネシウムイオンの沈殿、硫酸塩からの石膏生成、塩素と水素ガスの発生、各電極周辺の酸性度変化など、さまざまな電気化学反応が同時に起こります。
CO2の注入は海水のpHを低下させ、さらに複雑さを増します。CO2によるpH低下は、電気エネルギーから生成されるOH−イオンにより部分的に補償されます。
炭酸カルシウムの溶解・沈殿は水の酸性度に依存します。この現象は、科学者にとって懸念事項です。大気中のCO2が増加すると、海洋はより酸性化します。
電流が十分に強力で、OH−イオンの生成量が多ければ、pHを8.5以上に保つことが可能です。
このような酸性度の条件下では、化学反応がCO2を捕捉し、溶存重炭酸イオン（HCO3-）に変換します。
これらの重炭酸イオンはカルシウムと反応し、コンクリート製造の基礎材料である炭酸カルシウムとして沈殿します。
炭素隔離の最適化
この種の反応では、セメント産業で利用可能な炭酸カルシウムの生成が、注入されたCO2を大気中に放出するのではなく捕捉します。
使用する電力のレベルに対して、エネルギー消費を最小化しつつ鉱物生成収率を最大化する最適なCO2注入流量が存在します。0.30 sccmのCO2濃度がちょうど良いバランスで、低い電力レベルでも大量の鉱物が沈殿します。
利用可能な堆積物の作成
この概念を産業規模で実装する際の問題は、水素生成の電解時に起こる炭酸カルシウム沈殿と同様の問題です。
多くの場合、カルシウム堆積物が電極表面を詰まらせ、システム全体を損傷させ、時間とともに効率が低下します。
しかし、本実験で使用した高電力レベルとCO2注入を組み合わせることで、追加の反応が起こり、沈殿した炭酸カルシウムが電極から離脱しました。
したがって、この方法は、タンク底部に鉱物堆積物として簡単に回収でき、電極を詰まらせることなく炭酸塩を生成できると考えられます。
鉱物結晶の成長
条件に応じて、異なる鉱物集合体が形成され、特に炭酸カルシウム結晶（方解石とアラゴナイト）やマグネシウム結晶（ブリュシット）が異なる結晶形態を示します。
全体として、得られた材料は数センチメートル（1〜2インチ）長さの結晶からなり、非常に多孔質でもあります。
提案された手法で合成された集合体の組成、孔隙率、サイズは、コンクリートなどの材料での使用に関する現在の基準を満たしています。
結論
総じて、本稿は、海水の電解中に炭素注入を行うことで、炭素負のセメント材料の生産が理論的な可能性に留まらず、実用的な選択肢であることを証明しています。
硬度や耐摩耗性などの他の重要なパラメータについては、得られた材料が建設プロジェクトで使用可能であることを完全に確認するために、今後の調査が必要です。
このプロセスは本質的にスケールアップ可能であり、希少材料の供給不足、過剰なエネルギー消費、低収率といった明らかな制約はありません。
相互接続されたスケーラブルなリアクター網を想定することで、本アプローチは産業規模での導入や、沿岸の産業施設など既存インフラへの統合が可能になる潜在力を持ちます。
リアクターデザインのさらなる進展により、電極形状や材料、流体力学の最適化などを通じて、全体の経済性とエネルギー効率を向上させることが期待されます。
最終的に、炭酸カルシウムが抽出された水は、イオン濃度が低下しているため、海水からの水素生成の二次工程においても興味深い材料となり得ます。
持続可能なセメントへの投資
CRH 価格チャート
世界のセメント生産リーダーの一つであるCRHは、セメント建設をより持続可能な産業へ転換する上で重要な役割を果たすでしょう。同社は米国と欧州市場で提供される建設資材総量でトップです。
同社は28か国、3,390拠点で事業を展開し、78,500人を雇用しています。CRH Americasは全世界売上の65％を占めています。
出典: CRH
同社は、西側諸国政府によるインフラ投資の増加が事業成長を後押しすると見込んでいます。また、再産業化やハイテク製造の国内回帰の傾向も追い風になるでしょう。
持続可能性
CRHは持続可能性において一連の取り組みで大きな進展を遂げています：
- 北米で最大のリサイクル企業であり、2023年には他産業からの廃棄物・副産物を4,390万トンリサイクルしました。
- 2023年には、セメント工場で代替燃料を36％使用したことにより、CO2排出量を8％削減しました。
- 2030年までに（2021年比で）排出量を30％削減することを目指しています。
これは称賛に値しますが、遅すぎる、手遅れという見方もあります。
幸い、CRHは業界の根本的変革の推進者でもあります。特に、欧州のコンクリート大手Holcimと共同で、低炭素セメント企業Sublimeに7,500万ドル投資しています。
Sublime Systemsは2020年にMITからスピンアウトし、電解装置を用いて常温でセメントを製造し、エネルギーと化石燃料集約型キルンを置き換えます。また、石灰石からのCO2排出を回避するために、カルシウム源を原料として利用可能にします。
Sublimeの最初の商業施設はマサチューセッツ州ホリオークにあり、2026年早期に稼働開始が見込まれています。成功が証明されれば、セメント業界にとって真のゲームチェンジャーとなり、スケーラブルな低排出コンクリートへの道を開くでしょう。
“Sublimeはセメント製造における破壊的な力です。その独自技術は、クリーン電力の使用から炭素フリー原料まで、製造プロセス全体に跨ります。我々はその可能性に興奮しており、市場規模での導入に向けて協力できることを喜んでいます。この投資は、Holcimが建設の脱炭素化を加速するために最も革新的な技術をスケールアップする戦略と完全に一致しています。”
Officer Nollaig Forrest – Holcim’s Chief Sustainability
CRHは他の脱炭素・持続可能性スタートアップにも投資しています：
- €23.7百万をCool Planet Technologiesに投資し、従来脱炭素が困難だった産業向けの炭素捕捉ソリューションを開発しています。
- $34.7百万をCRHと他の投資家がCarbon Upcycling Technologiesに投資し、全電気式の鉱化ソリューションでCO2を産業副産物や鉱物（セメント、プラスチック、消費財、肥料、医薬品など）に永久的に貯蔵します。
- AICreteは‘レシピ・アズ・ア・サービス’プラットフォームで、地域のコンクリートメーカーと連携し、AI分析で地元材料を最適化し、使用するセメント量を最小化してCO2フットプリントとコンクリート製造コストを削減します。
- FIDO AIのシリーズB資金調達は、AIを活用して水使用量を削減し、水の節約を増やすスタートアップです。
総じて、CRHはコンクリート業界の収益性の高いリーダーであり、既存施設での直接的な脱炭素化や、次世代のセメント・コンクリート製造技術を創出する革新的スタートアップへの資本提供を通じて、業界の脱炭素化に積極的に備えています。
CHRの最新情報
参照された研究:
1. Devi, N., Gong, X., Shoji, D., Wagner, A., Guerini, A., Zampini, D., Lopez, J., & Rotta Loria, A. F. (2025). 海水中の炭素捕捉鉱物の電析：可変電位と二酸化炭素注入. Advanced Sustainable Systems, 9(3), 2400943. https://doi.org/10.1002/adsu.202400943
