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炭素隔離は、炭素を炭素プールに貯蔵する自然なプロセスです。[ 2 ] : 2248大気中の二酸化炭素の量を減らすことで、地球規模の炭素循環を効果的に管理し、気候変動を抑制する上で重要な役割を果たします。炭素隔離には、生物学的（バイオ隔離とも呼ばれる）と地質学的の2つの主要なタイプがあります。 [ 3 ]
生物学的炭素隔離は、炭素循環の一部として自然に発生するプロセスです。人間は、意図的な行動や技術の使用によって、これを促進することができます。二酸化炭素（CO₂）2）、生物学的、化学的、物理的なプロセスによって大気炭素農業。同様の効果を生み出すための人工的なプロセスも考案されています。このアプローチは二酸化炭素回収・貯留、技術を用いて二酸化炭素を2.人間の活動によって地下または海底で発生するもの。
植物は成長する過程で空気中の二酸化炭素を吸収し、それをバイオマスに固定します。しかし、生物貯蔵庫（森林やケルプの群生地など）は一時的な炭素吸収源となる可能性があり、長期的な隔離は保証されません。山火事、病気、経済的圧力、政治的優先順位の変化によって、隔離された炭素が大気中に放出される可能性があります。[ 4 ]
大気から除去された二酸化炭素は、地下に注入するか、不溶性の炭酸塩の形で地殻に貯蔵することもできます。後者のプロセスは鉱物隔離と呼ばれます。これらの方法は、大気から二酸化炭素を除去するだけでなく、それを永久的に隔離するため、非揮発性であると考えられています。つまり、炭素は何千年から何百万年も「閉じ込められる」ことになります。
海洋における炭素隔離プロセスを強化するために、海洋施肥、人工湧昇、玄武岩貯蔵、鉱化作用、深海堆積物、酸を中和するための塩基添加などの化学的または物理的技術が提案されている。 [ 5 ]しかし、これまでのところ、大規模な応用は実現していない。一方、大規模な海藻養殖は生物学的プロセスであり、かなりの量の炭素を隔離できる可能性がある。 [ 6 ]炭素養殖のための海藻の潜在的な成長は、収穫された海藻が深海に運ばれて長期にわたって埋没されることになる。[ 7 ] IPCCの気候変動における海洋と氷圏に関する特別報告書は、緩和策として海藻養殖に「さらなる研究の注目」を推奨している。[ 8 ]
炭素隔離という用語は、文献やメディアにおいて多様な意味合いで用いられている。IPCC第6次評価報告書では、炭素隔離を「炭素を炭素プールに貯蔵するプロセス」と定義している。[ 9 ]： 2248 続いて、プールは「炭素や窒素などの元素が様々な化学形態で一定期間存在する地球システム内の貯蔵庫」と定義されている。[ 9 ]： 2244
米国地質調査所（USGS）は、炭素隔離を次のように定義しています。「炭素隔離とは、大気中の二酸化炭素を捕捉して貯蔵するプロセスである。」[ 3 ]この定義の文言は、二酸化炭素回収・貯留（CCS）の定義と非常によく似ているため、炭素隔離はCCSと混同されることがあります（IPCCはCCSを「産業発生源からの比較的純粋な二酸化炭素（CO2 ）の流れを分離、処理し、長期貯蔵場所に輸送するプロセス」と定義しています[ 9 ]： 2221）。
炭素隔離は、地球の生物圏、土壌圏、地圏、水圏、大気圏の間で炭素が交換される自然の炭素循環の一部です。[ 10 ]二酸化炭素は、生物学的、化学的、または物理的なプロセスによって大気から自然に捕捉され、長期貯蔵庫に貯蔵されます。
植物は成長する過程で空気中の二酸化炭素を吸収し、それをバイオマスに固定します。しかし、生物貯蔵庫（森林やケルプの群生地など）は、長期的な隔離が保証されないため、不安定な炭素吸収源と考えられています。山火事や病気、経済的圧力、政治的優先順位の変化などの出来事により、隔離された炭素が大気中に放出される可能性があります。[ 4 ]
炭素隔離は炭素吸収源として機能し、気候変動を緩和し、気候変動の有害な影響を軽減するのに役立ちます。これは、主に化石燃料の燃焼によって放出される二酸化炭素である温室効果ガスの大気および海洋への蓄積を遅らせるのに役立ちます。[ 11 ]
気候変動緩和のための炭素隔離には、自然の炭素吸収源を強化するか、炭素を回収して貯蔵するための技術的手法を用いるかのいずれかが含まれる。[ 3 ]
炭素回収・貯留アプローチにおいて、炭素隔離とは貯留部分を指します。人工炭素貯留技術としては、深層地質構造（塩水層や枯渇ガス田を含む）への気体貯留や、CO2と金属酸化物の反応による安定な炭酸塩の生成による固体貯留などが挙げられます。[ 12 ]
炭素を人為的に隔離する、つまり炭素循環の自然過程から切り離すには、まず炭素を回収するか、大気中への放出を大幅に遅らせるか阻止する必要があります。これは、炭素を豊富に含む材料を建設などの耐久性のある用途に組み込むことで、燃焼や腐敗などの過程による放出を回避することによって達成できます。その後、さまざまな方法で、受動的に貯蔵したり、長期間にわたって生産的に利用したりすることができます。たとえば、伐採された木材（炭素を豊富に含む材料）は、建設やその他のさまざまな耐久性のある製品に組み込むことができ、それによって炭素を数年または数世紀にわたって隔離することができます。[ 13 ]工業生産では、エンジニアは通常、発電所や工場からの排出物から二酸化炭素を回収します。
