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Hitoshi Koide (2008) Carbon capture and sequestration (CCS) and energy conservation,

Proceedings of The 22nd National Congress for Environmental Studies (14,15 April, 2008),

The Science Council of Japan, Tokyo, p.147-154.

[小出仁（2008）CO2回収・貯留(CCS)と省エネルギー、第 22 回環境工学連合講

演会講演論文集，日本学術会議講堂，東京，p.147-154.] Abstract Both of energy conservation and carbon capture and sequestration (CCS) are needed to stop the global warming. Coal is not only abundant in the proven deposits, but although there exist 10 to 100 times as much deep unminable coal deposits. When use of coal increases, however, global warming may be accelerated. In China, a coal-fired power plant is built every four days on the average. Carbon sequestration is globally expected as technology which makes zero most greenhouse gas emission of a coal-fired power plant. However, people’s concern to cost and safety has barred the early spread of carbon capture and sequestration (CCS) projects. Cost reduction and the advancement in safety of carbon sequestration are among the most important technological subjects globally. In order to develop the safety of carbon dioxide subterranean storage reflecting the natural analog research findings, micro-bubbles of carbon dioxide is dispersed in underground rocks to promote the dissolution to brine and the fixation into carbonates. Keywords: energy conservation, CO2 sequesration, micro-bubbles, coal, cost, safety

Peak oil model

bubble collapse

Year

Peak

Oil Gas Coal

Price up Innovation Frontier Shale oil/gas Deep coal/gas

Saline aquifer methane Methane hydrate

Oil sand Tight gas

Heavy oil Extra-heavy oil

Mt. Fuji model of energy potential

Depletion of favorable oil fields

第 22 回環境工学連合講演会講演論文集 p.147-154 平成 20(2008)年 4 月 15 日日本学術会議講堂、東京

2-08 CO2回収・貯留(CCS)と省エネルギー Carbon Capture and Sequestration (CCS) and Energy Conservation

小出仁*

Hitoshi KOIDE Abstract Both of energy conservation and carbon capture and sequestration (CCS) are needed to stop the global warming. Coal is not only abundant in the proven deposits, but although there exist 10 to 100 times as much deep unminable coal deposits. When use of coal increases, however, global warming may be accelerated. In China, a coal-fired power plant is built every four days on the average. Carbon sequestration is globally expected as technology which makes zero most greenhouse gas emission of a coal-fired power plant. However, people’s concern to cost and safety has barred the early spread of carbon capture and sequestration (CCS) projects. Cost reduction and the advancement in safety of carbon sequestration are among the most important technological subjects globally. In order to develop the safety of carbon dioxide subterranean storage reflecting the natural analog research findings, micro-bubbles of carbon dioxide is dispersed in underground rocks to promote the dissolution to brine and the fixation into carbonates. Keywords: energy conservation, CO2 sequesration, micro-bubbles, coal, cost, safety 1. CCS と省エネルギー 2007 年 6 月の G8 ハイリゲンダム・サミットで、温室効果ガス排出量を 2050 年までに少なくとも半減することを真剣に検討することで一致した。しか

し、世界のエネルギー利用は急増しており、依然と

して化石燃料に頼っている 1) 。エネルギー利用が急

増しているのは、主として BRICs で代表される新興経済大国である。これらの国々は経済成長に急なあ

まり、環境問題やエネルギーの効率的利用にはまだ

十分に配慮が行き届いていないので、現在の日本の

省エネルギー技術を適用するだけでもかなり大幅な

温室効果ガス排出削減が可能と見られている。しかし、中国では、平均して 4 日毎に一つずつ石炭火力発電所が建設され、米国でも約 150 の石炭火力発電所建設が計画されている。インドなども加え

れば、2020 年頃までに各国で建設される石炭火力発電所だけで、日本の総排出量の 3 倍以上の CO2排出増になる。つまり地球上に CO2排出源が日本３個分も増える事になる。米国やヨーロッパでは、激しい

石炭火力発電所反対運動が起きていて、石炭火力発

電所の建設が難航する事態となっているが、新興国

では石炭火力発電所の建設は当分止まりそうにない。

これでは、いくら日本が温室効果ガス排出を削減し

ても、地球温暖化を防止できないし、省エネルギー

の努力も虚しい。しかし、CO2回収・貯留(CCS)と CO2マイクロバブル固定（小出・篠田、2007）は柔軟性の高い革新技術で、世界の多様な地質に対応して安全な温室効果

ガス固定が可能である。積極的に考えれば、発電所

や水素製造所の新規建設はゼロエミッション化のチ

ャンスともいえる。水素社会でもなお石炭は主要一次エネルギー源であれば、将来の水素社会に CO2 回収・貯留(CCS)は必須である。 CO2固定・貯留(CCS)は比較的低コストであるが、温暖化防止のみのためにエネルギーを余計に消費す

るべきでないという意見が依然根強い。すなわち、

CCS と省エネルギーは矛盾するという考えである。しかし、エネルギー資源の採取・運搬からエネルギ

*早稲田大学理工学研究所, Advanced Research Institute for Science and Technology, Waseda University 客員教授, Visiting Professor,工学博士,Doctor of Engineering ,URL:http://homepage3.nifty.com/zeroemission/ 資源・素材学会, Mining and Materials Processing Institute of Japan

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ー転換・利用の各段階で、環境保全や安全のために

多くの労力・コスト・エネルギーが既に消費されて

おり、環境保全や安全のためのエネルギーは節約す

べきではないことは大方の合意がある。CCS は最後の後始末段階でエネルギーを消費するだけの理由で

否定すべきではない。地球温暖化自体が不確定な状

況では、エネルギーとコストを掛けて実施すべきで

はないと言える段階でもなくなっている。21 世紀は、資源獲得—生産の過程より以上に後始末に、労力もエネルギーもコストも知恵も使わなければならなく

なっている。 CO2固定・貯留(CCS)が温室効果ガス削減方策として認知されるためには、むしろ CCS 自体の安全性、すなわち貯留した CO2が漏洩しないかというような疑問に答える事がもっとも重要である。さらに、CO2 固定の高度化(永久化)や付加価値を与える技術開発も重要になっている。さらに、CO2固定・貯留(CCS) 技術体系自体の効率化、すなわち省エネルギーの余

