カーボンニュートラル燃料

カーボンニュートラル燃料とは、温室効果ガスの純排出量またはカーボンフットプリントを全く排出しない燃料のことです。実際には、これは通常、二酸化炭素（CO2 ）を原料として製造される燃料を指します。提案されているカーボンニュートラル燃料は、二酸化炭素を化学的に水素化して製造される合成燃料と、光合成などの天然のCO2消費プロセスを利用して製造されるバイオ燃料に大別されます。[ 1 ] [ 2 ]

合成燃料の製造に使用される二酸化炭素は、空気から直接捕捉することも、発電所の排気ガスからリサイクルすることも、海水中の炭酸から生成することもできます。合成燃料の一般的な例としては、アンモニアやメタンなどがありますが[ 3 ]、ガソリンやジェット燃料などのより複雑な炭化水素も人工的に合成されています[ 4 ] 。このような再生可能燃料は、カーボンニュートラルであることに加えて、車両の電動化や水素や他の燃料への転換を必要とせずに、輸入化石燃料のコストと依存の問題を軽減し、互換性があり手頃な価格の車両を継続して提供できます[ 5 ] 。真のカーボンニュートラルであるためには、プロセスに必要なエネルギー自体が、再生可能エネルギーや原子力エネルギーのようにカーボンニュートラルまたは排出ガスゼロでなければなりません[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]

カーボンニュートラル燃料の燃焼が煙道での炭素回収の対象となれば、二酸化炭素排出量は実質マイナスとなり、温室効果ガスの浄化策の一形態となる可能性がある。マイナス排出は地球温暖化抑制に向けた取り組みにおいて不可欠な要素であると広く考えられているが、マイナス排出技術は現時点では民間企業にとって経済的に実現可能ではない。[ 10 ]カーボンクレジットは、カーボンネガティブ燃料にとって重要な役割を果たす可能性が高い。[ 11 ]

合成炭化水素の製造

合成炭化水素は、発電所や大気から回収できる二酸化炭素と水素との化学反応によって生成されます。この燃料は、しばしば電気燃料と呼ばれ、水素の製造に使用されたエネルギーを貯蔵します。[ 12 ]

水素燃料は通常、電力からガスを生成するプロセスにおいて水の電気分解によって製造されます。排出量を最小限に抑えるため、電力は風力、太陽光、原子力などの低排出エネルギー源を用いて生産されます。[ 13 ]

サバティエ反応によってメタンが生成され、貯蔵されて後に発電所で燃焼されたり（合成天然ガスとして）、パイプライン、トラック、タンカー船で輸送されたり、フィッシャー・トロプシュ法などのガスから液体へのプロセスで使用され、輸送や暖房用の従来の燃料が製造される。[ 5 ] [ 14 ] [ 15 ]

水素を使って作れる燃料は他にもいくつかあります。例えば、ギ酸は水素と二酸化炭素を反応させることで作ることができます。また、ギ酸と二酸化炭素を反応させるとイソブタノールが生成します。[ 16 ]

メタノールは、二酸化炭素分子と3つの水素分子との化学反応によってメタノールと水を生成することで生成されます。貯蔵されたエネルギーは、メタノールを内燃機関で燃焼させることで回収でき、二酸化炭素、水、熱を放出します。メタンも同様の反応で生成されます。メタンは20年間の地球温暖化係数において二酸化炭素の約100倍の温室効果ガスであるため、メタン漏洩に対する特別な注意が必要です。メタノールまたはメタンをより大きな炭化水素燃料分子に結合させるには、より多くのエネルギーを使用することができます。[ 5 ]

研究者たちは、メタノールを用いてジメチルエーテルを製造することも提案している。この燃料は、高圧・高温下で自己発火する性質があるため、ディーゼル燃料の代替として使用できる可能性がある。すでに一部の地域では、暖房や発電に利用されている。無毒だが、加圧下で保管する必要がある。[ 17 ]二酸化炭素と水素から、より高分子量の炭化水素[ 18 ]やエタノール[ 19 ]も製造できる。

