カーボンキャプチャーとネットゼロへの道
二酸化炭素（CO2）は、地球上のあらゆる植物の生命維持に不可欠であり、ひいては動物や人間の生存の基盤でもあります。しかし、大気中にこのガスが過剰に存在することで地球温暖化が引き起こされ、一部の生物種の存続が脅かされているというパラドックスが生じています。
The problem of CO2 emissions from increased burning of fossil fuels dates to the 18th century, with the start of the industrial revolution in certain countries. Today, scientists have estimated the rise in average global temperatures is expected to reach 1.5oC by 2030–2052 (Figure 1). The volume of CO2 emissions is exacerbated by industrialization, urbanization, and sharply increasing world populations (Figure 2).
2015年の第21回気候変動枠組条約締約国会議（COP21）では、2050年までの「レース・トゥ・ゼロ（排出実質ゼロへの競争）」という野心的な目標が採択されました。30年以内にカーボンニュートラルを完全に達成するというこの重大な目標には、世界の産業プロセスと家庭のエネルギー利用慣行における普遍的な変革が求められます。この目標を達成するためのより一般的な手法には、風力や太陽光発電といった持続可能な発電形態が含まれますが、あまり公にされていないものの同様に重要なアプローチとして、発生源または大気から直接CO2を回収するカーボンキャプチャーがあります。関連技術は高コストや貯留容量の制限といった課題を抱えており、現在回収されているCO2は世界全体の排出量のわずか0.1%に過ぎませんが、これが2050年までに19%まで上昇すると予測されています。近年、カーボンキャプチャー技術の研究は活発化していますが、現在までに商業展開されているものはごくわずかです。気候変動の防止・緩和に対する社会的な意識と緊急性が高まる中、より効率的なカーボンキャプチャー技術の開発が急務となっています。
CAS Content Collection™におけるカーボンキャプチャー
The CAS Content Collection™ is the largest human-curated collection of published scientific knowledge, suitable for quantitative analysis of global scientific publications against variables such as time, research area, formulation, application, and chemical composition. To assess the recent and ongoing research effort into carbon capture, an important new CAS Insight provides an overview of the latest trends. The Insight summarizes the results of an extensive recent analysis (∼18,500 documents published between 2000 and 2021) detailing terms related to carbon capture, including methods employed, storage or conversion, which were used in combination with terms related to atmospheric CO2 or its environmental effect.
主要な研究動向とカーボンキャプチャーの手法
文献分析によると、2008年以降、カーボンキャプチャーおよび貯留に関する出版物は急速に増加し、2010年代半ばに一度鈍化したものの、近年再び増加傾向にあります。これは、経済状況や切迫感だけでなく、原油価格とも関連しているようです。原油価格が低いとカーボンキャプチャーはコスト高と見なされるため、回収や貯留の取り組みは限定的になる傾向があります。分析ではカーボンキャプチャーに関連する特許が少数（10%）しか抽出されず、この技術に対する商業的関心の低さが示されましたが、近年ではその数が力強く増加しています。
カーボンキャプチャーへのアプローチは、材料科学、生物学的、化学的、地質学的な4つのカテゴリーに分類されます。
