深海への二酸化炭素の直接注入
Type of climate engineering

深海への二酸化炭素直接注入は、大気中の二酸化炭素を深海に直接注入し、数世紀にわたって貯留するという（現在は中止された）技術提案でした。海底では、二酸化炭素が液相になるのに十分な圧力がかかります。海洋注入の背後にある考え方は、海底に安定したCO2のプールを作ることでした。海洋は潜在的に1兆億トン以上のCO2を貯留することができます。しかし、海洋生物への未知の影響、高コスト、そしてその安定性や永続性への懸念から、この炭素貯留方法への関心は2001年頃から大幅に低下しました。 [1]

2005年のIPCC特別報告書は、当時の研究状況をまとめたものです。当時、「深海貯留は、二酸化炭素排出が表層海洋生物に与える影響を軽減するのに役立つ可能性があるが、深海生物への影響を犠牲にしている」と結論づけられていました。 [ 2] : 279 さらに、この技術が気候変動緩和戦略の一環として国民に受け入れられるかどうかは疑問視されていました。[2] : 279 

2007年のIPCC第4次評価報告書では、この技術を海洋貯留と呼んでいました。[ 3 ] : 287 ただし、現在ではこの用語は、海洋における炭素回収・貯留および炭素隔離の一部として、より広く使用されています。たとえば、2014年のIPCC第5次評価報告書では、気候変動緩和策に関する報告書の中で、海洋貯留という用語は使用されなくなりました。 [4]最新の2022年のIPCC第6次評価報告書でも、二酸化炭素除去の分類の中で海洋貯留についての言及がなくなりました。[5] : 12–37 代わりに、現在は沿岸域におけるブルーカーボン管理に重点が置かれています。

コンテクスト

Part of a series on the
Carbon cycle
By regions
Carbon dioxide
Forms of carbon
Metabolic pathways
Carbon respiration
Carbon pumps
Carbon sequestration
Methane
Biogeochemical
Other
海水中の二酸化炭素溶解後の主要成分

海洋は地球の全表面積の70％強を覆い、地球の気候システムで重要な役割を果たしている。[6]二酸化炭素は水に溶けやすいため、 CO2は自然に海水に溶解して平衡状態を形成する。大気中の二酸化炭素濃度が増加すると、平衡状態はより多くのCO2が水に溶解する方向に平衡を押す。このメカニズムにより、過去200年間に排出された人為的な二酸化炭素のうち500 Gトンを超える二酸化炭素（合計140 Gトンの炭素に相当）が海洋に吸収されている。[6]工業化以前のレベルと比較して人間の活動により排出される大気中のCO2濃度が増加しているため、現在、海洋は年間7 Gtの二酸化炭素を吸収している。[7]

大気中の二酸化炭素が海に溶解すると、その一部は海水と反応して炭酸を形成します。[8]炭酸が水分子と反応し続けると炭酸塩が形成され、海中の水素イオン濃度が上昇し、結果として海洋のpHが低下します。したがって、大気中の二酸化炭素濃度の上昇は海洋酸性化と呼ばれるプロセスによって海洋のpHを低下させます。[2]

海洋深層部に意図的に二酸化炭素を注入するという概念は、1976年にイタリアの物理学者チェーザレ・マルケッティによって初めて提案されました。[9] 0.37GTC/年の希薄二酸化炭素注入は、海洋pHにほとんど影響を与えないと考えられていました。[2]希薄海洋注入は、他の海洋注入方法と比較して、インフラ整備をほとんど必要としません。[8]

2022年のレビューでは、「1997年京都で開催されたUNFCCC COP3において、米国エネルギー省、日本の新エネルギー・産業技術総合開発機構（ NEDO）、ノルウェー研究会議の支援を受けて、二酸化炭素の直接注入を研究するための国際プロジェクト協定が締結された」と説明されている。しかし、深海生物への影響や法的影響が不明であるとして、グリーンピースを含む様々な団体から批判があった。 [10] : 262 この批判は2003年頃から障害と見なされていた。

デザイン面

希釈二酸化炭素注入と貯蔵

希釈二酸化炭素注入は、海流や海洋混合によって二酸化炭素が拡散できる深さで注入する必要がある。注入すると、水は密度に基づいて相互作用し、混合し、二酸化炭素濃度を希釈する。[2]船舶による二酸化炭素注入は、低濃度の二酸化炭素を移動しながら外洋に拡散させ、二酸化炭素拡散面積を拡大する。船舶による二酸化炭素拡散は、船舶に取り付けられたパイプから希釈二酸化炭素混合物を水柱に注入することによっても実現できる。二酸化炭素は水深1000メートルに注入され、二酸化炭素の気泡の流出を抑制する。注入された二酸化炭素の気泡が上昇するにつれて、水柱上への拡散が増加する。[11]

