深海への二酸化炭素直接注入

深海への二酸化炭素直接注入は、深海に直接注入することで大気中の二酸化炭素を除去し、何世紀にもわたってそこに貯蔵するという（現在は中止された）技術提案であった。海底では、圧力が十分に高いため、二酸化炭素_は液相となる。海洋注入の背後にあるアイデアは、海底に安定した静止した二酸化炭素プールを作ることであった。海洋は潜在的に1兆億トン以上の二酸化炭素を貯蔵できる。しかし、海洋生物への未知の影響、高コスト、安​​定性_や永続_性に関する懸念などから、この炭素貯蔵手段への関心は2001年頃から大幅に低下した。 ^[1]

2005年のIPCC特別報告書では、当時の研究状況をまとめている。当時、「深海貯留は、CO2排出が海洋表層生物に与える影響を軽減するのに役立つ可能性があるが、深海生物への影響を犠牲にする」こと_が判明した。^{[2] : 279}さらに、この技術が気候変動緩和戦略の一環として国民に受け入れられるかどうかは疑問視されていた。^{[2] : 279}

2007年のIPCC第4次評価報告書では、この技術を海洋貯留と呼んでいました。^{[3] : 287}ただし、今日ではこの用語は、海洋における炭素回収・貯留および炭素隔離の一部としてより広く使用されています。たとえば、 2014年のIPCC第5次評価報告書では、気候変動緩和方法に関する報告書の中で、海洋貯留という用語はもはや言及されていません。 ^[4] 2022年の最新のIPCC第6次評価報告書でも、二酸化炭素除去の分類に海洋貯留についての言及はもはや含まれていません。^{[5] : 12–37}代わりに、現在は沿岸域でのブルーカーボン管理に重点が置かれています。

海洋は地球の全表面積の70%強を占め、地球の気候システムにおいて重要な役割を果たしている。^[6]二酸化炭素は水に溶けやすいため、CO _{2 は}自然に海洋水に溶解して平衡状態を形成する。大気中の二酸化炭素濃度が増加すると、平衡状態はより多くのCO _{2 が}水に溶解する方向に傾く。このメカニズムにより、過去200年間に排出された人為的な二酸化炭素のうち500ギガトン以上（炭素量にして合計140ギガトン）が海洋に吸収されている。 ^[6]産業化以前のレベルと比較して人間の活動により排出される大気中のCO ₂濃度が増加しているため、現在、海洋は年間7ギガトンの二酸化炭素を吸収している。^[7]

大気中の二酸化炭素が海に溶け込むと、その一部が海水と反応して炭酸を形成します。^[8]炭酸が水分子と相互作用し続けると炭酸塩が形成され、海中の水素イオン濃度が上昇し、結果として海洋の pH が低下します。したがって、大気中の二酸化炭素濃度が上昇すると、海洋の pH が低下し、海洋酸性化と呼ばれるプロセスが発生します。^[2]

海洋深層部に意図的に二酸化炭素を注入するという概念は、1976年にイタリアの物理学者チェーザレ・マルケッティによって初めて提案されました。 ^[9] 0.37GTC/年の希薄二酸化炭素注入は海洋pHにほとんど影響を与えないと考えられていました。^[2]希薄海洋注入は、他の形態の海洋注入と比較して、インフラをほとんど必要としません。^[8]

2022年のレビューでは、「1997年に京都で開催されたUNFCCC COP3で、米国エネルギー省、日本の新エネルギー・産業技術総合開発機構、ノルウェー研究会議のスポンサーを得て、CO2の直接注入_を研究するための国際プロジェクト協定が締結された」と説明されている。しかし、深海生物への影響や法的影響が不明であるとして、グリーンピースを含むさまざまな組織から批判があった。 ^{[10] : 262}この批判は、2003年頃から致命的なものと見なされていた。

希釈二酸化炭素注入には、海流と海洋混合によって二酸化炭素が拡散できる深さでの注入が必要です。注入すると、水は密度に基づいて相互作用して混合し、二酸化炭素濃度を希釈します。 ^[2]ボートによる二酸化炭素注入は、二酸化炭素拡散領域を増やすために移動しながら開水域に低濃度の二酸化炭素を分散させます。ボートによる二酸化炭素拡散は、船に取り付けられたパイプから水柱に希釈二酸化炭素混合物を注入することによっても発生します。二酸化炭素は、二酸化炭素の泡の漏れを減らすために 1000 メートルの深さで注入されます。注入された二酸化炭素の泡が上昇するにつれて、水柱の上方への拡散が増加します。^[11]

研究によると、液体二酸化炭素を曳航パイプライン（流れに垂直に移動する船に取り付けられている）で輸送すると、高濃度二酸化炭素の塊を最小限に抑えることができる。固定パイプによる輸送は、海洋の狭い領域に限定され、その結果、その領域に生息する敏感な種を即座に殺してしまう。科学者の間では、二酸化炭素の海洋隔離は頼りになる長期的な計画ではないが、一時的に実施すれば大気に関する当面の懸念を解決できるという意見が一致している。科学者は、海洋における二酸化炭素の自然な変動に似た速度で二酸化炭素を排出する方法を設計できると考えている。^[12]

