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CO 2 地中貯留技術の歩み
Citation: Hitoshi Koide (2011) Progress of Geological Sequestration of CO2, C.C. Geosystem Lab., Tokyo, Japan, 55p. (in Japanese) [小出 仁 (2011) CO2 地中貯留技術の歩み, 温暖化防止地球システム(株), 東京, 55p.] CO2 地中貯留技術の歩み Progress of Geological Sequestration of CO 2 小出 仁 Hitoshi Koide Climate Control Geosystem Laboratory, Japan 温暖化防止地球システム株式会社 2011 Reprints of (1) 小 出 仁 (2000) CO 2 地 中 隔 離 技 術 (1), 月 刊 エ コ イ ン ダ ス ト リ ー , Vol.5-No.2,p.21-28 (2) 小 出 仁 (2000) CO 2 地 中 隔 離 技 術 (2), 月 刊 エ コ イ ン ダ ス ト リ ー , Vol.5-No.3,p.14-23, (3) 小 出 仁 (2000) CO 2 地 中 隔 離 技 術 (3), 月 刊 エ コ イ ン ダ ス ト リ ー,Vol.5-No.4,p.19-27, (4) 小出 仁 (2002) CO 2 地中固定－地球温暖化防止とエネルギー問題の同時解 決へ－、未来材料、第 2 巻第 8 号,p.39-45 (5) 小出 仁 (2003) 地中メタン生成古細菌によるカーボン・リサイクルの提案、 地圏長期評価研究協会会報、第4号,p.26-34 (6) 小出 仁、篠田淳二 (2007) 微細泡（マイクロバブル）CO 2 注入による非構 造性帯水層隔離法の提案, (社)資源・素材学会 平成19年度春季大会講演集,p.151 －152 (7) 小出 仁 (2010) 大気中二酸化炭素の直接削減ージオエンジニアリングの 試み, 資源・素材学会春季大会講演集 , p.1-4 (8) 小出 仁 (2011) 大気 CCS：カウンター・ジオエンジニアリングの考え方, 資源・素材学会春季大会講演集, p.1-4 Hitoshi Koide (2000) Z Geological ECO ・r•, ， . 邑 司 ‘ Engineering 唖「副噌官 、~v sequestration C02地中隔離技術（ 1 ) of CO2, ECO INDUSTRY, (1) 小 出 仁 ＊ Vol.5No.2,p.21-28, 1 9 9 6年からノルウェーで C02地中隔離の実操業が開始された。また，原油増進回収法 (2) Vol.5などでも C02を地中に大規模に圧入している例は多数あり， C02地中隔離はすでに実用 技術になっているといえる。しかし，新しい技術であるだけに，地中における C02の挙 No.3,p.14-23, 動がよくわかっていないなど，今後に残されている重要な研究課題も多い。 世界全体では少なくとも 3兆トンの C02地中隔離が可能で，深海底下の堆積層を利用 (3) Vol.5すれば，ハイドレート化による自己封入作用により地質構造にかかわらず隔離できるので， 事実上無尽蔵といえる。安全性は高く，コストやエネルギーロスも比較的小さい。 No.4,p.19-27 水溶性ガス・メタンハイドレート・炭層ガスなどの単独では商業生産の困難な天然ガス を C02地中圧入により回収し，未利用のエネルギー資源を活用できるようにすることに [小出 仁 より，エネルギーロスというマイナス面を補う試みが最近進んでいる。さらに，帯水層中 の嫌気性メタン細菌などの作用により， C02を CH4に変え，メタン鉱床として再生させ (2000) CO2地 られる可能性がある。地盤沈下防止，凍土層やハイドレート層の補強などの副次的な効果 中隔離技術,月 も期待できる。 刊エコインダ を高めようとする研究が開始されている九 1 . C02地中隔離の意義 C02地中隔離は安全性が高く，世界全体では 3 ストリー, (1) 兆トン以上の C02隔離が可能で， コストやエネ 1 9 9 6年からノルウェーで C02地中隔離の実操 業が開始された ）。また，カナダでも C02を含む ルギーロスも比較的小さい九 C02地中隔離の実 Vol.5用化により，世界の温室効果ガス排出を大幅に削 酸性ガスの地中圧入が数カ所で実施されている九 米国などの産油国で原油増進回収のために C02 減する能力をもち，真に即効性のある巨大技術が No.2,p.21-28, を地中に大規模に圧入している例は多数ある。 誕生したと評価されている。温室効果ガスの排出 C02地中隔離はすでに実用技術になっているとい 量，特に C02の排出量は膨大なので，地球全体 (2) Vol.5での地球温暖化ガスの排出削減に貢献することは える。しかし，新しい技術であるだけに，地中に おける C02の挙動がよくわかっていないなど， 至難の業である。地球温暖化防止は，エネルギ一 No.3,p.14-23, 重要な研究開発課題が多く残されている。安全性 利用効率の向上や省エネルギーや再生可能エネル (3) Vol.5e g r e tp o l i c yに を高め，効率を高め，コストを低下させ，さらに ギーの利用などのいわゆる No r よる C02排出削減によって達成するのが理想的 隔離だけではない C02地中圧入の積極的な利益 No.4,p.19-27] ： 蕊 1 * HitoshiKoide Vol.5 No.2 2 0 0 0 通商産業省工業技術院地質調査所主任研究官 2 1 である。しかし，非常に大量の C02排出削減を 化石燃料を使用しながら，大気の C02含有量の 実現しなければ地球温暖化防止策として有効でな 増加を抑制するには， C02大量回収・固定技術を いため，痛みを伴うような生活スタイルの変更や 実用化する必要がある。 産業構造の抜本的改革が求められている。 C02回収・固定技術には，大気から直接回収す 現在，化石燃料は悪者扱いされているが，近代 る方法と，火力発電所や工場などの大量固定発生 文明が発達したのは効率のよいエネルギー源であ 源から C02を回収して大気中への放出を抑制す る化石燃料の，恩恵である。現在および将来も当分 る方法がある。大気中の低濃度の C02を回収する は化石燃料が世界の主要エネルギー源であること には，エネルギーロスの大きな物理・化学的な回 は変わりそうもな L 。 、 C02回収一隔離技術は化石 収法よりも，植林や藻類・珊瑚の増殖のような生 燃料を使いながら C02排出をほとんどゼロにで 物処理が有望である。他方，火力発電所や工場な きるので，産業構造をあまり変えずに地球温暖化 どで化石燃料を燃やした後に発生する廃ガス中に 防止が可能になるという長所がある。実際には， 高濃度に含まれる C02の回収には物理・化学的 エネルギ一利用効率の向上や省エネルギーや再生 な方法が有望であり，研究が進んでいる。生物処 可能エネルギーの利用を最大限に推進したうえで， 理には速効性は期待できず，広大な面積を必要と 原子力や C02回収一隔離技術を組み合わせて， し，エネルギー効率もよくないという欠点があり， 必要な大幅な温室効果ガス排出削減を実現するベ 環境保護の観点や食料・原料生産なども考慮した ストミ 長期かっ永続的な取り組みに適している。物理・ y クスを選択することになると思われる。 化石燃料を利用しながら C02を大気中に放出 化学的な回収法は濃度が高いほうが回収の効率が しないようにするためには，大気以外のところに よくエネルギーロスが少ないので，火力発電所や 隔離しなければならなし、省エネルギーやリサイ 製鉄所などの廃ガスから C02を回収する方法に クルは，処分しなければならない C02の量を減 効果的である。大量固定発生源からの C02回収 らしたり，処分の時期を遅らせることはできる。 法の研究は盛んに進められているが，回収した大 しかし，エネルギー源として化石燃料を利用する 量の C02を貯蔵または隔離する方法の開発が遅 以上は，発生する C02の落ち着き場所を大気外 れていた。 に用意しなければならない。世界中で大量に地下 毒性は低い代わりに大量処理が必要であること から掘り出される石油・石炭・天然、ガスの燃焼に が C02対策の特質である。大量処理のためには よって，年間約 2 0 0億トン， 1気圧での容積にし エネルギー消費が極力少なく，コストの安い方法 て約 1 0兆 m3の C02が地上にもたらされる。全 でなければ実用化できない。温室効果を別にすれ 地球表面を毎年 2cmの厚さで覆うことができる ば，空気中に 0.5%以内の濃度であれば C02は無 量の C02が毎年増え続けるので，それを地表に 害である。 C02を溶解した炭酸水やそれを加工し 置くことができないのは明らかである。 た炭酸飲料は，晴好品として日常に飲まれている O 化石燃料の大量使用による C02の大気中への 低毒性の C02でも高濃度で集中すると有害にな 大量な人為的排出が地球温暖化の主要な原因とさ る。炭酸は弱酸であるが，高圧下で多量に溶解さ れている。将来の大気中の C02含有量の増加とそ せると強い酸性になり深海生物に有害になる。し の影響については，必ずしも明らかではなし、。し かし，圧力が下がると余分な C02は遊離して， かし，自然、のバランスをあまり大きくはずれない 低濃度になった炭酸水は弱酸性なので，地表の水 ように早く対策をとる必要がある。化石燃料の中 はほぼ無害になる。 でも特に石炭は燃やすと大量の C02を排出する C02による災害としてはニオス湖事件が知られ が，世界的には資源量が大きいので貴重なエネル ている。 1 9 8 6年アフリカ西部カメルーンのニオ ギー源として欠かすことはできない。石炭などの ス湖で，急に炭酸ガスが突出し，大量に谷へ流入 2 2 ECO INDUSTRY 2月号 したため，多くの死者が出た特異な事件である O のは，発生源の近くで貯蔵できるので輸送コスト 火山地帯では，地下深部のマグ マから遊離してき が掛からない利点はあるが，断熱・防水の設備が た C02が地表に徐々に浸出していることがしば 必要であるうえに，安全性に問題があり，監視も しばある。この C02が炭酸鉱泉を作ることもあ 必要と思われるので，安全対策や土地代まで考え るが，希薄なので気づかないことが多 L、。しかし， ると実質的なコストは高くなる。 A 熱帯の火山地帯にあるニオス湖では，対流がなく 比較的短期間であれば，頑丈なタンクやサイロ 停滞した底層水に地下から浸出してきた C02が に貯蔵することができるが，人造物は長期の耐久 徐々に溜まり，飽和状態になっていて，何かのきっ 性は保証できないので，数百年・数千年の長期に かけで発泡して急激な対流が起こり一気に放出さ わたる場合は地下空洞などに収容するほうが安全 れたと考えられている 5 。 〕 C02は空気より比重が といえる。南極地域の極低温を利用して，半地下 重いため，大量に低地に流れ込むと空気を排除し 空洞や氷床に C02ードライアイスを貯蔵するとい てしまい，高濃度になったと考えられる。日本の う提案もされているが 7），輸送や気候変化が問題 火山地域でも比重の重い C02が窪みや井戸など になる。 に静かに滞留して高濃度化していることに気づか ないで入ったために中毒死するケースもときたま 起こる O C02ーハイドレート（クラスレート，シャーベッ ト状の水和物）の場合は，圧力は必要であるが， 安定な温度条件がドライアイスより高くなり，流 沸騰や発泡などによる突出や窪みへの滞留に注 体ではないが変形しやすいので複雑な形状の地下 意すれば， C02が低濃度で混入した空気や地表に 空洞でも隔離できる。ゼオライトに吸着させるな おける C02溶解水は人体には無害である。この ど，固体に吸収させた場合は，その安定度に応じ ような C02の特質に適した方法で，十分長期に た深度の地下空洞に貯蔵できると思われる。 C02 わたって安全確実に， しかも経済的に C02を隔 離する技術を開発する必要がある。 2 . C02の地下空洞への貯蔵・隔離 ドライアイスを深部の地下空洞内に低温貯蔵す る方式は，地上方式より安全性は高いが，天然の 洞窟や鉱山などの既存の空洞が利用できないと掘 削コストの負担が大きい。金属鉱山の空洞は岩盤 分離・回収した C02が炭酸カルシウムのよう が比較的丈夫であるが空洞の容積が小さし、。炭鉱 な安定な固体になっていれば，地表での埋立てや は岩盤の強度が比較的低く，空洞がつぶれている ごく浅い半地下の埋設も可能であるし，土壌改良 ことが多いが，その場合でも完全に空洞が閉じて やセメントなどの半永久的な利用法も期待できる。 いるわけではないので流体やシャーベット状の C 炭酸カルシウムも酸には弱いので，酸性雨が降る 02ーハイドレートであれば相当量の隔離ができ ような状況ではある程度の深度に埋設する必要が ると思われる。また， C02を圧入して，炭層ガス 出てくる。 を回収できれば，資源の有効利用にもなる。炭鉱 同じ固体でも C02 ドライアイスの場合は，低 温に保つ必要があるので，貯蔵はかなり困難にな 空洞への C02−ハイドレート貯蔵は，シベリアの ような極寒地では検討する価値がある。 る。直径約 200mもの巨大なドライアイスの球を 天然、の空洞としては，石灰岩層中の鍾乳洞が適 作り，半地下式の貯蔵所に置くという方式も提案 しているが，地下の鍾乳洞の位置や規模を知るの されている九 C02は徐々に昇華し大気中に放出 はかなり困難な作業である。天然空洞も形状が不 されるが，全部昇華するのには数千年を要するの 規則なので，流体やシャーベット状でないと搬入 で，排出を遅らせることができ，その聞に抜本的 が困難であろう。天然空洞や旧鉱山の空洞はコス 対策を立てることができるとし寸。地上や半地下 トの安い貯蔵場所として期待できるが，日本の膨 式の貯蔵所に C02 ドライアイスを長期貯蔵する 大な C02排出量に比較すれは、収容能力はごく小 Vol.5 No.2 2 0 0 0 2 3 が空隙になっている。たとえは句，数百万年後になっ さし、。 日本には溶解によって安価に空洞を作れる岩塩 て，数百 m の地下深部に埋もれると，砂の閣の 層もないので，人工空洞への貯蔵のためには経済 空隙が押し潰されて小さくなるうえに，腰結物質 的な無人掘削技術の開発が必要である。軟岩中の が砂粒の聞を埋めて砂岩になるが，それでも空隙 無人掘削技術は比較的コストが安いが，大規模な の合計容積は全岩体容積の数%から 30%以上も C02地中隔離に利用するには，コスト・安全性共 あるものがある（図 1）。このような微細な空隙 にまだ改善が必要と思われる。 の多い砂岩やもっと粒子の大きい礁の集まった蝶 岩は，水やガスが透過しやすいので，透水層とよ 3 . 枯渇油田・ガス田および閉塞帯水 層への C02地中隔離 ばれる。空隙の多い砂岩層や喋岩層は，地下深部 では地下水を多量に蓄えていることが多く，その 石油や天然、ガスは，地下の岩層中の微 ため帯水層とよばれることがある。きわめて粒子 細な空隙に，数百万年・数千万年の長期にわた の細かい泥が堆積し，圧密されてできた泥岩や頁 り蓄えられていたものを，現在採取して使用して 岩も，実は空隙率としては結構大きいことが多い いる。石油や天然ガスが地下の巨大空洞にプール が，空隙がきわめて微細なため水やガスをほとん のように貯まっていると誤解している人が多いが， ど透さない。このため不透水層あるいは難透水層 地下では岩圧が大きいため，巨大空洞は長期間安 とよばれる。 定に存在できない。実際は，石油や天然ガスは岩 堆積岩中には，砂や泥と一緒に生物の遺骸など 石中の顕微鏡でも見えないくらいの微細な無数の の有機物が閉じ込められ，石油や天然ガスの元に 空隙中に分散して含まれている。地下の岩石中の なる。堆積岩中で有機物からできた炭化水素は 空隙には水が満たされていて，スポンジに吸収さ （成因には諸説あり，地中の熱が重要であるが， れているのと同じ状態になっている。天然ガスな 最近は地中微生物の貢献が注目されている），水 どの炭化水素も地下の岩石の微細な空隙中に含ま より軽いため帯水層中を浅い方に移行し，通常は れていることがある。炭化水素分が異常に多く含 散逸する。しかし，炭化水素を含んだ帯水層の周 まれている地層がまれにあり，石油鉱床や天然ガ 固または上方を難浸透性の泥岩などのキャップロッ ス鉱床になる。 ク（帽岩）が覆った封塞構造（トラップ）がある 堆積岩は，海岸付近や川底に堆積した砂や，海 と ， トラップの下に炭化水素が溜まり，条件のよ 底や湖底に堆積した泥が，長年にわたって押し固 い場合には石油や天然ガスの鉱床になる（図 2。 ） められて岩石化したものである。乾いた砂をバケ ガス田や油田は，天然ガスや油田ガスを数百万 ツに入れて水を注ぐと，多量に吸い込んでしまう。 年以上もの長期にわたって隔離してきた。すでに 堆積したばかりの砂は，見かけの容積の半分以上 天然ガスの貯蔵に大規模に利用されているよう 唱 惨 . ，． 畠 ー ・, . ．、 • ’‘ ・ ー . .邑 最 ・ − ’ ・ 4 4 司 ， • 司 守 ． I ' ， ー 咽鴫瞬 ’“ 石英などの粒子 l 膝桔物質 ｜ I ｜地下水、ガス、原油｜ 1 ー 似 図 1 堆積岩の空隙 2 4 ECO INDUSTRY 2月号 図 2 帯水層と油・ガス鉱床の模式図 堆積盆地のもっとも浅い堆積層中の微細な空隙には，地表から天水が浸透し，常に水が循環している開放帯 水層になる。循環水は淡水で，飲用や農業用などの貴重な水資源として利用される。しかし，海岸付近では 海水が入り込み，塩水になる。堆積盆地の深部は，完全に閉塞されてはいないが，浸透し難し循環に時間 がかかるため古い水が残り，一部は準化石塩水を含む帯水層がある。さらに深部には不透水層で閉じ込めら れた閉塞帯水層があり，微細な空隙中に古い化石塩水が閉じ込められている。化石塩水や準化石塩水は， し ばしばメタンで飽和しており，水溶性天然力引ス鉱床になることがある。さらに炭化水素分に富むと，帯水層 中のもっとも浅い背斜部に集中し，含ガス層や含原油層になり，天然ガス鉱床や石油鉱床として採取される。 に8〕，ガス回や油田のトラップには気体や液体を 油国などで多くの実績があり，日本でも実証実験 長期隔離する能力が元来備わっている。粘度や比 が行われている。 C02を地中に圧入して，石油や ， 重が高く不燃’性で毒性も小さい C02は メタン 天然ガスを回収することができれば，温室効果ガ を主成分とする天然ガスよりむしろ容易に長期隔 ス排出削減とエネルギー資源の回収の双方に貢献 離ができる。枯渇したガス田や油田に C02を流 できる一石二鳥の技術になりうる。 体状（気体，液体，超臨界流体，または水溶液） 地下深部に存在する流体には，通常，地下水面 で圧入する方法は，コストと確実性から有望な貯 からの深さに応じた水柱の荷重＝水頭圧が加わっ ） 蔵法と考えられる（図 3。 ている（以後，静水圧とよぶ）。水の密度はほぼ 1 原油は地下深部の岩石の微細な空隙に含有され ているので，完全に採取するのは困難である。そ g/cm3として，地下水面はほぼ地表に近いので深 度 lOOOm で約 lOMPa ，深度 2000mで約 20MPa のため一見枯渇したように見える油田でも，実は の静水圧が地下の岩盤中の流体に加わっていると 地下の岩層中にはまだ多量の原油が残されてし唱。 近似的には考えられる（図的。ただし，閉塞帯 このため，枯渇しかけた含油層に水などを圧入し， 水層中の流体には深度から単純に計算されるより 岩石の微細な空隙中に残された原油を追い出して 静水圧より大きな圧力が加わっていることがある 回収する原油増進回収法（ EOR）が開発されてい （異常高圧）。 る 。 C02を含油層に圧入すると原油の粘度を低下 C02を地下に圧入するには，帯水層内の間隙流 させるため，効果的な原油増進回収法になる。 体圧力以上の圧力を加えないと圧入できなし、。気 C02を含油層に圧入する C02-EORはすでに産 体の場合は，同一温度であれば圧力にほぼ反比例 V o /. 5 N o . 22 0 0 0 2 5 、 、 、 、 、 、 、 ， ’ ， ’ ＇ , ， 〆 ，. , ・・ ・ι ニニニ？工ー？守~＇ムょに・··：：··~，， pλ、九、九、んツ九、九、ノマヲ司・・・・』~：：閉塞2軽水屠：；：：：：：：i~~ ~K~＇，＇， 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、， 、 也 南 −・ー ・ − ・ ・ ・ 起 ’ ？ ？ ？ ： ケ .:: : " " : ＂ . ＂ ： ： 工 品 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ r . ' .、 、 、 〆 〆 〆 ， 〆 ， 〆 ー 〆 . . − 』・ 司 •••. .: '. ： ： ： 二 二 二 ム ー ー ー ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 圃 園 田 ＂ ＇ ＇ ー に 〆 〆 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 司 ・ ー ー ー ー ー ー ー ー ー ー ー ー ー ー ー ー ー ー ー ー ー ー ー ー ー ー. . . . ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ’ E 、 、 、 〆 〆 ー へ 〆 , , F町 、 ー 、 、、、 、 、、 、 、 、 、 、、 、 、 、、、、、、、、、 、 、 、、、、、、、、、 『 曹 司 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 、、ヘヘヘヘヘヘヘヘヘヘヘヘヘヘヘヘヘヘヘヘヘヘヘヘヘヘ〆よヘベマ司~マ~~＜＜＜、~＜、ヘ~，＇ , ' 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 ＼ 、 、 、 、 「 明 ・ ・ ・ ・ ・ − ・ ・ − ・ ・ − ・ E・ − ャ 、 、 、 、 、 、 、 、 − 、 、 一 、 、 、 、 、 ， 〆 , , 〆 〆 〆 〆 〆 〆 〆 〆 〆 . ／ ， ， ， ， ， ， 〆 ＇ 〆 . ； , , 〆 〆 〆 、 、 、 、 、 、 、 、、、 、、 、 、 、、 、 、、 、、 、 、、、、 、 、 、、、、、 、 、、、、、、、 、、、、、、、、、、、、 、 、、 、 、 、 、 、、、 、 、 、 、 、 、 ， ’ , ＇ 〆 〆 ＇、 ＇ 〆 ， ’ 〆 ” 〆 〆 ’ 〆 〆 ” 〆 〆 .... 、 〆〆，~ 〆 〆 ノ 〆 〆 ＇＇ 〆 ， ， ., . , 〆 〆 ” ＇＇ 〆 、 、、 、 、 、 、、 、 、、 、、 、 、、、 、 、、、、 、 、、、、 、 、、、 、、、 、、、、 、、、 、、、、、、、、、 、、、 、 、、 、 、、 、、、 、 、 、 、 、 、、 〆 〆 ’ r〆 ’ 〆 ＇＇ 〆 ノ ノ ， '' 図3 c o，を閉塞帯水層中に圧入し，石油や天然ガスを押し出して採取することが可能 石油や天然ガスが貯留されていた帯水層は，長期間ガスを閉じ込めておけるので， c o，を気体または超臨界 流体状で完全に隔離できる。半閉塞の帯水層でも co ，を準化石塩水に溶解させて，長期に隔離できる。 d r んVλ、山、λ＇，＇，＂＂；『・・・・・~・ J . I ' . I ' . I ' .I',,/',,,,. . I ' d d , . . , , ./'./',,.,,.I' J 0 0t r r I J d d f J J J J J ' J J , , .I'./',, .I',, . I ' , , . . I ' . / ' , , . J ：~ E . I ' . I ' , , . , , , .J J J f , , . I . I ' .I',,.,, . I ' .I',,,,. . I ' . I ' . I . I ' .I',,,,,.. . I ' . I ' . I ' J J 〆ヲ司~＇. f山J j J .'I 1 ' I''; . I ' _ , . . I . ／ ＇ . I ' . I ' . I ' , / ' . / ' . I ' J .I'./',, . I'./ J .I',,.,,.,, .I',,.,, E E . J ' , i i ' • r . I ' . I ' I',...,, .I'"' J ./.I',,,, . I ' . I ' .／＇.／＇.／＇ r J f , ' .I',, . . . . I ' . I ' f ' . I ' . I ' . I , , . . I ' " . I ' . I ' . I ' , , . J T e m p e r a t u r e 。C （) 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 I I I I I I0 2 0 n 、 I . ・ ． ・ . ‘ . .a ! . . } ¥ .｜＼＼ 、 『 ・ 』 I ~ 一g/5l 、∼ l 、 ・ 可 ＋ ＋， 圃 司 曹 圃 ・ . ・ 酔 町 “ 田 ， “ ー k 主N 士官~ 、 、 、 主 、 ∼ 1 0 0 0 ー ・ ・ IO 1E 、 . . ＿ ‘ ＼ 、 ＼ 、 E ‘ ・ ‘ 、 官 . + -島 ‘ D e p t h ( m )怯 ー ー P r e s s u r e 古 、｜油開 、 rm~ ‘ 1 5 一一 1 5 0 0 図 4 地下の温度・圧力条件における C02の状態 . , . 、 ， ‘ • 、‘y、 − 、 (MPa) 、 、 、 、 （単体で存在する場合） ‘ Hydr a t e’ 、 、 ． '、 ／ u . ・ 、 、 、 圧力（ M Pa）は静水圧（水頭圧）に等しいと 、 、 E 2 0 0 0 冊代；…ー 、“… ζ 20 1 . l。 C，圧力 7 . 3 9 する。貴CPは臨界点（温度 3 ミ 、 、 管 ‘ ヘ 型 、 コ ーh ー ヘ ミ M Pa），太い曲線が沸騰線，細直線が c o ， 密 度 、 、 ＼ 、 2 5 0 0 2 5 、 、、 、 F 、 ‘ を示す。点分布域がハイドレート（水和物）の 、 、 ． ー ， ‘ 、 晶 可 、 、＼ 生成領域。太い直線 A∼Dは堆積盆地の典型的 、 ． ‘ 、 ． ‘ ・ 3 0 0 0 な地温分布を示す。 5 0 0 ‘ ． 、 司 N ~ι A a 同 a 唱 I ζζ a - 園 」 I 刊誌 U.M., ご ＂ ＇ ＂ ＂ − ＇ 之 ζ ζ 可 色 .. 且 、 、 、 曹捨 .llO h v 哩L 2 ‘ 司 J D l HV した容積に圧縮される。したがって，高圧で圧入 。 ’3 0 . 8 k g / l 00 ι l . O k g / I 1 gb k ， ， ， ζ0 電L i ができる。 したほうが貯蔵量が多くなる。しかし， C 02を貯 しかし，流体の圧力がキャップロックの最小応 留するリザーパー（貯留層）より上部に流体の移 力以上になるとキャップロックにヲ｜っ張り割れ目 動を妨げる難浸透性のキャップロックがなければ を生じて，流体の漏れ口ができる可能性が出てく 静水圧以上にあまり圧力を上げることはできない。 る。岩体の最小応力は上載岩庄（静岩圧という） 油田や天然ガス田ではしっかりしたキャップロッ と同じか，やや低い程度であるので，静水圧の約 クがあるので，静水圧以上に流体圧を上げること 2倍から 2 . 5倍程度である。しかし，キャップロッ 2 6 ECO INDUSTRY 2月号 クの最小応力以下でも，流体圧が増加すると有効 深度 800m以深では静水圧だけで 8MPa以上に 応力が低下するために，キャップロックの応力状 なるので， C02は超臨界流体になっている（図 4 。 ） 態によっては破壊の可能性が出てくる。有効応力 超臨界流体の性質は液体に似ているが，圧縮性が の低下は誘発地震の原因にもなる O 石油や天然ガ 液体より高く気体より低い。地下の岩石およびそ スの良好なリザーパーを含むような孔隙率の大き れに含まれる地下水の温度は深度とともに上昇す い堆積岩は軟質なので，方向による応力の違い る。日本の堆積盆地では，地温勾配は lOOmにつ （応力偏差）は小さいことが多いので，有効応力 き 1° Cから 4° C程度の上昇であり 9， 〕 lOOOmない が低下しでも誘発地震は発生し難く，また発生し し 1500m以深で超臨界温度もほぼ越える（図 4。 ） でも大きな地震にはならないと思われる。しかし， 超臨界温度を越えれば急激な圧力低下があっても 流体圧の上昇が基盤岩中にも及ぶと，誘発地震の 沸騰現象は起こらない。 C02が超臨界状態になる 可能性が増す。また，流体圧の上昇は地盤隆起を 地下 lOOOm以深への隔離が望ましいといえる。 起こす可能性があり，逆に流体圧を低下させると 地盤沈下につながる恐れがある。 図 4をみると，堆積盆地の高めの地温分布（例 A ：温度勾配 4°C/lOOm，地表温度 20°C）や平均 地下 lOOOmもの深部にある貯留層内部の流体 的な地温分布（例 B ：温度勾配 3。 'C/lOOm，地表 圧変化により地表に顕著な局部変動が生じる可能 温度 15°C）では C02は液化しないが，やや低い 性は小さいが，地下の流体圧は元の自然状態での 地温分布（例 C ：温度勾配 2。 'C/lOOm，地表温度 圧力（初生圧）からあまり変えないことが望まし 1 0 ° C）では沸騰線を横切り液相が存在しうること い。通常の初生圧は静水圧に等しいか，少し高い がわかる。温度勾配が低い非常な寒冷地（例 D: 程度である。 C02の圧入により，地下の間隙流体 温度勾配 2。 'C/lOOm，地表温度 0。 ' C）では，深度 圧があまり上昇しないようにするためには，地下 300∼500m付近で C02ーハイドレートができる。 水や天然ガスの汲み上げを必要に応じて実施し， 地層中にハイドレートが生じると，岩石の孔隙や 貯留圧をコントロールすることが重要になる。 割れ目を塞ぎ， C02の漏洩を効果的に防ぎ，地中 C02の臨界温度は 31.1°C，臨界圧は 7.39MPa, 隔離の環境安全性が高められる。 臨界点における密度は 0.468kg/lである。地下の 図 5には，地温分布の例 A ,C , D の各場合に Density(k g / I ) 0 0.10.20.30.40.50.60.70.80.9 1 0 500 ＼ h 『− 』 町 旬 、 ト ー ト』∼ l l . . . . − ‘ 旬 』 ー 「、、 ・ 』 、 、 ＼ ド ︵ 50 ヲr l E ︶王己日︷］ 1000 ＼ −』』 ト『『 ト ∼． 、 、 − ・ ・ 句 ﹄ nunu nunU ＼ I ¥ A 2500 3000 卜 『 『 司 一 ・ − − ・ − Case1 Case2 ー金一 Case3 ． 司 cD ．． Densityofcarbon d i o x i d e Case1: s u r f a c etemperature=0℃ thermalgradient=Z℃／ lOOm Case2: s u r f a c etemperature=10℃ thermalgradient=Z℃／ lOOm Case3: s u r f a c etemperature=20℃ thermalgradient=4℃／ lOOm 図 5 地温分布 A 温度勾配 4°C/lOOm，地表温度2 0 ° C , c：温度勾配 2℃／ lOOm，地表温度 l O ° C , C，による COz単体密度の違いを示す。 D 温度勾配 2℃／ lOOm，地表温度 O。 V o l . 5 No.2 2 0 0 0 2 7 応じた静水圧下における C02単体のおおよその 密度の深度による変化を示した。隔離層の孔隙の 総容積が同じであれば，密度が高いほうが多く隔 離できるので，温度勾配の低い堆積盆地のほうが 一般に効率的であることがわかる。 2 ) Chakma, A.( 1 9 9 7 ) Energy C o n u e r s . Mgmt, 3 8 ,S u p p l .2 0 52 1 0 n t e r n .J .S oc.ofMαt e r iαl s 3 ) Koide, H.( 1 9 9 9 )I 7 ,4 1 0 Eng.forR e s o u r c e s ,1 4）小出仁 ( 1 9 9 8）環境管理， 3 4 ,7 5 07 5 4 ）久保寺章 ( 1 9 9 1）火山噴火のしくみと予知，古今書 5 （以下次号） 院 ， 1 8 4 6 )S e i f r i t z ,W.( 1 9 9 3 )EnergyC o n u e r s .Mgmt,3 6 , 1 1 2 11 1 4 1 文 献 ）本圧孝子，佐野寛 ( 1 9 9 3）化学工学会講演要旨集， 7 2 1 9 1 ) Korbゆ1 ,R . andA. Kaddour ( 1 9 9 5 ) Energy C o n u e r s . Mgmt, 3 6 ,5 0 9 5 1 2 2 8 8）石油技術協会 ( 1 9 8 3）石油鉱業便覧， 7 7 9 ）大久保泰邦〔 1 9 9 3）日本地熱学会誌， 1 5 , 11 2 9 ECO INDUSTRY 2月号 Z ： 蕊 ECO••'i•阿国h E ngineering 量r ••噌官 、~v C02地中隔離技術（ 2 ) 小出 4 . 非閉塞帯水層への C02地中隔離 地下水の流れがきわめて遅いために，堆積当時の 海水が十分に希釈されていないので塩分を含んで 天然ガスや石油鉱床の下方や周辺には，油田水 いる。また，化石水とは異なるが，海岸近くや海 やガス回水の層が広がっている。油田水やガス田 底下では海水が侵入して地下水が塩水化している 水は通常は塩水であり，主に母岩堆積当時の海水 ことが多 L、。したがって，塩水化した帯水層は地 が閉じ込められた化石水である（長い間に岩石と 表や水資源として利用される循環地下水から隔離 反応して成分が変わり，麟水とよばれる海水より されている。帯塩水層は，天然ガスや石油のリザー 塩濃度の高い地下水になっていることがある）。 ノt 化石水を含む帯水層は，油田地帯以外の沿海堆積 透性のキャップロックに守られているとは限らな ーのように気体を封入できるような撤密な難浸 盆地の地下にも広く存在するが，塩水であるため， 通常の水資源として利用できない。このような化 石水には，堆積物や海水に含まれていた有機物に 由来するメタンが含まれており，水溶性天然ガス 5 0 . 0 0 ている水溶性ガス田は，千葉県・新潟県・宮崎県 4 0 . 0 0 に限られているが，メ夕ンに富む化石水は日本だ 溶解度3 0 . 0 0 けでなく世界の堆積盆地に膨大に存在する 1 0 ) C02はメ夕ンに比較して＊に溶解しやすく，同じ ？ t i k g / t o n 2 0 . 0 0 1 0 . 0 0 0 0− O円 c − − 寸 − 00 00 利一向 。 。 。 一 川 CC 回圧 o c −c 司 00刊 すい（図 6。 ） oD 守 させられる。圧力が高いほど気体は水に溶解しや cco . n u n u n u 地下水中にメタンの代わりに C02を大量に溶解 ． Lv u − − 。 。co． 温度圧力条件下では数十倍溶け込む。したがって， .- 6 0 . 0 0 として採取されることがある。商業的に稼行され ． . . ,． 7 0 . 0 0 一般に水資源として利用される地下水は，地表 からの天水が侵入して，常に循環し，そのため淡 水に保たれている循環水である。化石水は，難透 水性の層などに遮られて古い水が停滞していて 図6 co，の淡水および塩水への溶解度の 圧力変化 （ 図2 , 2月号 p .2 5），岩石から塩分が溶出したり， ＊ 14 H i t o s h iK o i d e 通産省 工業技術院 地質調査所 主任研究官 ECO INDUSTRY 3月号 T e m p e r a t u r e ( " C ) 。 t o 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 Om 0 2 200 400 4 6 D e p t h P r e ssun 8 (MPa) D e p t h S o l u b i l i t y ( k g ! r r i ' ) 1 0 20 30 40 ．． l『『司・・ 』 ． ー 』 『 ． ．・同 ： ： ： ： . . . ∼ c 司 ‘ 司 p 600 ｜ 、 ' 1 1 2 1 0 0 0 1200 1 4 1400 l 1 6 1600 1800 図 7 淡水中の二酸化炭素溶解度（ k g/m3) c _ j _ ． ． ． 図 8 淡水中の溶解度深度分布 曲線 A, Band Cはそれぞれ地温勾配 0 . 0 4 ,0 . 0 3and 0.02K/mの場合。 . 0 3 A ,B , Cはそれぞれ地温勾配 0.04K/m, 0 Kimand 0.02K/mの場合の地温分布。 いので，気体または超臨界流体を長期間封入でき ~ 』 2000 2 0 ＼ B (m) 800 t o 60 50 の程度増やせるかを求めるべきであろう。 図9 O , るという保証はない。しかし，水に溶解した C からも明らかなように，寒冷地や海底では地中浅 は，地下水が帯塩水層からほとんど動かないか， 所でも比較的低温になっているので， c o ，ハイ c o，の漏洩を 動いたとしても流れがきわめて遅いため，長期間 ドレートを形成する可能性が高く， 地下に封入されうる（図 3 , 2月号 p .2 6 。 ） 防ぐ効果が期待される。寒冷地や海底下で地温勾 c o，の 配の低い堆積盆地は，貯留可能量も大きく，漏洩 淡水 1kgへの溶解度（ g）を等高線で示した。実 の恐れの少ない良好な隔離サイトとして期待され 験は 30∼1 0 0。 C に限られ，測定データも密では る（図 1 0 。 ） 図 7に，地下の温度・圧力条件下での な し 、 。 c o，が溶解した水の密度が明らかになって いないし，塩水では若干溶解度が低下するので， 貯留層の孔隙 lJあたりの c o，貯留量（g/l） は 炭酸は弱酸であるが， c o ，を高圧下で多量に溶 解させると， pH3∼ 4程度の酸性になる。酸性 では， c o ，−イオンが岩石中の炭酸塩鉱物やケイ 図 7より少なくなるが，だいたいの傾向を知るこ 酸塩鉱物と中和反応して，炭酸水素イオン化しや とはできる。低温の堆積盆地のほうが貯留能力が すい。天然、現象としても，大気中の c o，が雨水 大きいことがわかる（図 8）。水への溶解による に溶けて，地下水に入り込み，石灰岩を溶解させ 貯留能力は c o，単体で貯留するより当然低く， て鍾乳洞を作ることが知られている。しかし，鍾 おおよそ 1 / 1 0程度であり，またある程度以上の 乳洞はきわめて長期間に形成されるものである。 深度になれば，それ以上深くしても貯留能力は大 c o，の溶解度から考えても，短期間に溶解させら きくならない傾向がある。しかし帯水層は全体の れるのは，岩体の重量のたかだか 1∼ 2%程度 容積がガス田や油田よりはるかに大きいので，全 であるので，地盤沈下を引き起こす恐れは少ない 体の貯留総能力は大きくなる。 と思われる。また，当面，地中隔離の対象となり 水への溶解による隔離は安全度が高いので， そうな日本の第三紀堆積盆地中には石灰岩などの 実際の隔離に際しては，まず地下水に溶解する程 炭酸塩岩は少ないので，炭酸塩岩の溶解が地盤沈 度までの量の c o，を圧入し，貯留層ごとに遊離 下の原因になる恐れはあまりない。しかし，貯留 c o，の閉じ込め能力を確かめながら，圧入量をど 岩になりそうな砂岩層の中には，炭酸塩鉱物が腰 V o l . 5 No.3 2 0 0 0 15 Temperature（ 。 C) 10 J 20 30 40 100 Depth (m) 200 300 30 I I 議機種議灘糊闘機機種1mmm1 ！ ！ 日 図 9 海底下帯水層の温度・圧力と二酸化炭素地中隔離 B-Q-Tは二酸化炭素の沸騰線， Tは臨界点 3 1 . 1℃ ， 7.39MPa, P Q R は二酸化炭素ーハ イドレートの分解条件，打点域は帯水層中で二酸化炭素ーハイドレートが形成される可能性 のある領域， J F K は海水温度曲線（北太平洋）， SSDは浅海底下帯水層の模式的温度分 布 ， DSD は深海底下帯水層の模式的温度分布，図中の数字は二酸化炭素の密度。 図1 0 二酸化炭素深海底下堆積層隔離 結物質になっているものがあり，腰結物質の溶解 期封じ込めの有効性は立証されている。キャップ による強度低下について研究する必要がある。 ロックの気密性が最重要ファクターであるが，岩 5 . C02の地中封じ込め機構 石の自荷重による静岩圧も封じ込めの重要ファク ターである。封入される物が気体・液体・超臨界 c o，を長期かっ安全 流体・水溶液・固体のいずれの場合にも有効な封 に封じ込める機構がもっとも重要である。以下の じ込め機構であるが，流体の場合には静水圧も封 ような地中隔離のメカニズムがある。 じ込めに重要な役割を果たす。岩盤の強度は，封 C 0 2地中隔離にあたって， ( 1 ) キャップロック（岩盤）による力学的封じ 込め 天然、ガス鉱床によってキャップロックによる長 16 入される流体の圧力が静水圧程度であれば重要な ファクターではないが，流体圧が増すと重要にな る 。 ECO INDUSTRY 3月号 co，が水と反応して， co，自身を岩層中に閉 ( 2 ) 水封効果 る 。 見逃されているが，実は天然ガスや石油の長期 0 。 ） じ込めるので自己封入作用とよばれる（図 1 封じ込めになくてはならないのが，水封効果であ 封じ込めている岩層に地震なと、の原因で、亀裂が入っ る。岩石は空隙を必ず含むので， たとしても， ドライな岩石は co，が亀裂を通過する途中でハイド 流体を長期に封じ込めておくことはできない。し レート化して亀裂を修復するので，自己封入され かし，地下の岩石は多かれ少なかれ水分を含んで ているときわめて安全である。シベリアやカナダ いて，微細な空隙中で水の界面張力により流体の などの寒冷地の地下や，水深 300mを越える深海 動きを妨げる。