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、温室効果ガスの純排出やカーボンフットプリントを全く生み出さない燃料のことである。実際には、これは通常、二酸化炭素（CO2 _）を原料として作られた燃料を意味する。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、光合成のような自然の_CO2消費プロセスを使用して生成されるバイオ燃料に大別できる。^[1]

合成燃料の製造に使用される二酸化炭素は、空気から直接捕捉することも、発電所の 排気ガスからリサイクルすることも、海水中の炭酸から生成することもできます。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^[2]、ガソリンやジェット燃料などのより複雑な炭化水素も人工的に合成されています^{[3] 。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や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できるため、互換性があり手頃な価格の車両を継続して提供できます^{[4] 。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ガスゼロでなければなりません。^{[5] [6] [7] [8]}

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である場合、それは正味の二酸化炭素排出量をマイナスにし、したがって温室効果ガスの修復の一形態を構成する可能性がある。マイナス排出は地球温暖化を抑制するための取り組みに不可欠な要素であると広く考えられているが、マイナス排出技術は現時点では民間企業にとって経済的に実行可能ではない。^[9] カーボン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ある。^[10]

合成炭化水素は、発電所や空気から回収できる二酸化炭素と水素との化学反応で生成できます。電気燃料と呼ばれる燃料は、水素の製造に使用されたエネルギーを蓄えます。^[11]

水素燃料は、通常、電力からガスを生成するプロセスで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に、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成されます。^[12]

サバティエ反応によってメタンが生成され、それを貯蔵して後で発電所で燃焼させたり（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から液体への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ます。^{[4] [13] [14]}

水素を使って作れる燃料は他にもいくつかあります。例えば、ギ酸は水素と_CO2を反応させて作ることができます。ギ酸とCO2を反応させると_イソブタノールができます。^[15]

メタノールは、二酸化炭素分子と3つの水素分子の化学反応からメタノールと水を生成することで作ることができます。蓄積されたエネルギーは、燃焼エンジンでメタノールを燃焼させることで回収でき、二酸化炭素、水、熱を放出します。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のほぼ100倍の強さがあるため、}メタン漏れに対する特別な予防措置が重要です。より多くのエネルギーを使用して、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できます。^[4]

研究者らはメタノールを使ってジメチルエーテルを製造することも提案している。この燃料は高圧高温下で自己発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。^[16]二酸化炭素と水素からは、より大きな炭化水素^[17]やエタノール^[18]も製造できる。

合成炭化水素は、一般的に200～300℃の温度と20～50barの圧力で生成される。反応の効率を高め、目的の炭化水素燃料を生成するために、通常、触媒が使用される。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モルの水素を使用する。また、副産物として大量の水も生成される。^[5]

燃料としてリサイクルするための最も経済的な炭素源は、化石燃料の燃焼による排気ガス排出であり、1トンあたり約7.50ドルで入手できる。^{[7] [19] [13]}しかし、これは炭素中立ではない。炭素は化石起源であり、したがって地圏から大気圏へ炭素を移動させるからである。海水中の炭酸は大気中の二酸化炭素と化学平衡にあるので、海水からの炭素抽出が研究されてきた。^{[20] [21]}研究者らは、海水からの炭素抽出には1トンあたり約50ドルかかると見積もっている。^[8] 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る。^[22]直接空気回収は他の方法ほど開発が進んでいない。この方法の提案では、空気中の二酸化炭素と反応して炭酸塩を生成するために腐食性化学物質を使用する。これらは分解され、水和されて純粋な二酸化炭素ガスを放出し_、苛性化学物質を再生します。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。^[4]

研究者らは、バイオマスを燃料生産の炭素源として使うことも提案している。バイオマスに水素を加えると、炭素を減らして燃料を生産できる。この方法には、植物を使って二酸化炭素を安価に捕捉できるという利点がある。植物はまた、生物分子から燃料にいくらかの化学エネルギーを加える。これは、従来のバイオ燃料よりもバイオマスの効率的な利用法かもしれない。なぜなら、バイオマスから得られる炭素と化学エネルギーのほとんどを、エネルギーと炭素を放出する代わりに利用するからである。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。^[5]

