シリーズ GSC 低炭素・循環型社会を先導する GSC 二酸化炭素の回収・貯留および再資源化 KAZAMA Shingo 風間伸吾 （財）地球環境産業技術研究機構（RITE）化学研究グループリーダー 地球温暖化対策技術として，化石燃料を燃焼した際に発生する CO 2 を回収して地下深くに安定に貯留する CO 2 回収・貯留（CCS）がある。政府公約の 2050 年に世界中の CO 2 発生量を半減するためには，削減必要量 の 19% を CCS で削減する必要があり，CCS の有効性を示す実証試験が世界各国で計画，実施されている。 CCS の普及にはコスト削減が重要な課題であり，CO 2 回収技術である吸収法，吸着法，膜分離法等での開発が 推進されている。CO 2 の再資源化もその可能性が検討されている。 と共に，CO 2 の再資源化に関して触れる。 1 は じ め に 2 地球規模での CO 2 の循環 地球温暖化と言う言葉を最近良く耳にするようになっ た。文字通り，地球の平均気温が上昇する現象であり，気 まず，地球規模での CO 2 の循環を考えてみよう。図 1 候変動に関する政府間パネル（IPCC）の第 4 次評価報告 に地球規模の CO 2 循環の様子を示す 1）。大気中に約 2.8 兆 書によると，2100 年には，1961 年から 1990 年の平均気温 トンの CO 2 が存在し，海洋には約 140 兆トンの CO 2 が溶 に対して 1.1℃から 6.4℃の範囲で気温上昇が予測されてい 解している。さらに，地中には化石燃料として CO 2 換算 る。この地球温暖化が我々の生活に様々な悪影響を及ぼす で約 9.3 兆トン，地表には，植物，土壌とデトリタス（生 と考えられている。 物の遺体，排泄物等の生物由来の物質）として 8.3 兆トン 地球温暖化の原因として有力視されているのが，温室効 が存在している。 果ガス（Greenhouse Gas, GHG）の増加である。温室効果 ＧＳＣ ガスとは大気圏にあって，地表から放射された赤外線の一 部を吸収することにより温室効果をもたらす気体の総称で ある。仮に，GHG が存在しなければ，ステファン・ボル ツマン式により平均気温は今よりも 33℃も低くなると計 算され，GHG 自体は我々人類が生活する上で必須な存在 である。この GHG の濃度が急激に増加することに問題が ある。代表的な GHG は 6 種類であるが，排出量の多さ （ 全 GHG の 約 95%） と 温 暖 化 へ の 影 響 の 大 き さ（ 同 約 60%）から GHG として CO 2 が議論されることが多い。 CO 2 は人類がエネルギーを得る目的で化石燃料を使用 する結果として主に発生する。実に，エネルギーの約 図 1 地球規模での CO 2 収支。 90% を化石燃料から得ている。非常に雑な見方をすれば， 国民一人当たりの CO 2 の放出量が国民の豊かさを表して 地 球 温 暖 化 を 引 き 起 こ す 大 気 中 CO 2 濃 度 の 増 加 は， いるとも言える。国民一人当たりの CO 2 の年間排出量は， 1860 年代の産業革命以降，人類がエネルギーを得るため 先進国で約 10 トンであり，中国が 4.5 トン，インドが 1.2 に多くの化石燃料を使用して，自然界の吸収量を上回る トンである。発展途上国のエネルギー需要は今後益々増加 CO 2 が放出されたことが原因である。図 1 で，年間に 235 する傾向にあり，その中で化石燃料に依存する構造は今後 億トンの化石燃料起因の CO 2 が大気中に放出される。そ も続くと考えられる。そのため，CO 2 排出に対して対策 の内，37 億トンが陸域に，そして 81 億トンが海洋に吸収 を取らなければ 2050 年には年間排出量が現在の 2.6 倍の されるが，残りの 117 億トンが大気中に留まり CO 2 濃度 約 620 億トンに増加すると予測される。 