地下水面より下の深部の岩石中の o，ーハイドレートが形成される 底下の堆積層は c 空隙には，上方の岩石の空隙中の地下水による水 温度圧力条件が存在する。 圧（静水圧）が加わる。地震などのために一時的 に上方の岩石中に帝国し、間隙が生じても，地下水が ( 6 ) 炭酸塩化（C a C O，など）による沈澱 アルカリ性の水溶液では，水に溶解した c o , すぐに間隙を封じ，水圧により深部のガスなどの が，金属イオンなどの陽イオン特にカルシウムイ 漏洩を防ぐ。水封の効果が長期かっ安全に石油や オンと反応して沈澱する。 天然ガスを封じ込め， また co，の長期封じ込め にも重要である。 C a←＋ 2 H C 0 3→ c a c o , + c o , +H , o この反応も天然、にしばしば観察され，岩盤の割 ( 3 ) 水への溶解 れ目などを閉塞しているので，漏洩防止の効果が co，は， c o , ,H , c o，あるいは C O : l−イオンの 期待できる。 形で水に溶解する。特に圧力が高くなるとよく溶 解するので，帯水層において主要な封じ込め機構 になる。 ( 7 ) 吸着 石炭はほとんど炭素からなり，良好な吸着材で ある。地下の炭層はメタンを多量に吸着していて， ( 4）炭酸水素イオン（ H C O : l）化による水への 溶解 最近天然、ガス資源として注目されている。 co，は メタンより石炭に吸着されやすいので，地下の炭 co，は炭酸塩鉱物と， c a c o , + c o，十日，o→ C a→＋ 2 H C O : l 層に で表される反応をし，炭酸水素イオン化して水に さらに溶解しやすくなる。この反応により co，を圧入すると，メタンを追い出して c o , が代わりに吸着される。一石二鳥の効果がある。 c o , が溶解した地下水は中和される。また，ケイ酸塩 ゼオライトなと・への c o，吸着はまだあまり研究 されていないが，条件によっては重要な役割をす る可能性がある。 鉱物とも，簡単化すれば下記のような化学式で表 ( 8 ) 地中微生物固定 される反応をして炭酸水素イオン化する。 OOOmを越える深地中にも多数の微生 最近， l C a S i O , +2 c o , +H , O → C a＋＋十 2 H C O : l + S i 0 2 物が生きていることが明らかにされている。地中 は酸素がほとんどない還元環境にあるが，嫌気性 これらの反応は，石灰岩の溶解や，ケイ酸塩岩の の微生物が活動している。化学合成独立栄養微生 風化として自然、に進行している反応であるが， 物は，太陽光の入らない地中でも， c o，の圧入による促進効果の影響を研究する必要 に変換できる。また，古細菌の一種であるメタン がある。 生成細菌は，還元環境下で ( 5 ) co，ーハイドレートの生成による自己封入 作用 ∼1 0℃以 だいたい 3MPa 以上の高圧下で， 5 co，を有機物 c o，をメタンに変換 することによりエネルギーをf 尋ている。 6 . C02の地中隔離システム co，ハイドレート co，地中隔離を行う処理システムについて検討 が形成され（図的，効果的に流体の透過を妨げ してみよう。火力発電所の排ガスから分離回収し 下の低温では岩石の空隙中に Vol.5 No.3 2 0 0 0 17 た日量 5 0 0 0 トン（年間約 2 0 0万トン弱，炭素換 量5 0 0 0 トンの 算では年間約 5 0万トンー C）の c o，を地下に圧入 c o，が得られる。 火力発電所から lOkm離れた場所にある帯水層 c o，をパイプラインで送って，複数の圧入井 0万 kWの するシステムを想定する 11,l九 出 力 3 に ， 0万 kWの LNG火 石炭火力発電所または出力 6 0年間にわたり圧入するとする（図 から地中に 2 力発電所の排ガスから， 1 1）。地下深部の帯水層には天然ガス（主にメタ アミン法などにより 90%の回収率で c o，を分離回収すると， ほぼ日 ン〕が溶存していることが多いれ、わゆる水溶性 ク ク 海 陸 骨折 水 ・ I I I I I I I I 雲 急 再巴 I I I I 這 ::： 空 I I I I I I I I I I I I す 十 10km 30km ｜監視制御センタート一一一一 r 10km r r Bkm 図1 1 二酸化炭素地中隔離システムのフロー図 ＝＝炭酸カoス ， 18 ・ * データ伝送。 ECO INDUSTRY 3月号 天然ガス）ので，圧入井とは別に揚水井を掘って 地盤沈下や隆起を防ぐことができる。 地下水を揚水し，溶解している天然ガスを回収す 隔離する帯水層の中央深度を 2500m，層厚を る。圧入井と揚水井の圧力を制御することにより， 300mと仮定し，隔離圧を 25MPa，帯水層温度 地下の帯水層中の地下水圧の変化を小さくして， は9 0 ° C，帯水層の空隙率は 20%， 置 換 効 率 を 20%とする。この圧力温度での 目 園 園 。 。 固 回 。 。 回 。 a 回 ー 回 自 堆積盆地 1km＇あたりの を2 0年間圧入すると，総量は 3650万トンになる 。 ので，少なくとも 74km＇の面積の堆積盆地が必 自 。 司 F . . 要になる。そのため隔離サイトは 8×lOkmの矩 I~ 形で，面積は 80km＇とする。 ヨ 回 司 。 。 自 。 3 冒 可 回 匂 c o，圧入レートを， 1圧入井あたり 1日 250 ト ン ーc o，とすると，圧入井が 20本必要になる。 8× lOkmの領域に 5 s p o tp a t t e r n （圧入井と 園 ‘ 回 回 c o，地中隔離能力は 49 c o , 万2 0 0 0 トン− c o，になる。日量 5000 トンの 目 冒 c o，地中隔離の 水への溶解度は 0 . 0 4 1 トンー CO,/m＇であるので， 〒 。 Q 。 匂 自 a ー ー Q 回 ー 司 ヨ 置すると，揚水井は 3 0本になる（図 1 2）。圧入 a 回 揚水井を四角形の頂点と中心に交互に配置）で配 Bkm 基地 1 0基地を設置，各圧入基地で圧入井 2本と 揚水井 3本をコントロールする。すべてのシステ ムを監視制御センターで集中制御する。 。圧入井田揖水井 図1 2 圧入井と揚水井の配置図 揚水井で揚水した地下水から各圧入基地で天然 ガス（ほとんどメタン）と c o ，を分離する。天 天然ガス コンプレッサー 圧入井 C 0 2 パイプライン 揚水井 図1 3 V o l . 5 No.3 2 0 0 0 co，地中圧入基地フロー図 1 9 表1 c o，地中隔離設備建設費 （処理容量 5 0 0 0トンー c o , /day) 表2 c o，地中隔離コスト c o ,1トンあたりの j 設備名 高圧コンプレッサー ノfイプライン 主要ライン 分岐ライン 圧入設備 水処理設備 水圧入ポンプ 圧入井 揚水井 排水管 遠隔監視制御装置 Z に』 J 単価 （億円） 7 0 数量 費用 （億円） I台 7 0 地中隔離コスト 設備償却費 金利（年 10%) 補修費 10 10km 0 . 5 70km 1 0 3 5 2 . 0 1 0組 1 . 5 1 0台 0本 8 . 0 2 3 . 5 3 0本 10 30km 1 5 il式 2 0 1 5 1 6 0 1 0 5 3 0 1 5 人件費 消耗品費 合計地中隔離コスト c o , をもとに，未探鉱の地域の資源量を予測する簡易 法である。 c o，を単体の超臨界流体として貯留す る方式は，地質構造に依存するため隔離能力の推 定が難しいので避け，地質構造にあまり依存せず に隔離できる 然ガスは回収利用し， 3 , 0 1 0円／トン I 資源の原始埋蔵量が把握されている地域のデータ 4 6 0 計 1 , 2 6 0円／トンー C O , 5 3 0円／トンー c o , 3 4 0円／トンー c o , 2 7 0円／トン c o , 6 1 0円／トン c o , c o，は再圧入する（図 13。 ） 帯水層への co，を地下水に溶解させる非閉塞 c o，地中隔離方式をすべて採用する 一部の地下水は圧入井から再圧入し，残る廃水は として，隔離能力を推定した。隔離する帯水層の 30kmの排水管で海に排水する（図 1 1。 ） 中央深度を 2500m，層厚を 300mと仮定し，隔離 c o，回収設備までの部分は除外し，パイプライ 圧を 25MPa ，帯水層温度は 9 0 ° C，帯水層の空隙 ンに C02を送り込む高圧コンプレッサー以降の 率は 20%，置換効率を 20%とする。この圧力温 費用を試算する。パイプライン，圧入基地，圧入 度での 井，揚水井などを含めた， 日量 5 0 0 0 トンの c o , co，地中隔離の水への溶解度は 0.041 トン CO,/m3であるので，堆積盆地 lkm＇あたりの を隔離するための設備費の総額は約 4 6 0億円にな c o，地中隔離能力は 49万 2000トンー c o，になる。 る（表 1）。設備の償却費，金利，補修費に，運 Koideら11)は，実際に地中隔離に利用できるのは c o，の隔 4）の 1%と仮定して，世 世界の堆積盆地（図 1 転のための人件費や消耗品を加えると， 0 1 0円／トンー 離コストは 3 c o ,（炭素換算 1万 1 0 0 0円／トンー C）になる（表 2）。ただし， 界全体の c o，地中隔離能力を 3200億トンー c o , これ と見積もった。その後，世界の多くの人がさまざ には C02を火力発電所排ガスから回収するため まな推計をしているが， 3 2 0 0億トンー c o，という のコストは含んでいなし、。また，高圧コンプレッ 見積もりはコンザーパティブな推定としてしばし サーにより c o，を加圧して，パイプラインによ り圧送し，地下 2 0 0 0から 3000mの深さに圧入す ば利用されている。 しかし，地質構造にあまり左右されない溶解型 るために，消費する電力は， 73kWh／トンー CO, の CO ，地中隔離として見積もっているので，技 （炭素換算 269kWh ／トン C）になる。これが C02 術的には堆積盆地のほとんどで 地中貯留のエネルギーロスになる（ただし， c o , 回収のためのエネルギーロスは含んでいない）。 7 . C02の地中隔離能力 石油や天然ガスの資源量予測に使われる面積法 co，地中隔離が 可能であり，社会条件を考慮しでももっと広い範 囲で隔離ができると考えられる。また，地質構造 が適していれば c o ，を超臨界流体状態で地中隔 離できる。したがって，堆積盆地の 1%しか利用 できないとするのは明らかに過小評価で、ある。そ c o，地中隔離能力の こで，世界の堆積盆地の 10%の地下帯水層で溶 推定してみよう 11.l九面積法とは，探鉱によって 解型の c o，地中隔離が実施できるとして評価す を用いて，世界の帯水層の 2 0 ECOINDUSTRY 3月 号 " " ノ ~~ユ弓〆二二て曳h 噛V 由F 局 憎.，，−−唱F l ，・泊・ガス田 −縫績盆地 図1 4 世界の堆積盆地分布図（鈴木字耕原図） c o，地中隔離可能量 o，貯留可能量 堆積盆地面積 c 表 3 世界における フロック （ 万 km') 東アジア 東南アジア 中東／西アジア 旧ソ連 ヨーロッノ f 南アメリカ : H ；アメリカ アフリカ 豪州／オセアニア i 世界計 （億トン） 3 5 8 2 8 6 5 0 0 9 7 1 2 7 1 9 0 7 9 2 1 15 2 3 7 4 7 1 ,7 7 0 1 , 3 6 0 2 , 4 7 0 4 , 8 0 0 1 , 3 6 0 4 , 4 8 0 4 , 5 5 0 7 , 5 3 0 36 9 0 6 , 4 7 9 3 2 , 0 1 0 ると，世界で約 3兆トン以上の c o，地中隔離ができるの o，地中隔離 で，深海底下の堆積層を含めれば， c 係なくきわめて安全に 可能量は事実上無尽蔵といえる。 日本国内および近海における c o，を隔離でき 上記の見積もりには海底下の堆積層は含まれて いなし、。しかし，シベリアやカナダなどの寒冷地 の地下や，水深 300mを越える深海底下の堆積層 c o，地中隔離可 能量については，エンジニアリング振興協会石油 開発環境安全センターゅによる綿密な調査結果が ある。この調査は既存の公開データによって， c o , 地中隔離可能量を推定したもので，以下のように まとめられる。 カテゴリー 1 ：大規模な油・ガス田にある油・ ガス層およひ‘帯水層 ） ると見積もられる（表 3。 Vol.5 No.3 2 0 0 0 はc o，ーハイドレートが形成され，地質構造に関 約 20億トン (19億 8700 万トン） カテゴリ− 2：国による基礎試錐により，背斜 構造が確認されている帯水層 5億トン（ 1 5 約1 億4 1 0 0万トン） ＊確認されているトラップ構造内への隔離可能 2 1 量（カテゴリー 1+2） 小 計 約 3 5億トン（3 5 貯留サイトが存在する場合，液化しなくて済むの 億2 8 0 0万トン） でコストが安く，地中隔離がもっとも低コストの カテゴリー 3 ：陸域堆積盆地内の一般帯水層 6 0億トン ( 1 5 8億 4 7 0 0万トン） 約1 カテゴリー 4 ：海域堆積盆地内の一般帯水層 約7 2 0億トン（ 7 2 0億 4 2 0 0万トン） ＊通常の帯水層への隔離可能量（カテゴリ− 3 c o ，排出削減技術である O 6章にコスト試算例の 一つを示したが，その後世界でいくつかの試算が 行われている。それぞれの条件に合わせて前提が 異なっているので，比較は難しい。 6章の例は天 然、ガス採取のための揚水井などの設備を含めてい +4） 小 計 約 880億トン（878億 8900万トン） るので， もっとも高いほうの試算例になっている。 ＊日本国内および近海における隔離可能量（カ しかし，天然ガス資源回収による利益があるので， テゴリー 1十 2十 3十 4 ）総計約9 1 0億トン（ 9 1 4 相殺されることになろう。古い天然ガス生産井や 億1 7万トン） 油井を利用できるとして，きわめて安いコストを 示している例もあるが，これは特殊例である。 以上のように， 日本および近海における C 02 エネルギー総合工学研究所川は火力発電所排ガ 地中隔離可能量は，約 9 0 0億トンと試算されたが， スから c o，を回収するプロセスを含めた地中隔 その内容はカテゴリーにより大きく異なることに 離のコストの試算を行っている。それによれば， 留意する必要がある。カテゴリ− 1および 2は ， 微粉炭焚き発電ーアミン吸収法 c o，回収ーパイ 地質構造などのデータが整っており，精度の高い プライン輸送地中圧入の場合，コストの内訳は， 隔離可能量が得られているが，カテゴリ− 3およ 回収コストが 4 2 2 0円／トンー c o，で，輸送・圧入 び 4はおおよその推定値である。 初期の本格隔離の対象になる帯水層は，地質構 c o , , c o，となる。 コストが輸送 lOOkmの場合に 1 7 9 0円／トン 輸送 500kmの場合が 2 9 1 0円／トン 造が解明されていて， しかも石油や天然、ガスを商 合計して，輸送 lOOkmの場合が 6 0 1 0円／トンー C O , , 業規模で腔胎していない帯水層であろう。国の基 輸送 500kmの場合が 7 1 3 0円／トンー c o，である。 礎試錐調査のデータからエンジニアリング振興協 5億 4 0 0 0万トンの 会は約 1 c o，地中隔離能力があ この試算では，揚水システムが含められていない ので， 6章の例より割安になっている。 o，回収一液 微粉炭焚き発電ーアミン吸収法 c 0年間使用 ると推定した。対象となる帯水層を 2 する予定で c o，地中圧入を実施するとすれば， 化 タンカー輸送地中圧入の場合，コストの内 c o，地中隔離能力 2 4 6円／トンー c o，であるが， 訳は，回収コストが 4 があると見積もられる。油ガス田は貴重な資源の パイプライン輸送の場合と異なり，タンカー輸送 保護のため，慎重に使用しなければならないが， の前に液化する必要があるため，液化・貯蔵コス 0 0 0万トン程度 日本全体では EORなどで年間 1 トが 2 2 8 0円／トンー c o，余分に掛かる。さらに， のc o，圧入は可能であろう。合計するとおおよ 0 4 5円 輸送・圧入コストが輸送 500kmの場合に 1 0 0 0万トン弱の c o，地中隔離能力があ そ年間約 9 ／トンー c o，，輸送 5000kmの場合が 2445円／トン ると見積もられる。 ーc o，，輸送 I万 2000kmの場合に 6005円／トンー 7 0 0万トン程度の 当面年間約 7 さらに，多くの c o，地中隔離を実施するため には，大型の帯水層を探査・確保する必要があり， そのための地質構造調査や用地確保などの準備期 聞が長くなることも配慮する必要がある。 8 . C02地中隔離の経済性 近距離でパイプラインで輸送できる範囲で地中 2 2 c o，となる。合計して，輸送 500kmの場合に 7571 円／トン c o，，輸送 5000kmの場合が 8971円／ト o，，輸送 1万 2000kmの場合に 1万 2531円 ン ーc ／トンー c o ，となる。タンカー輸送の場合，液化の ためにパイプライン輸送に比してやや割高になる。 海外のコスト試算も大きなバラツキがあるが， 火力発電所の排ガスから c o，を回収するプロセ ECO INDUSTRY 3月号 文 献 スのコストや輸送コストに比較して，地中圧入の 部分のコストのほうがずっと安いという点で一致 している。また，コストについては海洋隔離と地 中隔離はあまり差がなく，ほぼ同等である。輸送 コストの比重が大きいので，距離が遠いとコスト が高くなる。また，液化のコストも大きく，エネ ルギーロスも大きし、。したがって，輸送距離と液 1 0）天然ガス鉱業会 ( 1 9 8 0）水溶性天然ガス総覧， 12 4 1 1 ) Koide, H . , e ta l .( 1 9 9 2 ) Energy C o n v e r s . Mgmt, 3 3 ,6 1 96 2 6 1 2）田崎義行，小出仁 ( 1 9 9 3）ベトロテック， 1 6 ,1 0 8 1 1 2 化しなければならなし、か否かによってコストが大 1 3）エンジニアリング振興協会 ( 1 9 9 4）平成 5年 度 報 きく変わる。そのため，パイプライン輸送ができ， 告書， p .2 8 3 1 4）エネルギー総合工学研究所 ( 1 9 9 3）平成 4年 度 調 液化の必要がない c o，発生源から近距離の地中 隔離のコストがもっとも安くなり，エネルギーロ スも小さい。 Vol.5 No.3 2 0 0 0 査報告書， NEDO, p.1 9 8 （以下次号） 23 , . ..••. Z： 罷 ECO••，’四国h E n g i n e e r i n g 、~v C02地中隔離技術（ 3 ) 小出仁＊ 9 . C02地中隔離の実績 れによりノルウェーの C02排出量を 3 %削減し ている。スレイプナー西ガス田から生産される天 地中には大量の炭酸ガスが天然、に存在してし、る。 然、ガス中に 9 %含まれる C02をアミン吸収法で たとえば，群馬県安中市の磯部ガス田は過去に炭 OOOmの砂岩帯水層に地 分離し，海底下の深度 l 酸ガスの生産を行っていたことで知られており， 中貯留している。このため，高さ 20mで 2 4 0ト 生産ガス中の 99%が C02であった 15〕。また，地 ンの吸収塔 2基を備えた重量 8 0 0 0トンの新プラッ 下水中にも C02は炭酸ガスや炭酸イオンあるい トフォームを設置した。ノルウェーでは C02lト は重炭酸イオンなどの形で含まれており，温泉や ンあたり 3 5 0クローネ（5 5米ドル程度〕の炭素 ミネラノレウォーターとして広く利用されている。 税がかけられているので，炭素税を払うより地中 天然ガス田や油田は，地層中の微細な空隙に数百 隔離するほうが経済的である。 万年∼数千万年の長期間にわたって揮発性成分を カナダのアルパータ州では，産出される天然ガ 貯蔵しており， C02を安全かっ長期的に隔離する ス中に不純物として含まれる H2Sと C02を含む ことが可能であるが，不浸透牲のキャップロック 酸性ガスを分離して，帯水層あるいは枯渇油ガス をもっている構造性帯水層についても同様のこと 層に再圧入するプロジェクトが， がいえる。実際に，欧米では天然ガスの地下貯蔵 1 2件以上進められている九たとえば， 8 9年以来 に帯水層が用いられており，米国ガス協会による 深度 1231mの枯渇油層 Acheson層に H2Sが 15% この数年間で と1 9 7 6年の米国における天然ガス地下貯蔵量の とC02が 83%の廃ガスを圧入している。また， うち，約 22%が帯水層に貯蔵されている。 9 4年から，深度 1427mの Provost帯水層に日2 8 C02地中貯留のアイデアは古いが，本格的な技 が 9 %と C02が 91%の廃ガスを，深度 2865mの 術的検討が行われるようになったのは最近である。 Pembina帯水層に H2Sが 68%とC02が 31%の廃 9 2年の第 1回二酸化炭素除去 (ICCDR）国際会 ガスを地中圧入している。 