英文輪読第4回

WASHING CARBON OUT OF THE AIR Scientific American 2010.06

担当者:寺島 陸 垣内 侃 柴野 雄介   

寺島 陸 訳分


キーコンセプト

■吸着材料から作られたフィルタを搭載した装置は、空気中の二酸化炭素を凝固させ抽出することができる




 世界には大気中に多くの二酸化炭素を放出する余裕はない。けれども、二酸化炭素は消滅しない。すべての状況を勘案すると、二酸化炭素の集団は将来的に10年間上昇し続けるだろう。再生可能エネルギーを大きく支持するのにもかかわらず、発展した、あるいは発展している国では、おそらく将来石油や石炭、天然ガスを燃やすだろう。

 交通機関について、石油に代わるものは、特に遠方に現れる。電気自動車内でのエネルギー貯蔵は困難である。与えられた質量、バッテリーは、ガソリンで蓄えられたエネルギーの1%未満を保持する。車で水素を運ぶことは、大量のガソリン貯蔵の10倍必要とし、保持するのに必要な高圧タンクはとても重い。バイオマスから生成されたジェット燃料を原動機とする飛行機の数回の処女飛行は行われている。にもかかわらず、バイオ燃料が、旅客機に必要とされる量と低価格で作り出すことができるかどうかは不明確である。・・・そのことについては船もいえる。

 大気中の二酸化炭素の濃度を現在の389ppmから増やさないためにはどうすればよいのか?私たちが炭素を主成分とする燃料を燃やす場合を除いて、空気中の二酸化炭素を抜き取るという方法もある。地域で展開された森は、一部のガスを吸収する。しかし、私たちは二酸化炭素を十分に隔離するための利用できる土地を持っていないため、大量に創り出す。幸いにも、フィルタリングマシーン(合成樹木と考えられる)は、同じサイズの天然樹木と比べてはるかに多くの二酸化炭素を捕らえることができる。

 いくつかの研究グループ(ジョージア工科大学、カナダのカルガリー大学、チューリッヒのスイス連邦工科大学、及び自分のチームであるコロンビア大学とアリゾナ州ツーソンのGlobal Research Technologies社)は、試作機械を研究している。装置のデザインはグループごとに異なるが、基本的な仕組みはどれも同じである:そよ風が構造体を通り抜け、そよ風中の窒素、酸素、その他の成分を残して二酸化炭素だけ化学反応を起こして“吸着”物体に接触する。

 二酸化炭素は、気候変動を抑えるための大規模な捕獲をする必要がある。しかし、基本概念はすでに十分に確立されている。数十年間、スクラバーは、潜水艦や宇宙船の内部で吸気されたり、液体窒素を生成するために使用される空気からの二酸化炭素を隔離してきた。数々の化学的工程は磨くことを遂行することができるが、固体吸着剤を備えた機械は、必要なエネルギーの単位あたりの二酸化炭素を捕らえることを約束する。早期に、小さな原型装置は、固体吸着装置の幅広い普及が止まるか、大気中の二酸化炭素の上昇が逆になるか。

【ワン ビック フィルタ】


 対応した葉と同様に、捕獲装置は、違った形、サイズになってくる。実験室の試作機を越えていくように意図された実演装置は、何百ものたくさんの一日あたりの二酸化炭素をそれぞれとらえるべきである。コロンビアとGlobal Research Technologies社によって開発されている様式は、技術が生かせることのできる例を提供している。吸着材料の薄い繊維が、幅1メートル、高さ2.5メートルの火炉フィルターに似た平面パネルにより、大きく整えられている。直立フィルタパネルは、標準で40フィート(12.2メートル)の運送用コンテナの上にのっている円形物の周りを水平な軌道で旋回する[次のページの図を参照]。パネルは空気にさらされる。すると、パネルは二酸化炭素を積み、立ち去り、コンテナ内の再生室に入る。そこに閉じ込められた二酸化炭素は、吸着から開放され、液体に圧縮される。回復したパネルはトラックの上に戻り、風からさらに二酸化炭素を引き抜く。