地も大きい。地球温暖化を防止するためには、省エ

ネルギーと CO2固定・貯留(CCS)が車の両輪となって温室効果ガスを大幅に削減できる体制を作る必要

がある。 2. ピークオイルと深部石炭資源石油バブルはいつか崩壊することを 50 年以上前

に予言したのが、米国の石油メジャーで活躍してい

た地質学者ハバート(M.King Hubbert)のピークオイ

ル説である（図１）。ハバートは，石油開発の前線の

経験を基に近代石油地質学・構造地質学を築いた偉

人であるが、ピークオイル説は発表の時から現在に

至るまで、激しい非難と弾圧を受けてきた。ピーク

オイル説は、「オオカミ少年」そのものであった。石

油危機が来ると見直され，賞賛を受けたが、石油価

格上昇が治まるとまた非難の的になった。それでも、

ハバートの予言通り米国の石油生産は１９７０年頃

をピークに減衰し、さらに北海油田もピークを過ぎ

たが、現在は世界の石油生産のピークが何時来るの

かが議論の的になっている。

ピークオイル・モデルは、資源が有限である事が

根本にあるが、見逃されている要素が人間の性（サ

ガ）である。たとえば、良質で低コストの巨大油田

が発見されたとしよう。安価な石油が提供され、生

活は向上し、社会は発展し、その結果石油の消費は

ますます拡大する。つまりバブルが起きる。そして、

油田の半分も開発されると、生産は頭打ち（ピーク）

になり、低下に向かえば石油価格は上昇し、バブル

崩壊になる。ピークが近づいてから慌てて探査をし、

たとえ同等の巨大油田をまた見つけたとしても、ピ

ークが来るのをいくらか先延ばしする効果しか期待

できない。消費レベルが拡大しているため、前に開

発した油田よりずっと大きな超巨大油田を見つけな

ければ、バブル崩壊を食い止められなくなっている。

米国の油田に代わって 20 世紀の石油バブルの原

動力になった中東の超巨大油田もピークに達した可

能性があるが、中東以上の超々巨大油田の発見はも

う望めないであろう。巨大油田は地球からの人類へ

の奇跡の贈り物である。ブッシュ大統領は温暖化防

止は経済に害になるからできないと言っていた(最

図２．化石エネルギー資源のポテンシャル

の富士山（ピラミッド）モデル図１．ピークオイルの概念図

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近はブッシュ政権も温暖化防止に力を入れているが、

経済優先は変わりないようです)が、巨大油田があっ

たので、今の米国のような石油浪費型の経済が成り

立ち、温暖化を加速した。さらにこのまま超巨大油

田に頼っていれば、石油バブルの崩壊は免れない。

バブル崩壊をくい止められるのは、技術しかない。

良質の油田は有限であるが、それに対してやや質の

低い資源は大量にある（図２）。石炭やオイルサンド

は、膨大な資源量があるだけでなく、既知の資源量

の１０倍から１００倍もの深部石炭／含炭素資源が

潜在する可能性がある。最近、日本列島及びその周

辺海底下に膨大な量の深部石炭資源が発見されてお

り、人間が地下に立ち入る従来の採炭方式では開発

不可能であるが、ガス化して採取するなどのボアホ

ール・マイニングなどの方式により開発できる可能

性がある（表１）。

しかし、石炭やオイルサンドは、温室効果ガスを

大量に発生するという問題がある。つまり低品位の

エネルギー資源は、ダーティなエネルギー資源でも

ある。中国・インド・カナダなどで、低品位のダー

ティなエネルギー資源を大量に使う事になれば、温

室効果ガス排出が爆発的に増加するであろう。人類

の破滅への道になりかねない。国の些細な利害など

に捕われず、国際協力により、早急に採取技術と共

に地球温暖化防止技術の画期的革新を実現する必要

がある。 3. ダーティエネルギーからクリーンエネルギー

への転換—CCS 技術地球温暖化が進行しつつある状況下で、省エネル

ギーもエネルギーの質を考えなければならなくなる。

すなわち、ダーティなエネルギーの使用を減らし、

クリーンなエネルギーへの転換を促進する必要があ

る。しかし、実態は、世界のエネルギー利用の大部

表１．

小出仁(2006)我が国の炭層ガス資源量とその温暖化対策への活用―新しい

ガス・ソース＋CO2 シンクとしての深部石炭層、日本エネルギー学会誌,

Vol.85, p.112-118

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分は依然として化石燃料に頼っており、消費量はむ

しろ増えている 1) 。特にエネルギー消費量増大が著

しい中国とインドは石炭埋蔵量が大きく、石炭に将

来も大きく依存せざるを得ない。世界的に見ても、

将来、石炭の使用量はむしろ増大する可能性が高い。

そのため、化石燃料、特に石炭からの CO2排出を削減することが重要になる。そのため石炭をダーティ

なエネルギーからクリーンなエネルギーに転換でき

る技術として、CO2回収・貯留(CCS: carbon capture and storage)への関心が世界的に高くなっている。ヨーロッパではゼロ・エミッション化石燃料火力

発電ヨーロッパ技術プラットフォーム(European Technology Platform on Zero Emission Fossil Fuel Power Plants) 2)が作られ、CCS 付き火力発電技術の開発を行っている。米国では FutureGen 計画 3)で、石炭ガス化複合発電を行いつつ CO2回収・貯留(CCS) により温室効果ガス排出をほぼゼロにする技術を開

発している。FutureGen 計画には、日本、中国、インド、韓国も参加している。G8 ハイリゲンダム・サミット前の 2007 年５月 24 日に日本の安倍首相が提案した「美しい星５０(Cool Earth 50) 4」」でも、2050 年に世界の温室効果ガス排出を半減するための革新

