CCS／CCUSとは？
2022/09/07
CCS／CCUS とは？
～二酸化炭素の分離・回収・貯留・利用技術～
科学の目でみる、
社会が注目する本当の理由
CCS／CCUSとは？
CCSは、“Carbon dioxide Capture and Storage”の略語で、二酸化炭素（CO2）を分離・回収し、地中などに貯留する技術のことです。CCUSは、同じく“Carbon dioxide Capture, Utilization and Storage”を略したもので、回収したCO2の貯留に加えて利用しようというものです。
これらは地球温暖化の大きな要因であると考えられている大気中のCO2濃度を削減する必要があることから注目が高まった技術、活動です。CO2の分離・回収、地中や海底への貯留、運搬、直接利用、燃料や化学製品への変換による資源化、炭素循環（カーボンリサイクル）全体の仕組みなどを対象としたさまざまな研究が展開されています。
CCS／CCUSの基盤となる技術は以前からありましたが、特にUtilization（利用）が加わったことで技術の選択肢が格段に増えました。CO2の分離・回収、資源化の技術、それらを組み合わせた経済的で合理的なサイクルを構築するため、さまざまなチャレンジが始まっています。 資源循環利用技術研究ラボ長の遠藤明に研究の最前線について聞きました。
CCS／CCUSが注目されるまで
CO2を分離・回収するだけでなく、利用する
気候変動の大きな原因の一つが大気中のCO2濃度の上昇であるといわれていることは皆さんご存じだと思います。もともと地球上ではさまざまな形でCO2が排出されていますが、森林、海洋などで吸収され、バランスが取れていました。
ところが産業活動によってCO2排出が急増し、自然の吸収量を大幅に上回ったため、大気中に含まれるCO2が増えました。特に化石燃料を燃やすことは、石炭や石油のかたちで長年地中に固定されていた、地中に保存されている膨大な量の炭素をCO2として短期間で放出することになります。
そこで、人間活動によるCO2排出量を減らすことに加えて、CO2を分離・回収、貯留するCCS、さらにCO2を化学製品や燃料などに変換して利用することも含めたCCUSが注目されるようになりました。
CO2を原料とした燃料を使用するとまたCO2が排出されてしまいますが、空気中からCO2を分離・回収し、再生エネルギーを使って変換した燃料であれば、新たに化石燃料を使用するのと異なり、実質的にはCO2排出をなくすことができます。また、発電所などから分離・回収したCO2から燃料をつくれば、化石燃料の使用量を削減できます。さまざまな手段で全体的、長期的に大気中のCO2濃度を減らす方向へ向けていこうという考え方です。
2050年カーボンニュートラル宣言で企業・社会の意識が変化
以前からCCS／CCUSの基盤となる技術はありましたが、それを十分に活用するまでには至りませんでした。石油などの化石燃料が極めて低コストで利用できたため、わざわざCO2を回収し、エネルギーを投入して燃料として再利用することは、エネルギー的にも経済的にも見合わなかったからです。
しかし、急激な気候変動がもたらす問題が人類共通の課題となり、各国政府がCO2排出量削減へ誘導する法規制や税制を整備するようになりました。技術的には、再生可能エネルギーの導入加速も大きな要素です。現代社会において、CO2を野放図に排出することは企業活動にもマイナスの影響を及ぼすようになり、潮目が変わってきました。
日本では、2020年に政府が「2050年に温室効果ガスの排出を実質ゼロにする」とカーボンニュートラルを宣言したのを機に、CCS／CCUSへの注目も急速に高まっています。
昔からあるCCSの代表的な技術にEOR（Enhanced Oil Recovery：原油増進回収技術）があります。石油を採掘すると地中の圧力で石油が噴出しますが、徐々に圧力が下がってその噴き出す勢いがなくなっていきます。そこで油田内にガスなどを圧入して噴出する力を高める方法がEORです。この圧入するガスにCO2を利用しようというものです。
近年はこうした直接利用する技術だけでなく、CO2を化学的に有用物質に変換するといった再利用技術が開発され、利用（Utilization）を加えてCCUSと呼ばれるようになりました。バイオマスの有効利用も含め、個別の技術にとどまらず、大きな炭素の循環系を作り、CO2を適切に排出、分離・回収、再利用することを目指すようになってきました。
