政府が進めるカーボンリサイクルのウソ…CCUでCO2は削減できない

地球温暖化の原因物質であるCO2を原料として、様々な製品を作ろうという仕組みをカーボンリサイクルといいます。

2020年10月、菅総理大臣は就任演説で、2050年までに温室効果ガス排出量を実質ゼロにするとの目標を表明し、その後11月の参議院予算委員会では、その目標達成の方策として、次世代型太陽電池、カーボンリサイクル、水素の3点を挙げました。

このことからもわかるとおり、カーボンリサイクルは、温室効果ガス排出量をゼロにするための対策として太陽光発電、水素に並んで重要視されており、政府も企業もこぞって、その開発と普及に力を入れつつあります。

カーボンリサイクルは地球温暖化対策の切り札などといわれることもあります。

しかし、残念ながら、カーボンリサイクルではCO2の削減には結びつかない。意味がないというのが今回の記事の内容です。それは次のような理由があるからです。

結論

① カーボンリサイクルで燃料を作ると、その燃料以上のエネルギーが必ず消費されるので意味がない
② カーボンリサイクルで作られた燃料を使用すると、CO2を再び排出することになり、CO2削減にはならない
③ カーボンリサイクルで化学製品を作っても、最終的には廃棄、焼却されてCO2を排出する
④ CO2で作物や藻類を育ててバイオ燃料とするとカーボンニュートラルではなくなる

ある技術者の焦燥

「何かよいアイデアはありませんか」

ある企業に勤める中堅技術者から相談を受けたことがあります。その技術者は会社からCO2を使って何か燃料や化学品を作れないか、つまりカーボンリサイクルについて具体的な方策を提案するように指示を受けているといいます。しかし、どう考えてもうまくいかない。

私はその技術者と一緒に小一時間、なにかよいアイデアはないか議論しましたが、結局よい結論は出ませんでした。CO2からなにか燃料や化学品を作ることは可能です。でも、それを実用化しようとすると、どうしてもデッドロックに乗り上げてしまうのです。

その技術者は肩を落として帰って行かれました。
では、なぜカーボンリサイクルがうまくいかないのでしょうか。

カーボンリサイクルとは

地球温暖化の原因となるCO2を補足して、地下深くや深海に貯蔵しよう(つまり捨ててしまおう)という技術が開発されていて、これをCCSと言います。

しかし、せっかくCO2を補足したなら、捨ててしまうのはもったいない。これを何かに使えないかと考える人たちがいて、これを燃料や化学製品、セメントの原料とすることが研究されています。

このようなCO2の利用技術をCCU。CO2を再利用することをカーボンリサイクルといっています。

具体的には火力発電所などから排出されるCO2を回収し、化学品としてはプラスチックや汎用化学製品(オレフィン、BTXなど)を、燃料としてバイオジェット、メタノール、メタンなど、鉱物としてコンクリート製品などを製造しようとするものです。

カーボンリサイクル技術
(資源エネルギー庁「カーボンリサイクルについて」より)

カーボンリサイクルが実現すれば、火力発電所などから排出されたCO2が固定されて、大気に排出されないように見えます。これにより、温室効果ガスを封じ込めて地球温暖化を防ぎ、さらに厄介者のCO2を資源として活用できる一石二鳥の技術となるというのが、カーボンリサイクルのうたい文句です。

しかし、カーボンリサイクルは原理的に無理なのです。これが冒頭述べた技術者の焦燥の理由です。ではなぜ、カーボンリサイクルは無理なのでしょうか。以下にその理由を述べていきます。

作る燃料以上のエネルギーが必要

まず、カーボンリサイクルのうち、CO2から燃料を作る技術について考えることにします。( CO2と水から石油を作ることは可能?…カーボンリサイクルはは温暖化防止策の切り札ではない  参照)

CO2を原料として、燃料を作ることは可能です。そして、CO2から燃料を作ることができるなら、必然的に以下の図に示すような装置を作ることができるはずです。この装置をX装置と名付けることにします。

X装置

X装置は容器Aと容器Bがあり、そのそれぞれの上部と下部がパイプでつながっています。容器Aでは燃料が燃やされ、その結果、CO2と水(水蒸気)が発生します。容器BではそのCO2と水を使って燃料が合成されます(つまりカーボンリサイクル装置)。

この装置は完全に密閉されているので、外部との物質の出入りはないと考えます。すると、容器Aで発生するCO2および水の総重量と、容器Bで製造される燃料および酸素の総重量は一致します。そのため、X装置では、同じ量の燃料が作られたり、燃やされたり、が無限に続くことになります。