合成炭化水素は通常、200～300℃の温度、20～50barの圧力で製造されます。反応効率を高め、目的の炭化水素燃料を生成するために、通常、触媒が使用されます。このような反応は発熱反応であり、二酸化炭素1モルあたり約3モルの水素を使用します。また、副産物として大量の水も生成します。[ 6 ]

リサイクルのための炭素源

燃料としてリサイクルする最も経済的な炭素源は、化石燃料の燃焼から出る排気ガスであり、1トンあたり約7.50ドルで入手できる。[ 8 ] [ 20 ] [ 14 ]しかし、この方法は炭素が化石起源であるため、地圏から大気圏へ炭素を移動させるためカーボンニュートラルではない。海水中の炭酸は大気中の二酸化炭素と化学平衡にあるため、海水から炭素を抽出することが研究されてきた。 [ 21 ] [ 22 ]研究者らは、海水からの炭素抽出には1トンあたり約50ドルかかると見積もっている。[ 9 ]大気からの炭素回収は1トンあたり94ドルから​​232ドルとさらにコストがかかり、燃料合成や炭素隔離には非実用的だと考えられている。[ 23 ]直接空気回収は他の方法ほど開発が進んでいない。この方法としては、空気中の二酸化炭素と反応させて炭酸塩を生成するために腐食性化学物質を使用するという提案がある。その後、これらを分解・水和させることで純粋な二酸化炭素ガスを放出し、苛性化学物質を再生することができます。大気中の二酸化炭素濃度は他の発生源よりもはるかに低いため、このプロセスは他の方法よりも多くのエネルギーを必要とします。[ 5 ]

研究者たちは、バイオマスを燃料生産のための炭素源として利用することも提案している。バイオマスに水素を加えることで、炭素を減らして燃料を生産できる。この方法の利点は、植物質を用いて二酸化炭素を安価に捕捉できる点にある。また、植物は生物分子から得られる化学エネルギーを燃料に付加する。これは、従来のバイオ燃料よりもバイオマスの効率的な利用方法と言える。なぜなら、バイオマスから得られる炭素と化学エネルギーの大部分を利用でき、多くのエネルギーと炭素を放出する必要がないからだ。主な欠点は、従来のエタノール生産と同様に、食料生産と競合することである。[ 6 ]

再生可能エネルギーと原子力エネルギーのコスト

夜間風力発電は、燃料を合成するための最も経済的な電力形態と考えられている。これは、電力の負荷曲線が日中の最も暑い時間帯に急激にピークを迎えるのに対し、風は日中よりも夜間にわずかに多く吹く傾向があるためである。そのため、夜間風力発電の価格は、多くの場合、他のどの代替手段よりもはるかに安価である。米国の風力発電普及率の高い地域におけるオフピーク時の風力発電価格は、2009年の平均で1キロワット時あたり1.64セントであったが、1日の中で最も安い6時間ではわずか0.71セント/キロワット時であった。[ 5 ]通常、卸売電力は日中に2～5セント/キロワット時である。[ 24 ]商業燃料合成会社は、原油価格が1バレルあたり55ドルを超える場合、石油燃料よりも安くガソリンを生産できると示唆している。[ 25 ]

2010年、米海軍のヘザー・ウィラウアー率いるプロセス化学者チームは、100メガワットの電力で1日あたり160立方メートル（41,000米ガロン）のジェット燃料を生産でき、原子力発電による艦上生産コストは1立方メートルあたり約1,600ドル（1米ガロンあたり6ドル）になると推定しました。これは2010年の石油燃料コストの約2倍でしたが、最近の傾向が続けば、5年以内に市場価格を大幅に下回ると予想されています。さらに、空母戦闘群への燃料輸送コストは1立方メートルあたり約2,100ドル（1米ガロンあたり8ドル）であるため、艦上生産は既に大幅にコスト削減されています。[ 26 ]