の増加をもたらしている。 化石燃料を使用しながら CO 2 の発生量を抑制する技術 この大気中の CO 2 濃度の増加を抑制するために，化石 と し て CO 2 回 収・ 貯 留（ 以 下，CCS（CO 2 Capture and 燃料の燃焼で発生した CO 2 を回収して，図 1 では自然に Storage）という）がある。以下に，CCS の現状を述べる CO 2 が陸域や海洋に吸収されるのと同様に，人工的に安 428 化学と教育59-8＿08シリーズGSC_風間.indd 428 化学と教育 59 巻 8 号（2011 年） 2011/08/02 16:13:18 ―持続可能な社会を目指す化学技術の過去・現在・未来― シリーズ GSC 全に地下深くに貯留する方法が CO 2 回収・貯留（CCS） 収することである。CO 2 の発生源は，産業，運輸，民生 と呼ばれる技術である。 に大別され，国内の CO 2 の直接排出量は，2006 年の報告 日本政府は，2007 年 6 月に開催されたハイリゲンダム・ で，火力発電所等のエネルギー転換部門が 34%，各種工 サミットの場で 2050 年までに温室効果ガスを半減すると 場の産業部門が 28%，自動車等の運輸が 19%，事務所や 公約した。2050 年の温室効果ガスの半減は世界的な目標 家庭の民生が 13% である 4）。CO 2 の回収を考えた場合に， となっており，国際エネルギー機関（IEA）は 2050 年ま 自動車や家庭のように小規模で分散した CO 2 発生源から でに CO 2 排出量を現在の約半分に削減する最もコスト効 回収するよりも，火力発電所や製鉄所のような大規模固定 率の良い方策を試算した 2）。その結果，削減必要量の約 発生源から回収する方が容易でありコスト的にも安価とな 19%（約 91 億トン）の CO 2 を CCS によって減らす対策が る。日本の場合に，火力発電所と製鉄所から排出される 良いと報告している。 CO 2 の量は，国内全体の約 45% である。 CO 2 回収技術としては，吸収法（化学吸収法と物理吸 3 CO 2 回収・貯留（CCS） 収法を含む），吸着法，膜分離法が知られている。吸収法 図 2 に CCS の概念を示す。火力発電所や製鉄所等の大 のうち化学吸収法は，アミン化合物等の塩基性の物質が酸 規模発生源から排出された CO 2 は回収された後に貯留サ 性物質である CO 2 と化学的に反応する現象を利用する方 イトに輸送されて，陸域，或いは海域の深さ 1,000∼1,500 法で，代表的な吸収液としてはモノエタノールアミン m 程度の貯留層に圧入される。貯留層としては，その上 （MEA）吸収液，炭酸カリウム吸収液等がある。MEA 吸 部にシール層と呼ばれる CO 2 を通し難い層が存在する場 収法では，吸収塔で MEA 吸収液を塔頂より滴下して， 所が選ばれる。圧入された超臨界状態の CO 2 は貯留層に （a））。燃 CO 2 を含む燃焼排ガスを塔底より吹き込む（図 3 元々存在する塩水に溶解する。その結果，CO 2 は 1,000 年 焼排ガスが吸収塔を上昇する過程で，排ガス中の CO 2 が レベルの長期に亘り安定に貯留層に保持される。CCS は MEA 吸収液に溶け込み，燃焼排ガスが塔頂に達した際に 化石燃料を代替する革新的なエネルギー源が開発されるま は，90% の CO 2 が吸収液に解け込んで回収されている。 での繋ぎ技術（ブリッジングテクノロジー）として，気候 ここで，CO 2 はモノエタノールアミンと化学反応して次 変動に関する政府間パネル（IPCC）の特別報告書でもそ のようにカルバメートイオン RNH─COO −と炭酸水素イオ の有効性が示されている 1）。 ンを形成して吸収液に溶けている。 ＧＳＣ 2R─NH 2＋CO 2 → RNH─COO −＋R─NH 3 ＋ R─NH 2＋CO 2＋H 2O → HCO 3 −＋R─NH 3 ＋ CO 2 を溶解した MEA 吸収液は，再生塔に運ばれ，塔底 で水蒸気を用いて 140℃程度に加熱される。