炭素捕獲 – 海の深層は実行可能な解決策か？

二酸化炭素（CO2）は、私たちの大気中の熱を捕らえる重要で最も一般的に排出される温室効果ガスです。 この熱捕捉ガスは、人間活動と自然活動の両方から生じます。 

自然由来の源には、火山噴火や動物が二酸化炭素を廃棄物として呼気に放出するプロセスが含まれます。一方、CO2排出につながる人間活動には、森林火災や、天然ガス、石油、石炭などの化石燃料の採掘と燃焼を伴うエネルギー生産が含まれます。人間が排出したCO2の約45％が実際に大気中に残り、地球温暖化に大きく寄与しています。 

二酸化炭素がなければ、地球は極端に寒くなり、居住不可能になります。 しかしながら、このガスの大気中濃度が増加することで、現在、平均的な地球の気温が上昇しています。

2019年、米国だけで エネルギー関連のCO2を5,130百万トン排出し、世界全体の排出量は33,621.5百万トンであると、米国エネルギー情報局の推計されています。

その結果、大気中の二酸化炭素を捕捉・貯蔵する炭素隔離への関心が高まっています。このアプローチは大気中のCO2濃度を低減し、地球規模の気候変動を緩和することを目的としています。

この目標を支える取り組みには、クリーンエネルギーシステムへの移行や、輸送や建設といった高排出部門の脱炭素化が含まれます。これらのイニシアチブの中でも、特に炭素隔離は自然環境と協働して気候変動に対処する手法として際立っています。

炭素隔離は、地球の大気から炭素を除去するための重要な手法で、主にCO2の永久的な貯蔵に焦点を当てています。このプロセスは、生物学的および地質学的の二つの方法で行われます。

地質的炭素隔離は、地下の層にCO2を貯蔵することを含みます。米国地質調査所（USGS）の2013年の全国的な地質炭素隔離評価によると、推定平均貯蔵潜在量は3,000メトリックギガトンの二酸化炭素です。同評価によれば、テキサス州からジョージア州にかけての沿岸盆地を含むコーストプレイン地域がCO2の最も高い貯蔵潜在力を持っています。

実施されている方法の一つはグラフェン製造を通じてであり、CO2を原料として必要とします。グラフェンは軽量で柔軟性があり、非常に高い抵抗性を持つ素材で、建設、エネルギー、電子機器、医療分野で有益です。

次に、空気中のCO2を捕捉して形状を変え、新しい化合物を形成するエンジニアリング分子があります。一方、炭素回収・貯蔵（CCS）は、産業活動で生成されたCO2を捕捉し、圧縮・輸送して深部地下施設へ運び、最終的に岩層に注入して永久的に貯蔵するプロセスです。

二酸化炭素を地下貯留層に注入すると、石油生産の増強という利点があります。しかし、この方法には欠点もあります。CO2の移動や漏出、地下水汚染、注入に伴う地震リスクなどの問題が生じる可能性があります。さらに、世界の多くの地域では、貯留層注入に適した地質条件が不足しています。

生物学的炭素隔離は『間接的』または受動的な形態と呼ばれます。この方法では、CO2は自然環境の『炭素シンク』、すなわち土壌、森林、草原、海洋、その他の水体に貯蔵されます。

森林は実際に自然炭素隔離の最も優れた形態の一つと考えられています。結局のところ、森林は平均して排出する炭素の二倍を貯蔵しています。光合成の過程で、CO2は植物に結合し、酸素と交換されます。推定では、世界のCO2排出量の4分の1が森林と同様に草原、畑、プレーリーなどの植生形態で隔離されています。

土壌に関して言えば、CO2は炭酸塩として捕捉・貯蔵され、カルシウムなどの元素と結合して何千年も蓄積します。CO2は最終的に地球から放出されますが、このプロセスには何千年もの時間がかかります。

水域、特に大規模な水体において、これらは地球大気から除去されたCO2の4分の1を占めます。主に海洋の上層が炭素を貯蔵していますが、過剰な量は水の酸性化を引き起こし、生物多様性に悪影響を及ぼす可能性があります。

現在、炭素隔離を大規模に実現できる技術の開発に焦点が当たっています。

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超高速炭素隔離法

テキサス大学オースティン校の研究者らは、大気から捕捉した炭素を保存する新しく、極めて高速な方法を発見しました。従来の方法より速いだけでなく、従来使用される有害な化学促進剤や機械的撹拌を必要としません。

ACS Sustainable Chemistry & Engineering に掲載されたこの新研究は、二酸化炭素ハイドレートの超高速形成技術を開発しました。これらの材料は独特で氷のような性質を持ち、海中にCO2を埋め込み、それらが大気中に放出されるのを防ぎます。 ​

「私たちは巨大な課題に直面しています――大気からギガトン規模の炭素を安全に除去する方法――そしてハイドレートは炭素貯蔵の普遍的な解決策を提供します。ハイドレートが炭素貯蔵の主要な一部となるためには、技術を迅速かつ大規模に成長させる必要があります。」