例えば、米国では、 2021年に可決され、2025年1月に撤回された大統領令13990（正式名称は「公衆衛生と環境の保護、気候危機への対処のための科学の回復」）には、湿地や森林などの炭素吸収源となる生態系の保全と回復による炭素隔離に関する記述が複数含まれていた。この文書は、炭素隔離における農家、土地所有者、沿岸コミュニティの重要性を強調し、財務省に対し、市場メカニズムを通じて炭素吸収源の保全を促進するよう指示した。[ 14 ]
地球の炭素隔離能力は無限ではないことを指摘し、2025年の研究では、地球の地質学的貯蔵能力を最大限に活用しても、地球温暖化をわずか0.7 ℃（1.3 °F）しか抑制できないと結論付けた。[ 15 ]
生物学的炭素隔離（バイオ隔離とも呼ばれる）は、継続的かつ強化された生物学的プロセスによって大気中の温室効果ガスである二酸化炭素を捕捉して貯蔵することです。この形態の炭素隔離は、植林や持続可能な森林管理などの土地利用慣行による光合成速度の増加によって起こります。[ 16 ] [ 17 ]自然の炭素捕捉を強化する土地利用の変化は、毎年大量の二酸化炭素を捕捉して貯蔵する可能性があります。これには、森林、泥炭地、湿地、草原などの生態系の保全、管理、および再生に加え、農業における炭素隔離方法が含まれます。[ 18 ]農業と林業の両方で土壌炭素隔離を強化する方法と慣行が存在します。[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]
森林は、樹木や植物が光合成によって二酸化炭素を吸収するため、地球規模の炭素循環において重要な役割を果たしています。したがって、森林は気候変動の緩和において重要な役割を果たしています。[ 23 ] : 37森林は、空気中の温室効果ガスであるCO 2を除去することで、陸上の炭素吸収源として機能します。つまり、根、幹、枝、葉を含むバイオマスの形で大量の炭素を貯蔵します。このようにして、森林は毎年人間の炭素排出量の約 25% を隔離し、地球の気候において重要な役割を果たしています。[ 24 ]樹木は生涯を通じて炭素を隔離し続け、大気中の CO 2を長期的に貯蔵します。[ 25 ]したがって、持続可能な森林管理、植林、再植林は、気候変動の緩和に重要な貢献となります。
こうした取り組みにおいて重要な考慮事項は、森林が炭素吸収源から炭素排出源に変わる可能性があることである。[ 26 ] [ 27 ] 2019年には、気温の上昇、干ばつ[ 28 ]、森林破壊により、森林の炭素吸収量は1990年代に比べて3分の1減少した。全国規模の森林調査データも、1999年から2020年にかけて、一部の森林がすでに気候の閾値に近づき、炭素吸収源から炭素排出源に変化している傾向を示している。[ 24 ]典型的な熱帯林は、2060年代までに炭素排出源になる可能性がある。[ 29 ]
研究者たちは、環境サービスの観点から、森林伐採後に再植林を行うよりも森林伐採を避ける方が良いことを発見した。後者は生物多様性の損失や土壌の劣化という点で不可逆的な影響をもたらすからである。[ 30 ]さらに、若い北方林では土壌から過去の炭素が放出される可能性が高くなる。[ 31 ]特に、北方林は、木材の完全性に必要な化合物を分解する根の病原菌であるナラタケ（Armillaria）の生育を支えていることが指摘されており、炭素放出の可能性を高めている。[ 32 ]熱帯雨林の損傷によって引き起こされる世界の温室効果ガス排出量は、2019年頃まで大幅に過小評価されていた可能性がある。[ 33 ]さらに、植林や再植林の効果は、既存の森林をそのままにしておくよりもずっと先の未来に現れるだろう。[ 34 ]地球温暖化に対する恩恵が、熱帯林の成熟した樹木による炭素隔離の恩恵、ひいては森林破壊の抑制による恩恵と同じレベルに達するには、はるかに長い時間（数十年）がかかる。[ 35 ]そのため、科学者たちは「炭素が豊富で寿命の長い生態系、特に天然林の保護と回復」を「主要な気候変動対策」と考えている。[ 36 ]
耕作や牧草地として利用できない土地に木を植えることは、大気中の二酸化炭素を吸収するのに役立つ。2バイオマスへ。 [ 37 ] [ 38 ]この炭素隔離プロセスが成功するためには、樹木が枯死したときに、バイオマスの燃焼や腐敗によって炭素が大気中に戻らないようにする必要があります。 [ 39 ] Ficus wakefieldiiなどのイチジク属の種はを分解し炭酸カルシウムを生成するシュウ酸栄養細菌や菌類の存在下でCO2 をシュウ酸カルシウムとして隔離することが観察されています。 [ 40 ]炭酸カルシウムは樹木全体に沈殿し、周囲の土壌もアルカリ化します。これらの種は、現在、アグロフォレストリーにおける炭素隔離の候補となっています。このシュウ酸カルシウム固定プロセスは、イロコの木で最初に観察され、イロコの木は生涯にわたって土壌中に最大 1 トンの炭酸カルシウムを隔離することができます。また、サボテン、例えばサグアロは、炭酸カルシウムという鉱物を形成することによって、炭素を生物サイクルから地質サイクルに移行させます。 [ 41 ]
地球には、樹冠被覆をさらに 0.9 億ヘクタール植えるのに十分なスペースがあるが、この推定値は批判されており、[ 42 ] [ 43 ]アルベドなどの生物物理学的フィードバックを考慮すると、気候に正味の冷却効果をもたらす実際の面積は 20～80% 低い。[ 44 ] [ 45 ]これらの木を植えて保護すれば、木が将来の気候ストレスに耐えて成熟すれば、2050 億トンの炭素を隔離することになる。[ 46 ] [ 45 ]この数字を別の視点から見ると、これは現在の世界の炭素排出量 (2019 年時点) の約 20 年分に相当する。[ 47 ]このレベルの隔離は、2019 年の大気中の炭素プールの約 25% に相当する。[ 45 ]