カーボンニュートラルの実現に向けて
排出源に合わせたエネルギー効率の良い回収技術
CCS、CCUSに共通するCapture（分離・回収）技術だけでも多くの課題があります。
大きな課題のひとつは、排出源によって異なるCO2濃度、特に低濃度CO2に対応する回収技術の確立です。鉄鋼製造、石炭ガス発電などでは比較的高濃度のCO2が排出されますが、セメント製造、石炭火力発電、廃棄物処理などでは中濃度、天然ガス火力発電などでは10％以下の低濃度でCO2が排出されます。
当然ながら、濃度の高いCO2の方が回収しやすく、エネルギー的にもコスト的にも有利になります。まずは高濃度のCO2の回収が進んでいますが、将来的にカーボンニュートラルを目指すのであれば、より低濃度の排出源からも回収を進めていかなくてはなりません。
排出源のCO2濃度と排出割合
さらに、根本的な課題として、CO2の回収自体にもエネルギーを使うため、非効率な方法でCO2を分離・回収するとそこでまたCO2が出るというジレンマがあります。そこで回収のために必要なエネルギーをどんどん小さくしていく必要があるのです。
現在実用化されている技術では、1トンのCO2を回収するのに約2.5G Jのエネルギーを必要としています。将来的には、この3分の1程度のエネルギーで回収したいと思っていますが、これは相当にチャレンジングな目標です。
現在商用化されているCO2の分離・回収技術として、アミン系の水溶液を用いた化学吸収法というものがあります。しかし、アミン系水溶液を繰り返し使うには、吸収したCO2を取り出すのに100℃以上の高温で加熱する必要があり、多くのエネルギーを使用し、コストも高くなってしまいます。
そこでわたしたちのラボでは、エネルギーをあまり使用しない新しい分離回収技術の検討を進めています。その一つが、ゼオライト膜やイオン液体を利用したCO2分離技術です。ゼオライト膜は分子サイズの小さな穴を持つ結晶で、これをふるいのように使ってCO2を分離します。また、イオン液体はいろいろな機能を設計することができ、効率的にCO2を吸収・放散したり、膜状にしてCO2を選択的に透過するCO2分離膜として利用することもできます。
また、取り出したCO2をメタンなどの燃料や、メタノール、エタノール、ウレタン、ポリカーボネートなどといった化学品に変化する技術も研究しています。世界中でさまざまなCO2資源化に向けた研究が行われていますが、2050年に向けて現時点で何を選択するべきかはっきりしている訳ではありません。できること、可能性のある技術はすべて検討していくつもりです。
100社が参加するコンソーシアムで目指すCCUSの実現
産総研では、広く企業や研究機関を集め、CO2の分離・回収技術、資源化技術などについて議論し、研究する場として、2021年9月に「CO2分離回収・資源化コンソーシアム」を設立しました。ここには既に100社にご参加いただいていますが、もっと多くの方に関わっていただきたいと考えています。一緒に技術開発したいという企業はもちろん、最新情報や動向を知りたいという企業もいます。関心を持ってくださる方がいらっしゃいましたら、是非お問い合わせいただければと思います。
2050年にカーボンニュートラルを実現するには、現在の技術だけでなく、新しい技術が必要となってきます。成熟した技術をうまく使うと同時に、最新の技術を育てることが大切です。
また、数多くの企業と話してあらためてわかるのは、「CCUSは１社だけではできない」ということ。各社が個別にカーボンニュートラルへ向けた取り組みをしても、十分なCO2削減効果は出ません。例えば、A社が排出したCO2をB社が回収し、C社がそれを運搬し、D社とE社が化学製品に合成して販売するといった物流チェーン的な流れを作り、それがビジネスとして成立する形ができてこそ成果につながります。そのために産総研がリードして、技術面にとどまらず、活発な議論を進めていきます。
CCS／CCUSは国として取り組むべき研究開発課題の一つでもあります。産総研は今後も、数多くの企業や関係機関と協力しつつ、2050年のカーボンニュートラル実現に貢献したいと考えています。