空気中のCO2を捕捉する最新技術:持続可能な未来への挑戦

環境

Our planet has a carbon problem — if we don’t start removing carbon dioxide from the atmosphere, we’ll grow hotter, faster. Chemical engineer Jennifer Wilcox previews some amazing technology to scrub carbon from the air, using chemical reactions that capture and reuse CO2 in much the same way trees do … but at a vast scale. This detailed talk reviews both the promise and the pitfalls.

私たちの惑星には炭素の問題があります。大気中から二酸化炭素を取り除かなければ、地球はますます急速に暑くなります。

化学工学者のジェニファー・ウィルコックスは、大気から二酸化炭素を取り除くための驚くべき技術を紹介します。これは、化学反応を使用して二酸化炭素を捕獲し再利用する方法で、まるで木々が行うのと同じですが、はるかに大規模です。この詳細なトークでは、その約束と落とし穴について検討します。

タイトル A new way to remove CO2 from the atmosphere
大気から CO2 を除去する新しい方法
スピーカー ジェニファー・ウィルコックス
アップロード 2018/07/27

「大気から CO2 を除去する新しい方法(A new way to remove CO2 from the atmosphere)」の文字起こし

Four hundred parts per million:
that’s the approximate concentration of CO2 in the air today.
What does this even mean?
For every 400 molecules of carbon dioxide,
we have another million molecules of oxygen and nitrogen.
In this room today, there are about 1,800 of us.
Imagine just one of us was wearing a green shirt,
and you’re asked to find that single person.
That’s the challenge we’re facing when capturing CO2
directly out of the air.
Sounds pretty easy,
pulling CO2 out of the air.
It’s actually really difficult.
But I’ll tell you what is easy:
avoiding CO2 emissions to begin with.
But we’re not doing that.
So now what we have to think about is going back;
pulling CO2 back out of the air.
Even though it’s difficult, it’s actually possible to do this.
And I’m going to share with you today where this technology is at
and where it just may be heading in the near future.

Now, the earth naturally removes CO2 from the air
by seawater, soils, plants and even rocks.
And although engineers and scientists are doing the invaluable work
to accelerate these natural processes,
it simply won’t be enough.
The good news is, we have more.
Thanks to human ingenuity, we have the technology today
to remove CO2 out of the air using a chemically manufactured approach.
I like to think of this as a synthetic forest.
There are two basic approaches to growing or building such a forest.
One is using CO2-grabbing chemicals dissolved in water.
Another is using solid materials with CO2-grabbing chemicals.
No matter which approach you choose, they basically look the same.

So what I’m showing you here is what a system might look like
to do just this.
This is called an air contactor.
You can see it has to be really, really wide in order to have a high enough surface area
to process all of the air required,
because remember,
we’re trying to capture just 400 molecules out of a million.
Using the liquid-based approach to do this,
you take this high surface area packing material,
you fill the contactor with the packing material,
you use pumps to distribute liquid across the packing material,
and you can use fans, as you can see in the front,
to bubble the air through the liquid.
The CO2 in the air is separated [by] the liquid
by reacting with the really strong-binding CO2 molecules in solution.
And in order to capture a lot of CO2,
you have to make this contactor deeper.
But there’s an optimization,
because the deeper you make that contactor,
the more energy you’re spending on bubbling all that air through.
So air contactors for direct air capture have this unique characteristic design,
where they have this huge surface area, but a relatively thin thickness.
And now once you’ve captured the CO2,
you have to be able to recycle that material that you used to capture it,
over and over again.

The scale of carbon capture is so enormous
that the capture process must be sustainable,
and you can’t use a material just once.
And so recycling the material requires an enormous amount of heat,
because think about it: CO2 is so dilute in the air,
that material is binding it really strong,
and so you need a lot of heat in order to recycle the material.
And to recycle the material with that heat,
what happens is that concentrated CO2 that you got from dilute CO2 in the air
is now released,
and you produce high-purity CO2.
And that’s really important,
because high-purity CO2 is easier to liquify,
easier to transport, whether it’s in a pipeline or a truck,
or even easier to use directly,
say, as a fuel or a chemical.

So I want to talk a little bit more about that energy.
The heat required to regenerate or recycle these materials
absolutely dictates the energy and the subsequent cost of doing this.
So I ask a question:
How much energy do you think it takes
to remove a million tons of CO2 from the air
in a given year?
The answer is: a power plant.
It takes a power plant to capture CO2 directly from the air.
Depending on which approach you choose,
the power plant could be on the order of 300 to 500 megawatts.
And you have to be careful about what kind of power plant you choose.
If you choose coal,
you end up emitting more CO2 than you capture.