森林の寿命は、樹種、立地条件、自然撹乱パターンによって世界中で異なります。一部の森林では炭素が数世紀にわたって貯蔵される一方、他の森林では頻繁な森林火災によって炭素が放出されます。森林火災が発生する前に伐採された森林では、木材などの加工林産物に炭素が保持されます。[ 48 ]しかし、伐採された森林から除去された炭素の一部だけが耐久財や建物になります。残りはパルプ、紙、パレットなどの製材副産物になります。[ 49 ]世界中のすべての新規建設で、主に低層建築における集成材の採用によって、90%の木材製品が使用されると、年間7億トンの炭素が正味で隔離される可能性があります。 [ 50 ] [ 51 ]これは、生産に炭素集約的な鉄鋼やコンクリートなどの代替建設資材からの炭素排出量の削減に加えてのことです。
メタ分析によると、混植林は炭素貯蔵量を増加させるとともに、植林された森林の多様化による他の利点ももたらすことがわかった。[ 52 ]
竹林は樹木の成熟した森林よりも総炭素貯蔵量は少ないものの、竹林は成熟した森林や樹木の植林地よりもはるかに速い速度で炭素を隔離します。したがって、竹材の栽培は大きな炭素隔離の可能性を秘めている可能性があります。[ 53 ]
国連食糧農業機関（FAO）は、「森林の総炭素蓄積量は、1990年の668ギガトンから2020年には662ギガトンに減少した」と報告した。[ 22 ] : 11カナダの北方林では、総炭素の最大80%が死んだ有機物として土壌に蓄積されている。[ 54 ]
IPCC第6次評価報告書は、「二次林の再生と劣化した森林および非森林生態系の回復は、撹乱に対する高い回復力と生物多様性の向上などの追加的な利点により、炭素隔離において大きな役割を果たすことができる（高い確信度）」と述べている。[ 55 ] [ 56 ]
気温への影響は森林の場所によって左右される。例えば、北方地域や亜寒帯地域での植林は気候への影響が少ない。これは、高反射率で雪に覆われた地域を、低反射率の森林の樹冠に置き換えるためである。対照的に、熱帯地域での植林プロジェクトは、雲の形成など、好ましい変化をもたらす。これらの雲は太陽光を反射し、気温を下げる。[ 57 ]： 1457
雨季のある熱帯気候に木を植えることには、もう1つの利点があります。そのような環境では、木は一年中成長できるため、より速く成長します（より多くの炭素を固定します）。熱帯気候の木は、平均して、非熱帯気候の木よりも大きく、より鮮やかで、より豊富に葉を持っています。アフリカ全土の7万本の木の幹周を調べた研究では、熱帯林がこれまで考えられていたよりも多くの二酸化炭素汚染を固定していることが示されました。この研究は、化石燃料の排出量のほぼ5分の1が、アフリカ、アマゾン、アジアの森林によって吸収されていることを示唆しています。サイモン・ルイスは、「熱帯林の木は、化石燃料の燃焼によって毎年大気中に放出される二酸化炭素の約18％を吸収し、変化の速度を大幅に緩和している」と述べています。[ 58 ]
湿地の復元とは、再確立または再生によって湿地の自然な生物学的、地質学的、化学的機能を回復させることです。[ 60 ]これは気候変動を軽減する良い方法です。[ 61 ]特にマングローブ、海草、塩性湿地などの沿岸湿地の湿地土壌は、重要な炭素貯蔵庫です。 [ 61 ]世界の土壌炭素の20～30%は湿地に存在し、世界の陸地のわずか5～8%が湿地で構成されています。[ 62 ]研究によると、復元された湿地は生産的なCO2吸収源になることができ[ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]、多くの湿地が復元されています。[ 66 ] [ 67 ]気候上の利点に加えて、湿地の復元と保全は、生物多様性の保全、水質の改善、洪水制御に役立ちます。[ 68 ]
湿地を構成する植物は、大気中の二酸化炭素（CO₂）を吸収し、有機物に変換します。土壌が水浸しの状態にあるため、有機物の分解が遅くなり、炭素を豊富に含む堆積物が蓄積され、長期的な炭素吸収源として機能します。[ 69 ] [ 70 ]さらに、水浸しの土壌における嫌気性条件は、有機物の完全な分解を妨げ、炭素をより安定した形態に変換することを促進します。[ 70 ]
森林と同様に、隔離プロセスが成功するためには、湿地は攪乱されない状態を維持する必要があります。攪乱されると、植物や堆積物に蓄積された炭素が大気中に放出され、生態系は炭素吸収源として機能しなくなります。[ 71 ]さらに、一部の湿地は、メタン[ 72 ]や亜酸化窒素[ 73 ]などのCO2以外の温室効果ガスを放出する可能性があり、これが潜在的な気候変動対策効果を相殺する可能性があります。湿地によるブルーカーボンを介して隔離される炭素の量を測定することも困難です。[ 68 ]
湿地の土壌は重要な炭素吸収源であり、世界の土壌炭素の14.5%が湿地に存在し、世界の陸地のわずか5.5%が湿地で構成されている。[ 74 ]湿地は優れた炭素吸収源であるだけでなく、洪水を集めたり、大気や水の汚染物質をろ過したり、数多くの鳥、魚、昆虫、植物の生息地を作ったりするなど、他にも多くの利点がある。[ 75 ]