研究によると、曳航式パイプライン（海流に垂直に航行する船舶に取り付けられたパイプライン）で液体二酸化炭素を輸送することで、高濃度二酸化炭素の塊を最小限に抑えられることが示されています。固定式パイプラインによる輸送は、海域の限られた範囲に限定され、その地域に生息する敏感な生物を瞬時に死滅させてしまう可能性があります。科学者の間では、二酸化炭素の海洋隔離は長期的な計画にはなり得ないものの、一時的に実施すれば大気汚染の懸念を当面解決できる可能性があるというコンセンサスが得られています。科学者たちは、海洋における二酸化炭素の自然な変動に匹敵する速度で二酸化炭素を排出する方法を設計することが可能だと考えています。[12]

深海における固体二酸化炭素の放出

二酸化炭素の海洋貯留は、固体または固体二酸化炭素水和物によって行うことができます。二酸化炭素の固体密度は海水の約 1.5 倍であるため、海底に沈む傾向があります。表面での溶解速度は約 0.2 cm/時であるため、少量の二酸化炭素は海底に到達する前に完全に溶解します。[2]固体二酸化炭素の注入に加えて、二酸化炭素水和物[13]も貯留の一般的な方法です。水和物の形成は、液体二酸化炭素の溶解濃度が約 30% で海面下 400 メートルのときに起こります。水和物は、液体二酸化炭素の液滴の周りの外層として、または固体の塊として形成されます。[14]分子組成は二酸化炭素と水で構成され、二酸化炭素•nH 2 O (n ≈ 5.75) です。[8]結果として得られる密度は海水よりも約 10% 高くなります[14]さらに、ハイドレートは海底で動かずにハイドレートキャップを形成し、液体二酸化炭素を横方向にのみ移動させる。[15]

分子全体の安定性は環境の温度と圧力に依存し、ハイドレートは追加の熱と平衡濃度より低い濃度の水に直接接触した場合にのみ解離します。[16]しかし、結晶構造のため、純粋なハイドレートはパイプを通過しません。100%の効率を達成することは非常に困難であるため、実際には、実験室実験と現場実験の両方で、沈降反応効率は約15～25%であることが示唆されています。[8]ハイドレートのいかなる不安定性も、降下または注入プロセス中に溶解と分散を引き起こす可能性があります。[15]

二酸化炭素の煙

研究者たちは、実験室および小規模な現場実験において、二酸化炭素を上昇または沈降するプルームとして海洋に注入できることを実証しました。[2]プルームは海水よりも密度が高い場合、沈降します。これは、二酸化炭素と海水の混合物であるプルームを水深3kmに注入した場合に起こるはずです。[8]プルームが垂直方向に移動すると、通過する海水との対流による物質移動によって、少なくとも部分的に溶解します。対流による物質移動の増加により、プルームを含む垂直方向の水柱に垂直な流れが増加することで、溶解が促進されます。沈降プルームの場合、プルームが海底に沈降して長期貯留できるように、水平方向の流れは最小限に抑えることが望ましいです。上昇プルームの場合はその逆が望ましく、前述の他の希薄海洋貯留技術と同様に、海洋中の二酸化炭素濃度の変化を海洋生物圏に大きな影響を与えない程度に低くするために、拡散を利用します。[17]

提案されている注入方法は、超臨界二酸化炭素の液滴を海水と混合するものです。二酸化炭素/海水液滴のサイズ、濃度、注入速度に応じて、プルームの溶解速度を制御できます。二酸化炭素を隔離するために溶解を利用する上昇プルームの場合、液滴が小さく、注入速度が速いほど溶解が速くなるため、より効果的です。沈降プルームの場合は、海底に二酸化炭素の湖を形成し、より長期的な隔離を実現します。[2]

二酸化炭素湖

二酸化炭素湖は、海底の窪みや海溝に形成されます。これらの湖は二酸化炭素を隔離することで隔離します。深海は表層海水との混合速度が非常に遅いです。さらに、二酸化炭素湖の表面には結晶水和物層が形成され、二酸化炭素が表層海水に溶解する速度を遅くします。海底嵐や通常の海流による湖面上の対流運動は、二酸化炭素の溶解を促進します。湖上に大量の水流がない場合、深さ50メートルの湖で二酸化炭素を貯留できる期間は1万年です。この数字は、海底嵐による海流によって25分の1以下に減少します。[2]

貯蔵場所は、海底の深さ、地震活動や火山活動、そして炭素の鉱化率を高める可能性のあるCaCO3鉱床の存在に基づいて選定される。[ 18] 6km以上の深さでの貯蔵場所として提案されている場所には、インドネシアのスンダ海溝、日本の琉球海溝、プエルトリコ海溝などがある。[16]

クラスレート水和物の利用

クラスレート水和物の使用は、二酸化炭素の溶解速度を低下させるために実施することができる。[19] [20]水和物は二酸化炭素に負の浮力を与えるため、パイプラインではなく表層レベルでの注入が可能になる。[21]実験では、クラスレート水和物の使用により、注入された二酸化炭素が海底全体に広がる速度が最小限に抑えられることが示された。[12]この速度は深海生物への影響を最小限に抑えることが証明された。[19]水和物の完全性は、注入場所の海流の大きさに大きく依存する。[20]水和物が深海に沈む前に、二酸化炭素は表層水に溶解した（1500メートルの深さで二酸化炭素の10～55％が水和物に付着したままであった）。[19]実験室実験では、水和物の連続的な流れはまだ達成されていない。[12]

