カーボンニュートラル技術｜CO2削減の最新動向と実用例

この記事は、リンカーズ株式会社が主催した Web セミナー『カーボンニュートラル 2024 年最新技術動向～ CO2 回収とエネルギー管理～』と『カーボンニュートラル 2024 年最新技術動向～低炭素材料・リサイクル技術と環境汚染対策技術～』のお話を編集したものです。

リンカーズではカーボンニュートラルの実現を目指し開発が進む技術分野を調査し、レポートとして発表しています。 セミナーでは 2024 年版のレポートの中から注目の技術事例をピックアップし、紹介しました。

記事の最後では、セミナー講演時に使用した資料を無料にてダウンロードいただけますので、あわせてご覧ください。

カーボンニュートラルとは、温室効果ガスの排出量と吸収量を均衡させることを意味します。例えば、製品を作る際に CO2 をなるべく排出しないような素材を使ったり、廃棄物から有用な燃料を作ったりすることなどが挙げられます。

2020 年 10 月に、 2050 年カーボンニュートラル目標を日本政府が設定しました。 2050 年までに脱炭素社会を実現するという大きな目標に向かって各社で取り組みを進めている状況です。

海外における 2024 年の動向に目を向けると、例えばアメリカでカーボンニュートラルに関する CO2 の回収・貯蔵のインセンティブ制度が強化されました。また EU では炭素国境調査メカニズム（ CBAM ）という炭素に関連した関税制度を導入し、環境変動への対策を行っています。このように脱炭素社会に向けて各国でも取り組みが進められているのです。

CCUSとは、Carbon dioxide Capture, Utilization and Storageの略で、排出されたCO2を回収し、貯留したり、再利用したりする技術の総称です。CCUSのエコシステムは大きく「CO2回収」「CO2変換」「利活用」に分けて考えることができます。

まず CO2 の回収について説明していきます。画像のように CO2 の「回収」「変換」「利活用」という形でチャートを引いてみると、CO2 の「回収」には「液体回収」「固体吸着」「膜分離」の大きく分けて 3 つのシステムがあることがわかります。また「変換」にも直接利用や他の物質に固定するなどのプロセスがあり、さらに様々な分野で「利活用」されているというような状況です。

CO2 の回収の川上のほうを見てみると、いろんな材料で CO2 の回収・分離が行われているということがわかります。今回は「アミン系」「非アミン系」という「液体吸収剤」と、「固体吸収材」として代表的な「ポリマー系」「無機系」「ハイブリッド」、それから膜分離、あと数は少ないのですが電気化学セルを用いた CO2 の吸着などを取り上げます。

まず液体吸収材を用いた CO2 の回収プロセスについてご紹介しますこちらはかなり広く普及している技術で、全体の構成としては図示したとおりです。

液体吸収剤を用いた CO2 の回収プロセスには小型化が難しいという課題がありました。さらに CO2 の回収を続けていると、液体吸収剤自体が劣化してしまうことも課題でした。このような課題の解決に向けた取り組みの事例を後ほど紹介します。

画像は弊社で作成した 2024 年度版のカーボンニュートラルに関するレポートに入っている液体吸収剤リストの数と、 2023 年度版と 2024 年度版との違いをまとめたグラフです。アミン系の液体吸収剤を用いたシステムは広く普及していると先ほどお伝えしましたが、今回の 2024 年度のリストでもそのような傾向が見られました。製品検証段階から販売・実用化段階までが一番多いという結果になっています。 2023 年度版と比べてみても、若干ではありますが製品検証段階から販売・実用化段階の割合が増えていることがわかります。

こちらは液体アミンを用いた CO2 の回収技術の実用化事例です。３つ紹介します。液体アミンを用いた CO2 の回収技術はセメント業界で使われることが多いです。

画像の左は Linde engineering の事例で、ドイツ国内でかなり大規模な CO2 の回収のプロジェクトが動き出しています。

真ん中はノルウェーの Aker Carbon Capture は液体吸収材を使った CO2 回収を行う有名なベンチャーです。こちらはフィンランドのセメント工場で CO2 回収プロジェクトを立ち上げ、大規模化が進んでいます。

右側は日本の日鉄エンジニアリングで、こちらでは液体吸収剤を用いた CO2 の回収プロセスの小型化が難しいという課題に対して、デモ機ベースで、小スケールでテストできるシステムを 2023 年から 2024 年の間に発表しました。

