二酸化炭素捕捉、利用と封止

CCUSとは？

二酸化炭素（CO2）捕集利用と封止（CCUS）とは、CO2を工業プロセス、エネルギー利用または大気から分離し、地層を直接利用または注入してCO2の永久排出削減を実現するプロセスを指す。CCUSは二酸化炭素捕捉と封じ込め（CCS）に基づいて「利用（Utilization）」を増やした。この理念はCCS技術の発展とCCS技術に対する認識の深化に伴い、中米両国の強力な提唱の下で形成されたもので、現在では国際的に広く認められている。CCUSは技術プロセスによって捕集、輸送、利用と封印などの段階に分けられる。

CO2捕集とは、CO2を工業生産、エネルギー利用または大気中から分離する過程を指し、主に燃焼前捕集、燃焼後捕集、酸素富化燃焼と化学鎖捕集に分けられる。

CO2輸送とは、捕集されたCO2を利用可能な場所または保管場所に輸送するプロセスを指す。輸送方式によっては、自動車輸送と鉄道輸送の2つの方式を含むタンク車輸送、船舶輸送とパイプライン輸送に分けられる。

CO2利用とは、捕集したCO2をエンジニアリング技術手段により資源化利用するプロセスを指す。工程技術手段によって、CO2地質利用、CO2化学工業利用、CO2生物利用などに分けることができる。その中で、CO2地質利用はCO2を地下に注入し、さらにエネルギー生産を強化し、資源の採掘を促進する過程を実現し、例えば石油、天然ガスの採掘率を高め、地熱、深部塩辛い（ハロゲン）水、ウラン鉱などの多種のタイプの資源を採掘する。

CO2封じ込めとは、捕集したCO2を工学技術手段を通じて深部地質貯留層に注入し、CO2と大気の長期的な遮断を実現する過程を指す。封止位置によって、陸地封止と海洋封止に分けることができます。地質封止体の違いに応じて、塩水層封止、枯渇油ガス封止などに分けることができる。

バイオマスエネルギー炭素捕集と封止（BECCS）と直接空気炭素捕集と封止（DACCS）は負炭素技術として高度に重視されている。BECCSとは、バイオマスの燃焼または転化過程で発生したCO2を捕集、利用または封止する過程であり、DACCSとは大気中から直接CO2を捕集し、それを利用または封止する過程である。

CCUS技術及び主要タイプ概略図

二酸化炭素捕集

二酸化炭素捕集技術の核心任務は液化天然ガス、水素ガス工場、製鉄所、セメント工場、発電所、および石油精製所などの「炭素排出大戸」が発生した二酸化炭素を収集し、大気中に排出されないように様々な方法で貯蔵することである。生産プロセスで二酸化炭素を捕集する方法をどのように解決するかが問題の鍵である。現在、二酸化炭素捕集は一般的に以下のいくつかの方法を採用している：

1、燃焼後捕集

燃焼後捕集は国内で主に採用されている方法である。燃焼後に排出される煙ガス中の二酸化炭素を溶液吸収法、固体吸収法、膜吸収法などで捕捉し、火力発電に適している。

利点：改造幅が小さく、設備がコンパクトである。

欠点：エネルギー消費が高く、コストが高く、効率が低い。

2、燃焼前捕集

酸素や空気を全体的な石炭化連合循環システムに導入することで、石炭やバイオマス燃料などの原料を高圧ガス化し、その後水ガス化を行い、二酸化炭素や水素を発生させることができる。この時、二酸化炭素は圧力も濃度も高く、二酸化炭素を捕獲しやすい。

利点：システムの体積が小さく、エネルギー消費が低く、効率が高い。

欠点：投資コストが高く、信頼性が向上する必要がある。

3、酸素富化燃焼

酸素製造技術を通じて、空気中の窒素ガスを脱出し、直接高濃度酸素と排出された煙ガスを用いて燃焼を行い、燃焼効率を高め（約17%〜35%）、二酸化炭素純度を高め、一酸化炭素などの副生成物の発生を低減する。

利点：省エネ、環境保護。

欠点：操作環境に対して要求があり、酸素製造段階は難度が高い。

4、溶液吸収法

溶液吸収法も国内で主に採用されている方法である。主にエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン、メチルプロパノールアミンなどの溶媒を使用する。

利点：吸収速度が速く、浄化度が高く、二酸化炭素回収率が高い。

欠点：溶媒再生のエネルギー消費が高く、溶媒腐食性が強い。

5、固体吸収法

主に活性炭、モレキュラーシーブ、ハイドロタルク、かご状水和物、ケイ酸塩、炭酸塩などを使用する。

利点：吸収容量が大きく、エネルギー消費が低く、腐食性が小さい。

欠点：二酸化炭素回収率が低い。

6、膜吸収

膜吸収法は膜と化学吸収を結合し、主に微孔膜の技術を採用し、混合ガスと吸収液を隔離し、膜の反対側の吸収液の選択的吸収によって混合ガス中の二酸化炭素を分離する目的を達成した。

