炭素回収・貯留を伴うバイオエネルギー

酸素燃焼は、ガラス、セメント、鉄鋼業界で一般的なプロセスです。また、CCS の有望な技術的アプローチでもあります。酸素燃焼では、従来の空気燃焼との主な違いは、燃料が O ₂とリサイクルされた排ガスの混合物で燃焼されることです。O _2は、酸化剤の流れから大気中の N ₂を除去する空気分離装置 (ASU) によって生成されます。プロセスの上流で N _{2を除去することで、CO 2}と水蒸気の濃度が高い排ガスが生成され、燃焼後回収プラントが不要になります。水蒸気は凝縮によって除去でき、比較的純度の高い CO ₂の生成物ストリームが残ります。これは、その後の精製と脱水の後、地中貯留サイトにポンプで送ることができます。^{[ 30 ]}

酸素燃焼を用いたBECCS導入における主な課題は、燃焼プロセスに関連している。揮発性成分の多いバイオマスの場合、火災や爆発のリスクを低減するために、ミルの温度を低温に保つ必要がある。さらに、火炎温度も低い。そのため、酸素濃度を27～30%まで高める必要がある。^{[ 30 ]}

「燃焼前炭素回収」とは、エネルギーを生成する前に CO ₂を回収するプロセスを指します。これは通常、酸素生成、合成ガス生成、CO ₂分離、CO ₂圧縮、発電の 5 つの運転段階で行われます。燃料はまず、酸素と反応して CO と H ₂の流れである合成ガスを生成するガス化プロセスを経ます。次に、生成物は水性ガスシフト反応器を通過して CO ₂とH ₂を生成します。生成された CO ₂は回収され、クリーンなエネルギー源である H ₂は燃焼に使用され、エネルギーが生成されます。^{[ 31 ]}ガス化と合成ガス生成を組み合わせたプロセスは、統合ガス化複合サイクル(IGCC) と呼ばれます。空気分離装置 (ASU) は酸素源として使用できますが、同じ排ガスの場合、酸素ガス化は空気ガス化よりもわずかに優れているだけであることが研究でわかっています。どちらも石炭を燃料源として使用した場合、熱効率は約 70% です。^{[ 30 ]}したがって、燃焼前段階ではASUの使用は必ずしも必要ではない。

バイオマスは、燃焼前回収の燃料として「硫黄フリー」と考えられています。しかし、バイオマス燃焼には、システム内に蓄積して最終的に機械部品の劣化を引き起こす可能性のあるKやNaなどの他の微量元素が含まれています。^{[ 30 ]}したがって、これらの微量元素の分離技術のさらなる開発が必要です。また、ガス化プロセス後、バイオマス源の合成ガス流中のCO2は_質量で最大13%～15.3%を占めますが、石炭の場合はわずか1.7%～4.4%です。^{[ 30 ]}これにより、水性ガスシフトにおけるCOからCO2への変換が制限され、H2の生成速度がそれに応じて低下します。しかし、バイオマスを使用した燃焼前回収の熱効率は、石炭の場合の約62%～100%に似ています。いくつかの研究では、バイオマス/水スラリー燃料供給_の代わり_に乾燥システムを使用することで、バイオマスに対してより熱効率が高く実用的であることがわかりました。^{[ 30 ]}

燃焼前技術や酸素燃焼技術に加えて、燃焼後技術はバイオマス燃料資源からCO2排出物を抽出するために使用できる有望な技術です。このプロセスでは、バイオマス燃料が燃焼して分離プロセスを経た後、排ガス流中の他のガスからCO2が分離されます。蒸気ボイラー_などの既存の発電所や新設の発電所に後付けできる可能性があるため、燃焼後技術は燃焼前技術よりも優れた選択肢と考えられています。2018年3月に発表されたファクトシート「米国における二酸化炭素回収・貯留によるバイオエネルギー消費」によると、燃焼後技術の効率は95%と予想されていますが、燃焼前技術と酸素燃焼技術では、それぞれ85%と87.5%の効率でCO2_{を回収します。} ^{[ 32 ]}

燃焼後回収技術の開発は、いくつかの問題により完全には完了していません。この技術を使用して二酸化炭素を回収する際の主な懸念事項の 1 つは、寄生的なエネルギー消費です。^{[ 33 ]}ユニットの容量が小さく設計されている場合、周囲への熱損失が大きすぎて、多くの悪影響を引き起こします。燃焼後炭素回収のもう 1 つの課題は、燃焼後のバイオマス材料からの排ガス中の混合物の成分をどのように処理するかです。混合物は、アルカリ金属、ハロゲン、酸性元素、遷移金属を多く含み、プロセスの効率に悪影響を与える可能性があります。したがって、特定の溶媒の選択と溶媒プロセスの管理方法を慎重に設計および運用する必要があります。