Now let’s talk about costs.
An energy-intensive version of this technology
could cost you as much as $1,000 a ton
just to capture it.
Let’s translate that.
If you were to take that very expensive CO2 and convert it to a liquid fuel,
that comes out to 50 dollars a gallon.
That’s way too expensive; it’s not feasible.
So how could we bring these costs down?
That’s, in part, the work that I do.
There’s a company today, a commercial-scale company,
that can do this as low as 600 dollars a ton.
There are several other companies that are developing technologies
that can do this even cheaper than that.
I’m going to talk to you a little bit
about a few of these different companies.

One is called Carbon Engineering. They’re based out of Canada.
They use a liquid-based approach for separation
combined with burning super-abundant, cheap natural gas
to supply the heat required.
They have a clever approach
that allows them to co-capture the CO2 from the air
and the CO2 that they generate from burning the natural gas.
And so by doing this,
they offset excess pollution and they reduce costs.

Switzerland-based Climeworks and US-based Global Thermostat
use a different approach.
They use solid materials for capture.
Climeworks uses heat from the earth,
or geothermal,
or even excess steam from other industrial processes
to cut down on pollution and costs.
Global Thermostat takes a different approach.
They focus on the heat required
and the speed in which it moves through the material
so that they’re able to release and produce that CO2
at a really fast rate,
which allows them to have a more compact design
and overall cheaper costs.

And there’s more still.
A synthetic forest has a significant advantage over a real forest: size.
This next image that I’m showing you is a map of the Amazon rainforest.
The Amazon is capable of capturing 1.6 billion tons of CO2 each year.

This is the equivalent of roughly 25 percent
of our annual emissions in the US.
The land area required for a synthetic forest
or a manufactured direct air capture plant
to capture the same
is 500 times smaller.
In addition, for a synthetic forest,
you don’t have to build it on arable land,
so there’s no competition with farmland or food,
and there’s also no reason to have to cut down any real trees to do this.

I want to step back,
and I want to bring up the concept of negative emissions again.
Negative emissions require that the CO2 separated
be permanently removed from the atmosphere forever,
which means putting it back underground,
where it came from in the first place.
But let’s face it, nobody gets paid to do that today —
at least not enough.
So the companies that are developing these technologies
are actually interested in taking the CO2
and making something useful out of it, a marketable product.
It could be liquid fuels, plastics
or even synthetic gravel.
And don’t get me wrong — these carbon markets are great.
But I also don’t want you to be disillusioned.
These are not large enough to solve our climate crisis,
and so what we need to do is we need to actually think about
what it could take.
One thing I’ll absolutely say is positive about the carbon markets
is that they allow for new capture plants to be built,
and with every capture plant built,
we learn more.
And when we learn more,
we have an opportunity to bring costs down.
But we also need to be willing to invest
as a global society.
We could have all of the clever thinking and technology in the world,
but it’s not going to be enough
in order for this technology to have a significant impact on climate.
We really need regulation,
we need subsidies, taxes on carbon.
There are a few of us that would absolutely be willing to pay more,
but what will be required
is for carbon-neutral, carbon-negative paths
to be affordable for the majority of society
in order to impact climate.
In addition to those kinds of investments,
we also need investments in research and development.

So what might that look like?
In 1966, the US invested about a half a percent of gross domestic product
in the Apollo program.
It got people safely to the moon
and back to the earth.
Half a percent of GDP today is about 100 billion dollars.
So knowing that direct air capture
is one front in our fight against climate change,
imagine that we could invest 20 percent, 20 billion dollars.
Further, let’s imagine that we could get the costs down
to a 100 dollars a ton.
That’s going to be hard, but it’s part of what makes my job fun.
And so what does that look like,
20 billion dollars,100 dollars a ton?
That requires us to build 200 synthetic forests,
each capable of capturing a million tons of CO2 per year.
That adds up to about five percent of US annual emissions.
It doesn’t sound like much.
Turns out, it’s actually significant.
If you look at the emissions associated with long-haul trucking
and commercial aircraft,
they add up to about five percent.
Our dependence on liquid fuels makes these emissions
really difficult to avoid.
So this investment could absolutely be significant.

