炭素回収へのキックスタート
24 Oct 2023
炭素集約型産業は、二酸化炭素排出量を大幅に削減する必要に迫られています。GEAは、このような産業界を支援するため、効率性と拡張性に重点を置いた炭素回収ポートフォリオを導入しています。
コンクリートは、過去数千年にわたり、ほぼ完璧な建築材料であることが証明されており、ローマのパンテオンから世界一高い超高層ビルまで、私たちの人工的な環境にはほぼどこにでも見られます。水以外の地球上のどの物質よりも多く使用されているコンクリートの物理的な設置面積は膨大です。残念なことに、同じことが気候に対するフットプリント（天然資源の消費量）にもあてはまります。その原因は、砂や砂利を結合させるために使われるコンクリートの主要成分であるセメントです。セメント製造には高熱と化学反応が必要なため、年間約40億トンの二酸化炭素が発生し、これは世界の二酸化炭素排出量の約8％に相当します。セメント生産を国に例えるなら、中国と米国に次いで排出量の多い大国のリストの第3位になるでしょう。[1]
1980年以降、セメント生産量はほぼ5倍に増加し、そのトレンドは上昇傾向にあります。出典： U.S. Geological Survey (USGS), VDZ Verein Deutscher Zementwerke e.V.
セメントの影響を認識して、世界セメントコンクリート協会（GCCA）は、2050年までにカーボンニュートラルなコンクリートを実現するため、2050年気候アンビション（気候対策への意欲）プログラムを立ち上げました。そこに到達するために、GCCAは、いくつかの例を挙げると、エネルギー効率、代替燃料、原材料と燃料の脱炭素化、革新的な材料、より効率的に設計されたセメントプラントなど、多くの行動指標を頼りにしています。しかし、GCCAのカーボンニュートラルパズルの最大の部分は、炭素回収とその利用および貯留（CCUS）です。二酸化炭素を排出スタックから分離して、工業プロセスで再利用するか、大気に影響を与えることができない地下深くに注入するかです。
セメントをはじめとする二酸化炭素排出削減が困難な産業にとって朗報なのは、炭素回収技術は新しいものではないということです。アミンベースの二酸化炭素分離は、今日の炭素回収方法の中で最も成熟し、広く普及しており、石油およびガス産業で何十年にもわたって使用されてきたものです。しかし、セメント工場に炭素回収設備を組み込むことは、依然としてコストのかかる課題です。セメントメーカーが利用できる "既製 "の炭素回収プラントは、今のところ存在しません。これは主に、数え切れないほどの不確定要素が関与しているためです。プラントの排ガスの正確な組成は何ですか？プラントは追加のエネルギー投入を必要としますか?その場合、どれくらいのエネルギー投入が必要ですか？このような特殊な条件下で、アミン溶剤はどの程度安定していますか？高レベルの粉塵排出は、プラントの寿命にどのような影響を与えますか？回収した二酸化炭素を再利用するために、どのような選択肢がありますか？
今日の大量排出企業は、規制当局やその他の主要関係者から、二酸化炭素除去対策への取り組みに対する圧力が高まっています。しかし、回収炭素の市場はまだ黎明期であるため、彼らは多くの未確定要素を伴う多額の先行投資を検討しています。
炭素回収を始める
GEAは1世紀以上にわたるガス浄化と排出削減システムの設計と施工の経験を持ち、廃熱回収、ガス前処理、最先端の炭素回収、二酸化炭素の利用および貯留のサポートなど、独自の炭素回収ポートフォリオを開発しています。GEA Carbon Capturingのシニアディレクター、フェリックス・オルトロフ博士は、セメントをはじめとする排出削減が困難な産業が、迅速かつ経済的に炭素回収に移行できるよう支援する機会があると考えています。オルトロフ博士は言います。「GEAは、プラント事業者が今すぐ二酸化炭素除去を開始できるよう、高度に標準化された炭素回収ソリューションのラインを開発しました。ガス浄化と熱回収におけるGEAの専門知識と、中核となるエンジニアリング能力を組み合わせることで、目的に適合し、かつ、コスト効率に優れたエンドツーエンドの二酸化炭素除去ソリューションを実現することができました。」
GEAのお客様は、4つの異なるサイズの炭素回収プラントから選択できます。これは、主に自社のプラントが発生する廃熱の量により決まります。「今のところ、私たちが重視しているのはプラント全体の効率なので、熱回収を最大限に活用したいと考えています」とオルトロフ博士は言います。「お客様にとってのメリットは、エネルギーをほとんど、あるいは全く追加投入することなく、二酸化炭素の回収を開始できることです。二酸化炭素排出量の多い大規模なセメントプラントでは、利用可能な廃熱が良い出発点であり、平均して20％の二酸化炭素排出量のヒートニュートラルな削減を可能にします。ガラスのような他の産業では、さらに高い削減が可能です。いったんソリューションが導入され、希望通りに稼働すれば、より多くの二酸化炭素を除去するための追加容量をいつでも設置することができます。」