気候変動は湿地の土壌炭素貯蔵を変化させ、それを吸収源から排出源に変える可能性がある。[ 76 ]気温の上昇に伴い、湿地、特に永久凍土のある場所からの温室効果ガスが増加する。この永久凍土が溶けると、土壌中の利用可能な酸素と水が増加する。[ 76 ]このため、土壌中のバクテリアが大量の二酸化炭素とメタンを生成し、大気中に放出する。[ 76 ]
気候変動と湿地の関連性はまだ完全には解明されていない。[ 76 ]また、再生された湿地がメタンの発生源でありながら、どのように炭素を管理しているのかも明らかではない。しかし、これらの地域を保全することは、大気中への炭素のさらなる放出を防ぐのに役立つだろう。[ 77 ]
泥炭地は地球の陸地面積のわずか3%を占めるにすぎないが、生態系の炭素の約30%を蓄えており、これは世界の森林に蓄えられている量の2倍である。[ 77 ] [ 78 ]泥炭地のほとんどは北半球の高緯度地域に位置し、その成長の大部分は最後の氷河期以降に起こったものであるが、[ 79 ]アマゾンやコンゴ盆地などの熱帯地域にも存在する。[ 80 ]
泥炭地は、水浸しの状態により分解速度が大幅に遅くなるため、何千年にもわたって着実に成長し、枯れた植物物質とその中に含まれる炭素を蓄積します。[ 79 ]泥炭地が農地や開発のために排水されると、そこに蓄積された植物物質は急速に分解し、蓄積された炭素を放出します。これらの劣化した泥炭地は、人間の活動による世界の炭素排出量の5～10%を占めています。 [ 79 ] [ 81 ] 1つの泥炭地が失われると、潜在的に175～500年分のメタン排出量よりも多くの炭素が生成される可能性があります。[ 76 ]
したがって、泥炭地の保護と再生は炭素排出量を緩和するための重要な措置であり、生物多様性[ 81 ]、淡水供給、洪水リスク軽減[ 82 ]にも利益をもたらします。
自然植生と比較すると、農地の土壌は土壌有機炭素（SOC）が枯渇している。森林、林地、草原、ステップ、サバンナなどの自然地または半自然地から土壌が転換されると、土壌中のSOC含有量は約30～40%減少する。[ 83 ]この損失は、植物が炭素を含んでいるため、収穫によるものである。土地利用が変化すると、土壌中の炭素は増加または減少し、この変化は土壌が新たな平衡に達するまで続く。この平衡からの逸脱は、気候変動によっても影響を受ける可能性がある。[ 84 ]
SOC含有量の減少は、炭素投入量を増やすことで相殺できます。これには、収穫残渣を畑に残す、堆肥を肥料として使用する、輪作に多年生作物を取り入れるなど、いくつかの戦略があります。多年生作物は地下バイオマスの割合が大きいため、SOC含有量が増加します。[ 83 ]
多年生作物は耕作の必要性を減らし、土壌侵食の緩和に役立ち、土壌有機物の増加にも役立つ可能性がある。世界的に、土壌には8,580 ギガトンを超える有機炭素が含まれていると推定されており、これは大気中の量の約10倍であり、植物中の量よりもはるかに多い。[ 85 ]
研究者たちは、気温の上昇が土壌微生物の個体数増加につながり、蓄積された炭素を二酸化炭素に変換する可能性があることを発見した。土壌を加熱する実験室実験では、菌類が豊富な土壌は他の土壌よりも二酸化炭素の放出量が少なかった。[ 86 ]
大気中の二酸化炭素（CO 2）を吸収した後、植物は有機物を土壌に沈着させる。[ 25 ]この有機物は、腐敗した植物物質や根系に由来し、炭素化合物が豊富に含まれている。土壌中の微生物がこの有機物を分解し、その過程で炭素の一部が腐植として土壌中にさらに安定化される。この過程は腐植化として知られている。[ 87 ]
世界規模では、土壌には約2,500ギガトンの炭素が含まれていると推定されています。これは大気中の炭素の3倍以上、生きている植物や動物に含まれる炭素の4倍以上です。[ 88 ]永久凍土以外の地域の世界の土壌有機炭素の約70%は、地表から1メートル以内のより深い土壌に存在し、鉱物と有機物の結合によって安定化されています。[ 89 ]
炭素農業は、土壌やバイオマスに炭素を貯蔵することを目的とした農業手法の集合体です。この技術用語は炭素隔離です。炭素農業の全体的な目標は、大気から炭素を正味で減少させることです。[ 90 ]これは、土壌や植物材料に炭素が隔離される速度を上げることによって行われます。根や土壌の微生物叢からのバイオマスの増加は、土壌の有機物含有量の増加につながります。土壌の有機物含有量の増加は、植物の成長を助け、土壌の保水能力を向上させ[ 91 ]、肥料の使用を減らします。[ 92 ]持続可能な森林管理は、炭素農業で使用されるもう1つのツールです。[ 93 ]炭素農業は、気候変動に強い農業の1つの構成要素です。また、大気から二酸化炭素を除去する1つの方法でもあります。
炭素農業の農業手法には、耕作や家畜の放牧方法の調整、有機マルチや堆肥の使用、バイオ炭やテラプレタの使用、作物の種類の変更などがある。林業で使用されている手法には、植林や竹の栽培 などがある。2016年現在、炭素農業の様々な形態は、世界の農地約50億ヘクタール（1.2 × 10¹⁰エーカー）のうち、数億ヘクタールに及んでいる。[ 94 ]
炭素農業は、従来の農業慣行よりも費用がかかる傾向があります。地域によって異なりますが、炭素農業では、二酸化炭素1トンあたり3～130米ドルかかります。[ 95 ]一部の国では、農家が炭素農業の方法を使用するために補助金を提供しています。[ 96 ]炭素農業の方法を実施することで排出量を削減/隔離できますが、森林を農地に転換することによる土地利用の変化の影響も考慮することが重要です。 [ 97 ]
