インドにおける石炭利用の脱炭素化: 二酸化炭素の回収、利用、貯留の役割

インドのエネルギー供給と社会支援を支える複雑かつ精緻な石炭ネットワークは、大きな経済的および社会的混乱を引き起こすことなく脱炭素化を実現するためにCCUSで補完されるべきである

この記事はシリーズ「総合エネルギーモニター: インドと世界」の一部です。

炭素の回収・利用・貯蔵（CCUS）は、大気中に放出されたり、大気中に残ったりする炭素を回収、利用、安全に貯蔵することと定義できます。 炭素の回収と貯蔵の理論的根拠は、大気中への二酸化炭素 (CO2) の排出を削減しながら化石燃料の使用を可能にし、それによって地球規模の気候変動を緩和することです。 CO2 の貯蔵期間は、化石燃料利用の推定ピーク期間を超えているため、CO2 が大気中に再放出される場合、大気中の CO2 濃度の予測ピークを超えて発生することになります。 土壌や植生（植林など）または海洋（鉄施肥など）への CO2 の取り込みを増やすことによって大気から CO2 を除去することも、自然の吸収源による炭素隔離の一形態です。

インドの主流意見（公式）は使用を支持している。 CCUS と併用した国内石炭の超大規模ガス化は、メタノール、アンモニア (肥料)、オレフィン、鉄鋼、電力の国内生産による大規模なカーボンニュートラル工業化の手段とみなされており、枯渇するインドの石油生産も強化されます。油田。 メタノールベースの化学物質とオレフィンは、プラスチックやガソリン、ディーゼル、LPG (液化石油ガス) の代替品として使用できます。 これらの化学物質の生産原料として国内の石炭を使用すれば、インド経済は潜在的に数十億ドルを節約し、原油輸入の削減を通じて国内の活動と雇用を生み出す可能性がある。 二酸化炭素排出量を削減するために CCUS を使用することには、若干の留保があります。 CCUS は単に化石燃料の使用、特にインドにおける石炭の使用を拡大する手段とみなされており、これはインドが太陽光や風力などの低炭素再生可能エネルギー (RE) 技術によって未来へ飛躍することを遅らせ、あるいは妨げることになるでしょう。 CCUS テクノロジーは、実証されておらず、危険 (特にストレージの観点から) で、高価であるとみなされています。

これらの化学物質の生産原料として国内の石炭を使用すれば、インド経済は潜在的に数十億ドルを節約し、原油輸入の削減を通じて国内の活動と雇用を生み出す可能性がある。

世界的には、気候変動に最も敏感な機関でさえ、脱炭素化の重要な手段として CCUS を支持しています。 CCUS は、国際エネルギー機関 (IEA) による再生可能エネルギーベースの電化、バイオエネルギー、水素と並ぶネットゼロカーボン世界の 4 本柱の 1 つです。 2019年9月、国連気候変動事務局長は「CCUSは目的地ではなく、化石燃料に依存した現在の現実から2050年までに気候中立の未来への移行である」と述べた。

インドの発電所が二酸化炭素排出量の大部分を占めています。 生産井から出てくる天然ガスには、回収して貯蔵できる CO2 のかなりの部分が含まれていることがよくあります。 炭素回収に適した他の産業プロセスには、鉄鋼、アンモニアおよびセメントの製造、発酵、および水素製造 (石油精製など) があります。 将来的には、天然ガス、石炭、バイオマスなどの炭素豊富な原料から水素燃料を生産することで、CO2 回収の機会が生まれる可能性があります。 副産物の CO2 は比較的純粋で、水素は燃料電池やその他の水素燃料ベースの技術で使用できる可能性がありますが、これらの新しい燃料の大衆市場とインフラの開発には多大なコストがかかります。

CO2 を回収するための燃焼前および燃焼後の方法は数多くあります。 化学吸収プロセスでは、化学的に結合した化合物の形成によって CO2 が液体溶媒に吸収されます。 発電所で CO2 を回収するために使用される場合、燃焼排ガス (燃焼後) は充填吸収塔内の溶媒を通してバブリングされ、そこで溶媒が排ガスから CO2 を優先的に除去します。 その後、溶媒は再生装置を通過し、そこで吸収された CO2 が溶媒から除去されます。 CO2 吸収に最も一般的に使用される吸収剤はモノエタノールアミン (MEA) です。 これは最も先進的で広く使用されている CO2 分離技術であり、現在世界中の発電、燃料転換、工業生産における小規模および大規模の多くのプロジェクトに適用されています。