的技術開発の筆頭に「革新的ゼロ・エミッション石

炭火力発電」の実現が例示されている。今年から京都議定書の目標期間に入り、G8 日本（洞爺湖）サミットも開催される。しかし、我が国

の温室効果ガス排出量は 1990 年の 8％増（平成１８年度環境白書）

5) 程度になっており、減少傾向には

ない。もし、京都議定書目標期間開始の 2008 年に、日本の排出量が 1990 年の 8%増のままであれば、その後一定比率で毎年排出量を削減しても、京都議定

書目標の 1990 年の平均 6％減を達成するためには、 2012 年には 1990 年の 20％減にしなければならなくなる。2004 年の排出レベルに比べれば 28％もの削減をしなければならなくなる（図３）。もちろん、抜本

的な温室効果ガス排出削減策を早く実施して目標期

間開始年の排出量を低減できれば、2012 年の削減量を少なくできる。2006 年の排出量は 1990 年の 6%増程度と、いくらか低下したようですが、それでも実

質 24％削減が必要です。2007 年 7 月 16 日に発生した新潟県中越沖地震以来,世界一の規模を誇る柏崎刈羽原子力発電所の運転が停止していますが、それ

は CO2 排出増の要因になる怖れがあります。日本の温室効果ガス排出量はが、対策が遅れればかなり早

期に数 10％クラスの温室効果ガス削減が求められるようになる可能性は高い。 2005 年秋に、気候変動に関する政府間パネル (IPCC)により「IPCC 二酸化炭素回収・貯留特別報告書」(IPCC,2005)6)が公開され、CO2回収・貯留(CCS) 技術は国連により有力かつ実用的な地球温暖化対策

技術として認められた。2007 年 5 月に公表された気候変動に関する政府間パネル(IPCC)第四次評価報告書(AR4)WG3「緩和策」においても CO2回収・貯留が採り上げられている。既に、日本を含め各国で技

術開発が進められているが、ヨーロッパや米国など

世界各地で本格的実施に向けての様々な動きが進み

つつある。地下深部の石油・ガス胚胎層や塩水帯水

層への CO2地中貯留は、ほぼ実用段階に達した温室効果ガス排出削減技術であり、世界で２兆トン程度

の貯留容量があるので、排出削減ポテンシャルも十

分であると IPCC 特別報告書でも評価している。しかし、CO2 回収・貯留（CCS: Carbon Dioxide Capture and Storage）は新しい技術であるので、様々

な課題が山積している。またオプションも多いので、

-24%

-18%

-12%

-6%

12%

2008 2009 2010 2011 2012

排出増減

基準1990年

京都議定書目標

６％減

図３．京都議定書目標期間中の温室効果ガス排出削減想

定例。もし、京都議定書目標期間開始の 2008 年に、日

本の排出量が 1990 年の 8%増のままであれば、その後

一定比率で毎年排出量を削減しても、京都議定書目標の

1990 年の平均 6％減を達成するためには、2012 年には

1990 年の 20％減にしなければならなくなる。

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それぞれのオプションにより開発の段階が異なる。

このため、商業実施が行われている一方で、基礎研

究段階から実証段階にあるオプションまで様々であ

る。特に、貯留はサイトスペシフィックであるので、

それぞれの地域の地理的・地質的条件により研究開

発の重点も異なる。「IPCC 二酸化炭素回収・貯留特別報告書」(IPCC,2005)6)は、温暖化防止技術として CO2回収・貯留(CCS)を世界に認知させたことで大きな貢献をした。関係者の努力に依り、この種の報告

書としては非常に良くできているが、世界の国々の

多様な専門家が集まって合意の基に作り上げた報告

書であるので、かなり保守的な報告書になっている。

多様な意見の最大公約数を採らざるを得ないためで

ある。基本的には石油技術などの既存技術の寄せ集

めであり、既に検証された技術が使えることは長所

であるが、前例のないくらいの大量の CO2を処理することや長期的な影響などの新しい課題の検討は十

分ではない。先端的な技術はほとんど紹介されてい

ないので、技術が矮小化されている。そのため、「つ

なぎの技術」、「持続可能でない技術」、｢科学的に未

熟｣という評価が専門家の間でも多く聞かれる。 CO2回収・貯留(CCS)の課題は多数あるが、特に地下に於ける CO2の挙動の解明が重要な課題になっている。地下に於ける CO2の挙動を理解することは、環境への影響や安全性を評価するために重要であり、

また温室効果ガスの長期的削減効果を算定するため

にも必須である。また、地下における CO2の挙動を理解できれば、半永久的な地中固定や地下リサイク

ルの実現への道も開け、科学的な地中貯留の裏付け

も得られる。欧米では、既にいろいろな分野から多

数の科学者・技術者が温室効果ガス回収・貯留の研

究に集結しているが、日本でも多数の研究者が競い

合う状況に早くなることを期待する。G8 学術会議の共同声明でも、二酸化炭素回収・貯留とクリーンコ

ール及び炭素除去技術などに拡大投資することを勧

告している（日本学術会議、2007）7)。 4．CO2地中貯留に係わる環境規準・規制地球温暖化対策の一つとして、CO2 回収・貯留 (CCS)技術に対する認識が高まり、国際的な環境規準に付いても議論がなされている。国連気候変動枠