– ワーカー機械工学部の教授、ヴァイバブ・バハドゥール

研究は、ハイドレートが迅速に成長でき、しかも炭素捕捉の環境利益を中和する化学物質を使用せずに済むことを示しています。さらに、チームはこれをギガスケールの炭素貯蔵に極めて効果的な方法と見なしています。そして、いくつかの課題や問題が克服できれば、ハイドレートは炭素捕捉・貯蔵の好ましい手段となり得ます。

チームは、炭素捕捉のためにハイドレートを作成することは、単に遅いプロセスであるだけでなく、エネルギー集約的でもあり、それが大規模な炭素貯蔵の一般的な手段になるのを妨げてきました。しかし、今までです。

新しい研究では、研究者らはハイドレート形成速度を従来の方法と比較して最大6倍に向上させることに成功しました。プロセスの高速性と、化学物質を使用しないことが、ハイドレートを大規模な炭素貯蔵に適したものにしています。

しかし、実際に化学物質の必要性を排除し、吸収率の向上、エネルギー効率、コスト効果を可能にしたのはマグネシウムであり、これが研究の『秘密のソース』でした。

マグネシウム（Mg）は、低密度・低融点・高い化学反応性を持つ光沢のある灰色金属で、他の元素と自然に結合して存在します。この金属は化学試薬の必要性を取り除くトリガーとして機能します。マグネシウムの添加は、特定のリアクター構成で高流量の二酸化炭素が泡立つことによって支えられます。リアクターの圧力が隔離速度の主要因です。

したがって、マグネシウムが存在する中での一定のガス流入・流出の高流量に基づくCO2隔離速度の向上は、正味ガス消費に起因します。この方法は、ガス・水・ハイドレート界面を継続的に更新することで成長速度を高めます。

この技術の導入が容易になる理由は、海水でもかなりうまく機能するため、淡水を作るための複雑な脱塩プロセスが不要になることです。塩水での泡の迅速な形成は、技術の経済的パフォーマンスを大幅に向上させるとチームは述べています。研究を主導したバハドゥールによれば：

「ハイドレートは、海底が安定した熱力学的条件を提供し、分解から保護するため、魅力的な炭素貯蔵オプションです。」

このように、炭素貯蔵は本質的に海岸線を持つすべての国で利用可能です。したがって、この炭素貯蔵方法は「よりアクセスしやすく、世界規模で実現可能であり、持続可能な未来の実現に近づく」と彼は付け加えました。

研究者によれば、泡はCO2の輸送と隔離に新たなアプローチを可能にします。しかし、この進歩の意味は炭素隔離にとどまりません。​ハイドレートの超高速形成は、ガス分離、貯蔵、脱塩にも応用できる可能性があります。

このように、新技術はさまざまな産業に対して多用途のソリューションを提供します。したがって、研究者はこの技術に関連する2件の特許を出願しており、さらに商業化のためのスタートアップ設立も検討しています。

すべてのイニシアチブが成功するわけではない 

環境の脱炭素化が重要であることから、科学者や世界の指導者は気候目標達成のためにさまざまな方法や新技術を模索しています。 

昨年、科学者たちがシチリア近くの火山島の海岸で、CO2を「驚くほど速く」食べる微生物を発見しました。この微生物は2022年9月に最初に見つかり、光合成によるCO2消費が「超効率的」で、他の既知のシアノバクテリアよりも速いです。科学者は、微生物プロセスは技術的介入に比べてはるかに資本効率が高く、また「本質的にスケール可能」であり、「オープンポンドからバイオリアクターまで多様な環境に展開できる」と述べました。

数か月前、米国標準技術研究所（NIST）の科学者たちが報告しました、空気中の炭素を捕捉・除去するために使用される材料（吸着剤）の性能を測定する高精度テスト装置を開発したと。装置はNISTが直接空気捕捉（DAC）産業向けの研究グレードテスト材料（RGTM）吸着剤を作成できるようにし、企業がスケールアップ前に吸着剤をテストし有効性を検証できるようにします。

今月、オーストラリアの研究者たちが提案しました、太陽光を利用して鉱山廃棄物中の炭素を捕捉・貯蔵することを。現在、濃縮太陽熱を用いた蛇紋石活性化による、鉱物炭酸化を通じた炭素捕捉・貯蔵プロセス用の活性化原料の初期評価と分析を行っています。

科学者は、温室効果ガスを直接固体燃料に変換し、住宅の暖房や産業の電力供給に利用できる方法も発見しています。例えば、MITとハーバード大学の研究者が開発し、ガスを粉末に捕捉・電気化学的に変換するプロセスを実証しました。固体形態のホルミン酸は、実験室で燃料電池を通じて電力を生成するために使用されます。

このように、炭素の捕捉と貯蔵への関心は明らかに高まり、多くの研究と資金が投入されています。しかし、すべてのイニシアチブが成功したわけではありません。その顕著な例が米国拠点の気候スタートアップ、Running Tideです。

