海洋における炭素隔離技術：現状、問題および未来（その１）
2016年11月29日
王江海：中山大学海洋学院、広東省海洋資源・沿海エンジニアリング重点実験室教授
主な研究テーマは、大陸棚における炭素貯留、バイオテクノロジーおよび地球科学
孫賢賢、徐小明、呉酬飛、彭娟、袁建平：
中山大学海洋学院、広東省海洋資源・沿海エンジニアリング重点実験室
概要：
化石エネルギーの過度の使用によってCO2を主とする温室効果ガスが過剰に排出され、地球の温暖化がますます進行している。炭素隔離は、大気中のCO2濃度の激増を緩和させる有効かつ重要な手段である。海洋における炭素隔離は、二酸化炭素排出量削減における新たな概念であり、その隔離主体は海のウォーターカラムおよび海底沈殿物である。これらは隔離において莫大な潜在能力を持つうえに、陸上の炭素隔離に比べて安全性が高い。本稿では、海洋における炭素隔離技術の原理および隔離メカニズム、潜在性および隔離期間、ならびにそれに影響を及ぼす主な要素、海洋におけるCO2注入技術、CO2漏洩が海洋生物にもたらす影響ならびにCO2漏洩のモニタリング技術等について論述したうえで、海洋における炭素隔離の将来性を展望し、今後の主な研究テーマについて指摘する。
【キーワード】炭素隔離、海のウォーターカラム、海底沈殿物、CO2漏洩モニタリング技術
1 はじめに
工業革命以降、化石エネルギーの大量使用によって大気中のCO2濃度が激増した。IPCC第5次評価報告書によれば、大気中のCO2濃度は1750年の278μg/gから2011年には390.5μg/gにまで増加し、(240±10)Pg-C［1］増加した計算となる。大気中のCO2濃度については、Arceら［2］がさらに高い推算を行っており、2100年までに大気中のCO2濃度は工業革命前の4倍まで増加するとしている。CO2は主な温室効果ガスとして、その過度の排出によって地球の気温を急上昇させ、氷河融解や海面上昇、生物種の絶滅等の深刻な結果をもたらしている［1］。このため、大気中のCO2濃度のコントロールは人類共通の課題となっている。この問題を解決する第一の方法は二酸化炭素の排出量削減であり、第二の方法は二酸化炭素吸収源の増加である。二酸化炭素の排出量削減には、エネルギー利用効率の向上や低炭素エネルギー構造への転換等が含まれる。とはいえ、少なくとも21世紀半ばまでは、一次エネルギーの供給は依然として化石エネルギーが主となろう［3,4］。エネルギー構造から見れば、炭素回収・貯留（Carbon Capture and Storage, CCS）技術が二酸化炭素吸収源を増加させ、大気中のCO2濃度をコントロールする上で最も重要かつ効果的な方法の一つとなるだろう。
CCS技術は複雑かつ多様であり、主に生物的炭素固定、海洋における炭素隔離、陸上における炭素隔離、炭素鉱化およびCO2工業利用等の技術が含まれる。生物的炭素固定とは、光合成能力を有する生物によるCO2吸収を強化することで、一次生産能力に転換させることによって実現するものである。例えば、海洋施肥の原理とは、貧栄養化された海域に制限された栄養素を添加することによって一次生産能力を向上させ、海洋における生物的炭素固化能力を引き上げようとするものである［5,6］。類似の方法としては、たとえば海洋へのカンラン岩粉放出があり、これによって海洋のCO2吸収能力を向上させることができる［7］。陸上における炭素隔離とは、貯留能力のある地層にCO2を注入したうえで密度の高いキャップロックでふたをすることによってCO2の散逸を抑制する方法、または物理化学的原理によってCO2を捕獲し、貯留層に封入する方法をいう［7］。陸上における炭素隔離の主な貯留層には、深部塩水層、枯渇天然ガス田、採掘不能と考えられる深部石炭層や岩塩坑等がある。このうち、CO2を利用した天然ガス採集率の向上は、すでに広範囲での応用を実現した成熟した採掘技術となっているが［8,9］、天然ガス採集率の向上が主目的であるためにCO2貯留量は少なく、貯留期間が短いうえに、掘削中に漏洩するおそれがある［10］。