次は固体吸収材を用いた CO2 の回収プロセスに関する紹介です。
液体吸収剤との違いは、比較的低い温度で CO2 の回収が可能ということと、小型化ができるということがあります。

一方で課題としては、大規模化が難しいこと、湿気の多い環境だと固体吸収材の能力が発揮されないこと、トータルでかかるエネルギーやコストが高いことなどがありました。この課題を解決する取り組みは後ほど紹介します。

固体吸収剤の全体のリスト数は液体吸収剤と比べるとまだ実験段階・試作段階のものが多い状況です。 ただ 2023 年度版と比べると、販売・実用化の例も増えてきたように見受けられます。

具体的な事例を紹介します。左にあるのはアメリカの Carbon Capture Inc. という企業で、写真のはコンテナ式 CO2 回収モジュールを作っています。このモジュールがアップグレード可能になり、大気中の CO2 を回収するシステムも搭載されました。さらにコスト削減が進んだとのことで、大量生産もできるようになってきている状況だと思われます。より広範囲での導入が見込まれるでしょう。他の事例の写真を見てもわかるとおり、ほとんどの企業がコンテナを用いたシステムを開発していることがわかります。

一番右の Global Thermostat Operations, LLC では、従来のものに比べてコスト削減をした製品を発表しました。固体吸収剤による CO2 回収技術では、低コストかつ大量生産可能なシステムの開発がトレンドになっているようです。また省エネルギー化を達成する観点で、コンテナに太陽光発電の機能を搭載するという事例も増えてきています。コンテナで作ったエネルギーを使って CO2 を回収するという方向での開発が各社で進められているようです。

次は膜分離を用いた CO2 の回収プロセスです。先ほどの２つと比べると必要なエネルギー量が格段に低いという特徴があります。画像で示したイラストのように、膜を設置して、そこに例えば煙道ガスなどの排気ガスを通し、セパレーターで CO2 を回収・分離するというようなシステムです。そのため必要なエネルギー量は低くなります。

膜分離を用いた CO2 の回収プロセスはその圧力差で CO2 を回収するというケースが多いのですが、その際には若干エネルギーがかかるのが一般的です。また膜を繰り返し使用すると CO2 の回収効率が下がるという問題もあります。同じ膜を使い続けると無駄にエネルギーをかけてしまう場合があることも課題です。このような課題をいかに解決しているのか、その事例を後ほど紹介します。

膜分離に関しては、製品検証段階以上に進んでいる技術も多い印象があります。ベンチャー企業から大手・中堅企業またはアカデミアに至るまで多様なプレーヤーがいることが見て取れます。

こちらが技術事例です。一番左の Ecole Polytechnique Federale de Lausanne というスイスのアカデミアでは、コスト削減と、その膜に投入するエネルギーの上昇問題を解決する技術を研究しています。

真ん中の、日本のセイコーエプソンはこれまでのプリンター開発で培った技術を使って、 CO2 の分離をするフィルターを開発しました。

一番右、アメリカの MTR （ MembraneTechnology and Research, Inc. ）は、発電所で独自のポリマー膜を用いたパイロットプロジェクトを立ち上げました。特徴としては高純度な CO2 が回収できる点です。

この３つの事例に共通しているのが、薄膜のフィルターが使われていることと、より省エネルギーで CO2 の回収ができるところです。

こちらは CO2 の地下貯留の事例です。 CO2 の 地下貯留に関して世界的に最も活発なのがアメリカで、画像の左２つの事例はどちらもアメリカでの事例となっています。両方とも 2023 年に発表されたプロジェクトです。数千万トンレベルの CO2 の貯留が可能とのことです。特にアメリカのテキサス州でこのような大規模プロジェクトが行われ、かなり注目を集めています。

続いて CO2 を回収後に変換してその利用する技術を紹介していきます。まずは CO2 の再利用技術です。

CO2 の再利用の技術はこの画像にあるようなアプローチに分けられると考えています。

• ・電解セルを用いて CO2 を様々な化学物質に変換する技術
• ・触媒を用いてエタノールや炭化水素化合物を作る技術
• ・人工光合成光と触媒をあわせて CO2 の還元を行う技術
• ・ 1,000 度以上の高温で CO2 を水との混合物から水素と CO の混合ガスを生成する技術
• ・ SOEC （固体酸化物型電解セル）を用いて水蒸気と CO2 からメタンの材料になる合成ガスを作る技術
• ・微生物やバイオ触媒を用いて、バイオプラスチックやバイオガス、バイオ燃料を合成するバイオプロセス
• ・溶融塩を用いて比較的低い温度で CO2 を炭素材料へ変換する技術
• ・その他