組条約及び京都議定書に基づく各締約国の温室効果

ガス排出・吸収量は、IPCC が定めたインベントリガ

イドラインに基づき算定される。2006年10月には、

CCS についても記述した 2006 年 IPCC ガイドライン

に改正されたが、CCS による削減量を京都議定書第

一約束期間（2008-2012 年）に適用することについ

てはまだ決定されていない。クリーン開発メカニズ

ム（CDM）における CCS の扱いは、2006 年 11 月ナイロビでの国連気候変動枠組条約締約国会議で議論

され、2008 年には承認されると期待される。 2006 年 3 月に発効した「1972 年の廃棄物その他の

物の投棄による海洋汚染の防止に関する条約の

1996年の議定書」（ロンドン条約96年議定書）では、

廃棄物の海洋投棄は原則として禁止になり、廃棄物

海洋投棄には許可が必要になった（“リバースリス

ト”）。しかし、2006 年 10−11 月の 96 年議定書第１

回締約国会議において、附属書Ⅰに定める投棄可能

な廃棄物その他の物に、海底下地層に貯留する二酸

化炭素流を追加することが採択され、二酸化炭素海

底下地層貯留はリバースリストの最初の追加になっ

た。

さらに、2007 年 6 月にベルギーのオステンドで開催されたオスパール条約（北東大西洋の海洋環境

保護のための条約）委員会で CO2海底下地層貯留を可能にする付属書改正案が採択された。水中および

海底上への CO2の注入を禁止する決議が採択されたので、CO2 は、海底下にのみ貯留される。CO2海底下地層貯留では、海底下の地層中に注入された CO2 の漏洩による海水汚染の可能性とそのモニタリング

方法が厳しく検討されている。以上のように、海域における CO2海底下地層貯留については国際的な環境規準の検討がなされている

が、陸域については国内問題であるため各国内での

検討にまかされている。現在、EU や米国やオーストラリア等で環境規準や法令整備の検討が行われて

いる。

5．CO2地中貯留と地下水環境地下には普遍的に地下水が存在するが、淡水の地

下水は非常に貴重な地下資源である。温室効果ガス

地中貯留においては、安全性と温室効果ガスの大気

からの隔離効果の観点から地表への漏洩に注意が集

まっているが、環境問題としては資源として利用さ

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れる地下水を汚染しないことが肝心である。米国では、１９７０年代に水中・大気中・地表埋

設による廃棄物処分を規制する法案が通過して以来、

地中注入井の重要性が増大した。１９７４年の安全

飲用水法(Safe Drinking Water Act)の規定により、連邦の地中注入管理プログラム(Underground Injection Control program: Code of Federal Regulation Title40 Part144 ｰ 149)が作られ、飲用地下水資源を汚染しないように州または環境庁が地中注入井の規制を行っ

ている。州によっては連邦よりさらに厳しく規制し

ている。飲用地下水資源とは、蒸発固形残留物量が

１リットルあたり 10,000mg 以内で、利用に十分な資源量を持つ地下水である。蒸発固形残留物量が１

リットルあたり 10,000mg 以上含む塩水は，飲用地下水資源にならないので、そのような濃い塩水（カ

ン水）を含む地層は廃棄物地中注入の対象となりう

る。米国環境庁では地中注入井を５クラスに分類して

いる。 Ⅰ級地中注入井は、液体有害廃棄物や産業廃棄物を

最深飲用帯水層より深い含カン水帯水層に注入する。

適したサイトと注入層を選び、安全性を評価し、慎

重に建設し、操業中はモニタリングと管理を行い、

終了時にはシーリングしなければならないことが定

められている。特に、環境影響評価を行い、飲用帯

水層に１万年以上漏洩しないことを示さなければな

らないという厳しい規制が課されている。適切に実

施されたⅠ級地中注入井は、液体有害廃棄物にも環

境上及び技術上健全な処分法である事が立証されて

いる。 Ⅱ級地中注入井は、石油・天然ガスの生産活動にと

もなうもので、原油と共に汲み上げられた塩水の地

中還元などを行う。原油増進回収（ＥＯＲ）のため

の、塩水や熱水の注入を行うが、ＣＯ2の注入（ＣＯ

2-ＥＯＲ）も実施されている。また、ハイドロカーボンの貯蔵の為の地中注入井もある。 Ⅲ級地中注入井は、鉱物を採取するために液体を注

入するもので、岩塩や硫黄の採取と、ウラン・金・

銅などの採取に分けられる。 Ⅳ級地中注入井は、飲用地下水層以浅への液体有害

廃棄物・放射性廃棄物注入を行っているが、米国環

境庁はこれらの使用を禁止した。

Ⅴ級地中注入井は、上記の範疇に入らない地中注入

井で、地下水かん養井や地熱水還元井等を含み、さ

らに液体放射性廃棄物注入井等もあり、極めて多様

である。ＣＯ2-ＥＯＲとＣＯ2-ＥCBM はⅡ級地中注入井であるが、それ以外のＣＯ2地中注入井については何級

になるか決まっていなかった。2007 年３月に地中注入管理プログラムからガイダンスが出され、ＣＯ2

地中貯留パイロット試験はⅤ級実験技術井として扱

われることになった(USEPA,2007) 8)。米国の環境省とエネルギー省が協力してＣＯ2 地中貯留による地

下水への影響を評価するプロジェクトを 2007 年から開始している。 6．CO2地中貯留からの漏洩防止

CO2地中貯留において、まず必要なことは CO2漏洩防止である。CO2は、毒性は低いので、低濃度であれば害にはならない。しかし、高濃度で大量な場

合には、CO2が大気より重い気体であることも災いして、稀ではあるが、ニオス湖事件のような大災害

を招くこともある。CO2地中貯留では，高純度の CO2 を大量に地下注入するため、地表に漏洩しないよう

に注意が必要である。実際には CO2は植物や微生物の働きにより土壌等から普遍的に放出されており、

低濃度の場合は安全上の問題はほとんど無い。しか

し、温室効果ガス削減の観点からは、漏洩量は温室

効果ガス削減量から差し引かなければならない。ま

た、CO2海底下貯留では、海底上に漏洩して海水を汚染しないことが求められる。地表に漏洩しなくて

も、その前に地下水汚染を起こさないことが重要で

ある。最初の大規模 CO2地中貯留事業であるノルウェー

のスレイプナー・プロジェクトでは、1996 年から年約 100 万トンの規模で北海海底下の帯水層に CO2 を注入している。その国際共同モニタリング(SACS プロジェクト ) が実施され（ SACS Best Practice Manual, 2003, CO2STORE Best Practice Manual, 2007）、地下深部に CO2を急速に大量注入すると、注入口付近の帯水層中の地下水を排除して、岩石間隙中がほ