深部岩塩坑は陸上と海上の双方に分布し、地域的な制約を受けないため、炭素隔離における潜在性が高い。この手法による炭素隔離プロジェクトも多く、中国の炭素隔離における重点となっている［10-12］。しかしながら、陸上における炭素隔離は漏洩リスクが高く、地下水や土壌に極めて侵入しやすいことから、生態バランスを破壊しやすい［13-15］。海洋における炭素隔離は、陸上に比べると技術が成熟していないが、炭素隔離の潜在能力が高いうえに、他の炭素隔離方法で生じやすいさまざまな懸念が解消できるため、明らかな優位性がある。表1に、さまざまなタイプの貯留層において複数の国ですでに実施されている、または実施中の国際的な炭素隔離プロジェクト10件を示す。本稿では、海洋における炭素隔離技術の現状および問題を重点的に論じたうえで、この領域の将来性を展望する。
表1 主な国際的炭素隔離プロジェクト
Table 1 Main international CCS projects
2 海洋における炭素隔離
海洋においては、大気・海洋界面の気体交換という自然のプロセスによって毎年、約2Gt-C［17］の二酸化炭素が吸収可能であり、これは全世界の二酸化炭素年間排出量の約1/3にあたる。このプロセスを欠くと、大気中のCO2は450μg/gに達し、現状から55μg/g増加することになる［18］。とはいえ、このプロセスだけでは世界の二酸化炭素排出削減の要求を満たすことはできない。このような背景を受けて、Marchetti［19］が海洋における炭素隔離という新しい概念を発表した。その後、研究者たちはこの考え方に基づいて、そのフィージビリティおよび潜在能力を評価し、海洋における炭素隔離の具体的な実現方法を検討した。このうち、CO2の捕獲・圧縮後に海洋に直接注入する方法、またはそれを海底沈殿物に貯留する方法の二つが海洋における炭素隔離の最も重要な方法となっている。
2.1 海のウォーターカラムにおける炭素隔離
2.1.1 海のウォーターカラムにおける炭素隔離のメカニズム
現在、海洋には約40,000Gt-CのCO2が存在する。これは、大気圏における炭素総量の5倍であり、海洋における炭素隔離の潜在能力は大気圏の約40倍あることがわかる［17,20］。大気・海洋界面のCO2交換プロセスは緩慢であるうえに表層/亜表層に限定されるため、人工的な方法による海洋での急速隔離プロセスおよび海洋におけるCO2吸収能力の向上が模索されている［21］。海のウォーターカラムにおける炭素隔離能力は、以下の3段階のメカニズムによって向上される。まず、海水中の炭素は主にHCO3の形式で存在し、H2CO3、溶解状態のCO2およびCO32-と比較的安定した膨大な緩衝能を構成する。たとえば、長期に渡り海底に沈殿している炭酸塩は、周辺の酸性化した海水と中和反応を起こす［18］。次に、深度の増加に伴ってCO2は密度が海水より高くなっていくため、重力的に安定した状態となる。これを、海洋における負の浮力帯（Negative Buoyancy Zone, NBZ）という。最後に、海水の深度が充分にあり、かつ、CO2が豊富に含有されていれば、かご状構造の水分子がCO2を吸着し、CO2水和物(CO2・5.75H2O)を形成することができる。つまり、水和物形成帯（Hydrate Formation Zone, HFZ）の存在によって、海洋における炭素隔離は促進される。なぜなら、水和物の形成プロセスは放熱反応であり、熱力学に基づいて分析すれば、この反応は自発的に発生し得るからである［5,22］。
2.1.2 CO2注入による方法
CO2は、気体、液体、固体ならびに水和物と海水の混合物の形式で放出される。CO2はその状態によって海洋中での挙動が異なるため、最良の貯留効果を得るためにはその状態ごとに適切な注入方法を選択する必要がある。