CO2 の再利用技術のリスト数をグラフ化したのがこちらの画像です。一番多いのは電解還元で先ほど紹介した順に上から並ぶような状況です。全体的に実験段階の技術が多いことがわかります。

CO2 の電解還元技術のトピックスを３つ挙げます。 CO2 の電解還元技術は従来からあるものですが、この３つに共通する特徴として、より効率的な CO2 の還元が行えるようになったことがあります。

また真ん中のアメリカの OCO Corp という企業では、陸軍と共同でそのギ酸を生成する CO2 電解セルの開発を行っています。

このように効率の向上が１つのキーワードであり、アカデミア以外に企業でもギ酸やメタノールを生成した事例が生まれ、スケールが大きくなってきている状況です。

次は 触媒を用いた CO2 再利用技術について。目立ったプレーヤーとしてはアカデミアかなという印象です。

使用される触媒はさまざまな種類が開発をされており、選択性の高さが重要な要素になると考えています。また多様な触媒に対してアプローチするためにさまざまな技術が用いられている状況です。特定の材料を、 CO2 を原料として合成するのは難しく、まだまだチャレンジングな領域ではあるのですが、天然ビタミンを用いた触媒など新しいアプローチで CO2 由来の物質を作る研究がアカデミアレベルで活発になっています。

ここまでの CO2 分離・回収・利活用の技術は第１部にあたるお話です。ここからは第２部として発電 / 蓄電 / エネルギーマネジメントについて取り上げ、再生可能エネルギーからエネルギーマネジメントまでの事例などを紹介します。

まず再生可能エネルギーについて。太陽光・太陽熱発電の他にもさまざまな技術がありますが、本セミナーで取り上げるのはペロブスカイト材料を用いた太陽光電池の実用化事例です。

ペロブスカイト材料を用いた太陽光電池の実用化は難しいのではないかと言われてきましたが、直近では日本を含め海外でも実用化が進んでいます。

画像の一番左にある Oxford Photovoltaics という企業では、大型の資金調達をしてペロブスカイト材料の製品を作っている状況です。

真ん中の Caelux というアメリカの企業では、低コストで製造可能なペロブスカイト電池を内蔵したこのガラス板を開発しています。これは従来の太陽光電池に取り付けることで簡単にタンデム型の電池が作れる画期的な製品で、非常に注目を集めています。

右側のシドニー大学では、耐久性変換効率を向上させた技術ということで、低コストなプロセスを用いて商用サイズで 25% 以上の変換効率を実現しています。

ペロブスカイト材料を用いた太陽電池は、今後より高いエネルギー効率を実現できる製品として商品化されていくことでしょう。さらに、従来のシリコン型太陽電池との組み合わせにより、既存の製造プロセスを活用しつつ、コスト削減と性能向上を図ることが可能になると考えられます。

また地熱発電でも大きな動きがありまして、大学発の事例として CO2 を回収したものを地熱発電に利用する技術が、オハイオ州大学や大阪大学で開発されています。他にも次世代の地熱発電システムを開発しているベンチャーが出始めています。

CO2 や水などを用いることでカーボンニュートラルにコミットできるような持続可能性の高いエネルギー生成を地熱発電で行う技術も盛り上がりを見せています。

続いてはエネルギー貯蔵 / 分散電源の技術について紹介します。こちらには電池の技術や、圧力と重力を用いたエネルギー貯蔵技術も含まれております。

まずは電池の技術です。従来のリチウムイオン電池やエネルギーグリッドのような分散電源を実現させるような高エネルギー密度を実現する電池技術の研究開発が昨今非常に進んでいる状況です。画像にある３つの事例はいずれも「空気電池」と呼ばれるものです。この空気電池の開発がアカデミア・民間企業を含めて今まさに活発化しています。

リチウムを使った空気電池は高エネルギー密度かつ信頼性が高いと言われています。その理由となるさまざまな工夫が研究されており、例えばイオン液体や固体電解質を用いることで、従来の液体電解質に比べて効率的なエネルギー変換が可能となる技術などの開発が進められている状況です。

次は核融合や水素の製造、アンモニアの製造などの技術を紹介します。

まずは水素の製造について、種類が多いので手法ごとに５つに分類しました。

• ・改質法：メタンガスと水蒸気を触媒反応させる、従来行われてきた水素製造技術
• ・電気分解：水の電気分解により水素を発生させる技術
• ・光触媒：光触媒を用いて、水を分解して水素と酸素を得る技術で、日本がプレーヤーとして目立っている
• ・熱化学法：水を加熱して水素を発生させる技術
• ・バイオマスガス：バイオマスガスあるいはバイオマス自体から水素を発生させる技術