ウィラウアー氏は、海水が合成ジェット燃料の原料として「最良の選択肢」だと述べた。[ 27 ] [ 28 ] 2014年4月時点で、ウィラウアー氏のチームは軍用ジェット機に必要な基準を満たす燃料をまだ製造していなかったが、[ 29 ] [ 30 ] 2013年9月には、この燃料を使って一般的な2ストローク内燃機関を搭載したラジコン模型飛行機を飛ばすことに成功した。[ 31 ]このプロセスには大量の電気エネルギーが必要となるため、実現の第一歩としては、アメリカの原子力空母（ニミッツ級とジェラルド・R・フォード級）が独自のジェット燃料を製造することが考えられる。[ 32 ]米海軍は2020年代にこの技術を配備する予定である。[ 27 ]

2023年にNATOエネルギー安全保障センター・オブ・エクセレンスが発表した研究では、e-fuelは陸、海、空の領域における軍事モビリティにとって最も有望な脱炭素化経路の1つであると結論付けられました。[ 33 ]

実証プロジェクトと商業開発

250キロワットのメタン合成プラントは、バーデン＝ヴュルテンベルク州の太陽エネルギーと水素研究センター（ZSW）とドイツのフラウンホーファー研究機構によって建設され、2010年に稼働を開始しました。このプラントは10メガワットにアップグレードされており、2012年秋に完成する予定です。[ 34 ] [ 35 ]

アイスランドのグリンダヴィークにあるカーボン・リサイクリング・インターナショナルが運営するジョージ・オラー二酸化炭素リサイクル工場（ジョージ・アンドリュー・オラーにちなんで名付けられた[ 36 ] ）は、 2011年からスヴァルツェンギ発電所の排気ガスから年間200万リットルのメタノール輸送燃料を生産している[ 37 ]。この工場は年間500万リットルの生産能力を持っている[ 38 ] 。

アウディはドイツのヴェルルテにカーボンニュートラルな液化天然ガス（LNG）プラントを建設した。[ 39 ]このプラントは、 A3スポーツバックg-tronで使用されるLNGを相殺するための輸送燃料を生産することを目的としており、初期の容量では年間2,800トンのCO2を環境から排除することができる。[ 40 ]

元F1エンジニアのパディ・ロウ氏が設立した英国企業Zeroは、再生可能エネルギーを用いて大気中の二酸化炭素と水から合成燃料を開発する「石油合成」と呼ばれるプロセスを開発しました。2022年には、オックスフォード近郊のビスター・ヘリテージに実証生産プラント[ 41 ]の建設を開始しました。

商業的な開発はサウスカロライナ州コロンビア[ 42 ] 、カリフォルニア州カマリロ[ 43 ]、イギリスのダーリントン[ 44 ]で行われている。カリフォルニア州バークレーの実証プロジェクトでは、回収された排ガスから燃料と食用油の両方を合成することが提案されている。 [ 45 ]

温室効果ガスの修復

カーボンニュートラル燃料は、二酸化炭素が大気中に放出されるのではなく、燃料の製造に再利用されるため、温室効果ガスの浄化につながる可能性があります。発電所の排ガス中の二酸化炭素を回収すれば、温室効果ガスの排出はなくなりますが、車両で燃料を燃焼させると、その排出物を回収する経済的な方法がないため、その炭素が放出されます。[ 5 ]このアプローチをすべての化石燃料発電所に使用した場合、正味の二酸化炭素排出量は約50％削減されます。ほとんどの石炭火力発電所と天然ガス火力発電所は、排ガスをリサイクルするための炭素回収または炭素隔離のための二酸化炭素スクラバーを経済的に改造できると予測されています。[ 46 ] [ 20 ] [ 47 ]このようなリサイクルは、実施しない場合の気候変動による過剰な経済的影響よりもコストが低いだけでなく、世界的な燃料需要の増加と石油ピークの不足により石油と代替天然ガスの価格が上昇する中で、費用を回収できると予想されています。[ 48 ] [ 49 ]