ぼ超臨界流体 CO2で満たされた領域が生じ、CO2バブル塊が水より軽いために地層中をキャップロック

（頁岩層など）の下まで急速に上昇する（CO2プリ

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ュームと呼ばれている）ことが、弾性波探査によっ

て示された。以下の方策が CO2を地下に安定に封入するために

有効である事が判る。（１）キャップロック（難浸透性の頁岩層・泥

層・粘土層など）は薄くても有効であるが、

隙間（欠陥）が無いことが重要である。隙間

（欠陥）は、割れ目や不整合や砂脈や封塞の

不完全な坑井であるが、その検出・探査技術

の開発が必要である。（２）地下に大きな CO2 プリュームを形成しな

いような CO2地下注入方法を用いれば、キャップロックが不完全でも安定に地下封入

ができる。たとえば、CO2溶解水として圧入すれば，重いため帯水層中で下方に流れるの

で，安定性が高い。しかし，この方法は効率

が悪いので、WAG 法と呼ばれる CO2と水を交互に圧入する方法が CO2-EOR などで実用

化されている。著者らは、CO2溶液注入や WAG 法より効率よく、大きな CO2プリューム形成を防げる CO2地下注入法として、微細泡（マイクロバブル）CO2注入法を提案している（小出、篠田、2007）9)。

7．CO2自己シーリングの利用 CO2地中注入の隔離機能を確保するために、岩石中での CO2の自己シーリングのメカニズムを積極的に利用することを提案する。CO2は高圧低温下ではハイドレートになり固化する。また、アルカリ性で

陽イオンの豊富な地下水中では炭酸塩を作り、固化

沈殿する。岩石の微小な間隙や割れ目中に CO2が侵入し、そこで固化すれば、極めて効果的なシーリン

グが可能である 10) 。CO2自体の作用によりシーリン

グされるので、自己シーリングという。自己シーリ

ングは、漏洩箇所が生じても、CO2通路内で固化するため、自立的に漏洩箇所が補修されるので、理想

的なシーリングができる。

図４、CO2 自己シーリングと鉱山廃水封入

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CO2ハイドレートは，凍土ができるような寒冷地帯の地下や 300m より深い海底の下の堆積層中で形成されるので、寒冷地域の深部の帯水層に CO2地中貯留をすると、ほぼ完全な隔離が可能である

10) 。

蛇紋岩・かんらん岩・玄武岩などの苦鉄質・超苦

鉄質岩は, CO2を含む地下水と反応し, Mg,Ca,Fe などの陽イオンと炭酸水素イオンに富む地下水を作る｡

高 pH 条件下では,炭酸塩を沈殿し,シーリング効果が期待される｡CO2ー地下水—岩石の相互作用を利用して CO2を固定する｡RITE は、北海道日高の蛇紋岩に CO2を注入する現場実験を行い、炭酸塩の沈殿を確認し、蛇紋岩体による CO2鉱物固定を提案している

11) 。米国やアイスランドでは玄武岩に CO2を注入

する実験をしており、インドのような玄武岩の多い

国への適用が期待される。鉱山周辺に多く存在する苦鉄質岩（塩基性岩）を

利用し、CO2を注入して鉱山廃水と共に封入する技術を提案する(図４)。注入地点近傍では低pH水のため溶脱し、岩盤の浸透性が上昇する。 CO2含有注入廃水が周囲に浸透すると苦鉄質岩（塩基性岩）によ

り中和され、pHが上昇し、遠隔領域ではアルカリ性になるため、鉄やマグネシウムの炭酸塩として間隙

に沈殿し、セルフシーリングにより地中封入される。

鉱山廃水処理とCO2固定削減が同時にできる一石二鳥の技術である。

8．CO2貯留のためのナチュラル・アナログ数十年から数百年にもわたる長期未来を考慮して

も、CO2地中貯留からの CO2漏洩が起きないであろうか？もし、漏洩するとすれば、どのように漏洩し、

人間や動植物への影響はあるか？このような疑問に

対しては、実証実験でも短期間では答え難いし、数

百年もモニタリングを続ける余裕は無い。しかし、

CO2は地下に普遍的に存在し、地質学的な長期間を天然に CO2を集積している場所もある。知られている最大の CO2貯留層は、インドネシアのナツナ天然ガス鉱床で、91 億トンの CO2を貯留している

6) 。ま

た、CO2を濃厚に含むガスや炭酸泉が地表に湧出している地域もある。まれではあるが、天然の CO2 湧出により、人や動植物に被害が出た事例もある。

天然の CO2溜りや CO2湧出地を研究することにより、

CO2地中隔離からの長期 CO2漏洩の可能性を予測できるようにするために、多くの国で実証実験と並行

してナチュラル・アナログ研究が実施されている。

メタンなどの CO2以外のガスの漏出や天然ガス地下貯蔵などの「産業アナログ」も含めて、CO2地中隔離の安全評価に役立つ現象を広く研究する傾向にあ

る 6) 。CO2 貯留の信頼性醸成のためにはナチュラ

ル・アナログ研究がもっとも効果がある 12) 。

参考文献 1) BP Statistical Review of World Energy June 2007 2) http://www.zero-emissionplatform.eu/website/ 3) http://www.futuregenalliance.org/ 4) http://www.kantei.go.jp/jp/abespeech/2007/05/24s

peech.html 5) 環境省：平成１８年度環境白書(2006) 6) IPCC:“IPCC Special Report on Carbon Dioxide

Capture and Storage” Cambridge University Press, 442p. (2005)

7) 日本学術会議：G8 学術会議共同声明：成長と責務 —持続可能性、エネルギー効率及び気候保全 (2007)