21世紀初頭に開始されたイリノイ産業炭素回収・貯留（IL-CCS）プロジェクトは、産業規模のバイオエネルギー炭素回収・貯留（BECCS）プロジェクトとしては初めてのものです。米国イリノイ州デカターに位置するIL-CCSは、アーチャー・ダニエルズ・ミッドランド（ADM）のエタノール工場から二酸化炭素（CO₂）を回収し_、深層塩水層であるマウント・サイモン砂岩に注入します。IL-CCSプロジェクトは2つのフェーズに分かれています。2011年11月から2014年11月まで実施されたパイロットフェーズの資本コストは約8,400万ドルでした。この期間中、プロジェクトは注入ゾーンからの漏洩が検出されることなく、100万トンのCO₂を回収・貯留することに成功しました_。今後の参考のためにモニタリングは継続されています。フェーズ2は2017年11月に開始され、同じ注入ゾーンを使用し、資本コストは約2億800万ドルで、そのうち1億4,100万ドルはエネルギー省からの資金提供です。このフェーズはパイロットプロジェクトの3倍の回収能力を持ち、IL-CCSは年間100万トン以上のCO2を回収できる_。 2019年時点で、IL-CCSは世界最大のBECCSプロジェクトであった。^{[ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]}

IL-CCSに加えて、エタノール工場からCO2を小規模で回収するプロジェクトが他にもいくつかある_。例としては以下の通り。

• 米国カンザス州のアーカロン: 0.18～0.29 MtCO2/年
• オランダにおけるOCAP：0.1～0.3 MtCO2/年
• カナダのハスキー・エナジー：年間0.09～0.1 MtCO2

BECCSの広範な導入に関する環境上の考慮事項やその他の懸念事項の一部は、CCSのものと類似しています。しかし、CCSに対する批判の多​​くは、枯渇性化石燃料と環境破壊的な石炭採掘への依存を強める可能性があるという点にあります。再生可能なバイオマスに依存するBECCSの場合はそうではありません。ただし、BECCSには他の考慮事項があり、これらの懸念事項はバイオ燃料の使用増加の可能性に関連しています。バイオマス生産は、耕作地と淡水の不足、生物多様性の喪失、食料生産との競合、森林破壊など、さまざまな持続可能性の制約を受けます。^{[ 40 ]}バイオマスがエネルギーと気候の両方の利益を最大化する方法で使用されていることを確認することが重要です。バイオマス投入の増加に非常に大きく依存するいくつかのBECCS導入シナリオの提案に対して批判があります。^{[ 41 ]}

BECCSを工業規模で運用するには広大な土地が必要となる。100億トンのCO2を除去するには_、 3億ヘクタール以上（インドよりも広い面積）の土地が必要となる。^{[ 26 ]}その結果、BECCSは、特に発展途上国において、農業や食料生産により適した土地を使用するリスクを抱えている。

これらのシステムには、他の負の副作用が生じる可能性があります。しかしながら、現時点では、BECCSの導入を可能にするために、エネルギー分野や産業分野におけるバイオ燃料の利用を拡大する必要はありません。バイオマス由来のCO₂は、すでに点源から相当量排出されており、BECCSに利用できる可能性があります_。ただし、将来的にバイオエネルギーシステムの規模拡大が検討される場合には、これは重要な考慮事項となるでしょう。

IPCC第6次評価報告書は、「炭素回収・貯留（BECCS）を伴うバイオエネルギーと植林の大規模な展開には、以前の植生が使用していたよりも多くの淡水資源が必要となり、地域規模で水循環が変化し（高い確信度）、以前の土地被覆、背景となる気候条件、展開規模に応じて、下流の利用、生物多様性、地域気候に潜在的な影響が生じる（高い確信度）」と述べている。^{[ 42 ]}

BECCS技術の適用における課題は、他の二酸化炭素回収・貯留技術と同様に、燃焼プラントを建設し、回収したCO₂を隔離するのに適した地理的な場所を見つけることです_。バイオマス源が燃焼ユニットの近くにない場合、バイオマスの輸送によってCO₂が排出され、_{BECCSによって回収されるCO₂}の量が相殺されます。BECCSはまた、バイオマスの燃焼効率に関する技術的な懸念にも直面しています。バイオマスの種類ごとに発熱量は異なりますが、バイオマスは一般的に低品質の燃料です。バイオマスの熱変換の効率は通常20～27%です。^{[ 43 ]}比較のために、石炭火力発電所の効率は約37%です。^{[ 44 ]}