利点：エネルギー消費が低く、操作が簡単である。

欠点：投資が高く、工業化が未熟である。

燃焼後捕集化学吸収法を例に、その二酸化炭素捕捉は脱炭素−吸収再生−圧縮乾燥化−リサイクルなどの一環を経て、煙ガス吸収塔、熱交換器などの設備に関わる。

二酸化炭素の利用と封じ込め

得られた二酸化炭素を捕集するには、どうすればいいのでしょうか。一般的には、利用と封印の2つの方法が使用されています。

二酸化炭素の利用

1、駆動油

原理：原油を採掘する際には、採集率を高めるために原油を地底から押し出す必要があり、以前は通常水圧やその他のガス操作を行っていたが、現在は捕集された二酸化炭素を利用して油を駆動することができる。

欠点：この方法は封じ込めの役割を果たすことができず、捕捉された二酸化炭素も大気中に逃げてしまう。

2、触媒反応

原理：捕捉された二酸化炭素と水素を触媒によりメタノールに還元する。

欠点：コストが高く、二酸化炭素の成分を得るのは清潔ではなく、反応の触媒は効率的ではない。

3、光合成

原理：捕集した二酸化炭素を植物小屋に注入し、その中の二酸化炭素濃度を数倍の大気に到達させ、植物の光合成を強化し、植物の成長を加速させると同時に二酸化炭素を消費して酸素を生成する。

欠点：利用率が極めて低い。

二酸化炭素封止

1、地質封印

原理：捕集された二酸化炭素の適切な地質構造の深層（例えば成熟したガス油田の地質構造、深層塩基含水層、廃棄された石炭含有層）、圧力は二酸化炭素を「超臨界流体」に変換し、漏れにくくする。

欠点：適切な地質構造は限られており、注入方式は容易ではない。

2、海洋封止

原理：捕集した二酸化炭素を汽船、パイプラインを通じて深海海底に輸送し、海水を利用して封印する。

欠点：高濃度二酸化炭素含有量は海底生物を殺し、海水の酸性化などを招きやすい。

中国はすでにCO2の大規模な捕集利用と封じ込めのための工事能力を備えており、全プロセスCCUS産業クラスターの準備に積極的に取り組んでいる。CCUSの各技術段階はいずれも著しい進展を遂げ、一部の技術はすでに商業化応用の潜在力を備えている。

捕集技術：CO2捕集技術の成熟度の差が大きく、現在、燃焼前の物理吸収法はすでに商業応用段階にあり、燃焼後の化学吸着法はまだ中間試験段階にあり、その他の大部分の捕集技術は工業模範段階にある。燃焼後捕集技術は現在最も成熟した捕集技術であり、大部分の火力発電所の脱炭素改造に用いることができ、国華錦界発電所が展開している15万トンの炭素捕集と封止モデルプロジェクトが建設されており、現在中国で最大規模の石炭火力発電所の燃焼後炭素捕集と封止全プロセスモデルプロジェクトである。

燃焼前捕集システムは比較的複雑であり、全体ガス化連合循環（IGCC）技術は典型的な燃焼前炭素捕集が可能なシステムである。国内のIGCCプロジェクトには華能天津IGCCプロジェクトと連雲港クリーンエネルギー動力システム研究施設がある。酸素富化燃焼技術は最も潜在力のある石炭火力発電所の大規模炭素捕集技術の一つであり、発生するCO2濃度は比較的高く（約90%〜95%）、より捕捉しやすい。

酸素富化燃焼技術は急速に発展し、石炭火力発電所の新設や一部改造後の火力発電所の建設に使用できる。現在、第一世代炭素捕集技術（燃焼後捕集技術、燃焼前捕集技術、酸素富化燃焼技術）の発展は徐々に成熟しており、主なボトルネックはコストとエネルギー消費が高く、広範な大規模な模範工事の経験が不足していることである。第2世代技術（例えば、新型膜分離技術、新型吸収技術、新型吸着技術、過給酸素富化燃焼技術など）はまだ実験室の研究開発または小試験段階にあり、技術が成熟するとエネルギー消費とコストは成熟した第1世代技術より30%以上低下し、2035年前後に大規模な普及応用が期待される。

輸送技術：既存のCO2輸送技術の中で、タンク車輸送と船舶輸送技術はすでに商業応用段階に達し、主に規模10万トン/年以下のCO2輸送に応用されている。

中国の既存のCCUSモデル事業は規模が小さく、タンク車輸送を採用することが多い。華東ガス田と麗水ガス田のCO2の一部は船舶で輸送されている。パイプライン輸送はまだ中間試験段階にあり、吉林油田と斉魯石化は路上パイプラインを用いてCO2を輸送している。海底パイプライン輸送のコストは陸上パイプラインより40%~ 70%高く、現在、海底パイプラインによるCO2輸送の技術は経験が乏しく、国内ではまだ研究段階にある。