草原再生は、工業、農業、商業、または住宅開発によって破壊された草原地を再生するための保全活動です。 [ 98 ]主な目的は、地域と生態系を枯渇する前の状態に戻すことです。[ 99 ]これらの再生された区画に貯蔵できる土壌有機炭素の量は、通常、以前の作物よりも多く、より効果的な炭素吸収源として機能します。[ 100 ] [ 101 ]
バイオ炭は、バイオマス廃棄物の熱分解によって生成される木炭です。生成された物質は埋立地に投入されるか、土壌改良材としてテラプレタの製造に使用されます。[ 102 ] [ 103 ]バイオ炭を添加することで、長期的に土壌中の炭素蓄積量が増加し、大気中の炭素（年間最大9.5ギガトン）を相殺することで地球温暖化を緩和する可能性があります。[ 104 ]土壌中のバイオ炭炭素は、COへの酸化には利用できません。2そして結果として大気中に放出される。しかし、バイオ炭が土壌中に既に存在する炭素の放出を加速させる可能性があるという懸念が提起されている。 [ 105 ]
人為的に生成された高炭素土壌であるテラプレタも、炭素隔離メカニズムとして研究されている。バイオマスを熱分解することで、その炭素の約半分を木炭に還元することができ、木炭は土壌中に数世紀にわたって残留し、特に熱帯土壌において有用な土壌改良材となる（バイオ炭またはアグリチャー）。[ 106 ] [ 107 ]
バイオマス（樹木など）を埋設することは、化石燃料を生成した自然プロセスを直接模倣するものである。[ 108 ]木材埋設による炭素隔離の世界的な潜在能力は、10 ± 5 GtC/年と推定されており、熱帯林（4.2 GtC/年）が最も高く、次いで温帯林（3.7 GtC/年）、北方林（2.1 GtC/年）となっている。[ 13 ] 2008年、メリーランド大学の寧増氏は65 GtCと推定した。世界の森林の地面に粗い木質材料として横たわっており、埋めることが可能で、木材の埋設による炭素隔離のコストは 50 米ドル/tC で、発電所の排出物からの炭素回収などよりもはるかに低い。[ 13 ]木質バイオマスへのCO2の固定は、光合成によって行われる自然のプロセスである。これは自然に基づく解決策であり、試験中の方法には、酸素のない条件下で炭素を含む木材を保管するための「木材保管庫」の使用が含まれる。[ 109 ]
2022年に認証機関がバイオマス埋設の方法論を発表した。[ 110 ]他のバイオマス貯蔵の提案には、黒海の海底を含む深海へのバイオマスの埋設が含まれている。[ 111 ]
地質学的隔離とは、枯渇した石油・ガス貯留層、塩水層、または採掘に適さない深層炭層にCO2を地下に貯蔵することを指します。 [ 113 ]
セメント工場などの点源からCO₂が回収されると、[ 114 ]約100バールまで圧縮して超臨界流体にすることができます。この形態のCO₂は、パイプラインで貯蔵場所まで輸送できます。その後、CO₂は通常約1km （0.6マイル）の地下深くに注入され、そこで数百年から数百万年にわたって安定します。[ 115 ]このような貯蔵条件下では、超臨界CO₂の密度は600～800kg /m³です。[ 116 ]
二酸化炭素貯留に適した場所を決定する上で重要なパラメータは、岩石の多孔性、岩石の透水性、断層の有無、岩層の形状です。二酸化炭素を貯留する媒体は、砂岩や石灰岩のように、多孔性と透水性が高いことが理想的です。砂岩の透水性は1～10⁻⁵ Darcyの範囲で、多孔性は約30%にも達します。多孔質の岩石は、二酸化炭素の遮蔽層、つまりキャップロックとして機能する低透水性の層で覆われている必要があります。頁岩は、透水性が10⁻⁵～10⁻⁹ Darcyと非常に優れたキャップロックの一例です。注入された二酸化炭素プルームは、周囲よりも密度が低いため、浮力によって上昇します。キャップロックに到達すると、隙間に遭遇するまで横方向に広がります。注入ゾーンの近くに断層面がある場合、CO2が断層に沿って地表に移動し、大気中に漏れ出す可能性があり、周辺地域の生命にとって潜在的に危険となる可能性があります。炭素隔離に関連するもう1つのリスクは、誘発地震です。CO2の注入によって地下に過剰な圧力が生じると、地層が破砕し、地震を引き起こす可能性があります。[ 117 ]
構造的トラップは主要な貯留メカニズムと考えられており、泥岩、無水石膏、岩塩、不透水性炭酸塩などの不透水性または低透水性の岩石が CO 2の浮力による上昇移動の障壁として機能し、貯留層内にCO 2が保持される。 [ 118 ]岩石層に閉じ込められた CO 2 は、超臨界流体相であったり、地下水/塩水に溶解したりすることがあります。また、地質構造内の鉱物と反応して炭酸塩になることもあります。
2025年には、理論上の炭素貯蔵容量約12,000 GtCO2のうち、リスクフリーなのはわずか1,460 GtCO2であり、ほとんどの推定値よりも大幅に少ないことが研究で示された。[ 119 ] [ 120 ]
鉱物隔離は、炭素を固体炭酸塩の形で閉じ込めることを目的としています。このプロセスは自然界でゆっくりと進行し、地質学的時間スケールで石灰岩の堆積と蓄積の原因となっています。地下水中の炭酸は、複雑なケイ酸塩とゆっくりと反応して、カルシウム、マグネシウム、アルカリ、シリカを溶解し、粘土鉱物の残留物を残します。溶解したカルシウムとマグネシウムは重炭酸塩と反応して炭酸カルシウムと炭酸マグネシウムを沈殿させます。これは生物が殻を作るために利用するプロセスです。生物が死ぬと、その殻は堆積物として堆積し、最終的に石灰岩になります。石灰岩は数十億年の地質学的時間スケールで蓄積され、地球の炭素の大部分を含んでいます。現在進行中の研究は、アルカリ炭酸塩が関与する同様の反応を加速することを目的としています。[ 121 ]