物理的分離は、吸着 (気体、液体、または溶解固体からの原子、イオン、分子の表面への付着)、吸収、極低温分離、または脱水と圧縮のいずれかに基づいています。 物理吸着は固体表面を利用し、物理吸着は液体溶媒を利用します。 吸着剤による捕捉後、温度または圧力の上昇により CO2 が放出されます。 この CO2 除去方法は、主に天然ガスの処理やエタノール、メタノール、水素の製造に使用されます。

酸素燃料分離法では、ほぼ純粋な酸素を使用して燃料を燃焼させ、その後に排出される CO2 を回収します。 排ガスはほぼ CO2 と水蒸気だけで構成されているため、後者は脱水によって除去され、高純度の CO2 ストリームが得られます。 世界的には、この方法を使用した多くのプロトタイプ/事前実証プロジェクトが石炭ベースの発電とセメント生産で完了しました。

膜分離法は、CO2 選択性の高い高分子膜または無機膜に基づいており、CO2 は通過させますが、ガス流中の他のガスを保持する障壁として機能します。 合成ガスやバイオガスから CO2 を除去するための膜はすでに市販されていますが、排ガス処理用の膜は現在開発中です。

酸素燃料分離法では、ほぼ純粋な酸素を使用して燃料を燃焼させ、その後に排出される CO2 を回収します。

カルシウムおよびケミカル ループ技術には、2 つのメイン リアクターを使用した高温での C​​O2 回収が含まれます。 カルシウムルーピングでは、最初の反応器は石灰 (酸化カルシウム、CaO) を吸着剤 (液体または気体を吸収または吸着するために使用される材料) として使用し、ガス流から CO2 を捕捉して炭酸カルシウム (CaCO3) を形成します。 その後、CaCO3 は第 2 反応器に輸送され、そこで再生され、石灰と純粋な CO2 の流れが生成されます。 その後、石灰は最初の反応器にループバックされます。 ケミカルループでは、最初の反応器は金属 (鉄またはマンガン) の小さな粒子を使用して空気中の酸素と結合して金属酸化物を形成します。その後、金属酸化物が 2 番目の反応器に輸送され、そこで燃料と反応してエネルギーと濃縮された酸素の流れが生成されます。 CO2、金属の還元型を再生します。 その後、金属は最初の反応器にループバックされます。 このテクノロジーは試験運用/商用化前の段階にあります。

直接分離には、特別な焼成装置を使用して石灰石を間接的に加熱することにより、セメント製造からの CO2 プロセス排出を回収することが含まれます。 この技術は、他の燃焼ガスと混合することなく、石灰石から直接 CO2 を除去するため、ガス分離に関連するエネルギーコストが大幅に削減されます。 このテクノロジーは現在、パイロット プロジェクトでテストされています。

超臨界 CO2 パワーサイクルでは、1 つまたは複数のタービンを駆動するために、排ガスや蒸気の代わりに超臨界 CO2 (臨界温度および臨界圧力を超える CO2) が使用されます。 超臨界 CO2 タービンは通常、CO2 と水蒸気のみからなる燃焼排ガスを得るために、ほぼ純粋な酸素を使用して燃料を燃焼します。 現在、この技術を用いた試作・実証プロジェクトが進行中です。

CO₂ の輸送には、パイプラインと船舶による 2 つの主な選択肢がありますが、短距離で少量の CO2 はトラックや鉄道で輸送することもできますが、コストが高くなります。 パイプラインは、大量の CO2 を陸上に輸送する最も安価な方法であり、距離と量に応じて沖合にも輸送します。 パイプラインによる CO2 の輸送は、すでに世界中で大規模に導入されています。