議以後，急速に世界的に検討されるようになり， C02隔離を目的として行われたのではないが， もっとも実用的な地球温暖化対策技術として評価 アメリカ合衆国の枯渇油田の中への C02の大規 されるようになった。 模な隔離は，石油の回収増進 (EOR）のために 9 6年 1 0月よりノルウェ一国営石油ガス会社で 。 ） 9 8年中ごろ すでに商業的に実施されている 16 0 0 あるスタットオイル社は北海の海底帯水層に 1 に純粋な C02およそ 6 0 0 0万m3/dayが，主に西 万トン／年規模の C02地中圧入を開始した九こ テキサスにおける 6 7の商業 EORプロジェクト * HitoshiKoide Vol. 5 No.4 2 0 0 0 通商産業省工業技術院地質調査所主任研究官 1 9 で地中注入されている。 C02 EORによりおよそ C02の廃ガスを精製して， l万 3 0 0 0 トン／ dayの 2万 4000 トン I day ( 1 8万バーレル／ day）の石油 C02を得る。 が増収され， 3 1 0 0万 m3/dayの C02が地中に隔 離されていると見積もられる。 1 0 . C02排出目標と地中貯留の役割 C02 EORに用いられた C02の大部分はコロ 日本の新鋭および大型火力発電所の排ガスから ラド介｜などの天然 C02ガス鉱床から産出したも C02を回収し，日本および周辺の帯水層に地中隔 のである。しかし，約 20%にあたる 5 0 0万 m3/ 離することを考えてみよう。 1 9 9 0年レベルの 6 % day以上は天然、ガス精製工場で分離回収された 相当の年間 6 8 0 0万トンの C02排出削減をすると C02であり，回収していなければ大気中に放出さ 8 0 0万 すれば，削減の効率を考慮すると，年間 7 れていたはずなので，その分人為的に C02排出 トンの C02排出をする火力発電所群から C02を を削減したと考えることができる。 0 0 0万トンの C02地中隔離を実 回収して，年間 7 近い将来に予定されている大規模計画としては， 施する必要がある。 7節で述べたように，日本お まずインドネシアのナツナ計画がある 17）。ナツナ 7 0 0万トンまでは地中 よび周辺の帯水層で年間 7 の巨大天然ガス田から産出される C02を多量に 0 0 0万トンの C02 隔離が十分可能である。年間 7 含む天然ガスから不要な C02を分離し，その c o 回収運搬貯留にかかる全コストは年 4 2 0 0億 をガス田の付近にあるさらにずっと巨大な帯水 ） C02は火力発電所の排カ 円程度である（表 4。 層に再圧入する計画である。 C02地中圧入計画は スから分離回収したものであるが，この削減費用 2 0 0 3年から，第 1フェーズでは年間 4000万トン を排出元の火力発電所のコストに上乗せすると 3 の規模で実施される予定である。ナツナでは将来 0%から 50%以上も排出元の火力発電所の発電コ は年間 l億トン程度の C02地中圧入が計画され ストが上昇することになる。しかし，日本全体の 7 0 0億トンもの C02地 中 貯 留 ており，単独で約 8 C02排出削減に貢献するので，排出元の発電所の が可能な巨大な帯水層構造が存在することが地質 みに削減コストを負担させるべきではない。もっ 2 構造調査で判明しているので，年間数億トン以上 と C02排出源全体に公平に負担させる方法を選 でも処理可能である。 lプラットフォームあたり ぶべきであろう。たとえば炭素税でまかなうとす でも 3 6 5 0万トン／年以上の C02を圧入できる。 2 0 0円程度の低率の炭 ると，炭素 1トンあたり 1 l a i n s 米国ノースダコタ州 Beulahにある GreatP 素税でまかなえる。日本の発電全体の平均では， 石炭ガス化工場の廃ガスから精製した 1万 3 000 1kWhの発電におおよそ炭素換算 1 0 7 gの C02排 トン／ dayの C02を ， 3300kmの ノ fイプラインを 2 0 0円の炭素 出があるから，炭素 1トンあたり 1 建設して，カナダのサスカチュワン州 Weyburn 税は，電気代としては lkWhあたり 1 3銭の増で 油田に運び， EORに用いる計画になっている 18 。 ） すむ。 この C02-EOR計画には 1 1億カナダドルを要す になる。 000バー るが，現在の Weyburn油田の日産 1万 8 0 0 8年には日産 3万バーレルに増産さ レルから 2 . 8円くらい ガソリン 1lあたりにすれば 0 1 1 . C02の海洋底下隔離 5年伸びる。油田 れるとともに，油田の寿命が 2 C02地中隔離の安全性をさらに高めるために， 5 0井で C02地中注入を行い，後 では，最初は 1 海洋底下の堆積層に地中隔離する技術が考えられ る19。 ） に6 0 0井以上に拡張する。 Great P l a i n s石炭ガス化工場は， 日量 1 万 8 0 0 0 トンの褐炭から，ルルギ法によって日産 3 4 5 図 9 (3月号 p . 1 6）からも明らかなように，深 海底では地中浅所でも比較的高圧かっ低温になっ 万 m3の合成天然ガス（ SNG）を生産している。 ーハイドレートを形 ているので，堆積層中で C02 合成ガスをメタノール洗浄したときに出た 96% 成すると考えられる。岩石層中でハイドレートが 2 0 ECO INDUSTRY 4月号 表 4 削減効果とコスト試算 ( 1 9 9 0年日本の c o，排出量 3億 700万トン C, 11億 2600万トン 1 9 9 0 年レベ！ 削減量 ルからの削 （炭素換算） 減率（%） 万トンー C 0 . 2 6 3 0 7 6 1 4 1 , 2 2 8 0 . 9 6 1 , 1 2 6 2 , 2 5 2 4 , 5 0 4 15 3 5 1 , 8 4 2 3 5 4 2、 5 , 6 3 0 6 ,7 5 6 8 , 6 3 0 実験 2 4 ; J 6 7 . 7 削減量 処理する火力発 c c o，換算） 電所 co，排出量 o , 万トンー c o , 万トンー c 発電量 （石炭火力） 1 . 1 億 kWh 0 . 1 4 1 6 5 . 4 3 3 0 . 8 6 6 1 . 5 8 2 6 . 9 9 9 2 . 3 12 6 7 . 4 1 . 3 0 5 2 , 6 1 0 5 , 2 1 9 6 , 5 2 4 78 2 9 1 0 , 0 0 0 c o , ) co，圧 コスト（年間） 入量（年間） 億円 万トンーc o , 地中 1 11 7 4 23 4 9 46 9 7 5 , 8 7 1 7 , 0 4 6 9 , 0 0 0 7 0 6 1 , 4 1 2 2 , 8 2 3 3 , 5 2 8 42 3 5 54 0 9 形成されると，きわめて効果的に流体の透過を妨 C02は海底に j 留まる傾向がある。海底に堆積して げるため， C02の漏洩を防ぐ効果が期待される 問もない未回結堆積物は，圧密されていないため 0 , 3月号 p 16）。寒冷地や海底下で地温勾 （ 図1 . l k g / l程度であることが多い。 密度が小さく， 1 配の低い堆積盆地は，貯蔵可能量も大きく，漏洩 したがって， 4000m以深の超深海では， C02に の恐れのない良好な隔離サイトとして期待される フライアッシュや粘土などを混入すれば容易に未 固結堆積物より見かけの密度を大きくすることが 深海底下の帯水層に圧入された C02は，地下 できる。 水に溶解し，海底近くに上昇してきても，低温で 深海底の未回結堆積物は極端に軟弱であるため， あるためにハイドレート化する。堆積層中でハイ 海面からパイプを投入すれば容易に数 m から数 ドレート化すると流体を透過しなくなり，自己封 十 m も貫入させることができる。貫入したノ fイ 入することになる。海水中に C02が溶け出しで プによって，フライアッシュなどで見かけ密度を もきわめてわずかずつゆっくりであるので， C02 重くした C02を，未固結堆積物の数十 m 下部に は海水にほぼ完全に溶解し，海上には漏洩しな L 。 、 圧入すれば， C02は重いため上昇せず，横ないし すなわち，地層と海水と二重に守られ，地中隔離 下方に広がる（図 16）。堆積物下の貫入体の表面 と海洋処分双方の安全機構を兼ね備え，さらにそ にはハイドレート膜が形成されるので，なかなか のうえハイドレートに守られる。また，地震など 海水に溶解しなし、。したがって，超深海底の未固 によりハイドレート層に亀裂ができるようなこと 結堆積物下に比較的容易かっ安全に隔離すること があっても，ハイドレート化によりすぐに修復さ ができる。超深海未固結堆積物下への C02圧入 れる。自己封入機構により，約 300m以深の深海 は，地中隔離の高度化技術として検討の価値があ 底下の堆積層では，地質構造に関わりなく隔離が ると思われる。 可能なので，隔離容量は事実上無限に大きいとみ 炭酸は弱酸であるが， C02を高圧下で多量に溶 ることができる。ただし，深海底下の堆積層への 解させると， pH3ないし 4程度の酸性になる。 隔離は，陸地や浅海底下の帯水層隔離に比較して 地中では岩石中の炭酸塩鉱物やケイ酸塩鉱物と中 コストが高 L、。このため，深海底下堆積層隔離は 和反応して，炭酸水素イオン化しやすい。炭酸水 次世代の技術として検討するべきであろう。 素イオンになると，安定かっ多量に溶解するが， C02は圧縮率が高いため， 3500m以上の超深 他方鉱物を溶解することにもなる。天然、現象とし 海では， C02は海水や C02飽和水より重くなる ても，大気中の C02が雨水に溶けて，地下水に （ 図 15）。このため，約 3500m以上の超深海では 入り込み，石灰岩を溶解させて鍾乳洞を作ること Vol.5 No.4 2000 2 1 D e n s i t y ( k g / l ) 0 . 9 1 1 . 1 液体 C02 1 . 2 0 100 ； 毎 水 5 10 一 一 C02 飽和水 15 20 2 5 . . , . rressure 30(MPa) 35 40 図 1 5 海水圧下での温度 3 0℃におけ るc o，.海水. co，飽和水の 45 500 s o 密度関係 図1 6 二酸化炭素超深海底凹地内 未固結堆積層貯留 が知られている。しかし，鍾乳洞はきわめて長期 にも観察されるように断層などの割れ目を炭酸塩 間に形成されるものである。 C02の溶解度から考 鉱物でふさぎ， C02の漏洩を防ぐ。このような えても，短期間に溶解させられるのは，岩体の重 C02の地中および海洋底下における挙動の研究は， 量のたかだか 1∼ 2 %程度であるので，地盤沈下 C02地中隔離の安全性高度化に必須である。 を引き起こす恐れは少な L、。また，当面，地中隔 離の対象となりそうな日本の第三紀堆積盆地中に は石灰岩などの炭酸塩岩は少ないので，炭酸塩岩 1 2 . C02圧入による未利用天然ガス 回収（ C02-EGR) の溶解が地盤沈下の原因になる恐れはあまりなし、。 K o i d eら2 0） は ， C02を地中圧入して，地盤沈下 しかし，隔離岩になりそうな砂岩層の中には，炭 を防止しつつ水溶性天然ヵースを回収する方法を提 酸塩鉱物が腰結物質になっているものがあり，腰 案した。また，凍土層・メタンハイドレート層中 結物質の溶解による強度低下についても研究する またはその下の地層に封じ込められているメタン 必要がある。 を C02地中圧入により追い出して回収するとと 天然、の地下水は弱アルカリ性であることが多い。 もに， C02ハイドレート化により凍土層・メタン C02を溶解した水も周囲の岩石と反応して中和さ ハイドレート層を強化する方法を提案した。 C02 れ，アルカリ性になると，炭酸イオンがカルシウ ハイドレートは， 300m程度より深部では氷やメ ムイオンなどと結びついて，炭酸カルシウムなど タンハイドレートより高温でも安定なため，地球 として沈澱し，固定化される。この反応は，天然 温暖化によっても溶けないので，封じ込められた 22 ECO INDUSTRY 4月 号 C02圧入↓ 図1 7 メタンハイドレート層・凍土層下への C02庄入によるメタン回収と C02ハイドレート化によるハイドレート層補強・安定化 メタンや C02を大気中に放出しない（図 1 7 )。こ のため，凍土層・メタンハイドレート層の C02 3億トンの C02地中隔離能力がある。 t aResearch C o u n c i lと米国エ カナダ、の Alb巴r ハイドレート化によって，懸念されている地球温 ネルギー省は， C02地中隔離技術を地球温暖化防 暖化の爆発的進行を防ぐことができる。 止の本命技術として位置づけ，気候変動技術イニ 炭田地域では炭層に吸着されたり，炭層付近に シアチブ（ C TI) における国際共同研究を行って メタンを主とする多量のガスが存在する。石炭層 いる。その最初のプロジェクトとして 9 7年から は内表面積が大きいために，通常の天然ガスのリ 0 0万ドルの C02地中圧入一炭層ガス回収 費用 4 ザーパー岩石の 6倍から 7倍のガスを貯蔵できる。 技術の実用化試験をカナダのアルパータ州 Fenn 米国のコールマインガス資源量は 2 0兆 m3以上 B i gV a l l e y地区で GulfCanada所有のガス井を であるが，経済的に回収可能な量は 2 . 8兆 m3以 使って実施する。 下である 16 。 〕 USGSによれば，世界のコールマイ 日本の炭層は，構造が複雑であるが，コールマ ンガス資源量は 2 1 2兆 m3とされる。アメリカ合 インガス（メタン）の量は比較的多いことが知ら 9 9 6年には 6 0 0 0以上のコールマインガ 衆国は， 1 れている。経済的に採掘の対象にならない炭層や 8 4億 m3のコールマインガ、ス ス生産井から年間 2 採掘跡の旧鉱でも，コールマインガスを採取でき を生産するまでになり，アメリカ合衆国天然ガス る可能性は大きし、。 2 0 1 0年ころには，温室効果 生産の 6 %を占めるに至った。 ガス排出削減のため火力発電所などから C02が 米国のニューメキシコ州 San Juan B a s i nで 大量に回収され，それを地中に隔離しなければな B u r l i n g t o nI n d u s t r i e sと Amoco社は世界最初の らなくなると予想される。そうなると， C02がき C02地中圧入によるコールマインガス増進回収法 わめて安く，あるいは隔離費負担付きで利用でき， (C02-ECGR，図 1 8）のパイロットテストを実施 コールマインガスを経済的に回収できるようにな 5∼ 100%生産を増加させることに ， し 3年間で 7 る 。 成功したヘ 9 6年以来 6 0 0 0万m3 （ 約1 2万トン） コールマインガス増進回収技術（ C02 ECGR, の C02を圧入したが， C02漏出（Breakt h r o u g h ) 図1 8）は，地球温暖化防止と未利用の非在来型天 はほとんどなかった。技術的かっ経済的に 然ガス資源の開発ができる一石二鳥の技術である f e a s i b l eであると結論された。 が，複雑な地質構造などわが国の特殊性も考慮し San JuanBasinでは， 3 7 0 0億 m3のメタンを C02 ECGRにより新たに回収でき，千立方フィー トあたり 0 . 5 ドルの C02供給代を払っても利益が あがるとしている。また， Uintaおよび Raton B a s i n sでも 8 5 0億 m3の ECBM生産能力があり， V o l . 5 N o . 42 0 0 0 た技術高度化を行う必要がある。 1 3 .地中メタン生成細菌によるメタン 再生 水溶性天然ガス，コールマインガス，メタンハ 23 日己 ピ／ Em 図1 8 c o，庄入によるコールマインガス増進回収の概念図 イドレートなどの地下の堆積層中に膨大な量のメ おくと，残存するメタン生成細菌の活動により， タン資源が世界的に存在する。これらの地下の比 C02がメタンに変換されうる O トラッフ。構造を伴 較的浅所に存在するメタンを主成分とする天然ガ う帯水層であれば，再生されたメタンは帯水層中 スの多くが，メタン生成細菌によって生成された に集積され，大気中に逃げなし、。このメタンを回 ことが，炭素同位体比の研究などから明らかにさ 収すれば，炭素リサイクルが実現する（図 1 9 ) 2 2 。 ） れている。最近，地下 lOOOm級の深部や海底下 また，化学合成独立栄養微生物は，地中で の玄武岩層からもメタン生成細菌の活動が報告さ を有機物に固定化する。 れている 21）。メタン生成細菌は古細菌の一種で， 酸素があると活動できない偏性嫌気性微生物であ c o , 生物による C02のリサイクルはこれまでも研 究されているが，従来はすべて光合成によるもの る 。 C02と水素からメタンを合成することにより で，変換の速度や効率に問題があった。地中微生 c o，を有機物 物によるメタン増殖技術は，光合成によらずに エネルギーを得る。太陽光なしで， に固定化する化学合成独立栄養生物である。高温・ C02を固定する嫌気性の微生物を利用する。化学 高圧・酸性といった極限環境に適応するので，無 合成による C02固定化は光合成より変換速度が 酸素の地下環境での活動に適している。地下の高 遅いが，地中隔離の聞に C02をメタンに変換す 温高圧下で活動する嫌気性微生物，特に古細菌は， るので，速度はあまり問題にならない。しかし， 大気中に酸素が充満する前の地球で活動していた 地下は通常は高温度なので， Meth αnobαc t e r i u m 原始生命に近く，科学的にも興味深い。 thermoautotrophicumや Methanococcusj a n n a - 水田土壌中でメタン生成細菌が活動し，大気中 s c h i iのような好熱性のメタン生成細菌が変換速 にメタンを放出することが，地球温暖化の要因の 度の点でも有望である。冬季にメタンの生成が停 ーっとされている。半地下式のメタン発酵槽は， まるのがメタン発酵槽の難点であったが，地下深 メタン生成細菌と有機物を分解する嫌気性微生物 部では温度はほぼ一定であるので，季節による問 の共生により有機廃棄物から効率的にメタンを発 題はない。 生，利用できる仕組みとして用いられている。天 メタン発酵槽の場合と同様に，有機物を分解し 然ガスを回収した後の帯水層に C02を隔離して て水素と C02を発生する嫌気性微生物との共生 2 4 ECO INDUSTRY 4月号 雇m:J 地中圧入 C O zモ一一燃焼←− c同 採 取 図1 9 C02-CH，地中リサイクル（地中微生物によるメタン鉱床再生） も活用できる。微生物を利用してガス化するので 成期の原始大気／海水環境に似た世界が地中にっ 環境にやさしいだけでなく，褐炭・亜炭・炭質物・ くり出される。 C02の固定に生命創成期の原始環 タール・その他有機物を広く利用できるので地中 境を利用できる可能性は大きく，今後の研究の進 の炭素資源を有効に活用できる。 展が期待される。 しかし，実際の地下深部の帯水層で，どの程度 地中徴生物により天然ガス鉱床が再生されれば， の速さと効率で C02がメタンに変換されるかが 真の炭素リサイクルや栽培鉱業が実現する可能性 問題である。類似現象である水田土壌からのメタ がある。しかし，地中におけるメタン再生により， ン発生は，温度・還元性・有機物の量や状態によ 採取できるほどにメタンが集積するには， もし成 り発生量は異なるが， lm2あたり 1日最大 l . 3 9 g 功したとしてもかなりの年数を要するであろう。 に達する場合がある。地下深部での水素の供給に いわば植林事業に匹敵する長期的視野が必要と思 鍵があり，有機物の嫌気性微生物による分解や地 われる。 熱（熱水一岩石反応）によりエネルギーが供給さ れる。したがって，地熱と化石太陽エネルギーを 利用していることになる。 1 4 . C02地中隔離技術の高度化 C02地中隔離技術は現状の技術レベルで十分実 地下深部の，酸素に欠乏し太陽光の入らない環 用段階に達していると考えられるが，安全性向上 境下で， C02を有機物に固定する嫌気性の化学栄 や未利用エネルギー資源回収などの付加価値を高 養独立合成微生物は，多数の種類が存在する（表 めるために，今後研究すべき課題は多い。 5）。日本の油田から， C02より石油成分になる 炭化水素を合成する嫌気性細菌が採取されたこと 特に，日本における実用化のために調査・研究 を急ぐべき主要な課題は，以下の 4項目である O は特に注目される 2 3 。 〕 C02を地中に圧入すると， ①地質データの収集 高温・高圧下で酸素に乏しく， C02に富む生命創 ② 地 中 で の C02挙動把握 Vol.5 No.4 2 0 0 0 2 5 表 5 二酸化炭素固定をする生物 光をエネルギー源とし，二酸化炭素を炭素源として利用する生物 。