Now, what would it take in terms of land area to do this,
200 plants?
It turns out that they would take up about half the land area of Vancouver.
That’s if they were fueled by natural gas.
But remember the downside of natural gas — it also emits CO2.
So if you use natural gas to do direct air capture,
you only end up capturing about a third of what’s intended,
unless you have that clever approach of co-capture that Carbon Engineering does.

And so if we had an alternative approach
and used wind or solar to do this,
the land area would be about 15 times larger,
looking at the state of New Jersey now.
One of the things that I think about in my work and my research
is optimizing and figuring out where we should put these plants
and think about the local resources available —
whether it’s land, water, cheap and clean electricity —
because, for instance, you can use clean electricity
to split water to produce hydrogen,
which is an excellent, carbon-free replacement for natural gas,
to supply the heat required.
But I want us to reflect a little bit again on negative emissions.
Negative emissions should not be considered a silver bullet,
but they may help us if we continue to stall
at cutting down on CO2 pollution worldwide.
But that’s also why we have to be careful.
This approach is so alluring that it can even be risky,
as some may cling onto it as some kind of total solution to our climate crisis.
It may tempt people to continue to burn fossil fuels 24 hours a day,
365 days a year.
I argue that we should not see negative emissions
as a replacement for stopping pollution,
but rather, as an addition to an existing portfolio that includes everything,
from increased energy efficiency
to low-energy carbon
to improved farming —
will all collectively get us on a path to net-zero emissions one day.

A little bit of self-reflection:
my husband is an emergency physician.
And I find myself amazed by the lifesaving work
that he and his colleagues do each and every day.
Yet when I talk to them about my work on carbon capture,
I find that they’re equally amazed,
and that’s because combatting climate change by capturing carbon
isn’t just about saving a polar bear
or a glacier.
It’s about saving human lives.
A synthetic forest may not ever be as pretty as a real one,
but it could just enable us to preserve not only the Amazon,
but all of the people
that we love and cherish,
as well as all of our future generations
and modern civilization.
Thank you.

「大気から CO2 を除去する新しい方法(A new way to remove CO2 from the atmosphere)」の和訳

400パーツ・パー・ミリオン(ppm):
これは現在の空気中の二酸化炭素(CO2)の濃度です。
これが何を意味するのでしょうか?
400分子の二酸化炭素に対して、
酸素と窒素の分子がもう100万分子あります。
今日この部屋には約1800人がいます。
そのうちの1人だけが緑のシャツを着ていると想像してください。
その1人を見つけるように頼まれたらどうでしょうか。
これは空気から直接CO2を捕らえる際に直面する挑戦です。
CO2を空気から取り出すのは簡単そうに聞こえますが、
実際にはとても難しいことです。
しかし、簡単なこともあります。
それは最初からCO2排出を避けることです。
でも、私たちはそれをやっていません。
だから今、私たちが考えなければならないのは、
元に戻って、空気からCO2を再び取り出すことです。
難しいけれど、実際には可能です。
今日はこの技術がどこにあるのか、
そして近い将来どこに向かうのかをお話ししたいと思います。

地球は自然にCO2を空気から取り除きます。
海水、土壌、植物、そして岩石によってです。
エンジニアや科学者たちはこれらの自然なプロセスを加速するために
貴重な仕事をしていますが、
それだけでは十分ではありません。
良いニュースは、私たちにはもっと多くのものがあることです。
人間の知恵のおかげで、
化学的に製造されたアプローチを使って
空気中のCO2を取り除く技術が今日あります。
私はこれを合成の森と考えています。
このような森を育てる、または構築するには2つの基本的なアプローチがあります。
一つは水に溶けたCO2を捕らえる化学物質を使う方法です。
もう一つはCO2を捕らえる化学物質を含む固体材料を使う方法です。
どちらのアプローチを選んでも、基本的には同じように見えます。

ここでお見せしているのは、これを行うためのシステムの一例です。
これはエアコンタクターと呼ばれます。
必要なすべての空気を処理するためには
表面積が非常に広くなければならないことがわかります。
なぜなら、100万分子の中からたった400分子を捕らえようとしているからです。
液体ベースのアプローチを使用してこれを行う場合、
この高表面積の詰め物材料を取り、
コンタクターを詰め物材料で満たし、
ポンプを使って詰め物材料全体に液体を分配します。
前面にあるファンを使って空気を液体に泡立てます。
空気中のCO2は、液体中の非常に強く結合するCO2分子と反応して分離されます。
多くのCO2を捕らえるためには、
このコンタクターを深くしなければなりません。
しかし、最適化が必要です。
コンタクターを深くすると、
すべての空気を泡立てるためのエネルギーが増えるからです。
直接空気捕獲用のエアコンタクターには、
巨大な表面積を持ちながら比較的薄い厚さを持つ独自のデザイン特性があります。
CO2を捕らえたら、その捕らえるために使った材料を何度も再利用できる必要があります。