CO2 の貯留については、インドで炭田と石油・ガス田が研究されています。 深さ 1,200 メートルを超える石炭田での貯蔵の可能性は非常に高いと考えられています。 インドの陸上および海洋の CO2 貯留可能量は、主に炭田、油田およびガス田、堆積盆地、塩性帯水層などの地層に位置し、最低 99 ギガトン (Gt) から最高 697 Gt の間であると推定されています。 インドの CO2 貯留可能性は世界全体の CO2 貯留可能性の 1% 強に過ぎませんが、たとえ低い場合でも将来のインドの潜在的な CO2 排出量をはるかに超えるため、これは必ずしも問題ではありません。 インドの総炭素排出量は 2021 年に 2.648 Gt でしたが、IEA が定めた政策シナリオの下では、2050 年までにインドの CO2 排出量は 3.325 Gt に増加すると予想されています。 インドが行った二酸化炭素削減公約を達成するには、これらの排出量を 9 億トン未満にまで削減する必要があります。

これらのテクノロジーはそれぞれ、エネルギーと経済の両方のペナルティを伴います。 CCUS の経済的損失は、分離、圧縮、輸送、注入という 4 つの要素の観点から考えることができます。 これらのコストは、CO2 の発生源、輸送距離、貯留層の種類と特性など、多くの要因によって異なります。 エネルギーと経済コストは、商業利用または貯蔵のために CO2 を回収するかどうかによって異なります。

商業市場用の CO2 回収と貯蔵用の CO2 回収の主な違いは、エネルギーの役割です。 前者の場合、エネルギーは商品であり、私たちが気にするのはその価格だけです。 後者の場合、エネルギーの使用によりさらに多くの CO2 排出が発生しますが、これはまさに避けたいことです。

インドの総炭素排出量は 2021 年に 2.648 Gt でしたが、IEA が定めた政策シナリオの下では、2050 年までにインドの CO2 排出量は 3.325 Gt に増加すると予想されています。

CO2 回避ベースでコストを計算することで、エネルギーペナルティを考慮できます。 CO2 を回収するには余分なエネルギーが必要となるため、回避される CO2 排出量は常に回収される CO2 量よりも少なくなります。 したがって、貯蔵目的で CO2 を回収するには、従来の商業プロセスよりもエネルギー投入量の削減に重点を置く必要があります。

商業利用のための CO2 回収の場合、回収された CO2 は、尿素の製造、発泡発泡、炭酸飲料、ドライアイスの製造など、さまざまな産業および商業プロセスに使用されます。 回収された CO2 は商品として使用されるため、吸収プロセスは高価ではありますが、商業 CO2 の価格が実現されるため、収益性が高くなります。

IEA によると、CCUS のコストは CO2 発生源によって大きく異なり、「純粋な」または高濃度の CO2 ストリームを生成する工業プロセス (エタノール生産や天然ガスなど) の場合は、CO2 トン (tCO2) あたり 15 ～ 25 米ドルの範囲です。ガス処理）、セメント生産や発電などの「希釈」ガス流を使用するプロセスでは、CO2 トンあたり 40 ～ 120 米ドルに相当します。 現在、空気から直接 CO2 を回収するのが最も高価なアプローチです。

CO2 の輸送と保管のコストも、主に CO2 の量、輸送距離、保管条件に応じて、ケースバイケースで大きく異なります。 陸上パイプライン輸送のコストは、CO2 トン当たり 2 ～ 14 米ドルと推定されています。 現在、陸上の貯蔵容量の半分以上は 10 米ドル/tCO2 以下で利用可能であると推定されています。 CO2 を油田に圧入して (永久的に貯蔵して) 生産を強化し、石油販売による収益を増やす場合、貯蔵コストはマイナスになることさえあります。

インドでは、セメント、鉄鋼、化学、アルミニウム製造などの重工業と、海運、トラック輸送、航空などの大型輸送が CO2 排出量の 3 分の 1 以上を占めています。 化石燃料ベースの高温高圧生産プロセスを低炭素電力で再現するのは難しいため、これらの CO2 排出量は「削減するのが難しい」と考えられています。 あらゆる業界にわたる既存の生産プロセスの効率改善と燃料転換により、効率化対策を講じないシナリオと比較して、2050 年には排出量を約 22% (CO2 6 億トン) 削減できる可能性があります。 しかし、これは排出量の大幅な削減を達成するには不十分です。

