カーボンニュートラル燃料

カーボンニュートラル燃料とは、正味の温室効果ガス排出量やカーボンフットプリントを生み出さない燃料のことです。実際には、これは通常、二酸化炭素（CO2 _）を原料として製造される燃料を意味します。提案されているカーボンニュートラル燃料は、二酸化炭素を化学的に水素化して作られる合成燃料と、光合成などの自然の_CO2消費プロセスを使用して生産されるバイオ燃料に大別できます。^{[ 1 ] [ 2 ]}

合成燃料の製造に使用される二酸化炭素は、空気から直接回収したり、発電所の排ガスからリサイクルしたり、海水中の炭酸から生成したりすることができます。合成燃料の一般的な例としては、アンモニアやメタンなどがありますが^{[ 3 ]}、ガソリンやジェット燃料^{[ 4 ]}のようなより複雑な炭化水素も人工的に合成されています。このような再生可能燃料は、カーボンニュートラルであることに加えて、車両の電動化や水素または他の燃料への転換を必要とせずに、輸入化石燃料のコストと依存の問題を軽減し、互換性があり手頃な価格の車両を継続して使用できるようにします^{[ 5 ]} 。真にカーボンニュートラルであるためには、プロセスに必要なエネルギー自体が、再生可能エネルギーや原子力エネルギーのように、カーボンニュートラルまたは排出ゼロでなければなりません^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}。

カーボンニュートラル燃料の燃焼が煙道での炭素回収の対象となる場合、正味の二酸化炭素排出量がマイナスとなり、温室効果ガス対策の一形態となる可能性がある。負の排出は、地球温暖化を抑制する取り組みに不可欠な要素として広く考えられているが、負の排出技術は現在、民間企業にとって経済的に実現可能ではない。^{[ 10 ]}炭素クレジットは、カーボンネガティブ燃料にとって重要な役割を果たす可能性が高い。^{[ 11 ]}

合成炭化水素は、発電所や大気から回収できる二酸化炭素と水素との化学反応によって生成できます。この燃料は、しばしば電気燃料と呼ばれ、水素の製造に使用されたエネルギーを蓄えています。^{[ 12 ]}

水素燃料は通常、パワー・トゥ・ガス・プロセスにおける水の電気分解によって製造されます。排出量を最小限に抑えるため、電力は風力、太陽光、原子力などの低排出エネルギー源を使用して生産されます。^{[ 13 ]}

サバティエ反応によってメタンが生成され、その後、発電所で燃焼させるために貯蔵したり（合成天然ガスとして）、パイプライン、トラック、タンカー船で輸送したり、フィッシャー・トロプシュ法などのガス液化プロセスで使用して、輸送や暖房用の従来の燃料を製造したりすることができる。^{[ 5 ] [ 14 ] [ 15 ]}

水素を使って生成できる燃料は他にもいくつかあります。例えば、水素とCO2を反応させることでギ酸を作ることができます。ギ酸とCO2_{を組み合わせると}イソブタノールが生成されます。^{[ 16 ]}

メタノールは、二酸化炭素分子と水素分子3個との化学反応によってメタノールと水を生成することで作ることができます。蓄えられたエネルギーは、メタノールを燃焼機関で燃焼させることで回収でき、二酸化炭素、水、熱が放出されます。メタンも同様の反応で生成できます。メタンは20年間の地球温暖化係数に関して_CO2の約100倍の温室効果ガスであるため、メタン漏洩に対する特別な対策が重要です。メタノールまたはメタンをより大きな炭化水素燃料分子に結合するために、より多くのエネルギーを使用できます。^{[ 5 ]}

研究者らは、ジメチルエーテルの製造にメタノールを使用することも提案している。この燃料は、高圧・高温下で自己着火する性質があるため、ディーゼル燃料の代替として使用できる可能性がある。すでに一部の地域では暖房や発電に使用されている。無毒だが、加圧下で保管する必要がある。^{[ 17 ]}二酸化炭素と水素からは、より大きな炭化水素^{[ 18 ]}やエタノール^{[ 19 ]}も製造できる。

合成炭化水素は一般的に200～300  ℃の温度、20～50バールの圧力で製造されます。触媒は通常、反応効率を向上させ、目的の種類の炭化水素燃料を生成するために使用されます。このような反応は発熱反応であり、 二酸化炭素1モルあたり約3モルの水素を消費します。また、副産物として大量の水も生成されます。^{[ 6 ]}