材料科学的アプローチ
排ガスからのカーボンキャプチャーシステムを含む材料科学的アプローチを、図3および表1にまとめました。これらの中で、燃焼後回収は最も広く利用されており、既存の発電所の排気口への後付けに適していますが、多大なエネルギーを消費するため運用コストが高いという課題があります。新たな手法である直接空気回収（DAC）は、大気から直接CO2を回収するもので、幅広い応用が期待されますが、大気中のCO2濃度が低いためプロセスが困難であり、コストも高額です。
表1. 材料科学的手法：CO2回収プロセスの比較
排ガスからの二酸化炭素回収における主要な手法を表2にまとめました。これには、アルカリ溶液を用いた化学吸収法や、メタノールやSelexolなどの非腐食性溶媒を用いた物理吸収法が含まれます。その他のアプローチとして、十分に研究が進んでいる多孔質固体吸着剤への吸着や、CO2分離効率の低さからまだ広く普及していないものの、新たな技術として注目される膜分離法があります。
表2. 材料科学的手法：CO2回収手法の比較
生物学的手法
生物学的な炭素回収アプローチは、地球上で最大のCO2流入源である光合成を主に活用しています。木材や藻類などの多様な植物資源は、燃焼用のバイオ燃料（バイオマス）に変換され、カーボンニュートラルで持続可能なプロセスを生み出します。酵素ベースの技術は、バイオシステムの代替として期待されています。代表的な例が、非常に豊富で研究も進んでいる1,5-ビスリン酸カルボキシラーゼ/オキシゲナーゼ（RubisCO）です。しかし、RubisCOによるCO2回収は本来緩慢であるため、産業的に利用可能なプロセスを構築すべく、RubisCOの活性を高める研究が進められています。
化学的手法
炭素回収には、水素を用いた還元反応を含む触媒プロセスなど、複数の化学的手法も存在し、これらは数トン規模で広く展開されています。その他、プロトンと触媒を用いてCO2を還元する電気化学プロセスもよく利用されています。クリーンエネルギーを利用する光化学、光熱、光電気化学プロセスは有望な選択肢ですが、光エネルギーを基質へ効率的に伝達する技術が未確立であり、現時点では制限があります。プラズマベースのプロセスも可能性を秘めていますが、高エネルギーを必要とするため、炭素回収への応用にはさらなる開発が求められます。
地質学的アプローチ
地質学的な炭素回収手法は、CO2を大気から隔離し、長期貯留するための重要な解決策です。回収されたCO2は、圧縮・輸送された後、地下の深い多孔質地層や塩水帯水層に圧入されます。このプロセスはギガトン規模のCO2を貯留する能力がありますが、適切な場所の選定が極めて重要です。
CAS文献分析による炭素回収の動向
CASの文献分析によると、CO2回収に関する論文数は2007年以前は低調でしたが、2010年代初頭にピークに達し、その後安定しました（図4）。燃焼前回収や酸素燃焼に関する論文は、既存施設の改修に伴う経済的困難から少なめでしたが、近年増加傾向にあります。特許出願は2012年に増加して以降安定しており、商業的な関心が継続していることが示唆されます。
また、CASの分析により、CO2変換の多様な化学的手法に関する論文が、過去6年間でそれ以前と比較して急速に増加したことが明らかになりました（図5）。その中でも、メタン化、プラズマ媒介プロセス、逆水性ガスシフト反応（RWGS）への関心が特に高まっています。
論文数は生物学的なCO2固定への関心が急速に高まっていることを示していますが、特許出願数は横ばいであり、商業化の準備が整った技術がまだ限られていることを反映しています（図6）。しかし、BECCS（バイオエネルギー炭素回収貯留）に関する論文は強い関心を集めています。
CO2の地質学的貯留に関する論文は着実に増加し、2013年にピークに達しましたが、その後は減少しました（図7）。近年では「帯水層」「塩水」「かん水」「シェール」「クラスレート」といった検索語を含む論文が他よりも多く見られ、これらの貯留タイプへの関心の高まりが反映されています。
夢を現実に
18,500件の論文を対象としたCASの文献分析は、CO2隔離の多様なアプローチに対する関心が、急速かつ大幅に高まっていることを示しています。現時点で支配的な手法はなく、広く普及しているものもわずかですが、既存技術の活用と新技術の開発に向けた多大な研究努力がうかがえます。特許出願数は研究論文より少ないものの、一部の技術には商業的な関心が寄せられています。近年の結果は、地球温暖化に対する一般の意識の高まりと、対策が不可欠であるという認識を反映していると考えられます。研究活動と経済状況や原油価格との間に見られる相関関係は、緊急性が高まるにつれて薄れていくでしょう。CASが特定した論文の傾向は、研究と技術展開のペースが2000年当時には想像もできなかった速度で進んでおり、現在では地球温暖化という現実がそれを後押ししていることを示唆しています。