BECCSは、このプロセスが実際にエネルギー的にプラスになるかどうかという疑問にも直面している。エネルギー変換効率の低さ、エネルギー集約型のバイオマス供給、 _CO2回収・貯蔵ユニットの稼働に必要なエネルギーが組み合わさることで、システムにエネルギー損失が生じる。これは発電効率の低下につながる可能性がある。^{[ 45 ]}

世界全体では、毎年14 Gtの林業残渣と4.4 Gtの作物生産残渣（主に大麦、小麦、トウモロコシ、サトウキビ、米）が発生しています。これは、燃焼させて年間26 EJのエネルギーを生成し、BECCSを通じて2.8 GtのCO2排出量を削減できる、相当量のバイオマスです_。炭素回収に残渣を利用することで、農村地域に社会的および経済的な利益がもたらされます。作物や林業からの廃棄物を利用することは、BECCSの生態学的および社会的課題を回避する方法です。^{[ 46 ]}

森林バイオエネルギー戦略の中で、森林残渣のガス化による発電は、森林バイオマスの豊富さと、従来の林業活動の副産物であることからその手頃な価格から、多くの発展途上国で政策的に注目を集めている。^{[ 47 ]}さらに、風力や太陽光の散発的な性質とは異なり、森林残渣のガス化による発電は中断することなく、エネルギー需要の変化に合わせて変更することができる。林業は、エネルギー安全保障と気候変動の課題に対応して、森林バイオエネルギー戦略の採用と規模拡大を促進する上で重要な役割を果たすことができる立場にある。^{[ 47 ]}しかし、バイオ電力生産のための森林残渣利用の経済的コストと、それが従来の林業活動に及ぼす潜在的な財政的影響は、森林バイオエネルギー研究では十分に考慮されていない。特に発展途上国の状況において、これらの機会を探ることは、木材とバイオ電力の共同生産の財政的実現可能性を評価する調査によって強化される可能性がある。^{[ 47 ]}

木質バイオマスからの発電に関する政策指令や義務が高まっているにもかかわらず、財務上の実現可能性や投資家へのリスクに関する不確実性が、特に需要が最も高い開発途上国において、この再生可能エネルギーへの移行を阻害し続けている。これは、森林バイオエネルギープロジェクトへの投資が高水準の財務リスクにさらされているためである。収穫残渣ベースのガス化プラントの高い資本コスト、運転コスト、維持コスト、およびそれらに関連するリスクは、潜在的な投資家が森林ベースのバイオ電力プロジェクトに投資することを躊躇させる可能性がある。^{[ 47 ]}

都市固形廃棄物には食品、木材、紙などの生物由来物質が含まれているため、廃棄物焼却はある程度バイオエネルギー源とみなすことができます。世界の廃棄物の約44%は食品廃棄物と生ごみで構成されていると推定されており、さらに17%は紙と段ボールです。^{[ 48 ]}炭素回収により、回収率が85%と仮定した場合、廃棄物焼却炉に関連する炭素排出量が廃棄物1kgあたり700kg CO2削減されると推定されています_。 廃棄物の具体的な組成はこれに大きな影響を与えません。^{[ 49 ]}

2017年時点で、世界には約250の混焼プラントがあり、そのうち40は米国にある。^{[ 50 ]}石炭とバイオマスを混焼すると、石炭燃焼と同等の効率が得られる。^{[ 44 ]}混焼の代わりに、プラント内の1つまたは複数の発電ユニットを石炭からバイオマスに完全に転換する方が好ましい場合もある。^{[ 51 ]}

再生可能エネルギー指令（RED）や燃料品質指令（FQD）など、バイオエネルギーの利用を促進する政策があり、2020年までに総エネルギー消費量の20%をバイオマス、バイオ液体、バイオガスに基づくものとすることが義務付けられている。^{[ 54 ]}

スウェーデン

スウェーデンエネルギー庁は、2022年までに実施されるBECCSのためのスウェーデンの支援システムを設計するようスウェーデン政府から委託された。^{[ 55 ]}

2018年、気候変動委員会は、航空バイオ燃料が2050年までに航空燃料需要全体の最大10％を供給すべきであり、また、すべての航空バイオ燃料は、技術が利用可能になり次第、CCS（二酸化炭素回収・貯留）技術を用いて生産されるべきであると勧告した。^{[ 56 ]： 159}

2018年、米国議会は、二酸化炭素回収・貯留（CCS）支持者が長年最優先事項としてきた、二酸化炭素隔離に関するセクション45Q税額控除を増額・延長した。安全な地質学的貯留のためのCO2 _{1トン当たりの税額控除を25.70ドルから50ドルに、石油増進回収に使用されるCO2 1}トン当たりの税額控除を15.30ドルから35ドルに増額した。^{[ 57 ]}