吸収液が加熱 されると化学反応で溶解していた CO 2 が放出され，再生 塔の塔頂から濃度が 99% 以上の CO 2 として回収される。 化学吸収法は，CO 2 分離技術として既に実用化されて おり，石炭火力発電所や製鉄所から出る大気圧のガスから の CO 2 回収に適している。しかし，従来の化学吸収法で は，吸収液から CO 2 を放出させる際の加熱に多くのエネ ルギーが必要で，CO 2 回収コストが高い。最近，再生エ 図 2 CO 2 回収・貯留の概念。 ネルギーが小さい新しい吸収液が開発されており，CO 2 回収コストの削減が可能となりつつある。 CCS を普及させる上での課題のひとつは，その高いコ 物理吸収法は，吸収液としてポリエチレングリコール ストである。後述する化学吸収法を用いて石炭火力発電所 （PEG）等の物質が CO 2 を物理的に良く吸収する現象を利 から CO 2 回収して地下帯水層に貯留する場合に，新設石 用する方法である。PEG の CO 2 溶解量は CO 2 の圧力にほ 炭火力発電所における CCS のコストは，7,300 円／t─CO 2 ぼ比例する。従って，高圧ガスの CO 2 を吸収させた後に， 3） と試算されている 。その内，CO 2 回収に要するコストが 再生塔で圧力を下げることで CO 2 を放散させることがで 約 6 割を占める。CCS の普及に向けて，新規な CO 2 回収 きる。この原理から，物理吸収法は高圧ガスからの CO 2 技術の開発に期待が集まる。 回収に用いられる。 吸着法は，ゼオライトや活性炭等が CO 2 を選択的に吸 4 CO 2 の回収技術 着する現象を用いる。図 3 （b）で，CO 2 を含むガスを吸着 CCS の第一歩は，化石燃料の燃焼で発生した CO 2 を回 塔に導入して，吸着剤に CO 2 を吸着させる。吸着した 化学と教育 59 巻 8 号（2011 年） 化学と教育59-8＿08シリーズGSC_風間.indd 429 429 2011/08/02 16:13:20 シリーズ GSC 低炭素・循環型社会を先導する GSC 図 4 に，CO 2 分子ゲート機能の概念を示す。図で，分離 膜に存在するガス分子の通路を CO 2 分子が占有しており， 他のガスはその通路を透過できない。一方で，CO 2 分子 は圧力差でこの通路を移動して膜の反対側に到達する。こ の結果，高濃度の CO 2 を回収することが可能となる。分 子ゲート機能では，CO 2 自身が，CO 2 は透過させて他の ガスは遮断するゲートの役目を担っている。 （a）吸収法 図 4 CO 2 分子ゲート機能の概念。 ポリアミドアミン（PAMAM）デンドリマーは CO 2 分 （b）吸着法 子ゲート膜の素材として有望であるが，一方で，室温で液 状の物質であり，安定した膜形状に固定することが課題で あった。RITE では PAMAM デンドリマーを架橋型高分 子マトリック中に封じ込めたデンドリマー内包型分離膜の ＧＳＣ 開発に成功した 5）。改良を加えることで，デンドリマー内 包型分離膜は高い CO 2 分圧下でも優れた CO 2 ／H 2＝30 の 選択性（水素に対する透過速度の比）を有している。現 在， 石 炭 ガ ス 化 複 合 発 電 プ ラ ン ト か ら CO 2 1 ト ン 当 り 1,500 円で回収可能なデンドリマー分離膜の開発を実施し ている。 （c）膜分離法 図 3 各種 CO 2 分離・回収方法。 5 CO 2 の地中貯留 CO 2 は真空ポンプで減圧にすることで回収する。高圧ガ CO 2 の地中貯留は，石油や天然ガスの採掘と同じ坑井 スからの CO 2 回収では真空ポンプを用いることなく，高 掘削や地層探査等の既に実用化されている要素技術を用い 圧で CO 2 を吸着させた後に大気圧にすることで CO 2 を回 る。