光合成独立栄養生物（ Photosyntheticautotroph) 好気性真核生物 ・植物（ p l a n t s ) ・（藍藻類・原核緑藻類以外の）藻類（ a l g a e )：緑藻類，紅藻類など 好気性真正細菌 ・シアノバクテリア（藍藻類） 嫌気性真正細菌 −緑色硫黄細菌， ・紅色硫黄細菌 ( 1 ) 無機化合物の酸化をエネルギ←源とし，二酸化炭素を炭素源として利用する生物 −化学合成独立栄養生物（ Chemoautotroph) 好気性真正細菌 ・一酸化炭素酸化菌， −硫黄酸化細菌， ・硝化細菌， −水素酸化細菌 ・鉄細菌， ・アンモニア酸化菌， ・マンガン酸化菌 好気性古細菌 −高度好塩古細菌， ・好熱好酸硫黄酸化古細菌 ( 2 ) （枠内は地下で c o，固定可能） 嫌気性真正細菌 ・酢酸生成菌 嫌気性古細菌 ・（硫黄依存）超好熱性古細菌 二酸化炭素呼吸をエネルギー源とする生物 a c t e r i a ．メタン生成古細菌 methaneb ・硫酸還元好熱性古細菌 Archαeoglobus ( 3 ) ③処理システムの最適化およびコスト低減 効利用できないことも考えられる。このため，地 ④ 周辺への環境影響評価およびその対策 中での C02挙動について検討を行う必要がある。 C02隔離可能量の試算や最適な C02圧 入 方 法 C02地中隔離を実施するにあたっては，効率よ を検討するためには，地質データの収集が不可欠 く C02を地中に処分し，隔離量を最大限にする である。これまでの地質調査は，主に油・ガス田 必要がある。地中に圧入された C02の挙動は，地 の調査を目的にしているため，今後は帯水層に焦 質特性・流体特性・圧入特性などによって支配さ 点を当てた調査が望まれる。 れるため，圧入井の個数および配置，圧入方法 地中に圧入された C02は岩石と化学反応して， （圧力・レート・パターン）などの圧入条件を最 隔離層に何らかの影響を与える可能性がある。た 適化する必要がある。また，隔離層内の圧力制御 とえば，化学反応により生成した物質が隔離層の のために，揚水井の有無など、についても検討する 空隙を埋めて流動を妨げるかもしれなし、。逆に， 必要がある。一方，非構造性帯水層に C02を処 岩石の一部を溶解することにより，隔離層内の流 分する場合，地層水に C02を溶解させる必要が 動性が向上する可能性もある。また，フィンガー あるが，この方法としては地上での溶解，チュー リング（地層の不均一性のために圧入流体が局所 ビング内における溶解，帯水層内における溶解な 的に浸透する現象）などにより，十分隔離層を有 どが考えられ，最適な溶解技術の確立が必要であ 2 6 ECO INDUSTRY 4月号 る。さらに，坑井を構成している金属材料やセメ ⑫ 地 震 時 の 帯 水 層 中 の C02の挙動と断層中 ントの劣化および、腐食についても考慮する必要が ある。 の移行の解明 ⑬ 安全性を向上させて環境への二次的な影響を最 小限にし， C02の流動状況の把握・キャップロッ クのシール健全性，地質構造自体の変形・地盤の 安定性などを観測するためのモニタリング技術を 確立する必要がある。 深海盆地堆積物中への C02の注入技術 ⑭ 地 中 微 生 物 に よ る C02固定， メタン再生 の研究 1 5 . おわりに 火力発電所などの排ガスから C02を回収して C02地中隔離の高度化技術として，寒冷地地中 地中隔離することにより，地球温暖化ガス京都会 隔離・深海底下地中隔離・超深海未固結堆積凹地 議（ COP3）で決められた程度の地球温暖化ガス 中隔離などの方法が提唱されている山九これら の排出削減を実現することは，技術的・経済的に の技術は，地中で C02ハイドレートが形成され 可能である。しかし，きわめて大規模な設備とコ 自己封入をするために，ほぼ完全に漏洩が防げる。 ストを要するので，本格実施には社会的合意が必 これにより安全性を高めるだけでなく，処理可能 要である。コスト削減や安全性向上にさらに努力 量を飛躍的に増大させるが，経済性などの問題が するべきであるし， C02の圧入に伴う天然ガス回 あり，今後の研究課題である。 収やメタン鉱床を再生させ，地中リサイクルを実 C02地中隔離を低コストあるいは大容量で安全 現することも視野に入れた研究開発が必要である。 かっ円滑に実施できるようにするために，重要と 考えられるやや詳細な技術高度化研究課題を示す。 ① 環境影響評価（小規模な現場実験を伴う） ② 全国的（周辺海底も含む）な地質構造調査 文 献 による隔離可能帯水層の探査 ③ 帯水層（特に塩水層）や閉塞構造などの地 質構造調査技術の高度化 ④ 圧入・処理システムの最適化とコスト低減 の技術開発 ⑤ C02圧入・溶解技術の高度化 ⑤ C02流動状況・シール健全性・地盤安定性 などのモニタリング技術開発（ AE観測，四 次元地震探査など） ⑦ C02と地下水・岩石との反応・地下の挙動 解明 ⑧ 帯水層中の C02の移動に関するシミュレー ションの高度化 ⑨ 耐腐食性材料開発 ⑩ 帯水層中の C02のハイドレート化の研究 ⑪ 海底ボーリング・パイプライン建設技術の 高度化 V o l . 5 No4 2 0 0 0 目 1 5）福田理 ( 1 9 7 3）日本鉱床誌「関東地方」，朝倉書店， 4 4 9 4 6 0 1 6 )S t e v e n s ,S . H . ,e tαl .( 1 9 9 9 ) Greenhouse Gαs C o n t r o lT e c h n o l o g i e s ,E l s e v i e r ,1 7 5 1 8 0 1 7）小出仁 ( 1 9 9 8）地球環境研究会資料，システム総合 4 研究所， p 1 1 8 )H a t t e n b a c h ,R .P . ,e tαl .( 1 9 9 9 ) Greenhouse GαsControlT e c h n o l o g i e s ,E l s e v i e r ,2 1 7 2 2 1 t αl .( 1 9 9 7 ) Energy C o n v e r s . 1 9 )K o i d e , H . , e 8 ,S u p p l . 2 5 3 2 5 8 Mgmt., 3 tαl .( 1 9 9 7 ) Energy-The I n t e r 2 0 )K o i d e ,H . ,e n αt i oη α JJournαl'2 2 ,2 7 9 2 8 3 . , & J . P . McKinley ( 1 9 9 5 ) 2 1 )S t e v e n s ,T .0 S c i e n c e ,2 7 0 ,4 5 0 4 5 4 2 2 )K o i d e , H.( 1 9 9 9 ) Greenhouse Gαs Control T e c h n o l o g i e s ,E l s e v i e r ,2 0 12 0 5 2 3）今中忠行，森川正章 ( 1 9 9 5）燃料及燃焼， 6 2 ,3 2 3 3 3 0 2 7 小出仁 H i t o s h iKo帥 早稲田大学客員教授 明）地球環境産業技術研究機構（略称 RITE）主席研究員 略歴 1962年東京大学工学部卒業、 1968年東京大学大学院博士 課程修了、工学博士。 1969年通商産業省工業技術院地質 調査所入所、地震物性課長、環境地質部長を歴任。 2000 年より現職。 専門：環境地質学、地球工学、岩石・地殻力学 受賞歴：エネルギ 資源学会劃立 20周年記念懸賞論文優秀賞、日本鉱山地質学会論文賞 著書：『地震と活断層の本』（国際地学協会） 火力発電所などの燃焼排ガスから C02を回収し、地下深部に貯留する技術の開発が＼世界中で進められている。 C02の 地下圧入を利用して、石炭層に吸着されているメタンやメタンハイドレート、水溶メタンを回収したり、超臨界C02iこ よ り深部石炭や重質油を抽出回収することも提案されている。地下の強い還元環境と最近続々と発見されている地中微生物 を利用すれば＼非光合成カーボンリサイクルにより、地球温暖化防止とエネルギー問題を同時に解決できる可能性もある。 1 . 地球温暖化防止技術 大規模緑化技術などがある。最小リグレット方策の技術 開発は盛んに行われているが、経済的メリットが少ない Eヨ‘大の温室効果ガス排出国である米国が離脱するな ため、実施はなかなか進んでいない。公的な支援策が期 珂又ど、京都議定書の批准が難航しているのは、社会 待される分野である。③温暖化特化方策とは、温暖化の 的・経済的負担が大きいためである。地球温暖化防止へ 緩和を唯一の目的とする方策で、温暖化を考慮しなけれ の国際的な取り組みが始まる意義は大きいが、京都議定 ば開発意義のない方策と言える。そのため実施例はごく 書は地球温暖化防止の第一歩にすぎない。地球温暖化は 少なく、固などによる研究開発も始まったばかりである。 化石燃料の大量消費の結果であるが、化石燃料は産業革 温暖化特化方策の典型が、火力発電所や製鉄・セメント 命以後の高度な工業社会発達の原動力であるだけに、そ などの大規模工場で化石燃料の燃焼によって排出される の消費抑制は容易ではない。生活スタイルを変えてエネ 廃ガスから、温室効果ガスである C02を回収し、海洋水に ルギー浪費を抑制する必要があるのは言うまでもない 溶解させたり（ C02 海洋隔離）、地下の枯渇油田やガス田、 が、温室効果ガス排出の少ないエネルギー利用技術に画 あるいは帯水層に貯留する（ C02地中貯留と総称する。 期的なブレークスルーがない限り、地球温暖化問題の根 帯水層貯留とも言う）技術である。 本的解決は難しい。 気候変動対策技術は、 ① ノーリグレット方策（ nor e g r e tmeasures 、 ） 2 . C02 地中貯留技術の世界的展開 ②最小リグレット方策（minimumr e g r e tmeasures 、 ） ③ 温暖化特化方策（ G Ws p e c i f i cmeasures) C02 海洋隔離や C02 地中貯留は、地球温暖化防止の切 に分けられる 1）。①ノーリグレツト方策とは、温暖化を り札と言われている。その理由は、世界中で排出される 考慮しなくても、経済的な観点から見て開発意義の高い C02を収容できる十分な収容能力があり、大量の C02 圧 方策で、その例として省エネルギー技術などがある。ノー 入が技術的にも可能なためである。また、化石燃料中心 リグレット方策は、すでに積極的に推進されている。② の現在のエネルギー供給体制をほとんど変えずに、即効 最小リグレット方策とは、温暖化を考慮しなくても、別 的かっ確実に温室効果ガスの排出を削減できるので、緊 の意味で長期的に開発意義のある方策で、その例として 急に大規模実施しでも社会・経済への影響が少ないという 来 畢 材 料 事 2巷 第 8号 I39 I 解説記事 6I C 0 2 : I 也中固定 地球温暖化防止とエネルギー問題の同時解決へ 火力発電所 二酸化炭素 分離回収 プラント 図 1 沿海底下構造性帯水層へのC02地中貯留 利点もある。しかし、地球温暖化防止だけを目的にしてい 研究されている。 るため、他のメリットがなく、安全性や環境への影響も十 C02地中貯留についても、 2000年度に経済産業省の 分検討されていないため、「切り札」とし寸言葉には、本 国家プロジェクトとして「二酸化炭素地中貯留技術研究 格実施には慎重であるべきだとし￥う意味も込められている。 開発」が開始され、地球環境産業技術研究機構（ RITE） と しかし、ノルウェーの国営石油会社 S t at o i l社で、は、 エンジニアリング振興協会（ ENAA）が中心となって技術 1996年から、北海の S l e i p n e rガス田で、海底下800mの砂 開発が進められている。 C02地中貯留技術とは、地下深 規模の C02 地中貯留を実施してい 質帯水層に年間 100万t 部の岩層にある微細な間隙（帯水層）に C02を圧入して浸 る2 ）。ガス田から産出される天然ガスに含まれる C02を 、 透させるもので、安全性が高く、環境への影響が小さい 天然ガス貯留層より浅い帯水層に貯留することにより、 ことから、実用化も近いと言われている。しかし、地中 C02の大気への排出を削減している。 S t at o i l 社によれば、 貯留はサイトへの依存d｜生が高く、適用地域の地質条件に ノルウェーでは炭素税が導入されているため、 C02 地中 よって、経済性、安全性、最適技術システムが大きく異 貯留によって温室効果ガスの排出を削減した方が、炭素 なってくる。好適な帯水層を C02の大規模発生源から近 税を払うより経済的にも有利とのことである。 い距離に発見することが、経済性の面から見ても安全性 C02海洋隔離技術が最も盛んに研究されているのは、 の面から見ても重要である（図 1。 ） C02 地中貯留に最適 日本である。経済産業省が 1997年から「二酸化炭素の海 な帯水層として当面想定されるのは、海岸から lOkmく 洋隔離に伴う環境影響予測技術研究開発」を実施してい らい沖で、海面から約 l,OOOm前後の深度にあり、十分 るほか、 日本を中心として米国、ノルウェー、カナダ、 な空隙率と浸透性と有効層厚を有する地層である。地層 海洋隔 オーストラリア、および民間組織も加わった C02 上部が連続性のよい難浸透性の岩層などで覆われ、十分 離に関する国際共同研究が、国際エネルギー機関 (IEA) な期間 C02を大気から隔離できる地質構造が望ましい。 の気候変動技術イニシアチブ（ ClimateTechnology 塩水化のため水資源として利用できない沿海地域の帯水 I n i t i a t i v e :C T I )の枠組みの下で行われている。国際的 層の有効利用にもなる。 に海洋環境保全への関心が高まっており、原則として廃 近海の地中帯水層への C02 貯留技術は、最も可能性が 棄物の海洋投棄もなるべく禁止される方向にあるため、 高いと思われるが、技術をより最適化し、経済性を向上 C02を海洋に投入することによる環境への影響が慎重に させ、長期安全性を確認する必要がある。そのためには、 40 I Expec七ed M s七erislsfor乞 he Fu乞 ure V o l . 2No.日 地中での C02の挙動を解明して地中貯留技術の科学的基 i lR e c o v e r γ）である。 原油増進回収（ EOR:Enhanced O 盤を確立すると共に、実際的データに基づいて技術シス 原油増進回収技術とは、枯渇しかけて原油が出にくくなっ テムを構想し、環境への影響、安全性、全体的な経済性、 た油層に温水やガスを圧入し、岩石の細かい間隙に潜ん 総合的環境負荷、社会的合意の形成について検討しなく 、 でいる原油を押し出して回収する技術で、ある。 C02は てはならない。日本列島は地震が多く、活断層も密に分 原油に溶解してその粘度を低下させるため回収効果が高 布しているので、大規模な地中貯留を実施するには、地 いので、米国の油田ではよく使われている。 C02を使っ 震と活断層の評価も必要で、ある。地震時、あるいは断層 た原油増進回収（ C02-EOR）の目的は原油生産であるが、 からの長期の C02漏洩や、地中への流体圧入に伴う流体 油層に C02iJ1かなり残るので、温室効果ガス排出の削減 破砕と誘発地震について、十分検討する必要があり、安 にも貢献しうる。米国テキサス州の油田では、 1998年 全性に関しては外国以上に慎重で、なくてはならない。 ,100万m3／日の C02地中圧入を行なっているが、 には 3 C02 地中貯留の研究は、海外でも盛んに行われている 3 。 ） その C02のほとんどはコロラド州の天然 C02ガス鉱床か ヨーロッパで、は、 1996年まで実施された JOULE E研究 ら採取したものなので、温室効果ガス排出の削減にはあ で、ヨーロッパ北西部の地下には EUの全発電所の 800 以上は天然ガ まり貢献していない。しかし、年間360万t 年分の排出量に当たる 8,000億t の貯留容量があると見積 ス精製工場で分離回収されたものを使っているので、こ 各国の地質調査所が参加して GESTCOプ もっており、 EU の分は C02排 出の削減に貢献している。 ログラムが開始されたほか、安全性を検討する NASCENT i 、 C02を市場価 テキサスの油田などで、の C02EORは プロジェクトやヨーロッパ諸国の研究開発のネットワー 格で購入して使っても利益が出ているので、地球温暖化 クを作る C02NET計画もスタートした。また、カナダの 防止技術として見れば、ノーリグレット方策と言える。 ワイパーン油田では、大規模な C02圧入による原油増進 だが、「＋古渇油田」の多くでは、地下深部の岩層中の微細 回収（ C02-EOR）を実施し、これを利用してワイパーン が残されてい な空隙に原油が含浸されて、まだ半分以 k C02モニタリング計画という国際共同研究が実施されて る。温室効果ガス削減の推進政策が採られ、 C02の貯留 いる。オーストラリアでも C02地中貯留に適した帯水層 に若干のプレミアが提供されれば、こうした多くの「枯 を探すための堆積盆地の調査が、 GEODISC計画という 渇油田」で原油増進回収が実施できるであろう。その場 研究プロジェクトによって行われている。 合の C02EORは、最小リグレツト方策と言える。 米国エネルギー省（ DOE）では Bush政権の方針を受け 米国では石炭層に吸着されているメタン、すなわち炭 て、カーボン固定技術を最重要課題とし、化石燃料の燃 層メタンの回収が大規模に実施されており、重要な天然 焼による廃ガスから C02を回収して地中貯留する技術を ガス資源になっている。ニューメキシコ州サンファン盆 （ 4ヵ国にまたがる）と共同で開発す エネルギー企業 9社 地で C02地中圧入による炭層メタン増進回収法（ COr るなど、民間、国立研究所、大学を動員した多様な研究 ECBM）のパイロットテストが実施され、 3年間で生産 計画が次々と立ち上げられている。米国のカーボン固 ） 1996年以来 量の 75∼100%増加に成功している 4。 定は、 C02の燃焼廃ガスからの回収と貯蔵（海洋貯留、地 6,000万m3（ 約 12万t ） の C02が圧入されたが、採取井側 中貯留）、および土壌処理、鉱物処理に加えて、森林や藻 からの漏出はほとんどなかった。 類による大気からの C02固定までを含む広い概念である。 石炭層およびその周辺の地層に多量のメタンガスが埋 蔵されていることはよく知られている。しかし、メタン は石炭の微細な空隙に吸着されているため、その採取は 3 . C02 炭層固定一メタン回収と 容易ではない。石炭層の坑道掘進現場や採掘切羽からの C02 EOR（原油増進回収法） ガス突出は、しばしば大事故の原因になる。ガスの多い 炭鉱ではガス抜きボーリングが行われるが、ガスを完全 C02地中貯留や C02海洋隔離は、「温暖化特化方策」の に抜くのは難しい。しかし、 C02はメタンよりも石炭に 典型、つまり地球温暖化防止以外の利益をもたらさない 吸着されやすいので、 C02を石炭層に圧入すると、石炭 技術とされている。しかし、 C02 地中貯留技術の原型は、 中のメタンを追い出して、代わりに C02が石炭に吸着さ 未 来 材 料 第 2巻 第 8号 I 4 1 1 解説記事 6I C02 地中固定 地球温暖化防止と工ネルギー問題の同時解決へ 抗道・採掘跡空洞 ボーリング干し ヘヘヘ 炭層ガス生産 メタン ヘヘヘ ヘヘヘ− ＼ 深部炭層 図 2 C02圧入による炭層メタンの置換回収（ C02 ECBM) れる。そのため、 C02は漏洩することなく、効果的に地 日本の石炭層は、構造が複雑であるが、炭層メタンの 中固定される。石炭層は内表面積が大きいため、通常の 含有量は多いことが知られている。経済的に採掘対象に 天然ガス貯留岩の 6∼7倍のガスを貯蔵できる。しかも ならない深部の石炭層や採掘跡の旧鉱でも、炭層メタン 石炭層は、脱着されるメタンの 2倍の分子量の C02を吸 を採取できる可能性は大きい。また、褐炭、亜炭、泥炭 着するので、 C02の貯留能力はさらに高くなる（図 2。 ） などの低品位炭も利用できる。山口、山崎 5）は、日本の ニューメキシコ州の COrECBM パイロットテストで 石炭の可採埋蔵量分だけを見ても、炭層メタン資源量は は、コロラド州にある天然C02 貯留層から採取した C02 少なくとも 2 ,540 億 m3あり、石炭はメタンの 2倍の C02 を、テキサス州の C02EORサイトまで圧送する C02 パ を吸収できるので、約 5 ,000億 m3（ 約1 0億 t ） の C02が固 イプラインから途中分岐して、サンファン盆地のテスト 定できると見積もっている。不可採埋蔵量が採掘可能埋 現場に供給している。サンファン盆地では、 l , 0 0 0 f t 3当 蔵量の約 1 0倍あるとすると、不可採とされている深部 たり 0 . 5ドルの C02｛共産合代を払っても、 C02ECBMによっ などの石炭層も利用すれば、約 5兆 m3（ 約 100億 t） の 億 m3のメタンが商業的に回収できる 4 。 ） て新たに 3,700 C02が圧入で、き、約 2 . 5兆 m3の炭層メタンが回収できる つまりこの場合の C02-ECBMはノーリグレット方策と と推定される。 して実施される。 米国のパイロットテストの成功を受けて、 C02 炭層固 C02が無料で、供給されれば、 C02-ECBMによって利 定とそれを利用したメタン回収に関する技術開発が盛ん 80億 tもの C02固 益が出る世界中の石炭層を考えると、 1 に行われている。カナダのアルパータ州では、米国、英 定が可能なのである 4）。