利用と封じ込め技術：CO2地質利用と封じ込め技術の中で、CO2地中浸漬ウラン採取技術はすでに商業応用段階に達し、EORはすでに工業模範段階にあり、EWRはすでに先導性試験研究を完了し、ECBMはすでに中間試験段階研究を完了し、鉱化利用はすでに工業試験段階にあり、CO2は天然ガスを強化し、シェールガス採掘技術を強化するのはまだ基礎研究段階にある。

中国CO2-EORプロジェクトは主に東部、北部、北西部及び西部地域の油田付近及び中国近海地域に集中している。国家エネルギー集団のオルドス10万トン/年のCO2塩水層封止は2015年に30万トンの注入目標を達成し、注入を停止した。国家エネルギー集団国華錦界発電所の15万トン/年燃焼後のCO2捕集と封止の全プロセスモデルプロジェクトは、捕集したCO2を塩水層封止する予定で、現在建設中である。

長慶油田会社楡林定辺姫塬油田CO2-EOR試験区プロジェクト

2021年7月、中石化は我が国初の百万トン級CCUSプロジェクト（斉魯石化―勝利油田CCUSプロジェクト）の建設を正式にスタートさせ、国内最大のCCUS全産業チェーンモデル基地になる見込みである。中国科学院過程工程研究所は四川達州で5万トン/年スラグ鉱化工業検証プロジェクトを展開した、浙江大学などは河南強耐新材株式会社でCO2深度鉱化養生製建材の万トン級工業試験プロジェクトを展開した、四川大学連合中石化などの会社は低濃度排ガスCO2直接鉱化リン石膏連産硫黄基複合肥料技術の研究開発において良好な進展を遂げた。中国のCO2化学工業利用技術はすでに大きな進展を遂げ、電気触媒、光触媒などの新技術が大量に出現した。しかし、燃焼後のCO2捕集システムと化学工業転化利用装置の結合にはまだいくつかの技術的ボトルネックが突破されていない。生物利用は主に微細藻の固定とガス肥料の利用に集中している。

中国CCUSの現状

中国がすでに投入または建設中のCCUSモデル事業は約40件、捕集能力は300万トン/年である。石油、石炭化学工業、電力業界の小規模な捕集駆動油モデルを主とし、大規模な多種技術組み合わせの全プロセス工業化モデルが不足している。2019年以降、主な進展は以下の通り：

捕集：国家エネルギー集団国華錦界発電所の新築15万トン/年燃焼後のCO2捕集プロジェクト、中海油麗水36-1ガス田はCO2分離、液化及びドライアイス製造プロジェクトを展開し、捕集規模は5万トン/年、生産能力は25万トン/年である。

地質利用と封止：国華錦界発電所は捕集したCO2を塩水層封止し、一部のCO2-EORプロジェクトの規模を拡大する予定である。

化学工業、生物利用：20万トン/年微細藻固定石炭化学工業排ガスCO2生物利用プロジェクト、1万トン/年CO2養生コンクリート鉱化利用プロジェクト、3000トン/年炭化法スラグ化学工業利用プロジェクト。

中国はすでにCO2の大規模な捕集利用と封じ込めのための工事能力を備えており、全プロセスCCUS産業クラスターの準備に積極的に取り組んでいる。国家エネルギー集団オルドスCCSモデルプロジェクトはすでに10万トン/年規模のCCS全プロセスモデルの展開に成功した。中石油吉林油田EORプロジェクトは、世界で稼働している21の大型CCUSプロジェクトの中で唯一の中国プロジェクトであり、アジア最大のEORプロジェクトでもあり、累計200万トン以上のCO2が注入されている。国家エネルギー集団国華錦界発電所の15万トン/年燃焼後のCO2捕集と封止の全プロセスモデルプロジェクトは2019年に建設を開始し、建設後は中国最大の石炭火力発電所CCUSモデルプロジェクトとなる。2021年7月、中国石化は我が国初の百万トン級CCUSプロジェクト（斉魯石化―勝利油田CCUSプロジェクト）の建設を正式にスタートさせた。

中国CCUS技術プロジェクトは19の省に分布し、捕集源の業界と封止利用のタイプは多様な分布を示している。中国の13の発電所とセメント工場に関する純捕集モデルプロジェクトの全体的なCO2捕集規模は85.65万トン/年に達し、11のCO2地質利用と封止プロジェクトの規模は182.1万トン/年に達し、そのうちEORのCO2利用規模は約154万トン/年である。中国のCO2捕集源は石炭火力発電所の燃焼前、燃焼後、酸素富化燃焼捕集、ガス発電所の燃焼後捕集、石炭化学工業のCO2捕集及びセメント窯排ガスの燃焼後捕集などの多種技術をカバーしている。CO2の封じ込め及び利用は塩水層の封じ込め、EOR、石炭層ガス（ECBM）の置換、ウランの地中浸出、CO2鉱化利用、CO2分解性ポリマーの合成、改質による合成ガスの調製、微細藻類の固定などの多種の方式。