表層（一般的に500m未満）または中層に注入する場合は、CO2は気体又は液体の形式で存在し、その密度は海水よりも低く、放出後は自動的に浮上して海水中で徐々に溶解する。これが最も単純なCO2注入方法である。液体CO2は海水より圧縮しやすく、水深3000m以上で注入される場合にその密度は海水を上回るため、重力安定状態に達するべく海底に沈降し、海底の低いくぼみでCO2湖（二酸化炭素湖）を形成し、さらに二酸化炭素湖の表層にCO2水和物の薄い層を形成する。CO2水和物と海水は、分解－形成の動的バランス状態にあるが、CO2水和物は海水中のCO2に比べて溶解速度が遅いため、CO2貯留能力が高められる。多くの研究者が深海における安定的な二酸化炭素湖形成の可能性を模索しているが、この技術は現在なお未成熟であり、コストも高い［4,17,23,24］。
固体CO2は比較的安定しているうえに分解・散逸されにくく、密度も海水より高いため、海水中に放出された後は自動的に海底に沈降し、海洋における炭素隔離が実現する［4］。当然ながら、バルク状水和物の形式でも海水中に放出される。先行研究においても、流線形の個体CO2または水和物の沈降速度は等軸晶系より速いことが示されている。現行技術では、重さ1,000tのスラグ状の個体CO2または水和物バルクを深海底まで送り込むことができるが、CO2水和物を効率的かつ経済的に生成し、かつ、それを深海底の適切な場所まで送り込んで隔離することはできないため、さらなる研究が待たれている［3］。
粒子状の石灰岩によって、液体CO2と海水は弱アルカリ性の安定的なエマルジョンを形成しうる。これによって、海洋酸性化を緩和できるうえに、炭酸カルシウムは海洋中の石灰化生物の重要な栄養成分であることから、海水を汚染する心配がない。さらに、エマルジョンンの密度は海水より大きいため、深海底への輸送の必要がなく、コストが抑えられる。しかし、放出深度は500mを下回ってはならない。さもなければ、エマルジョンが分解され、気体CO2と炭酸カルシウム・スラリーが形成されてしまうからだ。この方法の欠点は、石灰岩の粉末・エマルジョン生成のコストが高いことにある［25］。このほか、Leeら［26］は二相流反応器において、最初に液体CO2中に水を注入してCO2水和物・液体CO2・水の混合物を形成した後に、当該混合物を連続的なカラム形状で海水中に押し出し、沈降プロセスにおいて徐々に海水に溶けるようにした。
2.1.3 海洋における炭素隔離効率に影響を及ぼす重要な要素
海洋における炭素隔離は、緯度および水温と密接な関係がある。たとえば、CO2は高緯度、低温かつ高密度の海水中で溶解しやすい。海水には成層化現象があるうえに、混合作用は同じ層の海水内でしか生じず、サーモクライン（水温躍層）によって水系の垂直交換が阻止されるため、CO2がサーモクラインより下に注入されれば、炭素隔離に利する［27］。海流によってCO2と海水の混合作用が強化され、CO2の希釈が加速されるため、炭素隔離効果に影響を及ぼす。大西洋では表層海水と深層海水の交換が北西太平洋よりもスピーディなため、北西太平洋の深海底における炭素隔離効率はさらに優れる［28］。コリオリ効果と海底地形もCO2を豊富に含む海水の流れに影響を及ぼす。深海溝における炭素隔離シミュレーションの結果によれば、地形によって海水の垂直運動と物質輸送が削減されるため、海水中のCO2溶解速度は低下する［4］。つまり、海水中に注入されるCO2は、大気圏から離れるほど海水中の貯留期間が長くなることから、他の条件が同じ場合は、緩混合型海水における貯留期間は拡散型海水のそれよりも長くなる。CO2は、中層海水よりも深層海水における貯留期間のほうが長い。
