二酸化炭素の有効利用により廃棄物を価値あるものに転換

二酸化炭素回収は、産業界が排出する温室効果ガス（GHG）を削減するための新たな答えとなります。プロセスの排気ガスストリームから二酸化炭素を回収した後、通常、二酸化炭素は発生場所から輸送され、地下に長期貯蔵されます。しかし、貯蔵場所の技術や継続的な監視にはコストがかかります。

その費用を一部相殺するために、回収したCO₂ をただ貯蔵するのではなく、再利用して価値を生み出すことができます。カーボンリサイクルと呼ばれるこの取り組みは、2050年の実質ゼロ排出目標を達成し、気候変動の脅威を緩和するための包括的なソリューションである二酸化炭素回収・有効利用・貯留（CCUS）に含まれます。

現在、産業界は廃棄物となる排気ガスストリームから年間4,500万トンの二酸化炭素を回収しており、これは全産業部門からの世界排出量の約0.1%に相当します。 気候変動に関する政府間パネルと国際エネルギー機関の気候モデルによると、CCUSにより2030年までに年間10億トンという膨大なCO₂ 回収が可能になり、2050年までには数十億トンを回収できる見込みがあるとされています。この回収能力が実現した場合、産業部門やその他の部門からの二酸化炭素排出量がほぼ同じままであれば、大気中の温室効果ガス排出量を約10%削減できる可能性があります。

CCUS技術では、プロセスの品質と安全性を確保するために、重要なポイントで信頼性の高い測定が要求されます。これには通常、レベル測定、流量測定、温度測定、圧力測定、液体分析、そして最近では、ラマン分光アナライザやTDLASアナライザを使用した気体分析が含まれます。

CO₂ の回収コストが高いことを考えると、大量のガスを価値ある製品に変換できることは、CCUS技術を導入する処理業者の利益になります。二酸化炭素有効利用の恩恵を受けることができる用途や産業は、以下に挙げた例に限らず、数多くあります。

膨大なエネルギー消費量と二酸化炭素排出量で知られている建設業界では、二酸化炭素の回収・有効利用を活用して、より持続可能な建築資材を生み出すことができます。従来型のセメント製造プロセスでは、一般に重油、石炭、天然ガス、その他の廃棄物由来の燃料を使用して、材料が1450°C（2642°F）以上に加熱されます。さらに、セメントを製造するために一般的に使用される化学反応では、炭酸カルシウムを酸化カルシウム様化合物に変換する必要があり、副産物としてCO₂ が発生します。これらの排出量を合わせると、世界の温室効果ガス排出量の約7%を占めることになります。

しかしこれは、アミンガス処理により排気ガスストリームから二酸化炭素を回収し、混合プロセス中に生コンクリートに注入することで軽減できます。注入されたCO₂ は、コンクリート混合物中に存在するカルシウムイオンと反応し、自然発生的な結合剤となる炭酸カルシウムを形成します。これにより、コンクリートの圧縮強度が高まり、二酸化炭素が永久的に隔離されるため、地層内での貯蔵や監視が不要になります。

コンクリートの強度が増すと、建築プロジェクトにおける材料の削減が可能になり、アミン処理コストの一部を相殺する節減効果をもたらします。また、CO₂ 注入は、既存のインフラをほとんど変更することなく、既存のコンクリート製造プロセスに組み込むことができます。

二酸化炭素はまた、コンクリートの主成分であり、地中から採掘される従来の骨材の代わりになる合成骨材の製造にも使用できます。さらに、新たなイノベーターたちは、製造プロセスで排出するCO₂ よりも多くのCO₂ を吸収する、二酸化炭素の収支がマイナスとなる、バイオベースのコンクリート代替品の開発に取り組んでいます。

化石燃料に大きく依存している輸送分野は、二酸化炭素の有効利用によって持続可能性に関する大きな利益を得ることができます。回収されたCO₂ は、さまざまな化学プロセスを通じてメタノールや持続可能な航空燃料（SAF）などの再生可能燃料に変換され、業界の二酸化炭素排出量の削減に役立ちます。

再生可能なメタノールを製造するには、回収した二酸化炭素を高温高圧の触媒が存在する状態でグリーン水素と反応させます。メタノールは、自動車の直接燃料として、またバイオディーゼルなど他の燃料の原料として使用できます。

