二酸化炭素除去

二酸化炭素除去（CDR）は、二酸化炭素（CO ₂）を意図的な人間の活動によって大気から除去し、地質、陸上、海洋の貯留層、または製品に永続的に貯蔵するプロセスです。^{[3] ： 2221}このプロセスは、炭素除去、温室効果ガス除去、または負の排出としても知られています。CDRは、気候変動緩和戦略の要素として、気候政策にますます組み込まれています。 ^{[4] [5]}ネットゼロ排出を達成するには、まず第一に排出量の大幅かつ持続的な削減が必要であり、さらにCDRの使用が必要です（「CDRはネットをネットゼロ排出にするものです」 ^[6]）。将来的には、CDRは、農業や工業の排出など、技術的に排除するのが難しい排出を相殺できるようになるかもしれません。^{[7] ： 114}

CDRには、陸上または水系で実施される方法が含まれます。陸上ベースの方法には、植林、再植林、土壌に炭素を隔離する農業慣行（カーボンファーミング）、炭素回収・貯留を伴うバイオエネルギー（BECCS）、および貯留と組み合わせた直接空気回収が含まれます。 ^{[7] [8]}また、海洋やその他の水域を使用するCDR方法もあります。これらは、海洋肥沃化、海洋アルカリ度増強、^[9] 湿地再生、およびブルーカーボンアプローチと呼ばれています。^[7]特定のプロセスが達成するマイナスの排出量を評価するには、詳細な分析を実行する必要があります。この分析には、ライフサイクル分析とプロセス全体の「監視、報告、検証」（MRV ）が含まれます。 ^[10] 炭素回収・貯留（CCS）は、大気中にすでに存在する二酸化炭素の量を削減しないため、CDRとは見なされません。

2023年時点で、CDRは年間約2ギガトンのCO2を除去できると推定されています。_[ ^11]これは、人間の活動によって年間排出される温室効果ガスの約4％に相当します。 ^{[12] :8}現在安全かつ経済的に導入できるCDR手法を使用すれば、年間最大10ギガトンの二酸化炭素を除去・隔離できる可能性があります。^[12]ただし、CDRによって大気から除去される二酸化炭素の正確な量を定量化することは困難です。

二酸化炭素除去（CDR）は、IPCCによって次のように定義されています。「大気からCO2を除去し、地質学的、陸上、海洋の貯留層、または製品に永続的に貯蔵する人為的活動_。これには、生物学的または地球化学的シンクの既存および潜在的な人為的強化と直接的な空気捕捉および貯蔵が含まれますが、人間の活動によって直接引き起こされない自然なCO2_吸収は除外されます。」^{[3] ：2221}

CDRの同義語には、温室効果ガス除去（GGR）^[13]、 ネガティブエミッション技術^[12]、炭素除去^[14]などがあります。大気からメタンなどのCO2以外の温室効果ガスを除去する技術が提案されていますが_[ 15 ^] 、現在大規模に除去できるのは二酸化炭素だけです。^[13]したがって、ほとんどの文脈では、温室効果ガス除去は二酸化炭素除去を意味します。

地球工学（または気候工学）という用語は、その技術が地球規模で使用される場合、科学文献ではCDRまたはSRM（太陽放射管理）の両方に使用されることがあります。 ^{[16] ：6–11} IPCC報告書では、地球工学または気候工学という用語は使用されなくなりました。^[3]

CDR法は、異なる基準に基づいて異なるカテゴリに分類することができます。^{[7] : 114}

• 炭素循環における役割（陸上生物、海洋生物、地球化学、化学）
• 保管期間（数十年から数世紀、数世紀から数千年、千年以上）

CDRは、二酸化炭素回収・貯留（CCS）と混同されることがあります。CCSは、ガス火力発電所などの点源から二酸化炭素を回収するプロセスで、煙突から二酸化炭素_が濃縮された流れとして排出されます。その後、二酸化炭素_は圧縮され、隔離または利用されます。^{[17]ガス火力発電所から炭素を隔離するためにCCSを使用すると、点源の継続的な使用による排出量は削減されますが、}大気中にすでに存在する二酸化炭素の量は削減されません。