一方、X装置では物質の出入りはありませんが、熱は出入りします。そこで、容器Aと容器Bの熱の出入りを計算してみます。

容器Aでは燃料が燃えているので、熱(A)が発生することになります。この熱はヘスの法則によって計算することができます。ヘスの法則は高校の化学の時間に習うのでご存知の方も多いと思います。

計算の結果、容器Aの発熱量は890.3 kJ/molとなりました。(この計算では燃料としてメタンを考えましたが、他の燃料でも考え方は同じです。計算の詳細はこの記事の末尾に記載しています)

では容器Bの反応熱(B)はどうなるでしょう。この反応熱は実際にカーボンリサイクル装置を設計する場合に重要な数値となります。
これもヘスの法則によって計算することができ、計算結果は-890.3 kJ/molとなりました。

お気づきのとおり、容器Aで発生する燃焼熱(A)と容器Bでの反応熱(B)は一致します。ただし、容器Aでは符号がプラスなのに、容器Bでは符号がマイナスになります。
符号がプラスということは、熱を発生することを意味し、マイナスは熱を吸収することを意味します。

ということは、容器Aでは890.3 kJ/molの熱を出し、容器Bはその熱と同じ熱を吸収してしまうということがヘスの法則からの結論です。つまり、X装置を動かそうとすると、容器Aで発生した熱を、そっくりそのまま容器Bが吸収してしまうということを意味します。

実際は熱のロスがありますので、CO2と水から燃料を作るときには、その燃料以上の燃料が必要となります。また、熱とエネルギーは同じものなので、熱量はエネルギーと読み替えることができます。

以上のことから、
「CO2から燃料を作るためには、作られた燃料をすべて燃焼させたときに得られる熱量(エネルギー)以上の熱量(エネルギー)が必ず必要となる」
ということができます。

あるいは、
「CO2から燃料を作るには、作った燃料以上のエネルギーを消費しなければならい」
と言い換えることもできます。

カーボンリサイクルで燃料を作ると、作った燃料の持つエネルギーより多くのエネルギーを必ず消費してしまいます。ですからカーボンリサイクルは意味がないのです。

ちなみに、CO2から製造された燃料をX装置から取り出すことはできません。燃料を取り出すとX装置は動かなくなります。もし燃料を取り出すことができれば、X装置は永久機関ということになってしまいます。

実際のカーボンリサイクルはどうか

このような説明をするといろいろと反論があるかもしれません。X装置は確かに永久機関だが、それと現実のカーボンリサイクルは違う。あるいはカーボンリサイクルはX装置のような単純なものではないというような反論です。

確かに、実際のカーボンリサイクルはX装置のような単純なものではありません。
例えば石炭火力発電所から排出された排ガス中のCO2を何らかの方法で回収、精製したあと、様々な工程によって燃料を作ることが構想されています。

しかし、複雑になってもカーボンリサイクルは単純化して考えれば大きなX装置を構成しているのです。

石炭や天然ガスを燃やす発電所がX装置の容器Aに相当し、回収されたCO2を燃料に転換する部分が容器Bに相当します。この場合もヘスの法則が成り立ちます。

火力発電所の例

例えば、カーボンリサイクル技術でCO2から燃料を作るためには、次のような方法が考えられています。

① CO2から酸素(O)を一つ抜いて一酸化炭素(CO)にする(逆シフト反応)
   2 CO2 → 2CO + O2

② 水を分解して、水素を得る(電気分解反応)
   2H2O → 2H2 + O2

③ こうやって作られたCOと水素を合成して燃料を作る(フィッシャー・トロプシュ反応)

   nCO + (n+1)H2 → CnH2n+2 + (1/2)nO2

この場合、CO2と水から直接燃料を作るわけではなく、途中でCOや水素にする工程が入って分かりにくくなっていますが、ヘスの法則は「原料は何か」と「何ができるか」だけで計算されるので、途中のCOや水素は関係ありません。

実際、中間の反応それぞれにヘスの法則を当てはめて反応熱(エネルギー)を計算していくと、途中の反応熱はプラスとマイナスでそれぞれ打ち消し合って、最終的にはCO2と水から直接燃料を作ると仮定したときと同じ反応熱になります。

結局、いくら反応工程が複雑になっても作られた燃料よりも消費される燃料の方が大きくなるという結論は変わりません。

現在検討されているカーボンリサイクルは経路が複雑になっているのでわかりにくくなって誤魔化されているだけで、基本的にはX装置。すなわち永久機関を作ろうという試みに他ならないというわけです。
水や空気で走る車がすでに実用化されている? 参照)