ゼオライトイミダゾレートフレームワーク（ZIF）は、ゼオライトに似た金属有機構造体です。ZIFは、その多孔性、化学的安定性、耐熱性から、二酸化炭素を捕捉する能力について研究されています。[ 122 ]
CO 2 は金属酸化物と発熱反応を起こし、安定な炭酸塩 (方解石、菱苦土石など) を生成します。このプロセス (CO 2から石への反応) は自然に何年もかけて起こり、地表の石灰岩の大部分の原因となっています。オリビンはそのような金属酸化物の 1 つです。[ 123 ]玄武岩に含まれるMgOやCaOなど、 CO 2と反応する金属酸化物を豊富に含む岩石は、二酸化炭素の鉱物貯蔵を実現するための実行可能な手段であることが証明されています。[ 124 ] [ 125 ]原理的には、触媒[ 126 ]を使用したり、圧力を上げたり、鉱物の前処理を行ったりすることで反応速度を加速できますが、この方法は追加のエネルギーを必要とする場合があります。
超苦鉄質鉱山尾鉱は、この目的に利用できる微細な金属酸化物の容易に入手可能な供給源である。[ 127 ]鉱物の炭酸化による受動的なCO2隔離の加速は、鉱物の溶解と炭酸塩の沈殿を促進する微生物プロセスによって達成される可能性がある。[ 128 ] [ 129 ] [ 130 ]
二酸化炭素の形で存在する炭素2は化学プロセスによって大気から除去され、安定した炭酸塩鉱物形態で貯蔵される。このプロセス（CO2 -石へ）は「鉱物炭酸化」または鉱物隔離として知られています。このプロセスでは、二酸化炭素を豊富に存在する金属酸化物（酸化マグネシウム（MgO）または酸化カルシウム（CaO））と反応させて安定な炭酸塩を形成します。これらの反応は発熱反応、自然に発生します（たとえば、地質学的時間での岩石の風化）。 [ 131 ] [ 132 ]
カルシウムとマグネシウムは、自然界では通常、二元酸化物ではなく、ケイ酸カルシウムおよびケイ酸マグネシウム（フォルステライトや蛇紋石など）として存在します。フォルステライトと蛇紋石の場合、反応は次のとおりです。
これらの反応は低温でわずかに有利になります。[ 131 ]このプロセスは地質学的時間スケールで自然に発生し、地球の表面の石灰岩の大部分の原因となっています。ただし、より高い温度や圧力で反応させることで反応速度を速めることができますが、この方法には追加のエネルギーが必要です。あるいは、鉱物を粉砕して表面積を増やし、水と絶え間ない摩耗にさらして不活性シリカを除去することもできます。これは、カンラン石を高エネルギーの海岸の波に投棄することで自然に達成できます。[ 133 ]
COの場合2は水に溶解され、地下の高温の玄武岩に注入される。2 は玄武岩と反応して固体の炭酸塩鉱物を形成する。 [ 134 ]アイスランドの試験プラントは 2017 年 10 月に稼働を開始し、大気から年間最大 50 トンの CO2を抽出し、玄武岩の地下に貯蔵している。 [ 135 ]
いくつかのスタートアップ企業がこれを大規模に行おうとしている。[ 136 ]
海洋はさまざまなプロセスを通じて炭素を隔離します。[ 137 ]溶解ポンプは二酸化炭素を大気から海洋表層に移動させ、そこで水分子と反応して炭酸を形成します。二酸化炭素の溶解度は水温の低下とともに増加します。熱塩循環は溶解した二酸化炭素をより溶解度の高い冷たい水に移動させ、海洋内部の炭素濃度を高めます。生物ポンプは、無機炭素を光合成によって有機炭素に変換することにより、溶解した二酸化炭素を海洋表層から海洋内部に移動させます。呼吸と再鉱化作用を生き残った有機物は、沈降粒子と生物の移動によって深海に運ばれます。
深海の低温、高圧、低酸素濃度は分解プロセスを遅らせ、炭素が大気中に急速に放出されるのを防ぎ、長期的な貯蔵庫として機能する。[ 138 ]
ブルーカーボンは、気候変動緩和策における概念で、「管理可能な海洋システムにおける生物学的に駆動される炭素の流れと貯蔵」を指します。[ 139 ] : 2220最も一般的には、潮汐湿地、マングローブ、海草藻場が炭素隔離において果たす役割を指します。 [ 139 ] [ 140 ]大型藻類（海藻）がブルーカーボン生態系とみなせるかどうかは依然として議論の的となっています。 [ 141 ][142] [ 143 ]これらの生態系は、気候変動緩和策や生態系に基づく適応策において重要な役割を果たすことができます。しかし、ブルーカーボン生態系が劣化または消失すると、炭素が大気中に放出され、温室効果ガスの排出量が増加します。[ 139 ]
海藻は浅瀬や沿岸域で生育し、海洋メカニズムによって深海に運ばれる大量の炭素を吸収します。深海に到達した海藻は炭素を隔離し、何千年にもわたって大気との交換を防ぎます。[ 144 ]海藻を沖合で養殖し、海底に沈めて炭素を隔離するという案も提案されています。[ 145 ]さらに、海藻は非常に速く成長し、理論的には収穫して処理することで、嫌気性消化によってバイオメタンを生成し、発電したり、コジェネレーション/CHPで利用したり、天然ガスの代替として使用したりできます。ある研究では、海藻養殖場が海洋の9%を覆えば、地球の化石燃料エネルギー需要に相当する量のバイオメタンを生産し、年間53ギガトンのCO2を大気から除去し、 100億人に対して1人当たり年間200kgの魚を持続的に生産できると示唆しています。[ 146 ]このような栽培や転換に理想的な種には、コンブ（Laminaria digitalata）、Fucus serratus（ヒバマタ）、Saccharina latissima（サッカリーナ・ラティッシマ）などがある。[ 147 ]