 空気収集装置により集められた二酸化炭素は、産業界で有益に使用されるか、パイプで地下に送られ、実験済みの炭素捕捉とストレージシステムはそのまま石炭を燃料とする発電所で使われるつもりである。また一方、魅力的な代替手段として、ガスは、輸送のための合成液体燃料の原料として役立つかもしれない。電気は、二酸化炭素分子と水分子から1つの酸素原子を壊すだろう。結果として生じる一酸化炭素と水素の混合物は、ほかの意味では、燃料やプラスチックの原料としてほぼ一世紀にわたって使用されている、合成ガスとして知られている。南アフリカのエネルギー会社サソールは、合成ガソリンと石炭から生成された合成ガスを何年にもわたって作り続けてきた。エアキャプチャーは、従って化石燃料を燃やす車両からの排出量を相殺するか、石炭、石油、天然ガスの採掘を必要としない合成液体に変えるのに役立つ。

 もちろん、エアキャプチャーは化学的な働きだけではない、実用的に、コスト効率が高く、燃費もよいに違いない。実用的にあるためには、空気から二酸化炭素をつかむために必要な機器はコンパクトでなければならないだろう。


垣内 侃 訳分


【湿った吸着剤か乾燥した吸着剤か】


 化学者の観点から、成功した吸着剤はガスを吸収するために、十分に強くCO2をバインドする必要があります。しかし、そのあとストレージ用ガスを開放し、強くそれを保持しないことは非経済的です。大気中濃度は約0.04%です。コールプラントの排ガス中の10~15%と比較して。しかし、吸着剤の必要な強さは二酸化炭素濃度がわずかに異なります。なので、空気キャプチャ用吸着剤は排煙ガス洗浄用のものの強度と類似している。

 吸着剤は、固体または液体のように構築することができます。簡単にコレクタと再生器の間で転送できるため液体はアピールしている。周囲の空気への液体の良好な表面を維持することは困難である。しかし、この課題のため化学工学の方法はよく理解されている。たとえば、カルガリー大学でカーボン・エンジニアリングと呼ばれる新興企業で働いているデビッド・キースは、プラスチック表面のベッドを伝っている水酸化ナトリウム溶液を使用しています。液体を移動することは非常に簡単ですが、水酸化ナトリウムへの二酸化炭素の強い結合は、吸着剤が比較的困難なことから除去することができる。

 固体吸着剤は、その表面を粗くし、CO2分子のより多くの結合部位を形成し、それは吸収率を上げることができるので望ましいものである。しかしながら、再生室との間で固体吸着財を移動させることが液体の場合よりも困難である。ジョージア工科大学の作業に基づいて、グローバル・サーモスタットと呼ばれる商業的パートナーシップは、取り込まれたCO2を放出するために加熱される固体吸着について調査しています。

 固体と液体の両方の吸着は酸-塩基の化学反応に依存しています。二酸化炭素は酸であり、ほとんどの吸着剤は塩基である。彼らは塩を形成するために互いに反応します。例として、苛性ソーダとして知られている水酸化ナトリウムは、炭酸ナトリウム(ソーダ灰)を形成することにより二酸化炭素を結合する強力な吸着剤である。炭酸ナトリウムは、まだ基本的なもので、追加の二酸化炭素を吸収することができ、炭酸水素ナトリウム(重曹)に変換され、またベースとなっている。類似した化学反応は他の吸収剤で発生します。

 それは原理的には、重炭酸塩からCO2を除去し、その水酸化物の状態に吸着剤を戻すことにより、継続的に吸着剤をリサイクルすることが可能でなければなりません。しかし実際には、再生方法はハーフステップのために働くように見える。それらのいずれか炭酸から二酸化炭素を除去する、もしくは炭酸塩から二酸化炭素を除去する、水酸化物が発生する。少ないエネルギーで、それが吸着剤に結合した後にCO2を開放するために必要であるため、重炭酸塩と炭酸塩との間で前後に循環するのが望ましい。

 革新的な吸着剤のいくつかのクラスには、炭酸塩および炭酸水素塩との間でサイクルすることができる。一つのクラスは、いわゆる陰イオン交換樹脂で構成されています。これらのプラスチックのようなカーボネートポリマーは脱イオン水の調整を含む様々な化学プロセスで採用されている。樹脂中の陽イオンがその場に固定され、陰イオンが流動的である。陰イオンのいずれかのセットが陰イオンを提供する溶液中で樹脂を洗浄することにより、別の陰イオンを交換することができます。