Masudaら［29］のコンピューター・シミュレーション結果によれば、ロスビー波と乱気流の重複によって海水には横方向の運動が生じやすいため、ウォーターカラムの縦方向の延長エリアにおいてはCO2が効果的に希釈されやすい。CO2の最適注入深度は、消長関係にある以下の2つの要素によって決まる。すなわち、深度に伴って漸減するCO2渦流による希釈効果、ならびに深度に伴って漸増する、生物群集に影響を及ぼさないCO2予測無影響濃度（Predicted No Effect Concentration, PNEC）によるため、CO2濃度のシミュレーション値によってCO2の最適注入深度を決定し、かつ、この深度におけるCO2濃度のシミュレーション値とPNECの間で確定値を維持することができる［30］。
CO2の注入技術の細部もCCSの効率に影響を及ぼす。たとえば、注入時の液滴の大きさや速度もCO2の分解・散逸速度に影響を与える。表層に注入する際は、分解・散逸前にすべてのCO2を海水に溶解させるべく、液体CO2をゆっくりと放出して液滴と海水によって水和物を形成させ、CO2の分解・散逸率と深海環境への影響を低減する。放出速度が速すぎると、液体CO2とCO2水和物の混合物が生成されてしまう。この存在形式では比表面積が大きいため、CO2の分解速度が速く、周辺の海水や海洋生物への影響も大きい。CO2がドライアイス状態で海水に放出されれば、氷として海底に急速に沈降し、または海底に到達する前に分解されるため、環境への影響も少ない［3］。また、海底または移動船上のパイプラインのノズルを利用して、CO2を海底に沈降しやすい大きな液滴に変えるか、あるいは放出深度に到達する前にCO2を小さい液滴等の形式に変えてから海水に放出することもできる［4］。パイプラインの長さが充分にあり、サーモクラインの下まで伸ばしてCO2を放出することができれば、炭素隔離効果はさらに高まる。移動船によるCO2放出はフレキシビリティが高く、放出効果に優れるが、CO2放出エリアのオーバーラップを回避すべく、CO2放出船の運行間隔を最適化する必要がある［17,31］。
二酸化炭素湖の形式による海洋隔離は炭素隔離の非常に良い方法だが、研究が進んでおらず、特に現場での炭素隔離試験例が不足している。しかし、二酸化炭素湖の変化に関するコンピューター・シミュレーションの結果、海水中のCO2溶解時間は、海水深度、海底境界層の複雑な動力学やその攪乱特性、CO2水和物の溶解メカニズムおよびCO2の海水中における特性等によって決まることが分かる。CO2は静止環境においては、主に二重拡散メカニズムによって溶解するが、これも二酸化炭素湖における貯留期間が長い原因の一つとなっている。しかしながら、二酸化炭素湖の表面で形成される水和物は大量の熱を放出することもあるため、海水の流動性を増加させ、二酸化炭素湖の希釈を促し、海底の嵐を招くおそれもある［4,32,33］。
炭素隔離の効果は、貯留層におけるCO2の貯留期間と貯留量によって決まる。海水中に隔離されるCO2またはその水和物は、一定期間内は安定的に存在しうるが、時間経過に伴って海流とともに移動し、または最終的に大気圏に戻る。このため、炭素隔離の効果は、当然ながら海洋循環周期と密接な関係がある［20］。現時点では、海洋におけるCO2注入の深度が大きいほど、隔離効果は良いと考える研究者が多い。深度3000m以上の海洋にCO2を注入すると、CO2の70％以上で保存期間は500年を上回り、なかには数千年に至るものも出てくる。海底で二酸化炭素湖が形成されれば、CO2の隔離効果は高まる［13,17］。コンピューター・シミュレーションの結果、CO2を海洋に直接注入することによって、大気圏から100年にわたって隔離でき、大気圏中のCO2濃度削減という目標を達成することができる［11,34］。
（その２へつづく）
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※本稿は王江海、孫賢賢、徐小明、呉酬飛、彭娟、袁建平「海洋碳封存技術：現状、問題与未来」（『地球科学進展』第30巻第1期2015年1月，pp.17-25）を『地球科学進展』編集部の許可を得て日本語訳・転載したものである。記事提供：同方知網（北京）技術有限公司