S&P Global社は、再生可能メタノール市場が2050年までに年間4億トンに達すると予測しており、その大きな可能性を示しています。 しかし、輸送産業でメタノールを使用するには、特殊なインフラが必要になるなどの課題があります。

同様に、航空業界では、化石燃料への依存を減らすために、回収したCO₂ から生成されたSAFの利用を検討しています。SAFを製造するには、まず回収した二酸化炭素を逆水性ガスシフトと呼ばれるプロセスで水素と結合させ、一酸化炭素と水素の混合物である合成ガスを生成します。

次に、この合成ガスはフィッシャー・トロプシュ法を使用して炭化水素の混合物に変換され、炭化水素混合物は水素化処理により不純物が除去され、燃料特性の調整が行われます。エネルギー含有量、引火点、凝固点などの航空燃料の特性を注意深く監視・管理する必要があります。

まだ開発の初期段階ではありますが、国際航空運送協会（IATA）は、SAFが航空輸送GHG排出量の65%削減に貢献できると見積もっています。

化学産業は現在、化石燃料に大きく依存していますが、二酸化炭素は多くの場合、さまざまな化学物質やポリマーを製造するための代替原料として使用することができます。これには、尿素肥料、プラスチック、包装資材などが含まれます。

高温高圧下でCO₂ がアンモニアと反応すると、カルバミン酸アンモニウムが生成されます。この化学物質が分解すると尿素と水が生成され、これを肥料として使用するために粒状の固形物に処理することが可能です。

二酸化炭素はポリカーボネートの製造にも使用できます。耐久性がある透明なポリマーは、電子機器、眼鏡、自動車部品などによく使われます。このポリマーは、触媒が存在する状態で環状エーテルの一種であるエポキシドとCO₂ を直接反応させることによって形成されます。

ポリウレタンの製造も、化学産業における二酸化炭素の主要な用途の1つです。ポリウレタンは、その多用途性と、発泡体、コーティング、断熱材などに利用できることで知られていますが、従来は化石燃料由来のポリオールを使用して製造されていました。しかし、加工業者はこれらのポリオールを二酸化炭素ベースのポリオールに置き換えることで、従来型燃料への依存度を減らし、ポリウレタン製品の二酸化炭素排出量を削減することができます。

このような循環型経済の持続可能な活動には将来性がありますが、二酸化炭素回収に関連するコストが高いため、従来の化石燃料ベースの製造と競争する上で課題に直面しています。

農業分野も、尿素肥料の使用や直接利用を通じて、二酸化炭素有効利用の恩恵を受けることができます。二酸化炭素ガスにより温室環境が強化され、植物の成長促進や収穫量の向上が実現します。さらに、回収したCO₂ は藻類の栽培に利用でき、バイオ燃料、飼料、食品に加工することが可能です。

CCUSには持続可能性に関する将来性があるにもかかわらず、その導入には大きな障害があります。特に、二酸化炭素回収技術の導入にはコストがかかります。GHG排出量を削減するために生産規模を拡大するには、インフラと市場開発に多額の投資が必要となります。政府や非政府組織は、多額の先行資本投資を行わなければなりません。

さらに、二酸化炭素の回収・有効利用の全体的な持続可能性を確保するためには、再生可能資源から得られるエネルギーをプロセスの動力源にする必要があります。化石燃料を使用してCCUS技術に電力を供給することは逆効果となり、環境上のメリットが打ち消されてしまいます。

時がたつにつれて、研究開発によってプロセスが最適化され、効率が向上し、CCUS技術の運用コストが削減される見通しです。特に、世界的に持続可能性を重視する企業や消費者が増える中、経済的な実行可能性、あるいは少なくとも二酸化炭素回収の低コスト化が、産業界全体での二酸化炭素回収の広範な導入に不可欠です。

二酸化炭素の回収・有効利用の分野でさらに研究を進めれば、GHG排出量を削減し、有害な副産物を価値ある資源に変えることができます。二酸化炭素の有効利用は、さまざまな産業において二酸化炭素の排出量を削減する多くの手段の1つであり、より持続可能な未来に貢献するものです。