CDRの使用は、人間が大気中に排出する二酸化炭素の全体的な割合を減らす。^{[7] : 114}地球の表面温度は、世界の排出量がネットゼロ に削減された後にのみ安定するが、^{[18]そのために排出量削減の積極的な取り組み}とCDRの導入の両方が必要となる。 ^{[7] : 114}ある種の排出物は技術的に排除するのが難しいため、CDRなしではネット排出量をゼロにすることは現実的ではない。^{[19] : 1261}排除するのが難しい排出物には、農業からの亜酸化窒素排出物、^{[7] : 114}航空排出物、^{[12] : 3}および一部の産業排出物が含まれる。^{[7] : 114}気候変動緩和戦略では、CDRの使用によりこれらの排出物を相殺する。^{[7] : 114}

ネットゼロ排出が達成された後、CDRは大気中の_CO2濃度を減らすために使用することができ、その日までにすでに起こっている温暖化を部分的に逆転させることができる。^[19] 2100年までに地球温暖化を1.5℃または2℃に制限するすべての排出経路は、排出削減と組み合わせてCDRを使用することを前提としている。^{[20] [21]}

批評家は、CDR は温室効果ガス排出量の削減義務の代替としてみなされるべきではないと指摘している。海洋学者のデイビッド・ホーは2023 年に次のように述べている。「排出量が依然として高い今日、CDR を解決策として導入することについて、あたかもそれが急進的で即時の排出削減に取って代わるかのように語るのをやめなければならない。」^[6]

2018年には、CDRを大規模に導入できる速さに不確実性があることから、CDRの大規模導入への依存は、1.5℃未満の温暖化の目標を達成する上で「大きなリスク」とみなされていた。^{[22] CDRへの依存を減らし、}エネルギーの持続可能な利用に重点を置く気候変動緩和戦略では、このリスクは少なくなる。^{[22] [23]}

将来的にCDRを大規模に展開する可能性は、短期的な気候変動緩和の取り組みの減少につながる可能性があるため、モラルハザードであると説明されている。 ^{[21] : 124  [12]}しかし、2019年のNASEM報告書は次のように結論付けている。「NETがバックストップを提供するため、緩和の取り組みを遅らせるという議論は、NETの現在の能力と研究の進捗のペースを大幅に誤解している。」^[12]

CDRは、緩和策に代わるものではなく、緩和困難な分野の取り組みを補完するものである。気候変動を1.5°Cに抑え、ネットゼロ排出を達成するには、今世紀半ばまでに大気から相当量の二酸化炭素を除去する必要があるが、長期的に国レベルでどれだけのCDRが必要になるかは不明である。CDRの公平な割り当ては、多くの場合、想定される土地と炭素貯蔵能力を超える。多くの国では、地球規模のCDRの公平な割合を拠出するには土地が不十分であるか、地質学的貯蔵能力が不十分である。^[24]

専門家はまた、必要な土地面積など、二酸化炭素除去の社会的、生態学的限界についても指摘している。例えば、2023年の世界の国別貢献に基づく除去計画に必要な土地の総面積は12億ヘクタールに達し、これは世界の耕作地の総面積に等しい。^[25]

森林、昆布の茂み、その他の植物は、成長するにつれて空気中の二酸化炭素を吸収し、バイオマスに結合します。しかし、これらの生物学的貯蔵庫は、長期的な隔離が保証されていないため、不安定な炭素吸収源であると考えられています。たとえば、山火事や病気などの自然現象、経済的圧力、政治的優先順位の変化により、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。^[26]

樹木などのバイオマスは、地球の地下に直接貯蔵することができます。^[27]さらに、大気から除去された二酸化炭素は、地表に注入するか、不溶性の炭酸塩の形で地殻に貯蔵することができます。これは、大気から炭素を取り除き、それを無期限に、おそらくかなりの期間（数千年から数百万年）隔離するためです。