これらトータルで世界の企業やアカデミアなどがカーボンニュートラルを実現させようと研究を進めています。

画像は水素の製造 / 利用の技術をリストアップしたものです。現状、製品検証、販売・実用化まで進んでいる技術が増えていることが見て取れます。

こちらはグリーン水素と呼ばれる、再生可能エネルギーを用いて水素を生成する技術の事例です。３つとも 2023 年の発表から更新されています。元々プロトン型の PEM の技術が先に出ていたのですが、それを低コストかつ効率的に行うようなものとしてアニオン交換膜が登場し、実用化が進んでいます。この実用化により、グリーン水素の生産コストが大幅に削減されることが期待されています。

あとは、従来のアルカリ電解についてもギガファクトリーの建設が進んでどんどん大型化しており、性能も上がってきています。アルカリ電解の場合はスケールが大きくなるほど水素の製造コストが低くなるという関係性があるのでそういったところでスケールアップは進行している状況です。

また事例は割愛しますが、今回のレポートでは新しく核融合のエネルギーを取り上げました。核融合でエネルギーを生成する方式は主に２つあります。「磁場閉じ込め方式（ MCF ）」と「慣性閉じ込め方式（ ICF ）」です。 2025 年までにプラズマ生成を目指すトカマク型の国際プロジェクト（ ITER ）や、日米で増加するスタートアップによるレーザー法など、様々な方式での開発が進められています。

他の方式の核融合技術を開発している企業もあり、例えばアメリカではノーベル賞を受賞した有名な先生がレーザー法を使ったベンチャーを 2023 年に立ち上げました。また日本でも慣性閉じ込め方式のレーザー法を使った核融合のエネルギーベンチャー企業が出てきています。

核融合エネルギーは全体感を見ると実用化までにまだ時間がかかると思われますが、プレーヤーとして主にアメリカのベンチャー企業が目立っていて、大型の資金調達をして存在感を示しつつ実用化を進めている状況です。

最後はエネルギーの作り方などを含むマネジメントの観点で調査した事例を紹介します。エネルギーをどう分配するのか、電力やカーボンクレジットの取引システムにどういうものがあるのか、カーボンニュートラルの支援プラットフォームを運営する企業はどんな取り組みをしているのかなどピックアップしました。

エネルギーマネジメントの事例として画像の３つを紹介します。全て先進的な取り組みをしている事例です。機械学習によって最適なエネルギー管理をしている（マイクログリッドの制御をしている）という点がポイントだと思います。それから製造業でよく耳にすることの多いデジタルツインの技術。仮想システムでエネルギーの行き渡り方をシミュレーションして、いかに最適に管理をするか、また複数のパラメータを変えることで異常検出する技術も注目されています。

これらの技術は、再生可能エネルギーの効率的な利用と分散型エネルギーシステムの運用最適化を実現するための重要な要素とされています。

こちらは CO2 排出量を見える化する、カーボンニュートラルを支援するようなシステムの事例です。一番左のアスエネは日本のベンチャー企業で、二酸化炭素排出量の見える化に関するサービスを提供しています。最近では AI を活用した削減支援として、排出量を自動計算する機能や、計算したデータをもとに報告書を自動作成する機能を搭載したシステムの提供も行っています。

真ん中の Tanso Technologies はドイツの企業です。アスエネと似ていて、カーボンフットプリントを計算して管理するというシステムを提供しています。こちらは ISO に準拠した Scope １から３まで管理できるのがポイントです。

一番右の Greenly はフランスのベンチャー企業で、カーボンフットプリントを測定するモバイルアプリケーションを開発しています。モバイルのため現場レベルでカーボンフットプリントの作成・測定を行えるのが特徴です。また CO2 の排出量・削減量がリアルタイムで確認できるところもポイントといえます。

このように AI 技術を用いた二酸化炭素排出量の自動計算やデータ収集が進められています。特に、国際基準に準拠した報告書作成の自動化が実現され、企業の持続可能性への取り組みを支援する仕組みが整備されているのが昨今の状況です。

ここまでに紹介した技術以外にも、注目すべきものをレポートのほうでまとめています。

次のページ：引き続き、カーボンニュートラル技術を紹介します。