8) USEPA: Using the ClassⅤ Experimental Technology Well Classification for Pilot Geological Sequestration Project – UIC Progam Guidance#83(2007)

9) 小出仁、篠田淳二：微細泡（マイクロバブル）CO2 注入による非構造性帯水層隔離法の提案、資源・

素材学会春季大会（2007） 10) Koide, H.: Subsurface biogeochemical carbon

recycling: CO2-EGR with microbial methanogenesis in geochemically sealed aquifers, Greenhouse Gas Control Technologies, CSIRO Publishing, p.578-582, (2001)

11) 岡本征雄、加藤耕一、水落幸広、加藤孝幸、大隅多加志:蛇紋岩体による CO2鉱物固定技術開発とその将来展開、資源・素材学会春季大会（2007）

12) Tokushige,K., K. Akimoto, T. Tomoda, Public Perceptions on the Acceptance of Geological Storage of Carbon Dioxide and Information Influencing the Acceptance, International Journal of Greenhouse Gas Control,Vol.1,Issue 1,p.101-112,2007

http://www.zero-emissionplatform.eu/website/

http://www.futuregenalliance.org/

http://www.kantei.go.jp/jp/abespeech/2007/05/24speech.html

http://www.elsevier.com/wps/find/journaldescription.cws_home/709061/description%23description

2-08 CO2回収・貯留(CCS)と省エネルギー Carbon Capture and Sequestration (CCS) and Energy Conservation

早稲田大学理工学研究所小出仁

２００８年４月１５日

第２２回環境工学連合講演会（The 22nd National Congress for Environmental Studies）

総合テーマ：「地球温暖化対策―省エネルギー技術による貢献」

会場：日本学術会議講堂（東京都港区六本木）

URL: http://homepage3.nifty.com/zeroemission/ E-mail: [email protected]

CO2回収・貯留(CCS)の初期構想ー今も変わっていない。（地中処理検討会ー座長：小出仁、1993）近くはパイプラインで、遠くはCO2タンカーで輸送する。タンカー輸送するにはCO2液化が必要で、液化のエネルギーロスが大きい。

2005年9月 IPCC二酸化炭素回収・貯留(CCS)特別報告書

2006年4月IPCCインヴェントリ・ガイドラインにCCSが入った。

2006年10月ロンドン条約1996年議定書で CO2海底下貯留を公認。初のリスト追加

2005年2月京都議定書発効

10月スターンレビュー

2006年11月COP12/COPMOP2で CCSCDMの認定を2008年のCOPMOP4で決めることになった。

5月ゴア映画「不都合な真実」

2008年洞爺湖サミット、COPMOP4、京都目標期間開始

2007年IPCC 第４次評価報告書(AR4) 2月WG1科学４月WG2影響５月WG3緩和策11月総合

2008年欧米各地で石炭火力発電所建設に反対運動米国は発電所建設ブームを迎え、約１５０もの石炭火力発電所建設計画があるが、環境保護団体は石炭使用は温暖化を招くとして、企業を相手取った訴訟や大気許可の撤回を州等の規制当局に求めるなど、あらゆる手で石炭火力発電所建設を妨害している。2007年には全米で59の石炭火力発電所建設を中止または延期させたと主張している。 ttp://www.sourcewatch.org/index.php?title =Category:Cancelled_coal_plants 2008年3月10日英国では1984年以来の石炭火力発電所が計画されている。 E.ON社は、ケント州にある発電所を廃して、CO2 capture readyとしたクリーンな石炭火力発電所を建設する計画だが、それでも強い反対に遭っている。

CO2回収・貯留(CCS)を含めた発電コスト（電中研、2007）

CCSを付加すれば、発電効率は低下し、コストは上昇する。CCSは省エネルギーに反すると見られる所以であるが、環境の観点から低品質のエネルギーを高品質に変えるという意義がある。すなわち、地球温暖化という環境問題のために使えなくなる化石燃料を再資源化する技術である。 CCS技術の内容を見ると、圧力・温度のコントロールによるエネルギー消費が主なコスト要因であるので、CCSコスト低減の要諦は省エネルギーである。 CO2は量が膨大であることもあって、輸送に要するエネルギーが大きな問題になる。そのため排出源に近い貯留サイトの確保が省エネルギーとコスト低減にもっとも重要である。

CO2輸送コスト（世界、IEA) CO2トンあたり１０ドルで３８０km輸送できる。

CO2輸送コスト（日本、RITE) CO2トンあたり1000円で 100km輸送できない。

CO2輸送コストは輸送量と距離により変わるが、 CO2回収・貯留(CCS) コストに大きく影響する(RITE,2008)。特に、日本での輸送コストは海外よりずっと高いだけでなく、パイプラインの敷設自体への社会的抵抗が大きい。排出源と貯留サイトの距離が近い事が、第１の要件になる。

（METI,2007:CCS2020より）

油・ガス田35億トン、構造性帯水層266億トン（RITE2005)とCO2貯留ポテンシャルはかなりあるが、大規模排出源から遠い。非構造性帯水層は1,160億トン（RITE2005)と膨大なCO2貯留ポテンシャルがあり、排出源にも近いので、現実的であるが隔離性に課題が残る。