2023年現在、CDRは年間約2ギガトンのCO2を除去すると推定されており、そのほとんどは植林や新しい森林の創出などのローテクな方法によって行われています。_[ ^11] これは、人間の活動によって年間排出される温室効果ガスの4％に相当します。^{[12] :8} NASEMによる2019年のコンセンサス研究報告書では、海洋施肥以外の、現在の技術を使用して安全かつ経済的に導入できるあらゆる形態のCDRの可能性を評価し、世界中で完全に導入された場合、年間最大10ギガトンのCO2を除去できると推定しました。_[ ^12] 2018年には、1.5°Cを超える温暖化を防ぐと分析されたすべての緩和経路にCDR対策が含まれていました。^[22]

いくつかの緩和策では、1つの技術を大規模に導入することでCDR率を高めることを提案しているが、これらの方法では数億ヘクタールの農地がバイオ燃料作物の栽培に転換されることを前提としている。^[12]直接空気回収、二酸化炭素の地質学的隔離、炭素の鉱化の分野でのさらなる研究により、 CDR率の向上を経済的に実現可能にする技術的進歩が得られる可能性がある。^[12]

以下は、既知の CDR 手法を技術成熟度レベル(TRL)の順に並べたリストです。上位のものは TRL が 8 ～ 9 と高く (9 は最大値で、技術が実証されていることを意味します)、下位のものは TRL が 1 ～ 2 と低く、技術が実証されていないか、実験室規模でのみ検証されていることを意味します。^{[7] : 115}

1. 植林・再植林
2. 農地と草地における土壌炭素隔離
3. 泥炭地と沿岸湿地の復元
4. アグロフォレストリー、森林管理の改善
5. バイオチャール炭素除去（BCR）
6. 直接空気炭素回収・貯留（DACCS）
7. 炭素回収・貯留バイオエネルギー（BECCS）
8. 耐候性の向上（アルカリ性の向上）
9. 沿岸湿地におけるブルーカーボン管理（植生のある沿岸生態系の回復、マングローブ、塩性湿地、海草床を含む海洋ベースの生物学的CDR手法）
10. 海洋の肥沃化、海洋の炭素循環を増幅する海洋アルカリ度の増加

例示的な緩和経路によれば、気候変動緩和努力に最も貢献する可能性のあるCDR方法は、陸上生物学的CDR方法（主に植林/再植林（A/R））および/または炭素回収貯留を伴うバイオエネルギー（BECCS）である。経路の中には、直接空気回収貯留（DACCS）も含まれる。^{[7] : 114}

樹木は光合成によって二酸化炭素を吸収し、その炭素を木材と土壌に蓄えます。^[14] 植林とは、以前は森林がなかった場所に森林を造ることです。^{[19] : 1794} 再植林とは、以前に伐採された森林を再び造ることです。^{[19] : 1812}森林は人間社会、動物、植物種にとって不可欠です。これは、樹木が空気をきれいに保ち、地域の気候を調整し、多くの種の生息地を提供するためです。^[28]

樹木は成長するにつれて大気中の二酸化炭素を吸収し、それを生体バイオマス、死んだ有機物、土壌に蓄えます_。植林と再植林（まとめて「森林化」と呼ばれることもあります）は、森林地帯を新設または再設置することで、この炭素除去プロセスを促進します。森林が最大隔離率に達するまでには、約10年かかります。^{[29] : 26–28}

樹木は種類にもよりますが、約20年から100年で成熟し、その後は炭素を貯蔵しますが、大気から積極的に炭素を除去することはありません。^{[29] : 26–28} 森林には炭素が無期限に貯蔵されますが、木は伐採されたり、焼かれたり、病気や干ばつで枯れたりするため、貯蔵期間ははるかに短くなることもあります。^{[29] : 26–28}成熟すると、林産物を収穫し、バイオマスを長寿命の木材製品に貯蔵したり、バイオエネルギーやバイオ炭 に使用したりできます。その結果として森林が再生し、CO2の除去が継続されます_。 [ ^{29] : 26–28}

新たな森林を展開する際のリスクとしては、土地の利用可能性、他の土地利用との競合、植林から成熟までの比較的長い時間などが挙げられる。^{[29] : 26–28}

カーボンファーミングは、土壌、作物の根、木材、葉に炭素を貯蔵することを目的とした一連の農業手法です。カーボンファーミングの全体的な目標は、大気中の炭素の純損失を生み出すことです。 ^[30]これは、炭素が土壌と植物材料に隔離される速度を上げることによって行われます。1つの選択肢は、土壌の有機物含有量を増やすことです。これはまた、植物の成長を助け、土壌の保水能力を改善し、^[31]肥料の使用を減らすことができます。^[32] 持続可能な森林管理は、カーボンファーミングで使用されるもう1つのツールです。^[33]