さらに、 C02の固定費用として 国、オーストラリア、オランダなどの政府機関に加え、 1t 当たり 50ドルの補助が出れば、世界中で 600 億t もの 多数の企業も参加して、 C02ECBMの現場実証試験や C02を石炭層に固定できる。すなわち、温室効果ガス排 モニタリング、シミュレータの開発などの国際共同研究 出の削減を目的とした削減費用が別途支給されれば、大 が進行中である（ ARC-C02-ECBMRフ。ロジェクト）。ま 量の C02固定と未利用天然ガス資源の回収も可能になる た、ヨーロッパでーは、オランダ地質調査所（TNO-NITG) ので、 C02ECBMは最小リグレット方策として活用で が中心になって、ポーランドの石炭層で℃02 炭層固定の きるのである。 実証実験が行われ、地質モデル、モニタリング、シミュ 42 I Expected Mate門 alsfor七he Fu七ure V o l . 2No.8 レーション、室内実験も実施されている（ RECOPOLプロ C02圧入 ジェクト）。日本でも 2001年5月に、側）石炭エネルギー 4 t CH.回収 センター (JCOAL）を中心に 20の企業、機関が参加して 「C 02炭層固定研究会」が発足しており、カナダとポーラ ンドで実施されている上記の国際共同研究にも参加して いる。さらに 2002年には経済産業省による C02炭層固 定技術開発の国家プロジェクトが開始される。 北海道の赤平炭鉱は 1994年2月に閉山し、坑口はすで に密閉されているが、 1996年5月からの 3年間に 3,879 図 3 C02ハイドレート天盤形成によるメタンハイドレートと 深部メタンの置換回収 万m3のメタンガスが湧出した。その後ガス湧出量はし だし〉に減衰しているが、 1999年4月時点、でも毎分 l 7 .lm3 暖化の伏兵である。 C02固定と天然ガス採取を組み合わ が湧出している。そこで、湧出量の少ない l本の立坑か せた C02EGRは、地球温暖化防止とエネルギー資源獲 らC02を注入して、他の立坑からメタンを回収し、その 得を同時に実現する一石二鳥の技術として期待が高まっ メタンを使ってマイクロガスタービン発電を行なってお ている。 り、排ガスは立坑に注入して、ゼ、ロエミッション発電を 石炭層周辺の地層には有機物が多いので、地中微生物 実現している。このような旧炭鉱を利用した C02-ECBM にとって活動しやすい場である。 C02を有機物に変換で、 は、規模は小さいながらも地球温暖化防止と未利用の非 きる生物には多くの種類があるが、地下深部で、 C02を有 在来型天然ガス資源開発を同時に実現しており、今後の 機物に固定できる生物は、嫌気性化学合成独立栄養微生 進展が期待される。日本では、全ての炭鉱がすでに商業 物である。最近、 l,OOOm以上の地下深部の玄武岩層で、 生産をやめているが、採掘コストが高いなどの経済的理 メタン生成菌の活動が報告されている 8）。メタン生成菌 由で閉山したものが多く、未採掘の石炭が多量に残って は、深部の玄武岩層で熱水と玄武岩とが反応してできた いる。また、従来の坑内採炭方式では採掘が困難だった 水素と、地下深部由来の C02からメタンを合成し、エネ l,200mより深い石炭層は探査もされていない。日本近 ルギーを得て生きていると考えられる（図 4。 ） 海の海底下にも石炭層が広範に分布していると推定され 空気中に遊離酸素が豊富に存在する酸化環境にある地 る 。 C02-ECBMは深部石炭層にも適用できるので、そ 表では、 C02が炭素化合物の終局的な形態で、あり、メタ のために深部石炭層を探索する必要がある。 ンを酸化して C02に変換することでエネルギーが得られ る。しかし、無酸素の還元環境にある地下深部では、メ タンが炭素化合物の終局的形態であり、 C02をメタンに 4 . 未来に向けて 変換することでエネルギーが得られる。そのため、地下 深部の還元環境を上手に使えば、メタン生成菌など嫌気 小出は、化石水を含む帯水層 l こC02を圧入して溶解さ 。 ） せ、水溶性天然ガスを回収する技術を提案している 6 性地中微生物の活動により、非光合成カーボンリサイク ルが実現する（図 5)9 。 ） さらに、メタンハイドレート層やその下のフリーガス層 一般に地下深部では反応速度が遅いので、 C02からメ にC02を圧入してガスを採取する技術も提案している タンへの変換も遅いことが予想される。しかし、強力な )7）。地中に C02を圧入して、包蔵されているメタ （ 図3 還元剤や触媒になる鉱物が存在すれば、変換が促進され、 ンなどの天然ガスを回収する技術を、 C02−ガス増進回 無機的な化学反応によるカーボンリサイクルが実現する 収法（ EGR）と総称する。メタンは地殻中に、従来考えら 可能性がある 10）。地殻ガスサイクルに有利な岩体の候 れていた以上に広範に含有されていることがわかってき 補としては、蛇紋岩、かんらん岩、玄武岩などが考えら た。しかし、その多くは地下水中などに希薄に含まれて れる。地中微生物にも強力な還元反応促進機能を持つも いるため、採取は経済的に困難である。メタンは C02の のが存在する。地中微生物の持つ酵素は、地下深部の高 約20倍も温室効果が高いので、地下浅所のメタンは温 温・高圧下でも強力な触媒作用を持つ。地熱と無機的な 来 構 材 料 第2 巻第s l l - I43 1 解説記事 6 IC02地中固定 地球温暖化防止とエネルギー問題の同時解決へ 地中圧入 C02 4 五福亙1 一一一燃焼 4 一 一 一 一 CH4 採取 天然： 再生 再生CH4 直面 一 一 一 一 川豊性水i C02 一 一 一 一 − - i メタン生成菌. I . . . ， ト 一 一 一 一 一 − … 一 一 一 一 一 一 H2 同証副首1 有 機 物 ／E ー 通 事 日 耐 図 4 帯水層中のメタン生成菌などの嫌気性微生物による非光合成カーボンリサイクル 下の膨大な微生物活動圏の存在も指摘している 11）。地 太陽エネルギー 光合成カーボンリサイクル 地表の広大な面積を専有 他の用途と競合 下には、多種多様な C02固定経路を持つ様々な非光合成 光合成生物 微生物が存在する 12）。地中微生物は、地下深部で無機 シアノ J＼クテリアなど のC02からメタンや酢酸など様々な有機物を生成する。 植物 C02固定のエネルギー源は、直接的には水素である。水 事 竺 素は、鉄などの岩石中の還元剤と熱水との無機的反応に よっても発生しうるが、岩石中に化石有機物が含まれて いれば、地中微生物も嫌気発酵によって水素を生産する。 地中微生物による C02固定メタン・有機物生成の量は、 非光合成カーボンリサイフル 来事j 周の地下の広大主空間を 利用できる 全地球規模で見れば膨大なものになるだろう。 水溶性天然ガス、コールマインガス、メタンハイドレー トなど、メタンを主成分とする、比較的浅所にある天然 図 5 地下の還元性を利用する非光合成カーボンリサイクル ガスの多くが、メタン生成菌によって生成されたことが、 非光 炭素同位体比の研究などから明らかになっている。石炭 合成カーボンリサイクルの弱点である変換速度もかなり 層周辺の地層には有機物が多く含まれており、メタン発 改善される可能性がある。地下には広大な空間があり、 酵の起こる条件が整っているので、石炭層付近に豊富に また地球環境という長期の問題に関わることなので、変 見出されるメタンも、メタン生成菌によるものなのである。 換速度は必ず、しも重要でないことも指摘しておきたい。 C02 ECBMによりメタンを置換して石炭層に吸着され 触媒、微生物の酵素により変換が促進されれば、 天然ガスや石油の無機起源説で有名なゴールドは、地 44 IE xpec回 es i sf o r七h eF u℃u r eV o l . 2N o .日 d Ma 七 門 たC02が、メタン生成菌によって再びメタンに変換され れば、地殻カーボンサイクルが実現する。 C02と地中微 ③ 石炭や枯渇油田の残存石油、オイルシエールなどの 生物の利用により、地下深部の石炭、低品位の炭質物、 抽出・ガス化回収が、超臨界C02の地中圧入によっ 採取困難な深部の重質油、タールサンドやオイルシエー て実現する。 ルなども回収できるようになるかもしれない。 C02地中固定は、従来は典型的な温暖化特化方策と考 えられていたが、未利用天然ガスの回収に利用でき、さ ④ 地下の還元環境を利用して、天然の触媒や地中微生 物による C02−メタン変換や固定が行われ、非光合 成カーボンリサイクルが実現する。 らに非光合成カーボンリサイクルによりエネルギー資源 再生の可能性も持つ、新しい最小リグレット方策に発展 しつつある。 要約すれば、生命創成期の原始環境に近い地中環境を 利用して、 最後に、問題点と将来展望の要点をまとめると、以下 のようになる。 C02固定とメタンや石油の再生を実現し、地 球温暖化問題とエネルギー問題を同時に解決するのが、 将来の夢である。 ( 1）問題点 ① 通 常 の C02地中貯留や C02海洋隔離は、地球温暖化 防止以外にメリットがない。地球温暖化防止のため の特別な施策がなければ、経済的なモチベーション 1）茅 陽−.： RITEの研究とその今後の方向， h t t p : / / w w w . r i t e . o r . j p / ( 2 0 0 1 ) 日,A I .Kaddour EnergyConvers.Mgmt.,366 / 9 ,509( 1 9 9 5 ) . 2) R . K o r b がない。 目 ②地下には未知の部分が多く、 C02地中貯留の安全性 や環境影響についても研究され始めたばかりである。 ③ 引用・参考文献） 日本は先進工業国の中で突出して地震活動の活発な 国であるため、地震や活断層に対する C02地中貯留 の安全性を独自に研究する必要がある。 3）赤井誠日本工ネルギー学会誌， 8 0 ,828( 2 0 0 1 ) 4) Stevens, S . H . ,e ta l . :GreenhouseGasC o n t r o lTechnolog1es, E l s e v i e r ,175( 1 9 9 9 目） 5）山口伸次，山崎豊彦第 1 2回エネルギ シンポジウム， 1( 1 9 9 9 ) . 6）小出仁地球温暖化問題ハンドブック，アイピ シ， 345(1989 目 ） 7) H.Koide .GreenhouseGasC o n t r o lTech「 1 o l o g i e s ,E l s e v i e r ,345 ( 1 9 9 9 ) ( 2 ）将来展望 7 0 ,450( 1 9 9 5 ) . 8) T . 0 . S t e v e n s ,J . P . M c K i n l e y Science,2 ① 従 来 の C02地中貯留から、地殻岩石との結合性を高 9) H . K o i d e ,K.Yamazaki EnvironmentalGeosciences,8 ,218( 2 0 0 1) . ② めて安定にした C02地中固定へと、技術開発が進む。 1 0）乾智行．月刊工コインダストリー， 7 ,5( 2 0 0 2 ) C02地中圧入を利用して、炭層メタンやメタンハイ 1 1）ト ドレート、水溶性メタンなどが回収される。 マスコールドー未知なる地底高熱生物園，大月書店， 250( 2 0 0 0 ) . ,6 1( 2 0 0 2 ) . 1 2）今中忠行，跡見晴幸：月刊エコインダストリー， 7 用語解説 ［隔離］ i s o l a t i o n。廃棄物在大気圏や生物園から遮断すること。海洋隔離と地中隔離がある。処分とほぼ同義。 ［地中貯留］ undergrounds e q u e s t r a t i o n。地中貯蔵（ undergrounds t o r a g e。将来再び取り出して利用することを前提に地下空間などに一時保管すること）と 地中処分（ undergroundd i s p o s a l。廃棄物として地下に永久に埋設すること。原則として再取り出しはしない）の中間の意昧。再取り出しの可能性を一部残 して、地下に貯留すること。 [JOULEI l］ヨ 口ッパで実施されていた非原子力工ネルギー共同研究開発プログラムの名称。 [GESTCO］ヨーロッパの C02 地中貯留能力を研究するプログラム「 EuropeanP o t e n t i a lf o rG e o l o g i cS t o r a g eo fC02f r o mF o s s i lF u e lCombustion」の略称。 [NASCENT 】地中に天然にある C021 留まりを研究するヨーロッパの共同研究「 N a t u r a lAnaloguesf o rt h eS t o r a g eo fC02i nt h eG e o l o g i c a lE n v i r o円mentJの 略称。 [GEODISC］オーストラリアの C02 地中貯留研究計画「G e o l o g i c a lD i s p o s a lo fCarbonD i o x i d e」の略称。 ［炭層メタン｝メタンガスが石炭に多量に吸着されたもので、炭鉱事故の原因になる迷惑物であったが、最近は天然ガス資源として見直されている。 ［地中固定］ undergroundf i x a t i o n。石炭層や岩石に吸着させたり、ハイドレート化したり、化学反応や微生物の働きにより地中に安定に隔離すること。 来 来 材 料 第 2巻 第 8号 I 45 I 1 Hitoshi Koide (2003) Carbon rec ycling by subsurface mic robial methanoge nesis, IGA Lette rs, No.4, p. 26-34 [小 小出 仁 (2003)地 地 中 メ タン 生 成古 細菌 に よる カー ボン・リ サ イク ル の 提 案、 地 圏長 期評 価研 究 協会 会報 、 第 4号 号 ,p26-34] 地 圏 長期 評価 研究 協会 会報 , 2003 年 1 月 地中メタン生成古細菌による カーボン・リサイクルの提案 Carbon recycling by subsurface microbial methanogenesis 早 稲 田大 学 /（ 財 ）地 球環 境 産業 技 術研 究機 構 小出 仁 Waseda University / Research Institute of Innovative Technology for the Earth Hitoshi Koide ABSTRACT: There is an enormous amount of methane in subsurface formations in the world. Most of the natural gas resources, however, is hardly economically recoverable as the methane is adsorbed in coal seams, trapped in hydrate clathrate or dissolved in saline groundwater. Shallow accumulation of methane is even a hidden threat of explosive global warming. Enhanced gas recovery by subsurface CO 2 injection (CO 2-EGR) is a practicable solution for the greenhouse gas control with efficient use of potential energy resources. Extremely light isotopic compositions of carbon in methane suggest that methanogens formed many subsurface accumulations of methane-rich natural gas in the world. Chemolithotrophic methanogens, that belong to Archaea, form methane from CO2 and gain energy without sunlight in anoxic circumstances. Methanogens are often blamed for greenhouse gas emission as they produce methane in bowels of cows and termites and in rice paddy. However, reapplication of CO 2 -EGR for subsurface biogenic methane that is converted from disposed CO2 makes the carbon recycling possible. Subsurface ecosystem is somewhat similar to archaic ecosystem that is 2 adapted to anoxic CO 2 -rich atmosphere under high pressure and temperature. Bionic methanogenesis is active even in deep basaltic aquifers. Subsurface biogeochemical carbon recycling may realize greenhouse gas control with restoration of energy resources. １． は じ めに 将 来 、20 世 紀 は「 石油 バブ ルの 世紀 」と して 記 憶さ れる こと にな るで あろ う。 20 世 紀 初 頭 に 石 油 を 燃 料 と し て 実 現 し た 航 空 機 や 自 動 車 の 発 達 に よ る 交 通 革 命 が 世界 を 小 さく し、さら に石 油化 学の 発達 な ど産 業技 術の 爆発 的発 展を 石油 が支 えた 。しか し 、その 一方 で便 利な 石 油資 源の 浪費 と環 境問 題と いう 負の 遺産 を残 した こ との 方が 後 世 の人 類へ の影 響が 大き い。20 世 紀に 続く 21 世 紀は 、石 油資 源の 枯渇 と 地球 環境 問 題 によ り「 バブ ル崩 壊の 世紀 」に な る恐 れが ある 。破 局を 避け るた めに 、省エ ネル ギ ー や代 替エ ネル ギー 開発 など 数多 くの 努力 が進 め られ てい る。しか し、石 油は 日本 の エ ネル ギー 消費 の 55%、世 界の 39%を 占め てい る中 心の エネ ルギ ー源 (1996 年 ) 1) で あ る だけ に、 抜本 的な 改善 は難 しい 。 様 々 な廃 棄物 問題 が深 刻に なっ てい るこ とか ら、リサ イク ルに よっ てゴ ミの 量を 減 ら す 努力 がい ろい ろな 分野 でな され てい る。化石 燃料 の燃 焼に よっ て排 出さ れる CO 2 も リ サイ クル する こと が出 来れ ば 、温 室効 果ガ ス排 出削 減の 決め 手に なる と 期待 され る 。しか し、炭化 水素 から なる 化石 燃 料を カー ボン・リ サイ クル すれ ば、化 石燃 料の 内 蔵 す る エ ネ ル ギ ー の う ち 炭 素 の 担 っ て い る 分 の エ ネ ル ギ ー は 理 論 的 に は 利 用 出来 な い こと にな る。ほと んど 炭素 から な る石 炭の 場合 は、リサ イク ルす れば エ ネル ギー 源 と して は利 用し てい ない こと にな る 。し たが って 、カー ボン・リサ イク ル を実 現す る に は 、化 石燃 料以 外の エネ ルギ ー源 を利 用す る必 要が あ る。例 えば 、太 陽 電池 や水 力 発 電に より 得た 電気 で水 を電 解し て水 素を 製造 し、水素 によ って CO 2 も を 化学 的に 2) 還 元 して、メタ ンや メタ ノー ルを 再 生産 する 。ある いは、微細 藻類 等に よ る光 合成 3) で 有 機物 や水 素を 生産 する 生物 的固 定・有効 利用 す る方 法が 研究 され てい る 。これ ら の カー ボン・リ サイ ク ルの 多く は、根本 的に は 太陽 エネ ルギ ーを 利用 して いる ため 、 広 い 面積 の地 表あ るい は水 面を 必要 とし 、他 の土 地 利用 や水 面利 用と 競合 しや す い 。 3 そ こ で太 陽光 を必 要と しな い、地中 嫌気 性化 学合 成独 立栄 養微 生物 生態 系を 活用 し た 、 地表 面や 水面 を用 いな い新 しい 生物 的カ ーボ ン ・リ サイ クル の方 法を 提案 す る 。 2. CO 2 地 中 圧 入 と未 利用 天然 ガス 回 収 1996 年 から ノル ウェ ーで CO 2 地 中 貯留 の実 操業 が開 始さ れた 4) 。 また、 米 国な どの 産 油 国で は原 油増 進回 収の ため に CO 2 を 地中 に大 規模 に圧 入し てい る。