図．ピークオイルの概念図

ピークが生じる根本原因は資源が有限である事にあるが、消費バブルのために、現在の鉱床よりさらにずっと巨大な鉱床を開発しなければならなくことが直接的な原因である。

図．化石エネルギー資源のポテンシャルの富士山（ピラミッド）モデル

技術開発により大きなエネルギーが得られる可能性があるが、石炭やオイルサンドは環境負荷が大きいことが問題である。CCSとの複合開発が必要になる。

稚内野寒布岬

礼文島

利尻島

宗谷岬

浜頓別豊富

幌延

遠別

中川

中頓別

初山別

天売島焼尻島

羽幌

苫前

名寄

美深

音威子府

小平

宗谷沖-1

(基)チカップ

増幌SK-1D

北川口SK-1

(基)稚内

(基)天北

(基)遠別

(基)留萌

30km

羽幌層石炭層上限深度単位：1000m

H 2

L 5

4 3

3 H

3 4

H H

3 4

5 L

5 4 4

4 5

2 3

3 3

天北陸域

天北海域

苫前(羽幌)陸域

苫前(羽幌)海域

稚内野寒布岬

礼文島

利尻島

宗谷岬

浜頓別豊富

幌延

遠別

中川

中頓別

初山別

天売島焼尻島

羽幌

苫前

名寄

士別

美深

音威子府

小平

宗谷沖-1

(基)チカップ

増幌SK-1D

北川口SK-1

(基)稚内

(基)天北

(基)遠別

(基)留萌

30km

羽幌層石炭層層厚図単位：m

0 30 60

0 60

天北陸域

天北海域

苫前(羽幌)陸域

苫前(羽幌)海域

天北～苫前(羽幌)地域の羽幌層石炭層容積計算地域区分

CO２

CH４

CO2分離・回収（排煙脱炭技術）

ﾎﾞｰﾘﾝｸﾞ孔

炭層

CO２圧入

輸送

CH４

CH４回収

CH４利用

発電所

ﾎﾞｰﾘﾝｸﾞ孔

CO２固定

CH４置換

CO2炭層固定化技術開発の概念

環境総合テクノス

図５．非燃焼方式超臨界CO2石炭地下ガス化回収 (CO2-UCG)概念図

深部石炭を利用して、 CO2封入とメタンガス生産を同時に行う。

• 地中微生物によりCO2のメタン化や水素生産も可能

• 微生物工学の利用

• CO2超臨界流体の利用

• 一石二鳥の技術により経済性を改善し、かつ新しい再生可能エネルギー資源を得る。

帯水層

キャップロック

CO2 CO2 CO2溶解水 CO2溶解水

下降下降

上昇プリューム

貯留層

CO2注入孔

貯留層内のCO2の流動予想図

大きなバブルが形成されると大きな浮力のため急速に上昇し、体積が大きいため溶解に時間がかかる。マイクロバブルは浮力が小さいため上昇が遅く、急速に溶解する。

塩水循環 CO2注入

マイクロバブル化

難浸透層

塩水帯水層

CO2

微細泡CO2地下注入概念

マイクロ・トラップ

マイクロバブルCO2注入をすれば、マイクロ・トラップのメカニズムがより有効に働き、残留ガスとして隔離される。

微細泡分散CO2注入技術開発 • CO2を微細泡化して水中・岩石中に分散注入する技術を開発する。

• 微細泡化技術はCO2の低コスト分離回収技術としても利用できる。

• 微細泡化するため浮力が小さい。さらに急速に溶解すると重くなるために沈降する。このため、地下深部や水中深部に注入すれば、キャップロックに多少の不完全が有っても安全に貯留できる。

• このため、広範な地質構造での貯留が可能であるため、排出条件に合わせて小規模でも臨機に注入井を掘って、分散貯留が可能である。

CO2(製錬所等より回収）

鉱山廃水

CO2＋鉱山廃水酸性低pH

溶脱 pH上昇

中和沈殿中和沈殿セルフシーリングセルフシーリング

高pH 高pH

苦鉄質（塩基性）岩苦鉄質（塩基性）岩

鉱山廃水活用CO2地中封入概念図

鉱山廃水＋CO2混合注入

地下メタンファーム構想 • 地下深部は遊離酸素が存在しない強い還元環境で、地上とは逆に

CO2よりメタンが安定。

• 地下深部は原始地球環境と同じく、古細菌の一種メタン生成菌が CO2や有機物からメタンを生成するため、メタンが蓄積する。

• 地下深部の嫌気性微生物はCO2や有機物から有機酸や炭化水素や水素を生成する。

• 深部炭層にCO2とnutrientを注入することにより地下メタン工場を実現する。

林業に似た新しい栽培鉱業の育成

• 深部石炭資源と深部ガスの組織的探索

• 深部掘削技術

• 深部ガス（CO2、メタン、水素等）のモニタリング技術

• 地中微生物の栽培技術

The Biggest Risks in Geological Storage Have Been Identified (Benson et al 2004)

• Leakage through poor quality or aging injection well completions

• Leakage up abandoned wells

• Leakage due to inadequate caprock characterization

• Inconsistent or inadequate monitoring

These are the technicalities that the validation assessment should address

Hypothesis of mechanism

Supply of CO2 bearing water from deep formations

Dissolution of carbonate cap by increased acidity

Pore pressure increment and reactivation of faults (enhancement of permeability and earthquakes)

Degassing from water

Creation of Carbonate cap

Fluid pressure release due to outflow, degassing and dilatancy of faults

Stabilization (current state)

Mt. Minakami

Low velocity zone

Left lateral strike-slip fault

High velocity zone

Fluid source

Surface ruptures

Max. horizontal stress

Upward fluid motion

使用する個別技術：地化学調査と地化学シミュレーション

CO2

キャップロック

帯水層

圧入井

微生物の活動

CO2－水－岩石の反応・鉱物⇒溶解,析出・空隙率⇒変化・浸透率⇒変化・拡散率⇒変化

地下水への溶解

鉱物固定

CO2

密度差による対流拡散

CO2 rich water

現在の土壌ガス濃度（CO2）の分布を把握するため、測定用の孔（深さ60cm）を掘り、土壌ガス濃度を測定する。その結果に基づき、CO2高フラックスゾーンを中心に選定した測線上に計測計画を立案し、現在のCO2フラックスの計測を行う。また、過去のCO2フラックスに関するデータを収集し、現在のフラックスの状態と比較検討する。