夜間の風力発電は、燃料を合成するのに最も経済的な電力形態であると考えられている。なぜなら、電力の負荷曲線は、日中の最も暖かい時間帯に急激にピークを迎えるが、風は日中よりも夜間にわずかに強く吹く傾向があるためである。したがって、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であることが多い。米国の風力発電普及率の高い地域でのオフピーク時の風力発電価格は、2009年に平均1.64セント/キロワット時であったが、1日で最も安価な6時間はわずか0.71セント/キロワット時であった。^[4]通常、卸売電力は、日中に2〜5セント/キロワット時である。^[23]商業燃料合成会社は、石油が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る。 ^[24]

2010年、米海軍のヘザー・ウィラー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には1立方メートルあたり約1,600ドル（6ドル/米ガロン）かかると見積もった。これは2010年の石油燃料コストの約2倍であったが、最近の傾向が続けば、5年以内に市場価格を大幅に下回ると予想される。^{[更新が必要]さらに、}空母戦闘群への燃料の配送には1立方メートルあたり約2,100ドル（8ドル/米ガロン）かかるため、艦上生産はすでに大幅に安価である。^[25]

ウィラウアーは、海水が合成ジェット燃料の供給源として「最良の選択肢」であると述べた。^{[26] [27]} 2014年4月までに、ウィラウアーのチームは軍用ジェット機に必要な基準を満たす燃料をまだ製造していなかったが、^{[28] [29]} 2013年9月には、この燃料を使用して、一般的な2ストローク内燃機関で駆動するラジコン模型飛行機を飛ばすことができた。^[30]このプロセスには大量の電気エネルギーの入力が必要であるため、実現の妥当な第一歩は、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である。^[31]米海軍は、2020年代にこの技術を導入すると予想されている。^[26]

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、空の領域にわたる軍事移動のための最も有望な脱炭素化経路の1つを提供すると結論付けられました。^[32]

250キロワットのメタン合成プラントは、バーデン＝ヴュルテンベルク州の太陽エネルギー・水素研究センター（ZSW）とドイツのフラウンホーファー協会によって建設され、2010年に稼働を開始しました。このプラントは10メガワットにアップグレードされており、2012年秋に完成する予定です。^{[33] [34]}

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・オラーにちなんで名付けられた^[35] ）は、 2011年以来、スヴァルツェンギ発電所の排気ガスから年間200万リットルのメタノール輸送燃料を生産している。 ^[36]この工場は年間500万リットルの生産能力がある。^[37]

アウディはドイツのヴェルテにカーボンニュートラルな液化天然ガス（LNG）工場を建設した。^[38]この工場は、 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、初期の容量では年間2,800トンのCO2を環境から排除することができる_。^[39]

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ました。2022年にはオックスフォード近郊のビスター・ヘリテージに実証生産プラント^[40]の建設を開始しました。

商業的な開発はサウスカロライナ州コロンビア^[41] 、カリフォルニア州カマリロ^[42]、イギリスのダーリントン^[43]で行われている。カリフォルニア州バークレーの実証プロジェクトでは、回収され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。 ^[44]

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のではなく、燃料の製造に再利用されるため、温室効果ガスの浄化につながる可能性がある。発電所の排気ガス中の二酸化炭素を捕捉すれば、温室効果ガスの排出はなくなるが、自動車で燃料を燃やすと、その排出物を捕捉する経済的な方法がないため、その炭素が放出される。^[4]このアプローチをすべての化石燃料発電所に使用した場合、純二酸化炭素排出量は約 50% 削減される。ほとんどの石炭火力発電所と天然ガス発電所は、排気ガスをリサイクルするための炭素捕捉または炭素隔離用の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る。^{[45] [19] [46]}このようなリサイクルは、行われなかった場合の気候変動の過剰な経済的影響よりもコストが低くなるだけでなく、世界的な燃料需要の増加と石油のピーク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、費用を回収できると予想される。^{[47] [48]}