炭素農業の農法には、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利用、作物の種類の変更などがある。林業で用いられる方法には、例えば植林や竹の栽培などがある。炭素農業には課題や欠点がないわけではない。その方法のいくつかは生態系サービスに影響を及ぼす可能性があるからだ。例えば、炭素農業は土地の開拓、単一栽培、生物多様性の喪失の増加を引き起こす可能性がある。^[34]

炭素回収・貯留バイオエネルギー（BECCS）は、バイオマスからバイオエネルギーを抽出し、生成された二酸化炭素（CO ₂ ）を回収して貯留するプロセスです。

バイオチャーはバイオマスの熱分解によって生成され、炭素隔離の方法として研究されています。バイオチャーは農業目的で使用される木炭で、炭素隔離、つまり炭素の捕捉または保持にも役立ちます。これは熱分解と呼ばれるプロセスを使用して生成されます。これは基本的に、酸素レベルの低い環境でバイオマスを高温で加熱する行為です。残ったのはチャーと呼ばれる物質で、木炭に似ていますが、持続可能なプロセスで作られているため、バイオマスを使用しています。^[36] バイオマスは、生きている生物または最近まで生きていた生物によって生成された有機物であり、最も一般的には植物または植物ベースの材料です。^{[37]英国バイオチャー研究センターによる研究では、控えめに言っても、バイオチャーは年間1ギガトンの炭素を貯蔵できると述べています。バイオチャーのマーケティングと受容にさらに力を入れれば、}バイオチャー炭素除去の利点は、土壌に年間5〜9ギガトンを貯蔵できることです。^{[38] [より良い情報源が必要]}しかし、現時点では、バイオ炭はシステムが平衡状態に達したときの陸上の炭素貯蔵容量によって制限されており、漏出の脅威のために規制が必要である。^[39]

海洋から炭素を隔離する方法はいくつかあり、炭酸の形で溶解した炭酸塩が大気中の二酸化炭素と平衡状態にある。^[9]これらには、海洋上層部に意図的に植物栄養素を導入する海洋施肥が含まれる。 ^{[43] [44]}最もよく研​​究されている二酸化炭素除去アプローチの1つである海洋施肥は、10〜100年のタイムスケールでのみ炭素を隔離します。表層海洋の酸性度は栄養素の施肥の結果として低下する可能性がありますが、沈降した有機物は再鉱化され、深海の酸性度が上昇します。2021年のCDRレポートでは、この技術は効率的で拡張可能であり、コストが低く、環境リスクが中程度であるという中程度から高い信頼性があることが示されています。^[45]海洋施肥は、1トンあたり8〜80米ドルのコストで、年間0.1〜1ギガトンの二酸化炭素を隔離できると推定されています。^[9]

海洋アルカリ度増強には、オリビン、石灰岩、ケイ酸塩、水酸化カルシウムなどの鉱物を粉砕、分散、溶解して、海底に堆積物として隔離された炭酸塩を沈殿させる作業が含まれる。^[46]アルカリ度増強による除去能力は不明だが、1トンあたり100～150ドルのコストで年間0.1～1ギガトンの二酸化炭素が除去されると推定されている。^[9]

電気透析などの電気化学技術は、電気を使って海水から炭酸塩を取り除くことができる。このような技術を単独で使用すると、1トンあたり150～2,500ドルのコストで年間0.1～1ギガトンの二酸化炭素を除去できると推定されているが^{[9]、塩と炭酸塩が同時に除去される海水}淡水化などの海水処理と組み合わせて行うと、はるかに安価になる。^[47]予備的な推定では、このような炭素除去のコストは、副産物として生成される淡水化水の販売で、すべてではないにしても大部分を賄うことができると示唆されている。^[48]