二酸化炭素捕獲の規模は非常に巨大であるため、捕獲プロセスは持続可能でなければならず、材料を一度だけ使用することはできません。そのため、材料を再利用するには大量の熱が必要です。考えてみてください。空気中のCO2は非常に希薄であるため、材料はそれを非常に強く結びつけます。そのため、材料を再利用するには大量の熱が必要です。その熱を使って材料を再利用すると、希薄なCO2から得た濃縮されたCO2が放出され、高純度のCO2が生成されます。これは非常に重要です。高純度のCO2は液化しやすく、パイプラインやトラックでの輸送が容易であり、燃料や化学製品として直接使用することも簡単です。

ここで、そのエネルギーについてもう少しお話ししたいと思います。これらの材料を再生または再利用するために必要な熱は、エネルギーとそれに伴うコストを絶対的に決定します。ここで質問です:1年間に100万トンのCO2を空気から取り除くのにどれだけのエネルギーが必要だと思いますか?答えは、発電所1つ分です。空気から直接CO2を捕獲するには発電所が必要です。どのアプローチを選ぶかによりますが、発電所の規模は300から500メガワットの範囲です。また、どの種類の発電所を選ぶかにも注意が必要です。石炭を選ぶと、捕獲するよりも多くのCO2を排出することになります。

次にコストについて話しましょう。この技術のエネルギー集約型バージョンは、1トンあたり最大1000ドルのコストがかかります。これを具体的に訳してみましょう。その非常に高価なCO2を液体燃料に変換すると、1ガロンあたり50ドルになります。これは非常に高額で、現実的ではありません。では、どのようにしてこれらのコストを下げることができるでしょうか?それが私の仕事の一部です。今日、商業規模でこれを1トンあたり600ドルで行える企業があります。これよりもさらに安価にする技術を開発している企業もいくつかあります。これから、そのいくつかの企業についてお話しします。

一つは「カーボン・エンジニアリング」という会社で、カナダに拠点を置いています。彼らは液体ベースのアプローチを使って分離を行い、非常に豊富で安価な天然ガスを燃焼させて必要な熱を供給します。彼らは空気中のCO2と、天然ガスを燃焼させて発生するCO2を同時に捕獲する巧妙な方法を持っています。これにより、過剰な汚染を相殺し、コストを削減しています。

スイスに拠点を置くClimeworksとアメリカに拠点を置くGlobal Thermostatは、異なるアプローチを使用しています。彼らは固体材料を使用してCO2を捕獲します。Climeworksは地熱や他の工業プロセスからの余剰蒸気など、地球の熱を利用して汚染とコストを削減しています。Global Thermostatは異なるアプローチを取っています。彼らは必要な熱と、その熱が材料を通過する速度に焦点を当てており、CO2を非常に速い速度で放出して生産できるため、よりコンパクトなデザインを実現し、全体的なコストを削減しています。

そして、まだ他にもあります。合成の森には実際の森に対して重要な利点があります。それはサイズです。次にお見せする画像はアマゾン熱帯雨林の地図です。アマゾンは年間16億トンのCO2を捕獲することができます。これは、アメリカの年間排出量の約25%に相当します。同じ量のCO2を捕獲するために必要な合成の森、または製造された直接空気捕獲プラントの土地面積は、500倍小さいのです。さらに、合成の森では耕作地に建設する必要がないため、農地や食料との競争がなく、実際の木を伐採する理由もありません。

ここで一歩引いて、ネガティブエミッションの概念に再び触れたいと思います。ネガティブエミッションには、分離されたCO2を永久に大気から取り除き、元々あった地下に戻す必要があります。しかし、正直に言うと、今日それを行うために十分な報酬を受け取る人はいません。したがって、これらの技術を開発している企業は、実際にはCO2を利用して市場価値のある製品を作ることに関心があります。それは液体燃料、プラスチック、または合成砂利であるかもしれません。