ここでは，CO 2 の地中貯留に特有な長期間・安全に 収することが可能となる。 貯留するための地層の選定，CO 2 のモニタリング，CO 2 膜分離法は，食品を包むラップのようなフィルムを用い 挙動の予測等が技術開発の課題となる。 （c） ） 。前述の 2 つの て CO 2 を回収する方法である（図 3 上述の通り，CCS によって削減する CO 2 量を 91 億トン 方法に比べて，理論的には最も小さいエネルギーで CO 2 であるとすると，2050 年までに世界中の約 3,400 箇所で年 を回収することが可能である。分離膜における CO 2 の透 間数百万トン規模の CO 2 地中貯留プロジェクトが必要と 過の駆動力は圧力差である。図では，膜の透過側を真空ポ なる。そのために，年間 100 万トン以上の CCS を目標と ンプで減圧にすることで，膜に供給した燃焼排ガスから する実証試験と実用化が世界中で推進されている。 CO 2 を選択的に透過して回収している。分離膜の課題は， 国内では，RITE が中心となり 2003 年から 2005 年に新 CO 2 の選択性が十分ではなく，供給ガスに含まれる他の 潟県長岡市の郊外において約 10,000 トンの CO 2 を地下 ガスも同時に膜を透過することである。 1,100 m の帯水層に圧入する CO 2 地中貯留実証試験を行 RITE ではこの問題を解決するために，CO 2 分子ゲート い，CO 2 の分布観測や長期挙動予測シミュレーション等 機能を有する革新的な CO 2 分離膜の開発を進めている。 で成果を挙げた 6）。この長岡プロジェクトは規模としては 430 化学と教育59-8＿08シリーズGSC_風間.indd 430 化学と教育 59 巻 8 号（2011 年） 2011/08/02 16:13:22 ―持続可能な社会を目指す化学技術の過去・現在・未来― 年間約 6,000 トンであるが，我が国の複雑な地層でも CO 2 シリーズ GSC CO 2 再資源化のもうひとつの課題は，回収する CO 2 の を地中貯留できることを実証することに成功した。 膨大な量である。上述のように，19% の CO 2 を CCS で処 我 が 国 に お け る CCS 実 用 化 を 目 的 に 2008 年 に 日 本 理するとして，2050 年の国内 CO 2 排出量を現行レベルの CCS 調査会社（以下，JCCS）が民間企業 38 社によって 13 億トンと仮定すると，約 2.5 億トンの CO 2 を回収して 設立された。JCCS は，年間 10 万トン規模で CO 2 の回収 処理することになる。CO 2 からメタノールを合成すると から地中貯留までを一貫して実証試験することを計画して して，現在のメタノールの全世界生産量が年間 0.3 億トン いる。現在，貯留サイトの候補として，苫小牧沖の帯水層 であることを考えると，回収した CO 2 の一部をメタノー 等を調査しており，近々に貯留サイトを決定する予定であ ル化するとしても膨大な量を取り扱うことが分かる。勿 る。 論，上述の通りに CCS でも 100 万トンの CO 2 処理量をひ 海外では 1996 年にノルウェーのスタットオイル社が北 とつの単位と考えるので，ハードルは高いもののエネル 海のガス田から採掘した天然ガス中の CO 2 を海上プラッ ギー的な問題とコストの問題が解決すれば，CO 2 の再資 トフォームで化学吸収法を用いて回収して，地下約 1,000 源化も現実味が帯びてくる。 m の深さの帯水層へ地中貯留している。このスレイプ このように CO 2 の再資源化には解決すべき課題がある ナー・プロジェクトが本格的な CCS の始まりであり，現 が，未利用のエネルギーを有効活用して化学的に CO 2 を 在も年間約 100 万トンの CO 2 を圧入している。この CCS 再資源化できれば好ましい。