再生可能エネルギーを使うというアイデア

CO2から燃料を作るなら、その燃料を作るために大量のエネルギーがいることは分かった。では、X装置のように装置内で熱(エネルギー)のやり取りをしないで、外部からエネルギーを持ってくればいいじゃないかというアイデアもあると思います。

しかし、その外部エネルギーを例えば石油を燃やして得るなら、燃やす石油の方が作られる燃料よりも多くなって、かえってCO2が増加することになります。

それなら、外部エネルギーとして太陽光や風力などで作られた再生可能エネルギーを使えばCO2の増加につながらないじゃないかという考えがあります。実際に今検討されているカーボンリサイクルは再生可能エネルギーを使うという方向に進んでいます。

しかしながらCO2と水から燃料を作るときに必要なエネルギーは、作られた燃料よりも多くなるという原則は変わりません。ということは、例えば石炭火力発電で発生するCO2から燃料をつくるとき、その発電所で作られる電力よりも、消費される再生可能エネルギーの方が大きくなるということになります。

そんなに再生可能エネルギーが豊富にあるのなら、わざわざ手間暇かけてCO2から燃料を作らなくても、そのまま送電線に送って使うのが最も効率的でしょう。あるいは燃料製造工程で水素を作るのなら、水素自動車や水素発電(燃料電池)で使う方が効率的です。

また、エネルギーロスは段階を踏むほど大きくなります。CO2を回収したり、水素を作ったり、逆シフト反応を行ったりと、ステップを踏むごとにエネルギーロスが増えていきます。

結局、CO2から燃料を作ると、その燃料の持つエネルギーは使用した再生可能エネルギーの15%程度にしかならないという文献もあります。(”Novel carbon capture and utilization technologies”, SAPEA Evidence Review Report No. 2(2018))

カーボンリサイクルでも結局CO2が排出される

そうやって手間暇かけてCO2から燃料を作っても、その燃料は結局燃やさなければ用を足しません。燃料を燃やせばCO2が排出されることになります。このCO2は石炭から出たCO2なので、結局大気中のCO2濃度を増やしてしまうことになります。

カーボンリサイクルとは、例えば石炭火力で石炭を燃やしてCO2を発生させ、これを使って燃料を作り、再び自動車などで燃やしてCO2を発生させている。

結局、石炭で自動車が走っているということであり、当然、CO2も排出され、政府が掲げる温室効果ガス排出量ゼロに対しては何の効果もないということです。

化学製品の製造ならいいか

では、CO2から燃料を作るのではなくて、プラスチックや合成繊維などの化学品を作るのはどうでしょうか。

この場合は、燃料を作るのではありませんから、作られた燃料以上のエネルギーを必要とするという原理は問題にはならないように思われます。

しかしながら、この場合も製品のプラスチックや合成繊維も最終的には廃棄され、その大半は焼却処分されるので、このとき、CO2を放出することになります。

つまり、カーボンリサイクルで化学製品を作る技術は、火力発電所でのCO2の排出を抑えることはできますが、化学製品の廃棄時まで考えれば、回収したのと同じ量のCO2を排出していることになり、温室効果ガスゼロには寄与しません。

分かりやすく言えば、カーボンリサイクルではCO2を原料として化学製品を作っているように見えますが、そのCO2はもともと石炭から出たものであり、石炭から化学製品を作っているということなのです。だから、CO2の排出を抑制することはできないということです。

あとは、カーボンリサイクルで化学製品を作る場合と、従来どおり石油や天然ガスから作る場合の経済性の差ということになります。

しかし、CO2は非常に安定な物質なので、これから製品を作ろうとすると石油や天然ガスから作るときに比べて多くのエネルギーが必要となります。即ち経済性が劣るということです。

現在、プラスチックは主に石油から作られていますが、これは石油でなければ作れないというのはなく、プラスチックの材料である炭素を石油から得ているに過ぎません。( 石油が枯渇するとプラスチックは作れないというウソ  参照)

ですから炭素源として CO2 を使ってもプラスチックは作れます。ただし、石油に比べて非常に大きなエネルギーを必要とするので今まで使われてこなかったのです。

いずれにしても、プラスチックや合成繊維のような化学製品は、廃棄されたあと焼却処分するのではなく、CO2を排出しない廃棄方法を開発する。あるいは、バイオマスのようなカーボンニュートラルな原料を使用する方法を開発すべきであり、カーボンリサイクルは温室効果ガス排出量ゼロの対策にならないということです。

バイオ燃料に使うとカーボンニュートラルではなくなる

回収されたCO2を植物や藻類に吸収させて、バイオ燃料の原料として使おうという計画もあります。

バイオ燃料は、その原料となる植物が成長するときに大気中のCO2を吸収しているため、燃やして発生するCO2は植物が成長する時に吸収したCO2と同じになるので、差し引きで大気中のCO2を増やさない。つまりカーボンニュートラルと考えられています。