二酸化炭素の海洋貯留は、二酸化炭素の固体または固体水和物によって行うことができます。二酸化炭素の固体密度は海水の約 1.5 倍であるため、海底に沈む傾向があります。表面での溶解速度は約 0.2 cm/時であるため、少量の二酸化炭素は海底に到達する前に完全に溶解します。^[2]固体二酸化炭素の注入に加えて、二酸化炭素水和物^{[13]も一般的な貯留方法です。水和物の形成は、}液体二酸化炭素の溶解濃度が約 30% で海面下 400 メートルのときに起こります。水和物は、液体二酸化炭素の液滴の周りの外層として、または固体の塊として形成されます。^[14]分子組成は二酸化炭素と水で構成され、二酸化炭素•nH ₂ O (n ≈ 5.75) です。^[8]結果として得られる密度は、海水よりも約 10% 高くなります。液体二酸化炭素と比較して、水和物の形態は海水中で約 0.2 cm/時で大幅に遅く溶解します。^[14]さらに、ハイドレートは海底で動かずにハイドレートキャップを形成し、液体二酸化炭素を横方向にのみ移動させます。^[15]

分子全体の安定性は環境の温度と圧力に依存し、水和物は追加の熱と平衡濃度以下の濃度の水と直接接触した場合にのみ解離します。^[16]しかし、その結晶構造のため、純粋な水和物はパイプを通って移動しません。 100％の効率を達成することは非常に難しいため、実際には、実験室とフィールドの両方の実験から、沈降反応効率は約15〜25％であることが示唆されています。^[8]水和物のあらゆる種類の不安定性は、下降または注入プロセス中に溶解と分散を引き起こす可能性があります。^[15]

研究者は、研究室や小規模な現場実験で、二酸化炭素を上昇または沈降するプルームとして海洋に注入できることを実証することができました。^[2]プルームは、海水よりも密度が高い場合は沈みます。これは、二酸化炭素と海水の混合物であるプルームを 3 km の深さに注入した場合に発生するはずです。^[8]プルームが垂直に移動するにつれて、通過する海水との対流による物質移動により、少なくとも部分的に溶解します。対流による物質移動の増加により、プルームを含む垂直の水柱に垂直な流れが増加すると、溶解が増加します。沈降プルームの場合、プルームが海底に沈んで長期間隔離できるように、水平方向の流れを最小限に抑えることが望ましいです。上昇プルームの場合はその逆が望ましく、前述の他の希薄海洋貯留技術と同様に、海洋の二酸化炭素濃度の変化を海洋生物圏に大きな影響を与えない程度に低くするために、拡散に依存しています。^[17]

提案されている注入方法は、超臨界二酸化炭素の液滴を海水と混合するものである。二酸化炭素/海水液滴のサイズ、濃度、注入速度に基づいて、プルームをさまざまな速度で溶解するように設計することができる。二酸化炭素を隔離するために溶解に依存する上昇プルームの場合、より速い溶解につながるため、より小さな液滴とより速い注入速度が適している。沈降プルームは、より長期的な隔離のために、海底に二酸化炭素の湖を形成するのが理想的である。^[2]

二酸化炭素湖は海底の窪みや溝に形成されます。これらの湖は隔離によって二酸化炭素を隔離します。深海は表面の海と非常にゆっくりと混ざります。さらに、二酸化炭素湖の表面は結晶水和物の層を形成し、二酸化炭素が上の海に溶解するのを遅らせます。海底の嵐や通常の海流による湖の表面上の対流運動により、溶解が促進されます。湖上の大量の流れがない場合、二酸化炭素の貯蔵タイムラインは、深さ 50 メートルの湖で 10,000 年です。この数字は、海底の嵐による流れにより 25 倍以上減少します。^[2]

貯蔵場所は、海底の深さ、地震や火山活動、炭素の鉱化率を高める可能性のあるCaCO _{3堆積物の存在に基づいて選択される。} ^[18] 6km以上の深さでの貯蔵が提案されている場所には、インドネシアのスンダ海溝、日本の琉球海溝、プエルトリコ海溝などがある。^[16]

クラスレート水和物の使用は、二酸化炭素の溶解速度を低下させるために実施することができる。^{[19] [20]}水和物は二酸化炭素に負の浮力を与えるため、パイプラインではなく表面レベルでの注入が可能になる。^[21]実験では、クラスレート水和物の使用により、注入された二酸化炭素が海底全体に広がる速度が最小限に抑えられることが示された。^[12]この速度は、深海生物への影響を最小限に抑えることが証明された。^[19]水和物の無傷性は、注入場所の海流の大きさに大きく依存する。^[20]水和物が深海に沈む前に、二酸化炭素は表層水に溶解した（二酸化炭素の10〜55％が海洋の深さ1500メートルで水和物に付着したままであった）。^[19]実験室実験では、水和物の連続的な流れはまだ達成されていない。^[12]

2007年のコスト見積もりでは、この技術にかかるコストは、注入されるCO21トンあたり5～30米ドルと見積もられている_。このコスト見積もりには「100～500kmの沖合輸送も含まれる」とされている。^{[3] : 287}