Running Tideの炭素除去プロセスでは、浮体式木製ブイのネットワークが海藻の「マイクロフォレスト」を育成し、空気と水から炭素を「むし取り」、石灰石は「海面層の制酸剤」として機能します。海藻はその後切断され、海に沈み、CO2を吸収し、何千年もの間深く埋蔵されます。

同社はウェブサイトによれば、2つの手段で25,000トンの炭素を除去したと報告しています:

• 海洋アルカリ度向上
• バイオマス沈降

Running Tideは炭素クレジットも販売しており、これは速いサイクルから除去された1トンの炭素を表します。約1年前、同スタートアップはオープンオーシャンプロジェクトから初の炭素除去クレジットを提供し、これらはeコマース大手Shopifyに事前販売されました。その後、Microsoft (MSFT ) も同スタートアップから炭素クレジットを購入しました。

6月に、同スタートアップは事業停止を発表しました。Running Tideの創業者兼CEOであるMark OdlinはLinkedIn投稿で:

「残念ながら、本日、Running Tideのグローバル事業を停止するプロセスを開始します。必要な緊急性を持って作業を継続するための適切な資金調達ができなかったためです。」

投稿によれば、炭素市場は自発的であり、「大規模な炭素除去を支える需要がない」と付け加え、「我々の誠実さは、勝利条件を達成したかどうかで評価され、それ以外は評価されません」と述べています。

投稿の中で、彼はスタートアップが「オープンオーシャンで最大規模の成功した炭素除去プロジェクトを実行した」と述べ、さらに「最低コストで、最も過酷な環境で、最高水準の品質基準で」行ったと主張しました。

同社は約19,000トンの木屑をアイスランドの沿岸海域に沈めたと報告されています。この大規模な投棄は「完全に監視されていない」」と、述べました、アイスランドの週刊紙Heimildinが、監視の欠如と、同社が海底に25,000トンの炭素を隔離したという主張の検証不足を指摘しました。

Running Tideの閉鎖とその運営に関する疑問は、すべての努力と研究が興奮を呼び起こす一方で、イニシアチブが必ずしも実を結ばないこと、そして実際に変化をもたらすためには、より多くの政府支援と技術的突破口が必要であることを示しています。

#1. ExxonMobil (XOM)

炭素回収・貯蔵（CCS）技術に多額の投資を行う主要な上場企業の一つとして、複数のプロジェクトで炭素フットプリントの軽減に取り組んでいるExxonMobil (XOM ) は、テキサス大学の海洋ベース炭素隔離研究から大きな利益を得られる可能性があります。

海洋ベースの炭素隔離技術は、ExxonMobilが技術的リーダーシップを強化し、炭素排出に関連する規制コストを削減するのに役立ちます。

財務面では、潜在的な炭素税負担を減らし、炭素クレジットの販売による新たな収益源を創出することで多額の節約が見込めます。さらに、これらの進展はExxonMobilの環境・社会・ガバナンス（ESG）評価を向上させ、環境意識の高い投資家にとって魅力的になります。同社は2023年に4,137億ドルの収益を報告しました。

#2. Occidental Petroleum (OXY)

Occidental Petroleum (OXY ) は、大規模なCCSプロジェクトの開発でリーダーであり、特に捕捉した炭素を増進石油回収（EOR）プロセスに統合する取り組みで知られています。海洋ベースの炭素隔離を採用することで、OccidentalはCCSイニシアチブをさらに多様化し、持続可能性の実践を強化できます。

財務的には、この技術は二重の利益をもたらします――炭素税負担の削減と炭素クレジットによる追加収益の創出です。さらに、捕捉した炭素をEORに活用することで石油回収率が向上し、生産効率と収益性が高まります。同社は2023年に289.2億ドルの収益を報告しました。

最終的な考察

地球の大気のさらなる温暖化防止と気候変動への対処は、世界的な優先課題です。炭素排出燃料の段階的廃止や、法的に拘束力のあるネットゼロ排出目標の設定など、さまざまな対策が採用されています。CO2の捕捉と貯蔵は、我々の惑星の脱炭素化に向けたもう一つの重要な解決策です。

この炭素隔離は複数の方法で実現可能で、海の深層は魅力的な場所を提供します。海は炭素シンクであり、生物学的炭素ポンプ（植物プランクトン）を利用して表層のCO2を食物連鎖を通じて海底へ輸送し、長期的に貯蔵します。また、海流によって駆動される物理的ポンプも溶存炭素の隔離に寄与します。

広大な貯蔵容量と自然なCO2吸収能力、さらに大気からの隔離という特性から、深海は炭素貯蔵の有力な手段とされています。技術は、深海への直接CO2注入から、植物プランクトンの成長を促す栄養添加、そして高圧・低温を利用した固体ハイドレート形成まで多岐にわたります。

しかし、このアプローチには課題もあり、Running Tideの事例が示すように、酸性化、コスト、モニタリング、検証、持続可能性といった問題が生じます。

テキサス大学の研究者らが行っているように、継続的な研究開発を通じてのみ、環境に害を与えずに炭素を貯蔵する解決策を見つけることができます。総じて、海の深層は炭素隔離の目的において有望だが不確実な選択肢です。

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