接触水素化によるメタノール に要するコストは，高品質化に必須な CO 2 の除去を天然 やジメチルエーテル（DME）の合成，CO 2 を用いる高分 ガスの製造コストに計上可能なこと，CCS の実施で炭素 子合成，有機合成等が検討されており，今後の研究開発が 税を回避できることにより相殺されており，この結果， 期待される。 CCS の商業化に初めて成功している。アルジェリアのイ 7 ま と め ン・サラや，オーストラリアのゴルゴン等でも同様に天然 ガスでの CCS が行われる。 究極の地球温暖化対策は化石燃料に依存せずにエネル ギーを得るための革新的な技術の開発であろう。しかし， 6 CO 2 の再資源化 エネルギー源の約 90% を化石燃料に頼っている現状から の脱却は容易ではなく，繋ぎ技術（ブリッジングテクノロ ジー）として CCS が重要であると言える。CO 2 の再資源 る。即ち，CO 2 を原料として何かを作る場合には，必ずエ 化はエネルギー的，コスト的に課題が残るものの我が国の ネルギーを投入しなければならない。例えば，メタノール 科学技術力を発揮する好機の可能性がある。ひとつの技術 を燃やすと CO 2 と水になり，その際に 727 kJ／mol の燃焼 だけで膨大な CO 2 を削減することは難しいだろう。削減 熱がエネルギーとして放出される。即ち，CO 2 と水からメ 量が大きくなくても，ひとつひとつの技術の積み重ねが タノールを合成する際には，燃焼熱に相当するエネルギー CO 2 の削減には重要である。また，国民一人一人の節電 の投入が必要となる。再資源化の課題のひとつは，このエ 等の取り組みと努力が重要である。 ＧＳＣ 有機化合物が燃焼するとエネルギーを放出して CO 2 と 水になるように，CO 2 はエネルギー準位が低い物質であ ネルギーをどのように得るか，そしてどのように投入する 参考文献 か，と言うことにある。 RITE では，太陽光発電で得た電力で水を電気分解して 水素を得て，その水素と CO 2 から次式に示す接触水素化 反応でメタノールを合成する研究を行った。 CO 2＋3H 2 → CH 3OH＋H 2O しかし，水素の製造コストが高く，その結果として，メ タノールの製造コストも高い結果となった。また，エネル ギー効率も，水の電気分解と触媒反応の効率，さらに合成 したメタノールの燃焼効率を考えると，太陽光発電で得た 電力エネルギーの半分以下のエネルギーのみが利用される 1） IPCC, 2005, IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage, Cambridge University Press, Cambridge, 2005. 2） http://www.iea.org/papers/2009/CCS_Roadmap.pdf（2011 年 3 月現 在） . 3） H17FY，二酸化炭素地中貯留技術研究開発，成果報告書，RITE． 4） http://www-gio.nies.go.jp/aboutghg/nir/nir-j.html （2011 年 3 月現在） . 5） I. Taniguchi, S. Duan, S. Kazama, Y. Fujioka, 2008, , 277. 6） http://www.rite.or.jp/Japanese/project/tityu/tityu.html（2011 年 3 月現在）. ［ 連 絡 先 ］619─0292 京 都 府 木 津 川 市 木 津 川 台 9─2 [email protected] （勤務先）。 結果となった。 化学と教育 59 巻 8 号（2011 年） 化学と教育59-8＿08シリーズGSC_風間.indd 431 431 2011/08/02 16:13:27
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