大型藻類と微細藻類の両方が、炭素隔離の可能性のある手段として研究されている。[ 148 ] [ 149 ]海洋植物プランクトンは、世界の植物バイオマスのわずか約1%にすぎないにもかかわらず、世界の光合成によるCO2固定（世界の正味一次生産量は 年間約50 Pg C）と酸素生産の半分を行っている。[ 150 ]
藻類は陸上植物に見られるような複雑なリグニンを持たないため、藻類中の炭素は陸上で吸収される炭素よりも速やかに大気中に放出される。[ 148 ] [ 151 ]藻類は、様々なバイオ燃料の生産原料として利用できる短期的な炭素貯蔵庫として提案されている。[ 152 ]
大規模な海藻養殖は、相当量の炭素を隔離する可能性がある。[ 6 ]天然の海藻は、有機物の溶解粒子が深海の海底に運ばれ、そこに埋没して長期間残ることで、大量の炭素を隔離する。[ 7 ]炭素農業に関して言えば、炭素農業のための海藻の潜在的な成長は、収穫された海藻が深海に運ばれて長期間埋没することになる。[ 7 ]海藻養殖は主にアジア太平洋沿岸地域で行われており、急速に市場が拡大している。[ 7 ] IPCCの気候変動における海洋と氷圏に関する特別報告書は、緩和策として海藻養殖に「さらなる研究の注目」を推奨している。[ 8 ]
海洋施肥または海洋栄養とは、表層海洋に鉄やその他の栄養素を補充する自然および意図的なプロセスを指し、それによって植物プランクトンの成長が促進され、場合によっては光合成によって大量の二酸化炭素(CO 2 ) が吸収されます。意図的な海洋施肥は、氷河期以前[ 153 ]や火山噴火後、クジラの排泄後[ 154 ] 、熱水噴出孔付近[ 155 ]に大気中の CO 2を除去した自然プロセスのバイオミミクリーです。表層海洋への栄養素の導入は、海洋食物生産を増加させるとともに、大気中の二酸化炭素を除去します。[ 156 ] [ 153 ] [ 157 ] [ 158 ]
微量栄養素である鉄による施肥（「海洋鉄施肥」またはOIFと呼ばれる）や、窒素とリン（両方とも多量栄養素）による施肥など、多くの技術が提案されている。NOAAの特別報告書は、OIFを「他の海洋隔離アイデアと比較して、コスト、拡張性、炭素貯蔵期間の点で中程度の潜在力がある」と評価した。[ 159 ]
海洋鉄施肥は植物プランクトンの光合成を刺激する可能性がある。植物プランクトンは海洋に溶け込んだ二酸化炭素を炭水化物に変換し、その一部は深海に沈むことが示されている。10以上の外洋実験で、海洋に鉄を加えると植物プランクトンの光合成が最大30倍増加することが確認されている。[ 160 ]
人工的な湧昇または沈降は、海洋の混合層を変化させる手法です。様々な海洋層の混合を促進することで、栄養塩や溶存ガスを移動させることができます。[ 161 ]混合は、栄養豊富な水を海面に汲み上げるために、海中に大きな垂直パイプを設置することで実現できます。これにより藻類の大量発生が引き起こされ、藻類は成長時に炭素を蓄積し、死滅時に炭素を放出します。[ 161 ] [ 162 ] [ 163 ]これは鉄施肥とやや似た結果をもたらします。副作用の一つとして、CO2濃度の短期的な上昇が挙げられます。2、これはその魅力を制限する。 [ 164 ]
混合層では、密度が高く温度の低い深層海水を表層の混合層に輸送します。海水温は深度とともに低下するため、二酸化炭素やその他の化合物がより深い層に溶け込むことができます。[ 165 ]これは、海洋ポンプとして機能する大型の垂直パイプ[ 166 ]またはミキサーアレイ[ 167 ]を使用して海洋炭素循環を逆転させることによって誘発できます。栄養豊富な深層海水が表層に移動すると、藻類ブルームが発生し、植物プランクトンやその他の光合成真核生物による炭素の取り込みにより二酸化炭素が減少します。層間の熱の移動により、混合層の海水が沈降してより多くの二酸化炭素を吸収します。藻類ブルームは日光を遮断し、有害な毒素を海に放出することで海洋生態系に害を及ぼすため、この方法はあまり普及していません。[ 168 ]表面レベルでの二酸化炭素の急激な増加は、海水のpHを一時的に低下させ、サンゴ礁の成長を阻害します。海水への二酸化炭素の溶解による炭酸の生成は、海洋生物起源の石灰化を妨げ、海洋食物連鎖に大きな混乱を引き起こします。[ 169 ]
玄武岩への二酸化炭素隔離には、CO2の注入が含まれる。2深海層へ。CO2はまず海水と混ざり、次に玄武岩と反応する。どちらもアルカリに富む元素である。この反応によりCa2+とMg2+イオンが放出され、安定した炭酸塩鉱物が形成される。 [ 170 ]
海底玄武岩は、漏洩に対する保護を強化するための多くの捕捉対策を備えているため、他の形態の海洋炭素貯蔵に代わる優れた選択肢となります。これらの対策には、「地球化学的、堆積物、重力、およびハイドレート形成」が含まれます。2水和物はCO海水中では、漏洩のリスクは最小限です。2 2,700メートル（8,900フィート）より深い場所では、CO 2は海水よりも密度が高いため沈む。 [ 171 ]