大気から直接二酸化炭素を回収する直接空気回収法_や、海水から炭酸ガスを抽出する方法も、環境中の二酸化炭素量を削減し、炭素の閉サイクルを作り出して新たな二酸化炭素排出を排除します。^[5]これらの方法を使用すると、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ると、化石燃料の必要性が完全になくなります。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に隔離することができます。^[4]

一部の当局は、従来の輸送燃料の代わりにメタノールを製造することを推奨している。メタノールは常温では液体であり、摂取すると有毒である可能性がある。メタノールはガソリンよりもオクタン価が高いがエネルギー密度は低く、他の燃料と混合することも、単独で使用することもできる。また、より複雑な炭化水素やポリマーの製造にも使用できる。カリフォルニア工科大学のジェット推進研究所は、メタノールと酸素を電気に変換する直接メタノール燃料電池を開発している。^[16]メタノールをガソリン、ジェット燃料、またはその他の炭化水素に変換することは可能であるが、それには追加のエネルギーとより複雑な製造施設が必要である。^[4]メタノールは従来の燃料よりもわずかに腐食性が高く、それを使用するには1台あたり約100ドルの自動車の改造が必要である。^{[5] [49]}

2016年には、炭素スパイク、銅ナノ粒子、窒素を使用して二酸化炭素をエタノールに変換する方法が開発されました。^[50]

微細藻類から作られた燃料は、潜在的に炭素フットプリントが低い可能性があり、活発に研究されている分野ですが、現在まで大規模な生産システムは商業化されていません。微細藻類は水生単細胞生物です。ほとんどの植物とは異なり、極めて単純な細胞構造をしていますが、光合成によって太陽エネルギーを使用して二酸化炭素を炭水化物と脂肪に変換できる光合成独立栄養生物です。これらの化合物は、バイオエタノールやバイオディーゼルなどのバイオ燃料の原料として使用できます。^[51]したがって、微細藻類ベースの燃料をエネルギー用に燃焼すると、他の燃料と同様に排出物が排出されますが、燃焼中に排出されるのと同量の二酸化炭素を全体として消費する場合は、カーボンニュートラルに近づく可能性があります。

微細藻類の利点は、ほとんどの植物に比べて_{二酸化炭素}固定効率が高いこと^[52]と、さまざまな水生生息地で繁殖できることです。^[53]主な欠点はコストが高いことです。その独特で非常に多様な化学組成は、特定の用途にとって魅力的である可能性があると主張されています。^[51]

微細藻類はタンパク質を含んでいるため、家畜の飼料としても利用することができます。さらに、微細藻類のいくつかの種は、色素や医薬品などの貴重な化合物を生産します。^[54]

微細藻類を栽培する主な方法は、レースウェイ池システムとフォトバイオリアクターの2つです。レースウェイ池システムは、水を循環させて沈殿を防ぐためのパドルホイールを備えた閉ループの楕円形チャネルによって構築されます。チャネルは空気に開放されており、深さは0.25〜0.4 m（0.82〜1.31フィート）の範囲です。^[51]池は、自己遮光と光吸収により藻類培養液の溶液への光の浸透が制限される可能性があるため、浅く保つ必要があります。PBRの培養培地は、閉じた透明なチューブの配列で構成されています。微細藻類培養液を循環させる中央の貯水槽があります。PBRはレースウェイ池システムと比較して制御が容易なシステムですが、全体的な生産費用は高くなります。^[要出典]