 グローバル・リサーチ・テクノロジーは、そのようなカーボネート樹脂を考案しました。乾燥した樹脂でできて風にさらされたフィルタは、樹脂が重炭酸塩状態に達するまで二酸化炭素を吸い取る。湿った樹脂は吸収した二酸化炭素を放出する、そして樹脂は炭酸塩に戻ります。樹脂が乾燥すると、再び二酸化炭素を吸収することが可能になります。

 私たちのシステムでは、満たされたフィルタは、輸送用コンテナ内に収容された再生室内に降下します。空気は送り出され、そして水、おそらく霧の形で追加されます。湿った樹脂はCO2を放出します。それはポンプでくみ出され、液体に圧縮されます。それは回収され、再利用されます。浄化されたフィルタは乾燥させるために上昇して再生室の上へと戻っていきます。その後、輸送用のコンテナ上で二酸化炭素の吸収を再開します。

このようなマシンによるエネルギー消費は、2つのステップによって支配されています。第一に、再生室から空気を排出することです。第二は、二酸化炭素を液化させるのに必要な圧力は大気中の二酸化炭素の割合になるほど圧縮するので、はるかに多くのエネルギーが要求される。(温度に応じて気圧の数トン)私たちの設計から二酸化炭素1キロを収集するためのトータルプロセスは、電力で1.1メガジュールが必要となります。比較のために、全米の発電所が平均化されている場合、電力の1.1メガジュールを生成すると0.21キロの二酸化炭素を生成します。したがって、空気を収集するプロセスはエネルギー消費による生成される二酸化炭素より、はるかに多くの二酸化炭素を集めます。

求められる現実的なエネルギーコストは収集された二酸化炭素の約15$/トンです。排煙スタックからガスを取り除くコストよりもはるかに小さい。しかしながら、今のところ展開ユニット費用のほとんどは、製造、メンテナンスになります。生産数の上昇に伴い減少するコスト。私はエアキャプチャーの初期費用は二酸化炭素の200$/トンを期待しています。より多くのコレクタが建設されるに伴い、価格が劇的に落ちるということを。


柴野 雄介 訳分


【貯蓄して、使用する】


貯蓄されているものを除いて、集められたすべてのCO2はどうすればよいのか?

いくつかの選択肢はそれ自身によって、提示されている。


多くの産業で二酸化炭素は排出されるーーー炭酸飲料、冷凍鶏手羽肉、ドライアイスの生成。また、炭酸ガスは屋内で栽培する作物の成長を促すためであったり、無公害の溶媒もしくは冷媒として使用される。多くのの産業の源が存在し、その価格は運送のコストによって決定される。アメリカではたいてい1トン当たり100ドル以上で売られるが、遠隔地ではその値段は2倍にも3倍にもなりうる。世界市場では、毎年3000万トンの二酸化炭素が取り扱われており、そのうちのいくつかは空気捕獲装置によって提供される。食品加工分野のようなニッチ産業の市場では足がかりをもたらすことができる。空気回収装置が製造されるにつれ、ガスの価格は下がっていき、市場は拡大していくだろう。回収されたCO2の1トン当たりの価格が100ドルを大きく下回れば、ロンドンでの炭素交換により取引されるといったように、抽出されたガスは炭素クレジット((自国の排出削減だけでの削減しきれないCO2等の温室効果ガスについては、排出枠を余らせている国からその分を買い取ることができる。 ))としても売られるだろう。


新興市場は、技術の成熟ぶりを加速させる。

1970年代からの石油会社は増進回収としてCO2を購入させた;ガスは油の回収率の減少してきた地域に強制的にガスや天然ガスを圧入するために地下に送り出される。もしエアキャプチャーによってCO2がもたらされると、石油会社は炭酸ガスの炭素クレジットに対して、地下に留めておくように要求するだろう;通常、注入されたガスのうちの約半分は自然にそこに留まる。石油増進回収は大きな市場になりうる可能性を秘めているが、油田の多くはCO2源から遠く離れている。回収装置を油田のすぐ真上に導入することは、それを大幅に変化させるかもしれない。

新しいクリーンエネルギー源の到来により、一方で、エアキャプチャの価格が、CO2原料からの新鮮な液体燃料の製品になりうる。前に述べたように、電力や水性ガスシフト反応 ((一般的には石炭や炭化水素を高温で水蒸気と反応させる水蒸気改質に付随する反応であり、この反応を利用することで生成する水素量が増加し、合成ガスの組成を調整できる。 ))のような安定した技術では、CO2や水から合成ガスを生成することができ、燃料合成に繋がる。電力を用いる方法では莫大なコストを必要とする。