燃料にリサイクルするための最も経済的な炭素源は、化石燃料燃焼からの排ガス排出物であり、1トンあたり約7.50米ドルで入手できます。^{[ 8 ] [ 20 ] [ 14 ]}しかし、炭素は化石由来であるため、地球圏から大気圏に炭素を移動させることになり、カーボンニュートラルではありません。海水中の炭酸は大気中の二酸化炭素と化学平衡にあるため、海水からの炭素抽出が研究されています。 ^{[ 21 ] [ 22 ]}研究者らは、海水からの炭素抽出には1トンあたり約50ドルかかると推定しています。^{[ 9 ]}大気からの炭素回収は、1トンあたり94ドルから​​232ドルとより高価であり、燃料合成や炭素隔離には非実用的であると考えられています。^{[ 23 ]}直接空気回収は、他の方法よりも開発が進んでいません。この方法の提案には、腐食性の化学物質を使用して空気中の二酸化炭素と反応させ、炭酸塩を生成することが含まれます。これらは分解され、水和されて純粋なCO2ガスを放出し、腐食性化学物質を再生することができます_。このプロセスは、大気中の二酸化炭素濃度が他の発生源よりもはるかに低いため、他の方法よりも多くのエネルギーを必要とします。^{[ 5 ]}

研究者らは、バイオマスを燃料生産の炭素源として利用することも提案している。バイオマスに水素を加えることで、炭素を減らして燃料を生産できる。この方法は、植物性物質を利用して二酸化炭素を安価に回収できるという利点がある。また、植物は生物分子から燃料に化学エネルギーも加える。これは、バイオマスから炭素と化学エネルギーの大部分を利用するため、従来のバイオ燃料よりも効率的なバイオマス利用となる可能性がある。従来のバイオ燃料は、エネルギーと炭素を大量に放出する。主な欠点は、従来のエタノール生産と同様に、食料生産と競合することである。^{[ 6 ]}

夜間の風力発電は、燃料合成に利用できる最も経済的な電力形態と考えられています。これは、電力需要曲線が日中の最も暖かい時間帯に急激にピークを迎えるのに対し、風は日中よりも夜間にやや強く吹く傾向があるためです。そのため、夜間の風力発電の価格は、他のどの代替手段よりもはるかに安価になることがよくあります。米国の風力発電普及率の高い地域では、2009年のオフピーク時の風力発電価格は平均で1キロワット時あたり1.64セントでしたが、1日のうち最も安価な6時間ではわずか0.71セント/kWhでした。^{[ 5 ]}通常、卸売電力は日中は1kWhあたり2～5セントです。^{[ 24 ]}商業燃料合成会社は、原油価格が1バレルあたり55ドルを超える場合、石油燃料よりも安くガソリンを生産できると示唆しています。^{[ 25 ]}

2010年、米海軍のヘザー・ウィラウアー率いるプロセス化学者チームは、100メガワットの電力で1日あたり160立方メートル（41,000米ガロン）のジェット燃料を生産でき、原子力発電による艦上生産のコストは約1立方メートルあたり1,600ドル（1米ガロンあたり6ドル）になると推定した。これは2010年の石油燃料価格の約2倍であったが、近年の傾向が続けば5年以内に市場価格よりはるかに安くなると予想されている。   さらに、空母戦闘群への燃料の輸送には1立方メートルあたり約2,100ドル（1ガロンあたり8ドル）かかるため、艦上での生産はすでにかなり安価である。^{[ 26 ]} 

ウィラウアー氏は、合成ジェット燃料の供給源として海水が「最良の選択肢」だと述べた。^{[ 27 ] [ 28 ]} 2014年4月までに、ウィラウアー氏のチームはまだ軍用ジェット機に必要な基準を満たす燃料を製造していなかったが、^{[ 29 ] [ 30 ]} 2013年9月には、一般的な2ストローク内燃機関で動くラジコン模型飛行機をその燃料で飛ばすことができた。^{[ 31 ]}このプロセスには大量の電気エネルギーが必要なため、実現可能な最初のステップは、アメリカの原子力空母（ニミッツ級とジェラルド・R・フォード級）が独自のジェット燃料を製造することだろう。^{[ 32 ]}米海軍は2020年代のある時期にこの技術を配備すると予想されている。^{[ 27 ]}

2023年にNATOエネルギー安全保障センター・オブ・エクセレンスが発表した研究では、e燃料は陸、海、空の領域における軍事機動性にとって最も有望な脱炭素化経路の1つであると結論付けられました。^{[ 33 ]}

ドイツのバーデン＝ヴュルテンベルク州にある太陽エネルギー・水素研究センター（ZSW）とフラウンホーファー協会によって、250キロワットのメタン合成プラントが建設され、2010年に稼働を開始しました。現在、10メガワットにアップグレード中で、2012年秋に完成予定です。^{[ 34 ] [ 35 ]}

アイスランドのグリンダヴィークにあるカーボン・リサイクリング・インターナショナルが運営するジョージ・オラー二酸化炭素リサイクル工場（ジョージ・アンドリュー・オラー^{[ 36 ]}にちなんで命名）は、 2011年からスヴァルツェンギ発電所の排煙から年間200万リットルのメタノール輸送燃料を生産している^{[ 37 ]。}年間500万リットルの生産能力がある^{[ 38 ] 。}