レースウェイ池で生産される微細藻類バイオマスからの炭素排出量は、エネルギーと栄養素を炭素集約型として投入することで、従来のバイオディーゼルからの排出量と比較できます。PBR で生産される微細藻類バイオマスからの対応する排出量も比較でき、従来の化石ディーゼルからの排出量を上回る可能性があります。非効率性は、システム全体に藻類培養液をポンプで送るのに使用される電力量によるものです。副産物を使用して電力を生成することは、全体的な炭素収支を改善する可能性がある 1 つの戦略です。認識する必要があるもう 1 つのことは、水管理、二酸化炭素処理、栄養素の供給からも環境への影響が生じる可能性があることです。これらの側面は、システムの設計と実装オプションを制約する可能性があります。ただし、一般的に、レースウェイ池システムは PBR システムよりも魅力的なエネルギー収支を示しています。^{[引用が必要]}

レースウェイ池システムの導入による微細藻類バイオ燃料の生産コストは、労働、原材料、ユーティリティを含む運用コストによって左右されます。レースウェイ池システムでは、栽培プロセス中に、電気が総運用エネルギー要件の最大のエネルギー部分を占めます。電気は微細藻類培養物を循環させるために使用されます。22%から79%のエネルギー部分を占めます。^[51]対照的に、PBRでの微細藻類バイオ燃料の生産コストは資本コストによって左右されます。このシステムは、レースウェイ池システムよりも運用コストが比較的低いものの、設置コストは高くなります。^[要出典]

微細藻類バイオ燃料の生産には、化石燃料の生産に比べて多額の費用がかかります。微細藻類バイオ燃料の生産コストは1リットルあたり約3.1ドル（1ガロンあたり11.57ドル）と見積もられており^[55] 、従来のガソリンよりもかなり高価です。しかし、車両群の電動化と比較すると、このようなバイオ燃料の主な利点は、（既存の車両群をバッテリー電気技術に転換するために必要な）大量の電気エネルギーの高価な配電を回避できることです。これにより、既存の液体燃料輸送インフラを再利用できます。エタノールなどのバイオ燃料は、現在のバッテリー技術よりもはるかにエネルギー密度が高く（約6倍^[56]）、経済的実現可能性がさらに高まります。

大規模な微細藻類栽培施設の建設は、既存の自然生息地の破壊など、土地利用の変化に関連した環境への悪影響を必然的にもたらす。微細藻類はまた、特定の条件下ではメタンや亜酸化窒素などの温室効果ガスや硫化水素などの悪臭ガスを排出する可能性があるが、これについてはこれまで広く研究されていない。適切に管理されなければ、微細藻類が自然に生成する毒素が周囲の土壌や地下水に漏れ出す可能性がある。^[57]

水は高温で電気分解され、水素ガスと酸素ガスを生成します。これを行うためのエネルギーは、風力などの再生可能エネルギー源から抽出されます。次に、水素は直接空気回収によって回収された圧縮二酸化炭素と反応します。反応により、炭化水素からなるブルー原油が生成されます。ブルー原油はその後精製され、高効率のE-ディーゼルが生産されます。^{[58] [59]}ただし、この方法は、現在の生産能力では数か月で3,000リットルしか生産できないため、まだ議論の余地があります。これは、米国の燃料の1日あたりの生産量の0.0002％です。^[60]さらに、この技術の熱力学的および経済的実現可能性が疑問視されています。ある記事では、この技術は化石燃料の代替品を生み出すのではなく、再生可能エネルギーを液体燃料に変換するものであると示唆しています。記事では、化石ディーゼルを使用して投資したエネルギーのエネルギー収益は、e-ディーゼルの18倍高いとも述べています。^[61]

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利用し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。^[62]原子力を利用した船上での合成燃料の製造は、1977年と1995年に研究された。 ^{[63] [64] [65]} 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。^[66] 1995年の報告書では、カーボンニュートラルメタノールを使用するために車両群を改造することと、ガソリンのさらなる合成を比較した。^[49]

• 輸送のための持続可能な合成炭素ベース燃料。ロンドン：王立協会。2019年。ISBN 978-1-78252-422-9. OCLC  1181251736.

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• ホリガン、アンナ (2019-10-01)。「無からジェット燃料：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。

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• 米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 2013-05-13 にWayback Machineでアーカイブジョン・モーガンによるスプレッドシート (2013 年 1 月; 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