限られた研究期間において効果的にタスクを遂行するため、CO2流動－化学反応連成シミュレータとして、気相、液相及び超臨界状態の二酸化炭素を扱うことができるローレンス・バークレー国立研究所の超臨界状態の二酸化炭素を取り扱うことができるように３次元CO2流動－化学反応連成シミュレータ TOUGHREACT /ECO2を使用する。

北東日本石炭堆積盆地帯

北西九州石炭堆積盆地群

常磐沖

三陸沖

釧路沖

西彼杵沖

石狩

天北遠別苫前

北九州

図３. 日本の主な石炭堆積盆地略図

図４. 北海道中央部―三陸沖の古第三紀夾炭層群（斜線部）の東西地質断面図（飯島、2003）。

深部石炭系ガス資源の成因

• 植物等が埋没して、長期にわたる熱や温度により石炭化

• 亜炭＞褐炭>瀝青炭>無煙炭 • 石炭の一部は地殻深部の高温・高圧によりメタンー炭化水素ガス化

• 地中微生物が地殻深部に広く生息していることが確かめられつつあり、炭化水素ガス化に大きく寄与。水素も生成している。

炭化水素ガス資源の根源として最有望は深部石炭

• 石炭はエネルギー密度が高い。

• 膨大な資源量が予想される。

• 微生物の活動を促進することにより、石炭のガス化を促進できる可能性がある。

深層ガス

• グールドは、無機成因の深層ガスと地中微生物の普遍的な存在を予言した。

• 地中微生物がガス生産の主役と考える方が合理的に広範なガスの存在を説明できる。

• 地中微生物により生成されたガスの例ー水溶性天然ガス、メタンハイドレート

Nakamura(1971)

rupture

Vertical Movement (>30cm) Discharge area

High conc. discharge area

One probable cause of the swarm: - water intrusion from great depth - dilatancy reactivated the fault system

• 安価で豊富なエネルギー資源である石炭が見直されている。中国では、数年で500以上の石炭火力発電所の建設が計画され。１週間から10日毎に一つずつ石炭火力発電所が建設されている(Chairman Bingaman at Clean Coal Technology Hearing, US Senate Committee on Energy and Natural Resources, August 1st,2007)。米国でも約150の石炭火力発電所建設が計画されている。インドなども加えれば、2020年頃までに各国で建設される石炭火力発電所だけで、日本の総排出量の3 倍以上のCO2排出増になる怖れがある。つまり地球上に日本が３個相当増えることと同等になる。

• しかし、新しい発電所が建設される時や立て替えられる時が新技術適用のチャンスである。原子力発電所や再生可能エネルギーという選択肢もあるが、エネルギー資源量やコストを考慮すればCCS付きゼロエミッション石炭火力発電所は現実的な選択肢である。

• 水素は二次エネルギーなので水素社会でもなお石炭は主要エネルギー源である可能性が大きい。そのため、水素社会にもCO2回収・貯留(CCS)が必須になる。

Long Term Energy Market

 Different needs world-wide - uneven access to modern energy

 Growth of Renewable Energy and potential resurgence of nuclear but ….

200

400

600

800

1,000

1,200

1,400

1,600

1,800

2,000

2,200

G W

Gas Coal Hydro Other renewables Oil Nuclear Fuel cells

IEA projections of global power station

build to 2030

Capacity

IEA World Energy Outlook 2004

Continuing reliance on fossil fuels

– especially likes of China and India

CO2 Protocol and related issues

Improve Efficiency Zero Emission including CO2

Capture

Transport and storage

of CO2

Fuels Cells

Use of CO2 eg EOR

Hydrogen

Interactions : ZEPG/H2 Issues

深部石炭系ガス資源

• ・深部の石炭が天然ガス・石油の根源岩として重要であることが認識されつつある。

• ・深部に石炭が膨大な量存在していることが判明しつつある。

• 深部石炭に由来する遊離型天然ガス資源が有望なエネルギー資源として注目されている。

• 深部石炭に吸着されているコールベッドメタンも膨大になる。

1. CCSと省エネルギー
2. ピークオイルと深部石炭資源
3. ダーティエネルギーからクリーンエネルギーへの転換—CCS技術
5．COR2R地中貯留と地下水環境
7．COR2R自己シーリングの利用
8．COR2R貯留のためのナチュラル・アナログ
数十年から数百年にもわたる長期未来を考慮しても、COR2R地中貯留からのCOR2R漏洩が起きないであろうか？もし、漏洩するとすれば、どのように漏洩し、人間や動植物への影響はあるか？このような疑問に対しては、実証実験でも短期間では答え難いし、数百年もモニタリングを続ける余裕は無い。しかし、COR2Rは地下に普遍的に存在し、地質学的な長期間を天然にCOR2Rを集積している場所もある。知られている最大のCOR2R貯留層は、インドネシアのナツナ天然ガス鉱床で、91億トンのCOR2Rを貯留しているP6)P...
- スライド番号 1
- スライド番号 2
- スライド番号 3
- スライド番号 4
- スライド番号 5
- スライド番号 6
- スライド番号 7
- スライド番号 8
- スライド番号 9
- スライド番号 10
- スライド番号 11
- スライド番号 12
- スライド番号 13
- スライド番号 14
- スライド番号 15
- スライド番号 16
- 深部石炭を利用して、 CO2封入とメタンガス生産を同時に行う。
- スライド番号 18
- スライド番号 19
- スライド番号 20
- スライド番号 21
- 微細泡分散CO2注入技術開発
- スライド番号 23
- 地下メタンファーム構想
- 林業に似た新しい栽培鉱業の育成
- The Biggest Risks in Geological Storage Have Been Identified (Benson et al 2004)
- Hypothesis of mechanism
- 使用する個別技術：地化学調査と地化学シミュレーション
- スライド番号 29
- スライド番号 30
- 深部石炭系ガス資源の成因
- 炭化水素ガス資源の根源として最有望は深部石炭
- 深層ガス
- スライド番号 34
- スライド番号 35
- スライド番号 36
- スライド番号 37
- 深部石炭系ガス資源

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