大気から直接二酸化炭素を回収する直接空気回収法、あるいは海水から炭酸ガスを抽出する方法も、環境中の二酸化炭素量を削減し、新たな二酸化炭素排出を排除する炭素循環を形成する。[ 6 ]これらの方法を用いることで、燃料を生産するのに十分な再生可能エネルギーを生成できれば、化石燃料の必要性は完全になくなる。合成炭化水素を用いてプラスチックなどの合成材料を生産すれば、大気から炭素を永久に隔離することができる。[ 5 ]

テクノロジー

従来の燃料、メタノールまたはエタノール

一部の当局は、従来の輸送燃料の代わりにメタノールを製造することを推奨している。メタノールは常温では液体であり、摂取すると有毒となる可能性がある。メタノールはガソリンよりもオクタン価が高いがエネルギー密度は低く、他の燃料と混合することも、単独で使用することもできる。また、より複雑な炭化水素やポリマーの製造にも使用できる。カリフォルニア工科大学ジェット推進研究所は、メタノールと酸素を電気に変換する直接メタノール燃料電池を開発している。[ 17 ]メタノールをガソリン、ジェット燃料、またはその他の炭化水素に変換することは可能であるが、追加のエネルギーとより複雑な製造設備が必要になる。[ 5 ]メタノールは従来の燃料よりもわずかに腐食性が強いため、それを使用するには自動車を1台あたり約100ドル改造する必要がある。[ 6 ] [ 50 ]

2016年には、炭素スパイク、銅ナノ粒子、窒素を用いて二酸化炭素をエタノールに変換する方法が開発された。[ 51 ]

微細藻類

微細藻類から作られる燃料は、潜在的に低炭素フットプリントである可能性があり、活発に研究されている分野ですが、現在まで大規模生産システムは商業化されていません。微細藻類は水生単細胞生物です。ほとんどの植物とは異なり、極めて単純な細胞構造をしていますが、光合成によって太陽エネルギーを使って二酸化炭素を炭水化物と脂肪に変換することができます。これらの化合物は、バイオエタノールやバイオディーゼルなどのバイオ燃料の原料として利用できます。[ 52 ]したがって、微細藻類ベースの燃料をエネルギー用に燃焼させると、他の燃料と同様に排出物は発生しますが、燃焼時に排出されるのと同量の二酸化炭素を全体として消費すれば、カーボンニュートラルに近づく可能性があります。

微細藻類の利点は、ほとんどの植物と比較して高い二酸化炭素固定効率[ 53 ]と、多様な水生生息地で繁殖できることです[ 54 ] 。主な欠点はコストが高いことです。その独特で多様な化学組成は、特定の用途において魅力的なものとなる可能性があると主張されています[ 52 ] 。

微細藻類は、そのタンパク質の性質から家畜飼料としても利用することができます。さらに、一部の微細藻類は色素や医薬品などの有用な化合物を生産します。[ 55 ]

生産

微細藻類の培養に使用されるレースウェイ池。動力式外輪によって水は常に流動的に保たれています。

微細藻類を栽培する主な方法は、レースウェイポンドシステムとフォトバイオリアクターの2つです。レースウェイポンドシステムは、水を循環させて沈殿を防ぐパドルホイールを備えた閉ループの楕円形チャネルで構成されています。チャネルは大気に開放されており、深さは0.25〜0.4メートル（0.82〜1.31フィート）です。[ 52 ]池は、自己遮蔽と光吸収によって藻類培養液への光の浸透が制限されるため、浅く保つ必要があります。PBRの培養培地は、透明なチューブの密閉アレイで構成されています。中央の貯水槽があり、微細藻類培養液を循環させます。PBRはレースウェイポンドシステムに比べて制御が容易なシステムですが、全体的な生産費用は高くなります。

レースウェイポンドで生産される微細藻類バイオマスからの炭素排出量は、エネルギーと栄養素の投入が炭素集約型であるため、従来のバイオディーゼルからの排出量と比較できます。PBRで生産される微細藻類バイオマスからの対応する排出量も比較でき、従来の化石ディーゼルからの排出量を上回る可能性があります。非効率性の原因は、システム全体に藻類培養液をポンプで送るのに使用する電力量です。副産物を使用して電力を生成することは、全体的な炭素収支を改善できる可能性のある戦略の1つです。認識する必要があるもう1つのこととして、水管理、二酸化炭素処理、栄養素の供給からも環境への影響が生じる可能性があり、システムの設計と実装オプションを制約する可能性のあるいくつかの側面があります。しかし、一般的に、レースウェイポンドシステムは、PBRシステムよりも魅力的なエネルギー収支を示しています。