「GEAは、プラント事業者が今すぐ二酸化炭素除去を開始できるよう、高度に標準化された炭素回収ソリューションのラインを開発しました。」- GEA Carbon Capture Solutionsのシニアディレクター、フェリックス・オルトロフ博士
- GEA Carbon Capture Solutionsのシニアディレクター、フェリックス・オルトロフ博士
PHOENIX Zementwerke社のパイロットプラント
オルトロフ博士と彼のチームは現在、ドイツのベックムにあるセメントメーカーPHOENIX Zementwerke社で、大規模なパイロットプロジェクトの一環としてGEAの炭素回収プラントをテストしています。「持続可能な事業慣行と気候保護は、当社の企業戦略に不可欠です」とPHOENIX Zementwerke社のマルセル・グスタフ・クログボイマー社長は語ります。年間約50万メートルトンのセメントを生産し、1日平均1,000トンの二酸化炭素を排出している当社には、フットプリントを最小限に抑える責任があります。私たちはGEAとのCCSプロジェクトを誇りに思っており、炭素回収を開始するためにベックム工場のパイロットプラントを活用しています。このプロジェクトは、すでに官民双方から大きな関心を集めています。」クログボイマー社長は語ります。「炭素回収は非常にエキサイティングな技術だと考えています。そして、GEAの排出制御システムにおける数十年にわたる経験のおかげで、排出量を大幅に削減するソリューションを開発できると、私は非常に楽観しています。」
「私たちはGEAとのCCSプロジェクトを誇りに思っており、炭素回収を開始するためにベックム工場のパイロットプラントを活用しています。このプロジェクトは、すでに官民双方から大きな関心を集めています。」- PHOENIX Zementwerke社社長 マルセル・グスタフ・クログボイマー
- PHOENIX Zementwerke社社長 マルセル・グスタフ・クログボイマー
パイロットプラントは、GEAとPHOENIX Zementwerke社によるセメント工場の排出ガス分析（特に排ガス前処理で除去される有害な微量成分）の微調整と、炭素回収段階におけるアミン溶剤システムの安定性に関する重要なデータを収集するのに役立っています。オルトロフ博士によると、パイロット試験は今のところ、二酸化炭素の除去効率90％というGEAの目標を達成しています。「さらに高い炭素回収率（およそ95％）は技術的には可能ですが、そのためにはより大きなエネルギー投入が必要となり、全体的なコスト効率に悪影響を及ぼします」とオルトロフ博士は説明します。「90％というのは、経済的にも最も理にかなった望ましい目標です」。
ドイツ、ヴェストファーレン州ベックムにある Phoenixセメント工場における炭素回収フィールドテスト。対談：PHOENIX Zementwerke社社長 マルセル・グスタフ・クログボイマー（左）、GEA Carbon Capture Solutionsのシニアディレクター、フェリックス・オルトロフ博士（右）。画像提供元：GEA / ティム・ルーマン
次のステップとして、クログボイマー社長は、ベックムにあるPHOENIX Zementwerke工場の包括的なCCUSコンセプトについて、GEAと協力する予定です。「私たちは、すべてのデータを評価し、その後、炭素回収プラントを拡大する可能性について議論します」と彼は言います。「質問は次のとおりです。例えば、北海の海底の古い油田やシャフトに炭素を貯留することを選択しますか？それとも二酸化炭素を処理して再利用しますか? 後者を選んだ場合、パイロットプラントをどのように拡張すれば、化学産業や食品産業が求める高い基準を満たすだけの二酸化炭素を浄化できるのでしょうか？どこで、どのような産業に二酸化炭素の顧客を見つけることができますか? 輸送にはどのようなインフラを提供する必要がありますか? パイプラインについて話しているのか、鉄道施設の再開の話なのか、それともトラック輸送が必要なのでしょうか？現在は私たちにとって興味深くエキサイティングな時期であり、GEAとともに多くのことを成し遂げられると確信しています。」
二酸化炭素の扱い
二酸化炭素の利用と貯留は、炭素回収プロセスの重要な最終ステップです。CO2利用におけるGEAの現在の専門知識は、2つの分野に焦点を当てています。醸造所では、GEAは発酵プロセスから二酸化炭素を回収し、液化して酸素を抽出することで、二酸化炭素を飲料製造に再利用できるようにします。GEAはまた、回収した二酸化炭素から炭酸水素ナトリウムなどの炭酸塩を製造し、食品や製薬業界で使用しています。「回収した二酸化炭素を利用するための選択肢は、お客様ごとに異なります」とオルトロフ博士は説明します。「私たちはケースバイケースで、二酸化炭素を消費する可能性のある事業者が近くにいるかどうか、その事業者が二酸化炭素に対して純度、物理的状態、圧力、温度などの点でどのような要求を持っているかを検討します。そして、私たちは、これらのニーズを満たすために二酸化炭素を準備することができるのです。」