注入場所の候補の一つはファンデフカプレートである。ラモント・ドハティ地球観測所の研究者らは、米国西海岸にあるこのプレートには208ギガトンの貯蔵容量がある可能性があると発見した。これは、現在の米国の二酸化炭素排出量を100 年以上（2009年時点）にわたってすべて賄うことができる量である。[ 171 ]
このプロセスはCarbFixプロジェクトの一環として試験されており、注入された250トンのCO2の95%が2年以内に方解石に固化し、 CO2 1トンあたり25トンの水が使用される。[ 172 ] [ 173 ]
岩石内部で起こる鉱化作用と同様に、海底でも鉱化作用が起こることがあります。大気から海洋への二酸化炭素の溶解速度は、海洋の循環周期と沈み込む表層水の緩衝能力によって決まります。[ 174 ]研究者らは、数キロメートルの深さでの二酸化炭素の海洋貯留は最大500年間有効である可能性があるが、注入場所と条件に依存することを実証しました。いくつかの研究では、二酸化炭素を効果的に固定できる可能性があるものの、時間の経過とともに二酸化炭素が大気中に放出される可能性があることが示されています。ただし、これは少なくともあと数世紀は起こりそうにありません。CaCO3 の中和、つまり海底、陸地、海洋におけるCaCO3の濃度のバランスは、数千年の時間スケールで測定できます。より具体的には、予測される時間は海洋で1700年、陸地で約5000～6000年です。[ 175 ] [ 176 ]さらに、CaCO 3の溶解時間は、貯蔵場所の近くまたは下流に注入することで改善できます。[ 177 ]
炭素鉱化作用に加えて、もう一つの提案は深海堆積物注入です。これは、二酸化炭素ハイドレートを生成するために、液状二酸化炭素を少なくとも水面下3,000m （9,800フィート）の海底堆積物に直接注入するものです。探査対象として2つの領域が定義されています。1) 負の浮力帯（NBZ）は、液状二酸化炭素が周囲の水よりも密度が高く、液状二酸化炭素が中性浮力を持つ領域であり、2) ハイドレート形成帯（HFZ）は、通常、低温高圧です。いくつかの研究モデルでは、最適な貯蔵のために、注入の最適深度には固有浸透率と液状二酸化炭素浸透率の変化を考慮する必要があることが示されています。ハイドレートの形成は液状二酸化炭素浸透率を低下させるため、HFZより下への注入はHFZ内への注入よりもエネルギー的に有利です。NBZがHFZよりも大きな水柱である場合、注入はHFZより下、NBZに直接行う必要があります。[ 178 ]この場合、液体二酸化炭素はNBZに沈み、浮力とハイドレートキャップの下に貯蔵されます。二酸化炭素の漏洩は、間隙水への溶解または分子拡散によって発生する可能性があります。ただし、これは数千年かけて発生します。[ 177 ] [ 179 ] [ 180 ]
二酸化炭素は水に溶けると炭酸を形成するため、海洋酸性化は二酸化炭素濃度の上昇による重大な結果となる。2つのレベル。酸性化はCOの速度も制限します2は海洋に吸収される（溶解ポンプ）。海洋の酸性を中和し、それによってCO2を塩基が2吸収。 [ 181 ] [ 182 ] [ 183 ] [ 184 ] [ 185 ]例えば、砕いた石灰岩を海洋に加えると、二酸化炭素の吸収が促進されます。 [ 186 ]別の方法塩水または塩水の電気分解によって生成される水酸化ナトリウム塩酸エンスタタイトなどの火山性ケイ酸塩岩と反応させることで中和でき、自然の風化プロセスを効果的に加速させて海洋のpHを回復させるのに役立ちます。 [ 187 ] [ 188 ] [ 189 ]
単段階炭素隔離貯蔵は、海水から二酸化炭素を抽出し、固体鉱物の形で貯蔵する塩水ベースの鉱物化技術である。[ 190 ]
かつて、 CO₂を深海に直接注入して数世紀にわたって海洋に貯蔵できるという提案があった。当時、この提案は「海洋貯蔵」と呼ばれていたが、より正確には「深海への二酸化炭素直接注入」として知られていた。しかし、海洋生物への未知の影響[ 191 ] : 279、高コスト、安定性や永続性への懸念[115]から、この炭素貯蔵方法への関心は2001年頃から大幅に低下した。2005年の「二酸化炭素回収・貯蔵に関するIPCC特別報告書」では、この技術が選択肢の一つとして含まれていた[191] : 279。しかし、2014年のIPCC第5次評価報告書では、気候変動緩和策に関する報告書の中で「海洋貯蔵」という用語はもはや言及されていない[192]。2022年のIPCC第6次評価報告書では、「二酸化炭素除去分類」の中で「海洋貯蔵」は言及されていない。[ 193 ]： 12-37
炭素隔離のコスト（回収と輸送は含まない）は様々だが、陸上貯蔵が可能な場合は1トンあたり10米ドル未満になることもある。[ 194 ]例えば、CarbfixのコストはCO2 1トンあたり約25米ドルである。[ 195 ] 2020年の報告書では、森林での隔離（回収を含む）は、少量の場合は1トンあたり35米ドル、1.5℃の温暖化を抑えるために必要な総量の10%の場合は1トンあたり280米ドルと推定されている。[ 196 ]しかし、森林火災で炭素が放出されるリスクがある。[ 197 ]研究によると、化石燃料企業上位200社の炭素埋蔵量全体を相殺するには、炭素の市場価格に応じて、世界のGDPの11%から701%のコストがかかると推定されている。[ 198 ]
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