経済

レースウェイポンドシステムによる微細藻類バイオ燃料の生産コストは、人件費、原材料費、ユーティリティ費などの運用コストによって大きく左右されます。レースウェイポンドシステムでは、培養プロセスにおいて、電力が総運用エネルギー需要の中で最も大きな割合を占めます。電力は微細藻類培養液を循環させるために使用されます。そのエネルギー消費量は22%から79%の範囲です。[ 52 ]一方、PBRにおける微細藻類バイオ燃料の生産コストは、資本コストによって大きく左右されます。このシステムは設置コストが高いものの、運用コストはレースウェイポンドシステムよりも比較的低くなります。

微細藻類バイオ燃料の生産には、化石燃料の生産に比べて多額の費用がかかる。微細藻類バイオ燃料の生産コストは1リットルあたり約3.1ドル（1ガロンあたり11.57ドル）と推定されており[ 56 ] 、従来のガソリンよりもかなり高価である。しかし、車両の電動化と比較すると、このようなバイオ燃料の主な利点は、（既存の車両をバッテリー電気技術に転換するのに必要な）大量の電気エネルギーの高価な配電を回避できることであり、これにより既存の液体燃料輸送インフラの再利用が可能になる。エタノールなどのバイオ燃料は、現在のバッテリー技術よりもはるかにエネルギー密度が高く（約6倍[ 57 ]）、経済的実現可能性がさらに高まっている。

環境への影響

大規模な微細藻類栽培施設の建設は、既存の自然生息地の破壊など、土地利用の変化に関連する環境への悪影響を必然的にもたらす。また、微細藻類は特定の条件下では、メタンや亜酸化窒素などの温室効果ガス、あるいは硫化水素などの悪臭ガスを排出する可能性があるが、この点についてはこれまで広く研究されていない。管理が不十分な場合、微細藻類が自然に産生する毒素が周囲の土壌や地下水に漏出する可能性がある。[ 58 ]

生産

水を高温で電気分解すると、水素ガスと酸素ガスが生成されます。このために必要なエネルギーは、風力発電などの再生可能エネルギー源から抽出されます。次に、水素は直接空気回収によって回収された圧縮二酸化炭素と反応します。この反応により、炭化水素からなるブルー原油が生成されます。このブルー原油は精製され、高効率のE-ディーゼルが製造されます。[ 59 ] [ 60 ]しかし、この方法は、現在の生産能力では数か月で3,000リットルしか生産できず、これは米国の1日あたりの燃料生産量の0.0002%に過ぎないため、依然として議論の余地があります。[ 61 ]さらに、この技術の熱力学的および経済的実現可能性は疑問視されています。ある記事では、この技術は化石燃料の代替品を生み出すのではなく、再生可能エネルギーを液体燃料に変換するものだと示唆しています。また、化石ディーゼルに投資したエネルギーに対するエネルギー収益は、E-ディーゼルの18倍であるとも述べられています。[ 62 ]

歴史

カーボンニュートラル燃料の研究は数十年にわたって続けられてきました。1965年の報告書では、移動式燃料貯蔵庫のために、原子力発電を利用して空気中の二酸化炭素からメタノールを合成することが提案されました。[ 63 ]原子力発電を利用した船舶での合成燃料の製造は、1977年と1995年に研究されました。 [ 64 ] [ 65 ] [ 66 ] 1984年の報告書では、化石燃料プラントからの二酸化炭素回収が研究されました。[ 67 ] 1995年の報告書では、カーボンニュートラルメタノールを使用する車両群の改造と、ガソリンのさらなる合成を比較しました。[ 50 ]

参照

参考文献

書籍とレポート

注記

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