オルトロフ博士は、メタノール生産も、中期的な二酸化炭素の利用の選択肢のひとつだと考えています。燃料として直接利用したり、他の燃料成分にアップグレードしたり、化学産業でシードビルディングブロックとして利用したりします。回収した二酸化炭素の他の用途としては、プラスチックやコンクリートそのものの製造があります。そのような解決策のひとつは、二酸化炭素をコンクリートに注入することです。コンクリートは鉱化作用を受け、建築材料に固形物として埋め込まれます。しかし、オルトロフ博士が明らかにしているように、炭素利用市場が成熟したとしても、回収される二酸化炭素の量はCCUに供給できる量をはるかに上回る可能性があるでしょう。つまりこれは、温室効果ガスの排出を削減し、温暖化する地球のニーズに応えるために、短期から中期的に二酸化炭素回収の約束を実現するためには、炭素回収貯留（CCS）ソリューションが不可欠であるということを意味します。
炭素貯留もまた、石油およびガス業界で確立された技術の一例であり、その規模を拡大する必要があります。実際、政府も産業界もCCS能力を目覚しい勢いで増強しています。Global CSS Instituteによると、2022年末時点で世界全体で30のCCS（炭素回収貯留）施設が稼動しており、さらに11施設が建設中、153施設が開発中で、CCSの総発電能力は年間2億4400万メートルトンに達し、前年比44％増となります。カナダでは多額の投資税額控除が、米国では連邦政府による資金援助（インフレ削減法2022年）があり、北米はCCSの開発と展開でリードしています。ヨーロッパはそのすぐその後を追っています。[2] EUイノベーション基金は、2030年までに欧州全域のクリーンテクノロジーに約380億ユーロを投資する計画で、すでに複数の産業で大規模なCCSプロジェクトを支援しており、特にセメントに重点を置いています。世界最大のセメント生産国である中国は、これまでのところ 行動を起こすのが遅れていますが、現在、CCUS技術の開発への取り組みが高まっています。2023年7月、中国は、セメント業界向けにこれまでで最大規模のCCUSプロジェクトの立ち上げを発表しました。 [3]
「回収した二酸化炭素を利用するための選択肢は、お客様ごとに異なります。私たちはケースバイケースで、二酸化炭素を消費する可能性のある事業者が近くにいるかどうか、その事業者が二酸化炭素に対して純度、物理的状態、圧力、温度などの点でどのような要求を持っているかを検討します。」- GEA Carbon Capture Solutionsのシニアディレクター、フェリックス・オルトロフ博士
- GEA Carbon Capture Solutionsのシニアディレクター、フェリックス・オルトロフ博士
新たなカーボンエコノミー
代替駆動技術が新たな電力と水素のインフラを必要とするのと同様に、炭素回収とその利用および貯留には、回収した二酸化炭素を産業排出源からそれが使用または保管される場所まで輸送するための新たな二酸化炭素のインフラが必要となります。その一例が、ヨーロッパの大手ガス送電事業者であるOGEと、ベルギーに本社を置く水素会社Tree Energy Solutionsによる共同プロジェクトで、年間約1,800万メートルトンの二酸化炭素を輸送するための1,000kmのパイプライン建設するものです。この場合、二酸化炭素はヨーロッパ中の太陽光発電、風力発電、水力発電施設から、ドイツのヴィルヘルムスハーフェンにあるプロジェクトの「グリーンエネルギーハブ」まで、再生可能な水素を運ぶ役割を果たします。[4] 「二酸化炭素の輸送と隔離に関しては、パイプラインや貯蔵施設も、二酸化炭素に対する仕様を持っています」とオルトロフ博士は述べています。「私たちが炭素回収、精製、液化技術を『ひとつ屋根の下で』提供できるという事実により、お客様はこれらの要件を簡単に満たすことができるのです。」
セメント産業の脱炭素化には、二酸化炭素の新たな用途と二酸化炭素のインフラの開発が必要です。
今日、地球温暖化対策として急ピッチで進められている炭素回収技術は、すでに確立された石油・ガス産業の技術とインフラを大いに利用したものです。CCUS技術は、非常に収益性の高い化石燃料を手段として追求する中で、目的を達成するための手段として、長年にわたって成熟してきました。今日、多くの場合、不活性な二酸化炭素を回収して閉じ込めること自体が目的となっており、そして、二酸化炭素を閉じ込めることが環境的にも経済的にも理にかなっている未来が到来する兆しがあります。「世界中のセメント工場が90％の二酸化炭素除去を達成するような、回収炭素の堅調な市場を想像するのはエキサイティングです」とオルトロフ博士は言います。「今のところ、規制当局やその他の主要関係者からの圧力により、企業は新たなカーボンエコノミーに向けたこれらの最初のステップに投資する必要があります。そしてGEAは、彼らがこの移行を促進するのを助ける強力な立場にあるのです。」