燃料合成が手ごろな値段になるまでは、人類は生み出された排出物を処分しなければならない。

地層への封入や鉱物固定((二酸化炭素を封入した地層内で反応させ、鉱物化させて固定する手法 ))による封入といった技術は、発電所での強力なCO2収集によって発展している。

エアキャプチャは同じ貯蔵法によって機能し、装置は同じ処理場に導入される。


【地球冷却】


クリーンな運送技術がより効果的になるまで、空気中から抽出された炭素は、車、飛行機に船などにおいて、遠く離れた空気収集機によって回収された排ガスとともに液体燃料が燃焼し続けることを許してしまうだろう。”遠く離れた”というのはひとつの場合である。

オゾンや二酸化硫黄とは違って、何百年もの間、大気中に残っているCO2は、広範囲を漂うには十分な時間が与えられている。大気は全く満遍なく混ざっており、オーストラリアでは空気中からCO2を取り除くことは無理もなく、南アメリカの排ガスに対してクレジットを取る。炭酸ガスと当量のものは、排ガスが放出される前に取り除くことさえできた。自動車は生産ラインから離れる前に、100トンと見積もられた生涯排ガス量が収集されることによってカーボンニュートラル((植物由来の原料の場合、燃やして炭酸ガスを放出しても、その炭酸ガス中の炭素は元来植物が光合成によって大気中の炭酸ガスから取 り込んだものなので、大気中の炭酸ガス濃度は常に一定に保たれる。このような炭素循環の考え方をカーボンニュートラルという。))に生産される。

エアキャプチャは発電所から隔離された場所での排出物、特に煙突の吸着器を容易に改造できないような古い発電所であったり、ガスが貯蔵された敷地から遠いところに位置する場所にとっては、安価な手法にもなりうる。また、未来の世界ではすでにCO2の濃度が安定しており、エアキャプチャはレベルを引き下げているも言えなくもない。事実上、エアキャプチャは過去の排出物を相手にする。

コストに加え、批評家たちは、多くの空気回収装置がエネルギーを浪費し、そのフィルターは石油から生成されたプラスチックによって作られることを気に留めている。より多くの相当量の障害物としては、思うに、収集されたCO2のうち、湿ったフィルターを乾かすために、何トンかの水は大気中に蒸発することである。しかし、もし大規模にエアキャプチャが実装されていたのならば、気候変動を正し始めていたかもしれない。輸送可能な装置であると、1日で、1機当たり約1トンを収集可能である。

1000万機では年に36億トンを収集可能で、1年で大気中の二酸化炭素濃度を約0.5ppm((1ppm = 0.0001% ))下げることができる。もしそのうちこの装置が1日に10トン処理できるようになれば(改良された吸着剤が必要とされる)、年間の削減量は年間で5ppmとなり、それは現在の全体的増加率を上回る。本文では、1000万機はとても大きな数字に見えるが、世界では約7100万もの車や軽トラックが毎年生産されているのである。

当初はCO2を収集するためのコストは高く、1トン当たり約200ドル掛かると述べられている。

もし習熟度であったり製造力が相対的にある程度の水準に追いついたら、一方で、材料やエネルギーに偏っているコストに関して終わらせることができ、1トン当たり30ドルの範囲で収集できる。

その時点で、生成されたCO2を収集するために添加された1ガロンのガソリンの価格は、25セントになるかもしれないーーそれは支払うに値する価格である。


記事:地球工学的ではない

いくらかの人は空気中から二酸化炭素を抽出することを地球工学に分類するだろう。

私はそう思わない。なぜならこのプロセスは地球の自然の摂理を変えることなく、環境的なリスクを生み出すこととなるからだ。地球工学の計画は以下の通りである。大気中の科学的性質を変えるよう日光を吸収するために噴射機を大気中に向け持ち上げ、世界中の放射収支を崩す。鉄の粒子が海面上に広がることで藻が急成長し海の化学的性質および生物学的性質を改変してしまう。エアキャプチャは単に人間が排出した過剰な炭素を引き抜くだけだ。