アウディはドイツのヴェルルテにカーボンニュートラルな液化天然ガス（LNG）プラントを建設した。^{[ 39 ]}このプラントは、同社のA3スポーツバックg-tron自動車で使用されるLNGを相殺するための輸送燃料を生産することを目的としており、初期生産能力では年間2,800トンのCO2を環境から排除することができる_。^{[ 40 ]}

元F1エンジニアのパディ・ロウが設立した英国を拠点とする企業ゼロは、再生可能エネルギーを使用して大気中の二酸化炭素と水から合成燃料を開発する「石油合成」と呼ばれるプロセスを開発した。2022年、同社はオックスフォード近郊のビセスター・ヘリテージで実証生産プラント^{[ 41 ]}の建設に着手した。

サウスカロライナ州コロンビア^{[ 42 ]} 、カリフォルニア州カマリロ^{[ 43 ]}、イギリスのダーリントン^{[ 44 ]}では商業開発が進められている。カリフォルニア州バークレーの実証プロジェクトでは、回収した排ガスから燃料と食用油の両方を合成することが提案されている^{[ 45 ] 。}

カーボンニュートラル燃料は、二酸化炭素ガスが大気中に放出される代わりに燃料の製造に再利用されるため、温室効果ガスの削減につながる可能性があります。発電所の排ガス中の二酸化炭素を回収すれば、温室効果ガスの排出量はゼロになりますが、車両で燃料を燃焼させると、これらの排出物を経済的に回収する方法がないため、その炭素が放出されます。^{[ 5 ]}このアプローチをすべての化石燃料発電所で使用すれば、二酸化炭素の正味排出量は約50%削減されます。ほとんどの石炭火力発電所と天然ガス火力発電所は、排ガスをリサイクルするための炭素回収または炭素隔離のために、二酸化炭素スクラバーを経済的に後付けできると予測されています。^{[ 46 ] [ 20 ] [ 47 ]}このようなリサイクルは、実施しない場合の気候変動による過剰な経済的影響よりもコストが低いだけでなく、世界の燃料需要の増加とピークオイル不足により石油と代替可能な天然ガスの価格が上昇するため、費用を賄うことができると予想されています。^{[ 48 ] [ 49 ]}

直接空気回収として知られる、空気から直接_CO2を回収すること、または海水から炭酸を抽出することも、環境中の二酸化炭素の量を減らし、新たな二酸化炭素排出をなくすための炭素の閉鎖サイクルを作り出すことになる。^{[ 6 ]}これらの方法を使用すれば、燃料を生産するのに十分な再生可能エネルギーを生成できると仮定すれば、化石燃料の必要性を完全に排除することができる。合成炭化水素を使用してプラスチックなどの合成材料を生産すると、大気から炭素を永久的に隔離することができる。^{[ 5 ]}

カーボンニュートラル燃料の研究は数十年にわたって続けられてきた。1965年の報告書では、移動式燃料貯蔵庫のために原子力を用いて空気中の二酸化炭素からメタノールを合成することが提案された。^{[ 63 ]}原子力を用いた船舶上での合成燃料の製造は1977年と1995年に研究された。^{[ 64 ] [ 65 ] [ 66 ]} 1984年の報告書では、化石燃料プラントからの二酸化炭素の回収が研究された。^{[ 67 ]} 1995年の報告書では、車両群をカーボンニュートラルメタノールの使用に転換することと、ガソリンをさらに合成することとを比較した。^{[ 50 ]}

• McDonald, Thomas M.; Lee, Woo Ram; Mason, Jarad A.; Wiers, Brian M.; Hong, Chang Seop; Long, Jeffrey R. (2012). "アルキルアミン付加金属有機構造体 mmen-Mg ₂ (dobpdc) による空気および排ガスからの二酸化炭素の捕捉". Journal of the American Chemical Society . 134 (16): 7056–65 . Bibcode : 2012JAChS.134.7056M . doi : 10.1021/ja300034j . PMID 22475173 . S2CID 207079044 .  — 2012年9月時点で10件の引用論文があり、その多くは空気および煙道回収の効率とコストについて論じている。
• _{Kulkarni, Ambarish R.; Sholl, David S. (2012). "空気からのCO2}の直接回収のための平衡ベースのTSAプロセスの分析". Industrial and Engineering Chemistry Research . 51 (25): 8631–45 . doi : 10.1021/ie300691c .—設備投資費用を除いて、空気からの二酸化炭素抽出コストは₁トンあたり100米ドルであると主張している。
• ホリガン、アンナ（2019年10月1日）「空気からジェット燃料：航空業界の希望か誇大広告か？」 BBCニュース。 2019年10月24日閲覧。

• ドティ・ウィンドフューエルズ（サウスカロライナ州コロンビア）
• 米国海軍のゼロカーボン核合成燃料プロセスのコストモデル （ジョン・モーガンによるスプレッドシート、 2013年1月作成、 Wayback Machineに2013年5月13日にアーカイブ済み、出典）
• 米国海軍研究所のキャシー・ルイス氏へのインタビュー