CDRのコストは、採用されている技術の成熟度や、自主的な炭素除去市場と物理的出力の経済性によって大きく異なります。たとえば、バイオマスの熱分解により、土壌再生や廃水処理など、さまざまな商業用途に使用できるバイオ炭が生成されます。^[49] 2021年のDACのコストは1トンあたり250〜600ドルですが、バイオ炭の場合は100ドル、再植林や植林などの自然ベースのソリューションの場合は50ドル未満です。^{[50] [51]}バイオ炭が炭素除去市場で自然ベースのソリューションよりも高い価格であるという事実は、バイオ炭は数百年、さらには数千年にわたって炭素を隔離するより耐久性のあるシンクであるのに対し、自然ベースのソリューションはより不安定な形態の貯蔵であり、森林火災、害虫、経済的圧力、変化する政治的優先順位に関連するリスクがあるという事実を反映しています。^[52]ネットゼロに沿ったカーボンオフセットのためのオックスフォード原則では、パリ協定に適合するために、「...組織は、21世紀半ばまでに炭素除去のみを調達することを視野に入れて、調達する炭素除去オフセットの割合を徐々に増やすことを約束する必要がある」と述べています。 ^[52]これらの取り組みは、Puro標準などの人工炭素除去に関する新しい業界標準の開発とともに、炭素除去市場の成長を支援するのに役立ちます。^[53]

CDRは2021年時点ではEUの排出枠に含まれていないが、欧州委員会は炭素除去認証の準備を進めており、差額炭素契約を検討している。^{[54] [55] CDRは将来、}英国排出量取引制度にも追加される可能性がある。^[56] 2021年末現在、炭素除去ではなく炭素削減に基づくこれらのキャップアンドトレード制度の両方の炭素価格は100ドルを下回っている。^{[57] [58]}ネットゼロ目標の普及後、CDRは主要な新興経済国（ブラジル、中国、インドなど）でより重要な役割を果たしている。^[59]

2023年初頭の時点で、資金調達は、ハイテクCDR手法が気候変動緩和に大きく貢献するために必要な金額に達していない。ただし、利用可能な資金は最近大幅に増加している。この増加のほとんどは、民間セクターの自主的な取り組みによるものである。^{[60]例えば、} Stripeが主導し、 Meta、Google、Shopifyなどの著名なメンバーが参加する民間セクター連合は、2022年4月に、炭素を恒久的に回収・貯蔵できる企業に報奨金として約10億ドルの基金を提供することを発表した。Stripeの上級従業員であるナン・ランソホフ氏によると、この基金は「2021年に存在していた炭素除去市場の約30倍だった。しかし、2050年までに必要な市場にはまだ1,000倍足りない」という。 ^[61] 民間セクターの資金が優位であることは懸念を引き起こしている。歴史的に、自主的な市場は政府の政策によってもたらされるものよりも「桁違いに」小さいことが証明されているからだ 。^[60]これらには、スウェーデン、スイス、米国が含まれます。米国政府の最近の動きとしては、2022年6月の超党派インフラ法の35億ドルのCDRプログラムへの資金提供の意向通知や、 CDR市場を強化するための45Q税を含む2022年インフレ削減法の法律化などがあります。 ^{[60] [62]}

メタンを除去する方法を提案する研究者もいるが、大気中での寿命が長い亜酸化窒素の方が研究対象として適していると主張する研究者もいる。 ^[63]

• 生物学的炭素固定 – 相互に関連する一連の生化学反応
• 二酸化炭素スクラバー – 循環ガスから二酸化炭素を吸収する装置
• カーボンニュートラル燃料 – 温室効果ガスを全く排出しない燃料の種類
• 気候変動シナリオ – 将来の可能性のある状況の仮説的表現
• 低炭素経済 – 気候に優しい経済
• ヴァージン・アース・チャレンジ – 温室効果ガスの永久除去を目指すコンテスト

ウィキメディア・コモンズには、二酸化炭素除去に関連するメディアがあります。

• IPCC 第 6 次評価報告書 WG III による CDR に関するファクトシート
• Carbon180による詳細な調査。炭素除去ソリューションに関する情報。
• 10ギガトンへの道 - 炭素除去スケールアップチャレンジゲーム。
• 二酸化炭素除去の現状に関する報告書。2023 年。
• 土地は地球の炭素吸収源である、国連。