IEAの温室効果ガス研究開発プログラムは、二酸化炭素の希釈注入には、船で散布する前の炭素回収、輸送、貯蔵の費用を含めて、二酸化炭素1トンあたり70ドルの費用がかかると推定した。^[22]

2006年に課題は次のようにまとめられた。「未知の生物学的影響、高コスト、海洋貯蔵の非永続性、そして一般大衆の受容に関する懸念」^{[1] 。非永続性の問題は、数百年かけて注入された}_CO2が大気と再び平衡化するという事実によるものである。 ^{[3] : 285}

2013年の評価では、現状を次のようにまとめています。客観的に見て、CO2の直接海洋投棄に対する懸念は_不当です。大量のCO2を深海に移送するのは費用がかかりすぎ、議論を呼ぶ上に技術的にも困難です。しかし、いずれにせよ、そのような取り組みは、現在空気から海に移送されている毎時約100万トンの化石燃料由来の_CO2に比べれば取るに足らないもの_{でしょう。とはいえ、 CO2の}直接海洋投棄という概念をめぐる緊急の議論は、_CO2濃度の上昇が海洋に与える影響に関する現代の科学的理解に大きく貢献しました。 ^[23]

研究者たちは、プロセス研究、生物地球化学的トレーサーの調査、海底研究を通じて、液体二酸化炭素の注入前後に生態系がどのように影響を受けるかを研究している。^[2]課題は、海洋の空間範囲と影響が発生する時間スケールから生じ、これらの影響を正確に検出することが困難である。^[20]この未踏の領域にどのような生物と生態系が存在するか、またそのような生態系の相互依存性についての知識は非常に限られている。^[20]以下は、希釈注入による深海隔離に特化しているが、代替方法（曳航パイプラインによる注入、固定パイプラインによる注入、ハイドレートの使用）についても触れている。海洋の大きさのため、この隔離プロセスの環境リスクに関する予測と結論は、海洋と同じくらいの規模で起こり得る結果を示すために外挿された小規模な実験に基づいている。^[2]

深海堆積物における海洋隔離は、深海生物に影響を及ぼす可能性があります。深海の化学的および物理的組成は、表層水のようには変化しません。^[2]大気との接触が限られているため、ほとんどの生物は物理的および化学的撹乱をほとんど受けずに進化し、二酸化炭素への曝露も最小限です。^[2]生物のエネルギーのほとんどは、海洋の表層水とその生態系から流れ出る粒子状物質を食べて得られます。^[2]深海生態系は、酸素と栄養素へのアクセスが限られているため、繁殖率が速くなく、多くの子孫を産みません。 [2]特に、海洋の 2000～3000 メートルの深さに生息する種は、個体数が小さく、多様性に富んでいます。^{[ 2]}このような種の環境に致死量の二酸化炭素を導入すると、個体数に深刻な影響が及ぶ可能性があり、表層水種に比べて回復に時間がかかります。^[21]

深海海洋隔離が一般的な慣行になれば、二酸化炭素による深海への影響の将来のシナリオを予測するために、長期的な影響が引き続き調査されるだろう。^[21]液体二酸化炭素の海洋隔離は深海の生態系に影響を与えるだけでなく、長期的には表層水の生物種にも影響を及ぼし始めるだろう。^[21]

長期的な影響は理解することが最も重要ですが、海洋の規模と二酸化炭素濃度上昇に対する種の感受性の多様性のため、正確に予測することが最も困難です。表層海生生物は、二酸化炭素への長期曝露による影響に関して深海動物よりもよく研究されており、石灰化や骨格の損傷が少ないことが証明されています。^[2]これは、甲殻類の死亡率と成長率にさらに深刻な影響を与えます。^[2]成魚は、二酸化炭素の溶解が遅い速度で起こった場合にのみ、二酸化炭素濃度上昇に対して顕著な耐性を示しました。^[21]成長中の魚は、成魚よりも耐性が低いことが示されました。^[21]

海洋隔離の支持者は、海洋の大きさを考えると、希釈された二酸化炭素注入では生態系に実際の影響を与えるには不十分であり、種は最終的にこれらの増加した二酸化炭素レベルに進化できると主張している。^[2]深海生物が二酸化炭素注入に順応する能力は調査されておらず、時間が経てば進化するという仮説は科学的裏付けに欠けている。^[2]科学的研究によると、注入場所は空間的に特定されており、注入場所に生息する生態系は即時の影響を被る可能性がある。^[24]影響を受けた地域では、重炭酸塩レベルの上昇により酸性化が起こり、炭酸カルシウムレベルが低下する。^[24]これにより、生物の堆積物や殻がより急速に溶解する。^[2]

• 炭素隔離 – 炭素プールに炭素を貯蔵する
• 北海の炭素貯留 – 北海の二酸化炭素の貯留
• 気候変動の緩和 – 気候変動を制限するために温室効果ガスの純排出量を削減する行動
• 気候工学 – 地球の気候システムへの意図的かつ大規模な介入
• 海洋炭素循環 – 海洋/大気の炭素交換プロセス