誤解しないでください。これらのカーボン市場は素晴らしいものです。しかし、それだけで気候危機を解決するには十分ではありません。私たちは何が必要なのかを考える必要があります。カーボン市場の肯定的な側面の一つは、新しい捕獲プラントを建設することができるという点です。そして、捕獲プラントが建設されるたびに、私たちは新しいことを学びます。そして、新しいことを学ぶと、コストを削減する機会が生まれます。しかし、私たちはまた、グローバルな社会として投資する意欲を持つ必要があります。どんなに賢い考えや技術があっても、それが気候に大きな影響を与えるには十分ではありません。私たちは本当に規制、補助金、炭素税が必要です。私たちの中にはもっと多くを支払う意欲がある人もいますが、気候に影響を与えるためには、炭素ニュートラルおよび炭素ネガティブな道が社会の大多数にとって手頃な価格である必要があります。

そのような投資に加えて、研究開発への投資も必要です。

では、どのような形になるのでしょうか?
1966年、アメリカはアポロ計画に国内総生産(GDP)の約0.5%を投資しました。
この投資により、人類は安全に月に到達し、地球に帰還することができました。
今日のGDPの0.5%は約1000億ドルです。
直接空気捕捉が気候変動との戦いの一つの前線であることを考えると、
その20%、つまり200億ドルを投資できると想像してみてください。
さらに、1トンあたり100ドルまでコストを下げることができたとしましょう。
これは難しいですが、それが私の仕事を楽しいものにしています。
では、200億ドル、1トンあたり100ドルとはどのようなものでしょうか?
それは、年間100万トンのCO2を捕捉できる合成の森200か所を建設することを意味します。
これはアメリカの年間排出量の約5%に相当します。
あまり多くはないように聞こえるかもしれません。
しかし、実際にはこれは非常に重要です。
長距離トラック輸送や商業航空機に関連する排出量を見てみると、
これらは約5%に相当します。
液体燃料への依存は、これらの排出を回避するのを非常に困難にします。
したがって、この投資は非常に重要なものとなるでしょう。

では、200か所のプラントを建設するのに必要な土地面積はどのくらいでしょうか?
これらのプラントは、天然ガスを燃料とした場合、バンクーバーの土地面積の約半分を占めます。
しかし、天然ガスの欠点を覚えておいてください。それもまたCO2を排出します。
したがって、天然ガスを使用して直接空気捕捉を行う場合、
Carbon Engineeringのような巧妙な共同捕捉アプローチを使用しない限り、
意図した量の約3分の1しか捕捉できません。

代替アプローチを採用し、風力や太陽光を使用する場合、
必要な土地面積は約15倍となり、ニュージャージー州の広さに相当します。
私の仕事や研究の一環として考えているのは、
これらのプラントをどこに設置すべきかを最適化し、
利用可能な地域資源(土地、水、安価でクリーンな電力)を考慮することです。
例えば、クリーンな電力を使用して水を分解し、天然ガスの優れた代替品である水素を生成し、
必要な熱を供給することができます。

しかし、ネガティブエミッションについて再び考えてみましょう。
ネガティブエミッションは銀の弾丸(万能の解決策)とは見なされるべきではありませんが、
世界中でCO2汚染の削減が停滞し続ける場合には役立つかもしれません。
しかし、だからこそ注意が必要です。
このアプローチは非常に魅力的であり、気候危機に対する完全な解決策のように見えるリスクがあります。
それは、人々を24時間365日化石燃料を燃やし続けるように誘惑するかもしれません。
私は、ネガティブエミッションを汚染防止の代替手段としてではなく、
既存のポートフォリオ(エネルギー効率の向上、低エネルギー炭素、改良された農業など)に追加するものとして見るべきだと主張します。
これらすべてが集まって、いつの日かネットゼロエミッションの道に進むことができるでしょう。

少し自己反省をすると、私の夫は救急医です。
彼と彼の同僚が毎日行っている命を救う仕事に驚かされます。
しかし、私が彼らに私の炭素捕捉の仕事について話すと、彼らも同じように驚いています。
なぜなら、炭素を捕捉することによって気候変動と戦うことは、
ただのシロクマや氷河を救うことではなく、
人間の命を救うことだからです。
合成の森は本物の森ほど美しくないかもしれませんが、
それによってアマゾンだけでなく、
私たちが愛し大切にしているすべての人々、
そして未来の世代と現代文明を守ることができるかもしれません。
ありがとうございました。

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