CO 2 地 中 貯留 は 既 に実 用技 術に なっ てい ると 言え る 。し かし 、新し い技 術で あ るだ けに 、地中 にお け る CO 2 の 挙 動が よく 判 って いな いな ど、 重要 な研 究開 発課 題が 多く 残さ れ てい る。 安 全 性を 高め、効率 を高 め、コ スト を低 下 させ、さら に貯 留だ けで はな い CO 2 地 中圧 入 に よる 積極 的な 利益 を高 めよ うと する 研究 が開 始 され てい る。 Koide ら ５ ) は 、 CO 2 を 地中 圧入 して 、地 盤沈 下を 防止 しつ つ水 溶性 天然 ガ スを 回収 す る 方 法を 提案 し た（ 図 １）。 また 、 凍土 層・ メ タン ハ イド レ ート 層の 下 の帯 水 層に CO 2 を 圧 入 して 、凍 土層・メ タン ハイ ドレ ート 層の 直下 の岩 層中 に溜 まっ て いる フリ ー ガ スを 回収 する 。凍 土層・メタ ン ハイ ドレ ート 層の 下に は圧 入し た CO 2 が 溜ま るた め 、 メ タ ン ハ イ ド レ ー ト 中 の メ タ ン を 一 部 置 換 し つ つ 、 メ タ ン ハ イ ド レ ー ト の 下に CO 2 ハ イ ド レ ート 層を 形成 する 。 CO 2 ハ イド レ ート は、 地下 300m 程 度よ り 深部 では 4 氷 や メタ ンハ イド レー トよ り高 温で も安 定な ため 、地球 温暖 化に よっ ても 解 けな いの で 、 封じ 込め られ たメ タン や CO 2 を大 気中 に放 出 しな い（ 図２ )。こ のた め 凍土 層・ メ タ ンハ イド レー ト層 の CO 2 ハイ ド レー ト化 補強 によ って、懸念 され てい る 地球 温暖 化 の 爆発 的進 行を 防ぐ こと がで きる 。 米 国 のニ ュー メキ シコ 州 San Ju an Basi n で 世 界 最 初の CO 2 地 中 圧入 によ るコ ール マ イ ン ガ ス 増進 回 収 法 (CO 2 -ECGR、 図 ３ )の パ イ ロ ッ ト テ ス ト が実 施 さ れ、 3 年 間で 75-100％生 産を 増加 させ るこ とに 成功 した ７ ) 。 1996 年 以来 12 万 トンの CO 2 を 圧 入し た が 、炭 層に 吸着 されて CO 2 漏 出は ほ とん どな かっ た。 San Juan Basi n で は 、 3700 億 立 方メ ート ルの メ タン を CO 2 -ECGR に よ り 新た に回 収で き、千立 方フ ィ ート あた り 0.5 ドル の CO 2 供 給代 を払 って も利 益が 上が ると して い る。 日 本の 炭層 は、構造 が複 雑で ある が 、コ ール マイ ンガ ス（ メタ ン）の量 は 比較 的に 多 い こと が知 られ てい る 。経 済的 に採 掘の 対象 にな らな い深 部の 炭層 や採 掘 跡の 旧鉱 で も 、コ ール マイ ンガ スを 採取 でき る 可能 性は 大き い。コー ルマ イン ガス 増 進回 収技 術 （ CO 2 -ECGR） は 、 地 球温 暖化 防 止と 未利 用の 非在 来 型天 然ガ ス資 源の 開発 が 出来 る 一 石二 鳥の 技術 であ る。 3. 地 中 メ タ ン生 成細 菌 によ るメ タン 再生 水 溶 性天 然ガ ス、 コー ルマ イン ガス 、メ タン ハイ ドレ ート 等の 膨大 な量 のメ タ ン 5 資 源 が世 界的 に存 在す る 。こ れら の地 下の 比較 的浅 所に 存在 する メタ ンを 主 成分 とす る 天 然ガ スの 多く が、メタ ン生 成細 菌 によ って 生成 され たこ とが 、炭 素同 位 体比 の研 8) 究 な どか ら明 らか にさ れて いる 。最 近、1000m 以 上の 地下 深部 の玄 武岩 層 から メタ 9) ン 生 成細 菌の 活動 が報 告さ れて いる 。メ タン 生成 細菌 は古 細菌 の一 種 で、酸素 があ る と 活動 でき ない 偏性 嫌気 性微 生物 で、CO 2 と 水素 から メタ ンを 合成 する こ とに より エ ネ ルギ ーを 得る。太 陽光 なし で、CO 2 を 有機 物に 固定 化す る化 学合 成独 立 栄養 微生 物 で ある 。深 部の 玄武 岩層 中で は 、熱 水と 玄武 岩の 反応 で生 成さ れた 水素 と やは り地 下 深 部に 由来 する CO 2 と いう 無機 起 源の 材料 から、メタ ン生 成細 菌は メタ ン を合 成し て エ ネル ギー を得 て 、生 きて いる と考 えら れる 。すな わち 、地熱 をエ ネル ギ ー源 とし て CO 2 か ら メタ ンを 生成 する （表 1）。 玄 武 岩層 は海 洋底 下に 広範 に広 がっ てい るの で、 メタ ン生 成細 菌の 活動 の場 は 膨 6 7 大 に 存在 する。生 命が 誕生 して 間も ない 頃の 、高 温高 圧で CO 2 に 富み 酸素 に 乏し い原 始 地 球大 気下 にメ タン 生成 古細 菌は 適応 して いた と 考え られ る。地下 深部 の 塩水 帯水 層 に CO 2 を 圧入 する と、原始 地球 の海 洋に 近い 条件 が 成立 し、メ タン 生成 細 菌が 活動 し や すい 環境 にな り、CO 2 か らメ タン が再 生さ れ、カ ーボ ン・リ サイ クル が 実現 する 可 能 性が ある 。 堆 積岩 中に は 、砂 や泥 と共 に多 量の 有機 物が 一緒 に堆 積 して いる 。した がっ て 、堆 積 岩 の帯 水 層中 で は有 機物 の 嫌気 性微 生 物に よ る発 酵に よ って も水 素と CO 2 が 供 給 さ れ る。水田 土壌 中で メ タン 生成 細菌 が活 動し て 、大 気中 にメ タン を放 出す るこ とが 、 地 球 温暖 化の 要因 の一 つと され てい る 。半 地下 式の メタ ン発 酵槽 は、メタ ン 生成 細菌 8 と 有 機 物 を 分 解 す る 嫌 気 性 微 生 物 の 共 生 に よ り 有 機 廃 棄 物 か ら 効 率 的 に メ タ ン を発 生 、利 用で きる 仕組 みと して 用い られ てい る 。堆 積盆 地の 地下 深 部で は、天 然に 有機 物 の メタ ン発 酵が 起こ り 、水 溶性 天然 ガス や炭 層ガ スや メタ ンハ イド レー ト のメ タン を 生 成し たと 考え られ る。 メ タン 生 成細 菌 によ って 形 成さ れた 天 然ガ ス を回 収し た 後の 帯水 層に CO 2 を 貯 留 し て おく と 、残 存 する メタ ン 生成 細菌 の 活動 によ り 、 CO 2 が メタ ン に変 換 され うる 。 ト ラ ップ 構造 を伴 う帯 水層 であ れば 、再生 され たメ タン は帯 水層 中に 集積 され 、大気 中 に 逃げ ない 。こ のメ タン を回 収す れ ば、カー ボン・リ サイ ク ルが 実現 する（図 ４ ）。 地 下深 部の 酸素 に欠 乏し、太陽 光 の入 らな い環 境下 で CO 2 を有 機物 に固 定 する 嫌気 性 の 化学 栄養 独立 合成 微生 物は 多数 の種 類が 存在 す る。日 本の 油田 から 、CO 2 か ら石 油 成 分 にな る 炭化 水素 を 合成 す る嫌 気 性細 菌 が採 取さ れ たこ と は特 に 注目 さ れる 10, 11) 。 CO 2 を 地 中 に圧 入 して 、石 油を 再生 する こと も夢 では ない かも しれ な い。 最近 で は 、メ タン 生成 細菌 と 、そ れに 水素 を供 給す る通 性嫌 気性 細菌 の共 生に よ り真 核生 12) 物 が 生 じた と する 説 が有 力 にな っ てい る 。地 中 微 生物 は 嫌気 性 好熱 性 の古 細 菌お 13, 14) よ び 真性 細菌 であ り、原始 生命 に近 く、生化 学的 に極 めて 多様 であ る 。未知 の機 能 を 持っ た微 生物 がな お地 中に 潜ん でい る可 能性 は 大き い。地下 深部 の石 炭 、低 品位 の 炭 質物、採取 困 難な 深部 の重 質油 、タ ール サン ドや オイ ルシ ェー ルな ども CO 2 と 地 中 微 生物 の利 用に より 回収 可能 にな るか もし れな い。CO 2 の 固定 に生 命創 成 期の 原始 環 境 を利 用で きる 可能 性は 大き く、 今後 の研 究進 展 が期 待さ れる 。 地 中微 生物 によ り天 然ガ ス鉱 床が 再生 され れば 、真の カー ボン・リ サイ ク ルや 栽培 鉱 業 が実 現し 、資 源問 題 と地 球温 暖化 問題 を一 挙に 解決 でき る可 能性 があ る 。し かし 、 地 中 の微 生物 探査 は、多 くの 労力 と費 用を 要す るフ ロン ティ ア探 検に 匹敵 す る事 業で あ ろ う 。地 中微 生物 によ るカ ーボ ン・リ サイ クル は 、植 林事 業に 匹敵 する 長 期的 視野 に よ る取 り組 みが 必要 と思 われ る。 参 考 文献 1) 資 源 エネ ルギ ー庁；21 世 紀、地 球環 境時 代の エネ ルギ ー戦 略 ,(1998),178,通商 産業 調査会. 2) 斉 藤 昌弘 ； CO 2 の化 学的 有 効利 用 ,環境 管理 ,34-8(1998),760-765. 9 3) 浅 田 泰男 ； CO 2 の生 物的 固 定・ 有効 利用 ,環 境管 理 ,34-8(1998),760-765. 4) R. Korbøl and A. Kaddour; Sleipner Vest CO 2 disposal- Inj ection of remo ved CO 2 i nto the Utsira formatio n, E nergy Convers. Mgmt, 36-6/9, (1995), 509-512. 5) H. Koi de et al ; Subt erranean co ntai nment and long-term storage of carbon dioxide in unused aquifers and deplet ed natural gas reservoirs, Energy Co nvers. Mgmt , 33-5/8 (1992), 619-626. 6) H. Koide et al ; Hydrat e formation i n sedi ment s i n the su b-seabed disposal of CO 2 , Energy-The Int ern. J.-, 22-2/3 (1997),279-283. 7) S.H.St evens et al.; CO 2 Sequest rat ion i n Deep Coal Seams: Pi lot Results and Worldwi de Potenti al, Greenhouse Gas Cont rol Technologies,El sevi er, (1999),175-180. 8) D.D.Ri ce; Bio geni c gas: Co ntrols, habi tat s, and resource potenti al , USGS Prof. P aper 1570 (1993), 583-606. 9) T.O. Stevens and J.P. 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[小出 小出 仁、篠田淳二 (2007): (2007):微細泡（マイクロバブル）CO 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, 造性帯水層隔離法の提案, (社)資源・素材学会 平成 19 年度春季大会講演集, 年度春季大会講演集,H-4、企画 151－ 151－152 ページ ] （社）資源・素材学会 平成 19 年度春季大会 講演資料 2007 年３月 31 日 微細泡（マイクロバブル）CO 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 早大 小出 仁、みずほ情報総研 篠田淳二 1. あるが、その検出・探査技術の開発が必要であ CO2 の地下安定封入 CO2 地中貯留は、地下深部の岩石の微細な間隙中に る。また、検出した欠陥を補修する技術の開発 CO2 を分散貯蔵するので、本来安全な技術である。既に も必要である。欠陥検出—補修技術については前 実績もかなり在り、実用的でもある。しかし、地球温暖 に論じているので省略する(Koide,2001)が、キャ 化防止のためには膨大な量の CO2 を貯留するため、安全 ップロックが十分に厚ければ小さな欠陥は問題 性の高度化と効率化―コスト削減の努力が重要である。 にならない。 世界最初の大規模 CO2地中貯留事業であるノルウェー （２）地下に大きな CO2 バブルを形成しないような のスレイプナー・プロジェクトでは、1996 年から年約 100 CO2 地下注入方法を用いれば、キャップロック 万トンの規模で北海海底下の帯水層に CO2を注入してい に不完全な部分があっても安定に地下封入がで る。その国際共同モニタリング(SACS プロジェクト)が実 きる。たとえば、CO2 のみを圧入するのでなく、 施され、地下における CO2 の重要な挙動が明らかにされ CO2 溶解水として圧入すれば，帯水層中で注入 た（SACS Best Practice Manual, 2003, CO2STORE Best 口よりさらに下方に流れるので，安定性が高い。 Practice Manual, 2007）。地下深部に CO2 を急速に大量注 しかし，この方法は多量の水を圧入する事にな 入すると、注入口付近の帯水層中の地下水を排除して、 るので，効率が悪い。このため WAG 法と呼ば 岩石間隙中がほぼ CO2 で満たされた領域（CO2 バブルと れ る CO2 と 水 を 交 互 に 圧 入 す る 方 法 が 呼ぶ）が生じる。CO2 バブル領域は、地下の温度・圧力 CO2-EOR などで実用化されている。 条件により気体または超臨界流体状の CO2で岩石の間隙 が満たされているため弾性波伝播速度が遅くなり、弾性 著者らは、CO2 溶液注入や WAG 法より効率よく、大 波探査によって検出できる。気体または超臨界流体状の きな CO2 バブル形成を防げる CO2 地下注入法として、 CO2 は水より軽いため、CO2 バブルは厚い砂層からなる 新しく微細泡（マイクロバブル）CO2 注入法を提案す 帯水層中を上昇し、砂層中に挟まる薄い頁岩層に達する る。 と一旦上昇を停めて頁岩層の下面に沿って広がるが、頁 岩層に小さな隙間があると、それを抜けて上部の砂層に 至り，砂層中を更に上の頁岩層に達するまで上昇する。 2. 微細泡（マイクロバブル）CO 微細泡（マイクロバブル） 2 地下注入 径数十ミクロン程度以下のいわゆるマイクロバブルは、 隙間（欠陥）の無い頁岩層に到達すると、その頁岩層が 合体して大きなバブルを形成するより、むしろ縮小して 真のキャップロックになる。CO2 バブルは，キャップロ 急速に溶解消滅する傾向がある。マイクロバブルの性質 ックの下を上方に向かって広がるため、CO2 流の方向の CO2 注入 予測にキャップロック下面の「地形」が重要である。CO2 塩水循環 溶解水は溶解していない水より重くなるため、CO2 が溶 解すれば帯水層の下方に流れるので、地下に長年月留ま ると予測される。しかし、大きな CO2 バブルが帯水層中 に形成されると、CO2 と水の接触が岩石の間隙中に制約 難浸透層 されるので、地下の高圧下で CO2 溶解度が高いにも係わ CO2 らず、大きな CO2バブルの溶解縮小には長年月を要する。 以上の知見から、以下の方策が CO2 を地下に安定に封 マイクロバブル化 入するために有効である事が判る。 塩水帯水層 （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 図 1．微細泡 CO2 地下注入概念 はまだよく解明されていないが、縮小する際に内部は高 圧になるので、表面積が大きいこともあって、溶解が速 くなる。地下ではマイクロバブル内の CO2 注入法は超臨 界状態になる可能性が高い。マイクロバブルは、大きな バブルに比べて浮力がごく小さいため、水中でほとんど 上昇しない。このようなマイクロバブルの特性は、前項 で述べたように CO2 の地中隔離に理想的な性質である。 注入井の坑口ないし注入井内部にマイクロバブル発生 装置を設置し、水中に CO2 を噴出して CO2 マイクロバブ ル乳状水を作り、貯留層に注入する（図１） 。水は、帯水 図２．マイクロ・トラップ 層からくみ上げた塩水地下水を用いて、それを地下に再 圧入するのが望ましい。塩水地下水に含まれているメタ などによるマイクロ・トラップ・メカニズムが作用し、 ンを回収し、代わりに CO2 を混入する。マイクロバブル 「残留ガス」が生じる。残留ガスとして岩石間隙中に留 を発生させる深度が効率上重要であるが、今後の主要な まっている間に、さらに溶解・イオン化・炭酸塩化など 研究課題の一つである。 の固定メカニズムが進行し、長期安定化すると期待され る。微細泡（マイクロバブル）CO2 注入法は、残留ガス 微細泡（マイクロバブル）の岩石への浸透性について は、測定データが少なく、結果にも大きな変動がある。 化から溶解への固定プロセスを促進するほうほうであり、 微細泡の径の分布と岩石の間隙径の分布の相互関係が複 苦鉄質岩などへの地化学固定や微生物固定などの高度固 雑なためであろう。注意深い実験を多数行う必要がある 定法を効率的に実現できる地下 CO2 注入技術である。ま が、岩石の間隙径より微細泡の径が十分に小さければ、 た、極微細なマイクロバブルの注入により、岩石の微細 マイクロバブル水の浸透性は良いが、間隙径より大きい な間隙の奥に CO2 注入が可能であるので、CO2-EOR(原 微細泡が混入すると浸透性が著しく低下すると考えられ 油増進回収法)としても微細泡（マイクロバブル）CO2 注 る。微細泡の径は貯留層になる砂岩等の間隙より小さく、 入法は有望である。特に、原油増進回収が技術的に難し キャップロックとして期待される頁岩層・粘土層等の間 い水押型の油層に適している。 隙より大きいことが望ましい。 微細泡（マイクロバブル）CO2 注入法をすれば、海洋 微細泡（マイクロバブル）CO2 地中隔離技術は安全性 が高く、高度固定化を促進できる可能性を有している。 隔離のようなフリーウォーター中でも安定に CO2隔離が できると考えられるが、多孔質の岩石中では、界面効果 二酸化炭素地中注入 ハイドレート 構造トラップ 化 溶解 微生物固定 （帯水層） 残 留ガス イオン化 （岩石風化） 吸着 炭酸塩化 時間 図３．CO 図３． 2 地中固定の深化過程 Hitoshi Koide (2010): Air capture – An attempt at climate geoengineering, Proc. MMIJ Annual Meeting (2010 ), p. 1-4. [小出 小出 仁 (2010): 大気中二酸化炭素の直接削減ージオエン ジニアリングの試み, ジニアリングの試み 資源・素材学会春季大会講演集 , 1-4 ] 大気中二酸化炭素の直接削減ージオエンジニアリングの試み 早大・ 早大・理工研 小出 仁 http://homepage3.nifty.com/zeroemission/ 1. 温暖化防止ジオエンジニアリング 地球温暖化防止のための緊急手段として、大規模 2. CO2 回収・貯留(CCS)ジオエンジニアリング ジオエンジニアリング 回収・貯留 な温暖化防止ジオエンジニアリング（環境地球工 CO2回収・貯留(CCS)は、CO2排出を大幅に削減し 学）技術が最近注目されている。コペンハーゲン会 て、大気中のCO2濃度増加を抑制するため、自然の 議では、すべての大排出国が地球温暖化防止の必要 状態を変えないことを目指すジオエンジニアリン 性は認めたことに大きな意義があった 1)。しかし、 グ技術である。CO2回収・貯留(CCS)は、年100万ト 米国や中国等の新興国が温室効果ガス排出削減の ン以上の規模のCO2地中貯留が世界で5箇所になり、 義務を負うことを拒否したのは、環境より経済開発 北 海海底下 の帯水 層には既 に 1,000万 トン以 上 の を優先した結果であるが、化石燃料にまだ当分は頼 CO2が貯留されている。しかし、コスト低減や長期 らざるをえないことの現れでもある。比較的小幅な 安全性など課題は多く、日本など世界各国で最重点 温室効果ガス削減ですら合意できないようでは、温 研究課題になっている8,9)。 暖化対策が手遅れになることが既に避けられなく 2) 2010年2月3日オバマ米大統領が包括的CO2回収・ なっているとさえ思える 。