費用

2007年のコスト試算では、この技術のコストは、CO2純注入量1トンあたり5～30米ドルと見積もられています。このコスト試算には「100～500kmの沖合輸送を含む」とされています。[3] : 287 

IEAの温室効果ガス研究開発プログラムは、希釈二酸化炭素注入には、船舶散布前の炭素回収、輸送、貯蔵の費用を含めて、二酸化炭素1トンあたり70ドルの費用がかかると推定した。[22]

課題

2006年に、これらの課題は次のようにまとめられました。「未知の生物学的影響、高コスト、海洋貯留の非永続性、そして国民の受容に関する懸念」[1] 。非永続性の問題は、数百年かけて注入されたCO2が大気と再び平衡状態に戻るという事実に起因しています。[3] : 285 

2013年の評価では、現状を次のように要約しています。「客観的に見て、CO2の直接海洋処分に対する懸念は根拠がない。大量のCO2を深海に移送するには、費用がかかりすぎ、議論の余地が大きく、技術的にも困難である。しかし、いずれにせよ、そのような取り組みは、現在大気から海へ毎時約100万トンの化石燃料由来のCO2が移送されていることを考えると、取るに足らないものとなるだろう。とはいえ、 CO2の直接海洋処分という概念をめぐる緊急の議論は、高濃度CO2が海洋に与える影響に関する現代科学の理解に大きく貢献した。」 [23]

環境への影響

研究者たちは、「プロセス研究、生物地球化学的トレーサー調査、海底調査」を通じて、液体二酸化炭素の注入前後における生態系への影響を研究しています。[2]課題は、海洋の空間的範囲と影響が発生する時間スケールにあり、これらの影響を正確に検出することが困難です。[20]この未踏の海域にどのような生物や生態系が存在するか、そしてそれらの生態系の相互依存性については、非常に限られた知識しかありません。[20]以下は、希釈注入による深海貯留に特化していますが、代替方法（曳航パイプラインによる注入、固定パイプラインによる注入、ハイドレートの使用）についても触れています。海洋の規模を考慮し、この貯留プロセスの環境リスクに関する予測と結論は、海洋と同規模で起こり得る結果を示すために外挿された小規模実験に基づいています。[2]

深海生物

深海堆積物における海洋隔離は、深海生物に影響を及ぼす可能性があります。深海の化学的・物理的組成は、表層水のような変化を受けません。[2]大気との接触が限られているため、ほとんどの生物は物理的・化学的撹乱をほとんど受けずに進化し、二酸化炭素への曝露も最小限です。[2]生物のエネルギーの大部分は、海洋表層水およびその生態系から流れ込む粒子状物質を餌として得ています。[2]深海生態系は、酸素と栄養素へのアクセスが限られているため、繁殖速度が速くなく、多くの子孫を産みません。[2]特に、深海2000～3000メートルに生息する種は、個体数が小さく、多様性に富んでいます。[2]このような種の環境に致死量の二酸化炭素を導入すると、個体数に深刻な影響を与える可能性があり、表層水に生息する種に比べて回復に時間がかかります。[21]

長期的な影響

深海海洋隔離が一般的になった場合、二酸化炭素による深海への影響の将来のシナリオを予測するために、長期的な影響の調査が継続されるだろう。[21]液体二酸化炭素の海洋隔離は深海の生態系に影響を与えるだけでなく、長期的には表層水の生物にも影響を及ぼし始めるだろう。[21]

長期的な影響は理解することが最も重要ですが、海洋の規模と二酸化炭素濃度上昇に対する種の感受性の多様性のため、正確な予測が最も困難です。表層海域の生物は深海生物よりも二酸化炭素への長期曝露による影響についてよく研究されており、石灰化や骨格の損傷が少ないことが証明されています。[2]これは、甲殻類の死亡率と成長率に深刻な影響を与えます。[2]成魚は、二酸化炭素の溶解速度が遅い場合にのみ、二酸化炭素濃度上昇に対して顕著な耐性を示しました。[21]成長中の魚は、成魚よりも耐性が低いことが示されました。[21]

海洋隔離の支持者は、海洋の広大さを考えると、希釈された二酸化炭素注入では生態系に実際の影響を与えるには不十分であり、生物種は最終的にこのような増加した二酸化炭素レベルに進化できると主張する。[2]深海生物が二酸化炭素注入に順応する能力は調査されておらず、時間が経てば進化するという仮説は科学的裏付けに欠けている。[2]科学的研究によると、注入場所は空間的に特定されており、注入場所に生息する生態系は即座に影響を受ける可能性がある。[24]影響を受けた地域では、重炭酸塩レベルの上昇により酸性化が起こり、その結果、炭酸カルシウムレベルが低下する。[24]これにより、生物の堆積物や殻がより急速に溶解する。[2]

参照

参考文献

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