そのため、例えばジェット機の燃料として植物起源の燃料を使えば、大気中のCO2を増加させない燃料ということになる。このため世界中でその開発が進められています。( 石油が枯渇したらジェット機は飛べなくなるのか…温室効果ガスゼロ時代のジェット燃料  参照)

しかし、石炭火力などから排出されたCO2を使って育てた植物や藻類を使ってバイオ燃料を作った場合、その燃焼時に発生するCO2は大気から吸収したCO2ではなく、火力発電所から排出されたCO2ということになります。これではカーボンニュートラルではなくなってしまいます。

せっかく、バイオ燃料は大気中のCO2を増やさないという利点があるのに、カーボンリサイクル技術を使うと、その利点がなくなってバイオ燃料を使う意味がまったくなくなってしまうのです。

この技術を提案している人たちには、こんな単純なことがどうして分からないのか不思議です。

結局、石炭火力をやめればいいだけのこと

カーボンリサイクルは、火力発電所などから出たCO2を使って燃料や化学製品を作りますが、その燃料や化学製品は最終的にはまたCO2に戻りますからCO2の排出量を削減することはできません。その上、製造された燃料や化学品の持つエネルギー以上に再生可能エネルギーを消費することになります。

結局、火力発電所で発生したCO2をぐるぐる回して、最後には大気に捨てることになる。そのために多大な投資をし、発電量以上の再生可能電力を消費することになるのです。

であれば、火力発電所、特にCO2の発生量の多い石炭火力発電所を停止すればいいのです。そうすれば、そもそもCO2の発生がなくなります。

石炭火力を止めた電力の穴埋めをどうするのか。それは、カーボンリサイクルに使われる予定の再生可能エネルギーを充てればいいだけの話です。しかも、その方がエネルギー経済的にも断然有利なのです。


【付録】X装置での反応熱の計算

1.ヘスの法則とは

反応熱 = 生成物の生成熱の総和 - 反応物の生成熱の総和

という計算式で化学反応によって発生あるいは消費される熱(反応熱)を計算することができるという法則です。

2.容器Aの反応熱

容器Aの反応を次のように考えます。

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

容器Aでは石油を燃やすのですが、計算が複雑になるので、ここではメタンCH4(都市ガスの主成分)を燃やすことにしましたが、考え方は石油の場合とおなじです。
(石油の化学式は一般にCnH2n+2で表されますが、メタンは石油の化学式のn=1の場合と考えることができます)

ちなみに生成熱というのは、物質1モルがその成分元素の単体から生成するときの反応熱のことを言いますが、難しく考えずに、物質それぞれが持っている固有の数値と考えてください。それぞれの物質の生成熱は実測されていて一覧表となっています。

反応物(原料)側
  メタン(CH4) 生成熱=74.8kJ/mol、モル数=1
  酸素(O2)   生成熱= 0.0kJ/mol、モル数=2

  生成熱の総和 = 74.8 × 1 + 0.0 × 2 = 74.8 kJ/mol

生成物(できたもの)側
  二酸化炭素(CO2) 生成熱=393.5kJ/mol、モル数=1
  水(H2O)      生成熱=285.8kJ/mol、モル数=2

  生成熱の総和 = 393.5 × 1 + 285.8 × 2 =  965.1kJ/mol 

容器Aの反応熱 = 生成物側の生成熱の総和―反応物側の生成熱の総和 
                = 965.1 ― 74.8 = 890.3 kJ/mol

3.容器Bの反応熱

容器Bの反応熱を計算します。

容器Bの反応は次のようになります。

CO2 + 2H2O → CH4 + 2O2

つまり容器BではCO2と水からメタンCH4ができることになります。

反応物(原料)側
  二酸化炭素(CO2) 生成熱=393.5kJ/mol、モル数=1
  水(H2O)      生成熱=285.8kJ/mol、モル数=2

  生成熱の総和 = 393.5 × 1 + 285.8 × 2 =  965.1kJ/mol

生成物(できたもの)側
  メタン(CH4) 生成熱=74.8kJ/mol、モル数=1
  酸素(O2)   生成熱= 0.0kJ/mol、モル数=2

  生成熱の総和 = 74.8 × 1 + 0.0 × 2 = 74.8 kJ/mol

容器Bの反応熱 = 生成物側の生成熱の総和―反応物側の生成熱の総和
                = 74.8 ― 965.1 = -890.3 kJ/mol

2020年12月6日

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