このような情勢から、 貯 留 (CCS) 連 邦 戦 略 大 統 領 覚 書 (Presidential より直接的で顕著な効果のある温暖化防止技術が Memorandum—A Comprehensive Federal Strategy on 求められるようになってきて、大規模な温暖化防止 Carbon Capture and Storage)10)を発表し、新省際CO2 ジオエンジニアリングが、にわかに注目されている 3-6) 回収・貯留(CCS)タスクフォース(Interagency Task 。 Force on Carbon Capture and Storage)を作り、10年以 温暖化防止ジオエンジニアリングは、地球に傘を 内に経済効率の良いCO2回収・貯留(CCS)の広範な実 さすとか、雲を増やすとか、海洋に鉄などの養分を 施を目指すことを宣言した。やはり、コスト低減と 散布して藻類を増殖させるなど様々な提案がされ 安全性の確保が主な課題になると考えられる。 ているが、中には火山活動を活性化させる等のよう な過激な案も真面目に提案されている状況である。 CO2 注入 巨大規模火山噴火が世界的な大規模な世界的な寒 冷化をもたらすことはよく知られているが、火山の 塩水循環 コントロールは未だ困難で、災害をもたらす危険が ある。 地球の巨大で複雑な天然のシステムを十分に理 難浸透層 解できていない現状で、大規模なジオエンジニアリ CO2 ングを余儀なくされた場合には、自然の状態を変え マイクロバブル化 ないーまたは既に自然の状態から既に変わってし まっている場合には、自然の状態に戻す方向でジオ エンジニアリング技術を用いるべきであろう7)。大 塩水帯水層 気CO2濃度をコントロールするジオエンジニアリン グとしては、自然の状態を変えないための技術が CO2回収・貯留(CCS)であり、自然の状態に戻すため の技術が大気CO2直接削減技術である。 図 1． ． CO2 マイクロバブル帯水層注入 3. 11) マイクロバブル法 CO2 固定(CCS) 固定 向がある。マイクロバブルの性質はまだよく解明さ CO2は地下浅所までは気体であるが、800m程度よ れていないが、大きな気体または超臨界流体のバブ り深い地下では通常超臨界流体状態になるが、ごく ルに比べて、浮力が小さいので、地下に注入しても、 低温の地下では液体状になる。さらに、水に溶解し、 地表に浮上する心配が少ない（図１）。さらに、地 ハイドレートや炭酸塩を形成して固体状になる場 下岩石の微細な空隙中に入り込んで、吸着や界面張 合がある。地下の空隙は、通常地下水で満たされて 力などにより閉じ込められ、残留ガスとして留まり いるが、気体状や超臨界流体状のCO2は水より軽い 易い。微細泡（マイクロバブル）の岩石への浸透性 ため、地表に向かって浮上する性質がある。そのた については、注意深い実験を行う必要があるが、岩 め、CO2を気体状や超臨界流体状で大量に地下に注 石の間隙径より微細泡の径が十分に小さければ、マ 入するためには、ドーム状のキャップロックなどの イクロバブル水の浸透性は良いが、間隙径より大き 封じ込めのための特殊な地質構造が必要になる。こ い微細泡が混入すると浸透性が著しく低下すると のような封じ込めのための地質構造があるのは、産 考えられる。微細泡の径は貯留層になる砂岩等の間 油・産ガス地帯など一部の地質地域に限られる。 隙より小さく、キャップロックとして期待される頁 温室効果ガスは世界中で大量に発生しているので、 岩層・粘土層等の間隙より大きいことが望ましい。 地球温暖化防止に貢献するためには多様な地質構 残留ガスとして岩石間隙中に留まっている間に、さ 造地域で利用できる汎用のCO2地中貯留・固定(CCS) らに溶解・イオン化・炭酸塩化、ハイドレート化、 技術が必要である。径数十ミクロン程度以下のいわ 微生物による有機物化やメタン化などの固定メカ ゆるマイクロバブルは、合体して大きなバブルを形 ニズムが進行し、長期安定化すると期待される。マ 成するより、むしろ縮小して急速に溶解消滅する傾 イクロバブル法CO2固定(CCS)は、残留ガス化から溶 CO2(発電所等より回収 発電所等より回収) 発電所等より回収 水 苦鉄質（塩基性）岩 苦鉄質（塩基性）岩 セルフシーリング セルフシーリング 中和沈殿 中和沈殿 高 pH CO2マイクロバブル 溶脱 高 pH 溶脱 酸性 図２、CO 図２、 2 マイクロバブル地下注入と CO2 セルフシーリング 解への固定プロセスを促進し、苦鉄質岩などへの地 収に大量のエネルギーを消費するだけでなく、運搬 化学固定や微生物固定などの高度固定法を効率的 や大気からの長期隔離がほとんど考慮されていな に実現できる（図２）。また、極微細なマイクロバ いケースもあり、実用化は困難である。森林固定や ブルの注入により、岩石の微細な間隙の奥にCO2注 藻類・サンゴ増殖などの生物利用は大気CO2直接削 入が可能であるので、CO2-EOR(原油増進回収法)と 減を実現しているが、太陽光と生態系を利用してい しても微細泡（マイクロバブル）CO2注入法は有望 るので、長期的視野のCO2削減に適しているが、大 である。特に、原油増進回収が技術的に難しい水押 規模—急速なCO2削減に用いるには制約がある。 型の油層に適している。 地球温暖化防止が手遅れになりつつあるにも関わ マイクロバブル法CO2地中固定技術は安全性が高く、 らず、国際的協力による有効な防止策を採れない世 非構造性帯水層や玄武岩や蛇紋岩・カンラン岩や海 界情勢から、現在の国際政治・経済にあまり影響を 洋性地殻などへの高度CO2地中固定化を迅速かつ安 与えずに緊急の大規模工学的実施ができるジオエ 全に実行できる温暖化防止ジオエンジニアリング ンジニアリングに適した大気CO2直接削減技術の開 技術として有望である。 発が喫緊の課題になっている。このため、物理化学 的方法と生物学的方法の長所を兼ね備えた大気CO2 4. 大気 CO2 直接削減技術 直接削減技術を提案する。 大気中のCO2濃度増加を抑制するだけでなく、す でに自然状態の三分の一増になっている大気CO2濃 5. マイクロバブル法大気 CO2 直接削減 度を低下させようとするのが大気CO2直接削減技術 新しく提案するマイクロバブル法大気 CO2 直接 である。地球温暖化防止が手遅れになりそうな情勢 削減技術は、マイクロバブル法 CO2 地中固定技術の から、従来荒唐無稽なトンデモ技術と思われて来た 大気への応用である。マイクロバブル法 CO2 地中固 大気CO2直接削減技術が真剣に取り上げられるよう 定技術では、発電所等の燃焼排ガスから回収した になってきた。大気は何処でも存在しているために、 CO2 をマイクロバブル状にして地中に注入したが、 場所を選ばずに実施できる。発電所や大工場から遠 マイクロバブル法大気 CO2 直接削減技術は大気そ い、いかなる遠隔地でも実施できる。排出源とは関 のまま、あるいは大気から膜分離法や吸着法で CO2 係がないので、排出責任と直結せず、国や企業の思 濃度を高めた空気を用いる。大気は廃棄物ではない。 惑や国際政治上の争いに巻き込まれ難いという隠 また、CO2 は低濃度であれば、植物には有益で、人 れた利点もある。 間・動物の健康にも害は無い。数％以下の低濃度の これまでに提案されている様々な物理化学的大 CO2 を含む空気は、浅い海中や地中に注入しても安 気CO2直接削減技術はいずれもエネルギー消費が 大きすぎる。大気中のCO2濃度は増加したとは言 っても、空気の分子１万個中にCO2分子は４個以 下しか含まれていないため，いかなる方法をとる にしても抽出にはエネルギーを浪費する。しかし、 植物は太陽光エネルギーを利用して，巧妙に大気 CO2直接削減を実現している。エネルギー利用を 効率化するか、未利用の自然エネルギーを活用す る工夫が必要になる。CO2を石灰すなわち酸化カ ルシウムや水酸化カルシウムに吸収させ、炭酸カ ルシウムとして固定する方法が大気CO2直接削減 技術として提案されているが、炭酸カルシウムは 元のCO2の倍以上の重量の固体であるため，運搬 が困難になり、運搬や取り扱いに大きなエネルギ ーを浪費する。これまでに提案されている物理化 学的大気CO2直接削減技術は、大気からのCO2回 図３．海洋自然エネルギー活用による 浮体式大気 CO2 削減基地案 全であるだけでなく、植物や藻類や植物プランクト 参考文献 ンには有益である。 1) Nature Editorial: After Copenhagen, Nature 462, 957 しかし、温室効果ガス削減のためには CO2 が大気 (24 December 2009) 中に湧出することは、できるだけ抑制したい。その 2)Jackson,E.:TheCoalNightmare,http://www.abc.net.au/ ためには、浅い海中や地中でも長期的に CO2 を大気 4corners/special_eds/20090907/coal/ から隔離するメカニズムが必要になる。 3) Jones,N.: Sucking it up, Nature 458, 1094-1097 (30 このため、未利用の海洋自然エネルギーを活用して、 April 2009) 大気から膜分離や吸着法により CO2 濃度を高めた 4) The Royal Society: Geoengineering the climate: 空気を取り込み、遠洋海面下数メートルないし十数 science, メートルの深さにマイクロバブル状で注入する浮 document 10/09 (2009) governance and uncertainty, RS Policy 体式大気 CO2 削減基地を提案する。CO2 と酸素を含 5) Keith,D.W.: Why Capture CO2 from the Atmosphere? む空気を数メートル以上の深さの海水中にマイク Science 325 , 1654-1655 (2009) ロバブル状で注入すれば、高圧の水への溶解度の高 6) Pielke,R.Jr.: Air Capture update, Nature Geoscience 2, い CO2 が海水に多く溶解し、酸素もかなり溶解する。 811 (2009) 海水中に CO2 と酸素の濃度が高まることにより藻 7)小出 類・植物プランクトンを増殖し、CO2 固定をするこ 受容について、 、資源素材学会春季大会 A-9 (2009) とが期待されるが、養分の添加や石灰等による中和 8) Chu,S.: Carbon capture and sequestration, Science の必要性と海洋環境への影響についても検討が必 325 , 1599 (2009) 要である。 9) IEA: Technology Roadmaps Carbon capture and マイクロバブル法大気 CO2 直接削減技術は、未利 仁: 二酸化炭素地中貯留(CCS)の認知・社会 storage, 52p. (2009) 用の海洋自然エネルギーを活用して、大規模かつ経 10) 済的に温室効果ガス削減ができる可能性がある新 Comprehensive Federal Strategy on Carbon Capture and しい温暖化防止ジオエンジニアリング技術になる Storage, Whitehouse (2010) 可能性がある。海洋生物の増殖効果も期待されるが、 11)小出 海洋環境への長期的影響を検討する必要がある。 Obama,B: Presidential Memorandum A 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) 図４．海洋自然エネルギー活用による浮体 式大気 CO2 削減基地断面図 -- Hitoshi Koide (2011) Air-CCS as a secure counter-geoengineering, Proceedings of MMIJ Annual Meeting (2011 ), 1-4. [小出 小出 仁 (2011) 大気 CCS：カウンター・ジオエンジニアリン ：カウンター・ジオエンジニアリン グの考え方, グの考え方 資源・素材学会春季大会講演集 , 1-4 ] 大気 CCS：カウンター・ CCS：カウンター・ジオエンジニアリングの ：カウンター・ ジオエンジニアリングの考え方 ジオエンジニアリングの考え方 産総研／温暖化防止地球システム 小出 仁 http://co2.eco.coocan.jp/ 1. ジオエンジニアリング（地球工学）の役割 ジオエンジニアリングの悪影響の格好の例である。 地球にマクロな影響を与える可能性のあるよう 現在提案されているジオエンジニアリング案で な大規模工学技術を広くジオエンジニアリング（地 も、実用不可能な技術や目的外の悪影響の危険があ 球工学）と呼んでいる。多種多様な技術を含み，体 る技術が多い。しかし、反対する人が多くても、実 系化はされていない。SF(Scientific Fiction)と言うべ は人類は意図せずにジオエンジニアリングの壮大 きものも多く、「とんでも技術」などと言われ、物 な実験を既に実施している(表１)。産業革命以来、 笑いの種にさえなっていた。しかし、好むと好まざ CO2やメタンのような温室効果ガスを大量に排出し、 るに関わらず、ジオエンジニアリングはしだいに重 地球を温暖化しつつあるのが、「意図しないジオエ 要な分野になりつつある。「世界は神様が造りたも ンジニアリング」の好例である。世界中で、森林を うたが、オランダはオランダ人が造った」と言われ 破壊して、耕地や放牧地を作り、都市を建設するこ るオランダはジオエンジニアリングの元祖といっ とも、意図しないジオエンジニアリングと言える ても良いであろう。旧ソ連の「自然改造計画」は、 (表1)。人類最古の物語「ギルガメシュ叙事詩」では、 おそらく初めて意識して実施されたジオエンジニ 「都市の神」が「森の神」を征伐するが、5,000年前 アリングと思われるが、中央アジアでの大規模な灌 に既に「意図しないジオエンジニアリング」とその 漑事業はアラル海の縮小と沙漠化を招いた。安易な 恐ろしい結末を物語っている。 人類にとって、地球は小さくなりつつあるとはい がクローズアップされている。CO2回収・貯留(CCS) っても、やはり地球は大きく複雑である。ジオエン は、大気中に増えすぎたCO2をこれ以上増やさない ジニアリングの基盤になるのは、地球科学であるが、 ようにしようとする技術であるが、さらに、大気中 地球については未知の部分が多く残っている。未知 の CO2濃 度 を 減 ら し て 産業 革 命 前 の自 然 の 濃 度 の自然を不用意に変えないように注意すべきであ (280ppm)に向けて」少しでも戻そうとするカウンタ るが、世界で70億人近い人類にとって自然を変えな ー ・ ジ オ エ ン ジ ニ ア リ ン グ が CO2 除 去 （ Carbon いようにすることが困難になっているのが現実で Dioxide Removal:CDR）ジオエンジニアリングであ ある。自然の状態を守るためには、意図しないジオ る（表１）。 エンジニアリングは止めるべきであるが、実際には しかし、かけがえの無い地球にマクロな影響を与 止める事が難しい場合が多い。ご承知のように産業 えるだけに，ジオエンジニアリングの実施には細心 革命以後、 自然状態の280ppmから36％も増えている の慎重さが必要である。「石橋を叩いて渡らない」 CO2濃度のさらなる増加をくい止めることすら、世 のが原則である。それでもジオエンジニアリングを 界の首脳達が集まっても難しいのが現実である。 実 施 する には 、厳 格な 原則 を守 る必 要が あ る 意図しない誤ったジオエンジニアリングに対抗 (Commons Science and Technology committee,2010)。 するためのジオエンジニアリングが必要になって ジオエンジニアリングの原則案を表２に示す（小出、 いる。地球規模の破壊には、地球規模の対策が必要 2009を増補）。この原則案はたたき台であり，詳し である。人類が無意識に破壊した地球を修復するた い説明は省略するが、自然からの逸脱を小さくし、 めの新しいジオエンジニアリングを「カウンター・ 逸脱した場合は自然状態に戻す努力をし、自然を利 ジオエンジニアリング」と呼ぶことにする。大気中 用あるいは模倣することがジオエンジニアリング のCO2濃度増加を止めるためのカウンター・ジオエ に特に重要である。ジオエンジニアリングを実施す ンジニアリングの候補として、CO2回収・貯留(CCS) るには、地球を良く理解していなければならないが、 地球について未知の部分が多く残っている科学の に比較しても、エネルギーロスが大きい欠点がある。 現状でのジオエンジニアリングは、自然状態の保全 その代わり、大気は無害で、貯留の安全性が高い利 が原則になる。ジオエンジニアリングは、原則に沿 点がある。 った事業でなければならないが、また、ジオエンジ 大気から膜分離法や吸着法でCO2濃度を若干高め ニアリングの原則に沿っていることを住民に周知 ても、数％程度の濃度までは人間の健康に悪影響は し、情報を共有する必要がある。 ほとんど無い（図１）。若干CO2濃度を高めた空気を 典型的なカウンター・ジオエンジニアリングと言 微細泡化して比較的浅い地下や海中に注入する大 える CO2 除去（Carbon Dioxide Removal:CDR）ジオ 気マイクロバブル地中貯留・海洋貯留やCO2マイク エンジニアリングは現在利用しうる可能性のある ロバブル地中貯留は、CO2の高度固定へ導く導入技 唯一の温暖化防止ジオエンジニアリングであると 術として期待される（図２、小出、2010）。 思われる。ただし、予期しない副作用が無い事を、 現代世界の問題の一つである都市への人口・経済 ナチュラル・アナログ（類似天然現象）や現場実験 活動集中のため、エネルギー需要が都市域近くに集 で確かめなければならない。それに対し、太陽光放 中し、したがってCO2排出源も都市域近くに集中し 射管理(SRM)ジオエンジニアリング（表１）は、安 ている。エネルギー需要が都市域近くに集中するた 価な温暖化防止技術と言 う期待があるが、自然の 状態を変える方向になる 場合が多く、予期しない 影響を招くという研究報 告 も 示 され て いる (Ricke et al.,2010)。CO2 除去ジオ エンジニアリングは海洋 酸性化の防止にも役立つ が、 太陽光放射管理ジオ エンジニアリングは海洋 酸性化防止には無効であ る。太陽光放射管理ジオ エンジニアリングは研究 の対象としては重要であ るが、大規模実施は現時 点では控えるべきであろ う (Royal Society,2009; 杉 山,2010)。 2. 大気 CCS 化石燃料の燃焼排ガス の CO2濃 度は 10％ 程度 以 上であるが、大気は0.04% 弱と極めて薄い（図１） 。 このため大気CCS（CO2回 収・貯留）は、大量の窒 素ガスや酸素ガスに邪魔 されて、化石燃料燃焼排 ガスからのCO2回収・貯留 図１．CO 図１． 2 濃度とリスク及びベネフィットの関係、低濃度 濃度とリスク及びベネフィットの関係、 の CO2 濃度は、生命に不可欠であるが、高濃度では有害に なる。気候にも適度の CO2 濃度が必要である。 めに、都市域から遠い遠隔 地（僻地）の自然エネルギ ーは利用されずに残される。 遠隔地（僻地）の大部分は、 海洋や極地・高緯度地域・ 高標高地域や沙漠で、CO2 シンクとして適した地域で あるが、人口は少なく、産 業もほとんど無いので、エ ネルギー需要は無く、CO2 排出源もほとんど無い。CO2 排出源が無ければ、通常の CO2回収・貯留(CCS)技術は 成り立たない。遠方の大規 模 CO2 排 出 源 か ら 大 量 の CO2を遠隔地に運ぶには、長 大 な CO2 パ イ プ ラ イ ン や CO2タンカーに巨額のイン フラストラクチャー投資が 必要で、輸送エネルギー・ ロスも大きくなる。しかし、 遠隔地にも大気があるので、 大気中からCO2を回収すれ ば、大気CO2回収・貯留(大 気CCS)が成り立つ。 大気中のCO2濃度が現在 でも約390ppmと薄いために 必要な、CO2濃縮のためのエ ネルギーは、遠隔地に残さ れている未利用の自然エネ ルギー（風力、太陽光、太 陽熱、地熱、天然ガスなど） CCSおよび大気CCSが温暖化防止カウンター・ジ を利用する。大気CCS実施によるエネルギー・ペナ オエンジニアリングとして役立つためには、世界各 ルティの実質的な補填になる。 極地（南極など）・高緯度地域（シベリア・カナ 地で膨大な量のCO2を安定に処理でき、しかも厳し くコスト低減や長期安全性を求められる。大気CCS ダ・アラスカなど）・高標高地域（チベット高原な ど）の地下約300mより深い帯水層や、約300mより は、CO2排出源に関係なく、大気のCO2濃度を直接 に低減できるので、産業構造や経済にほとんど影響 深い海洋底の下の岩石層にCO2を貯留すれば、CO2 なく温暖化防止が可能になる。大気は地球上にほぼ ハイドレートによるシール層が形成される（“自己 シーリング”）ため、CO2漏洩がほとんど無く、また 一様に存在するので、大気CCSはCO2地中貯留に最 適な地域で実施できる。大気CCSは、国際政治・経 余剰CO2をすべて収容するに十分な容量が、カナダ 済のしがらみに関係なく実施できる温室効果ガス やシベリアの地下に広く賦存している（図３）。 削減オプションである。 ３．まとめ