重工業や一部の運輸部門で化石燃料の代替品を見つけるのが難しいことを考慮して、インド政府は、高資本に対処する技術を開発するために、科学技術省（DST）を通じてCCUSで「ミッション・イノベーション・チャレンジ」を開始した。 CCUS では、コスト、安​​全性、物流、補助電力消費量が高く、火力発電所や炭素集約型産業からの排出量を妥当なコストでゼロに近いレベルまで削減できます。 DST はバイオテクノロジー局 (DBT) と共同で、2018 年に加盟国のフランス、ドイツ、ギリシャ、ノルウェー、ルーマニア、スイス、オランダ、テュルキエ、英国、および米国は、CO2回収、分離、貯留、C​​O2付加価値の分野における画期的な技術を特定し、優先順位を付ける。 DST の加速 CCS テクノロジー (ACT) イニシアチブは、安全でコスト効率の高い CCUS テクノロジーの開発につながる研究開発とイノベーションを促進することを目的としています。 2020年7月、インドは、インドの石炭ベースの発電所にCCUS技術を導入するための米国の支援を受け入れることに同意した。 石油天然ガス公社（ONGC）とインド石油公社（IOC）は、グジャラート州にあるIOCのコヤリ製油所でCCUSプロジェクトを立ち上げるために協力し、回収されたCO2は石油増進回収（EOR）に使用される。

民間の取り組みもあります。 2016年10月以来、ツティコリン・アルカリ・ケミカルズ・アンド・ファーティライザーズ・リミテッド（TACFL）は、英国に本拠を置く民間企業であるカーボン・クリーンと提携して、チェンナイ近郊で世界初の産業規模の二酸化炭素回収・利用（CCU）プラントを運営している。 このプラントは石炭供給ボイラーに設置され、年間 60,000 トンの CO2 を回収し、ソーダ灰に変換するように設計されています。 このプロジェクトは民間資金で行われ、コストは CO2 トンあたりわずか 30 米ドルと推定されており、世界の電力部門で一般的に見られる CO2 トンあたり 60 ～ 90 米ドルよりもはるかに低いです。

石油天然ガス公社（ONGC）とインド石油公社（IOC）は、グジャラート州にあるIOCのコヤリ製油所でCCUSプロジェクトを立ち上げるために協力し、回収されたCO2は石油増進回収（EOR）に使用される。

CCUS技術の支持者らによると、インドで石炭ガス化とCCUSを組み合わせると、CO2排出量が90パーセント以上削減され、インドの石油輸入が減り、さらにエネルギーや中核分野でさまざまな経済財や収入源がもたらされる可能性があるという。 彼らは中国と米国によるCCUS投資を強調している。

中国には、さまざまな規模や開発段階の 55 の CCUS 関連政策と約 40 の CCUS プロジェクトがあります。 中国は現在、統合CCUSプロジェクトを商業規模で実証する段階にある。 2022 年には、200 万トンの CO2 が中国に貯留され、年間回収能力は 300 万トンになりました。 米国税法第 45Q 条は、大気中に排出される CO2 を回収して貯蔵する発電所や産業施設に対して、業績に基づく税額控除を規定しています。 このクレジットは、産業資源、ガスまたは石炭発電所、または大気から CO2 を直接除去する施設での炭素回収装置の設置および使用に関連付けられています。 いずれの場合も、クレジットを受け取るには、CO2 を地質学的に貯蔵するか、原料または製品の構成要素として利用する必要があります。

インドにとって、石炭は主要なエネルギー源であるだけでなく、収入源および社会支援の手段でもあります。 コール・インディア・リミテッド (CIL) は、会社の生産性と収益性を向上させる効率的なテクノロジーを避ける選択肢がない何百万人もの人々に雇用を提供しています。 すべての石炭採掘会社はロイヤルティと開発税を通じて地域の発展に貢献します。 石炭の高価な輸送には補助金が支払われ、貧しい人々と遠く離れた雇用の機会を結ぶ旅客鉄道旅行。 石炭セスは GST (物品サービス税) 補償基金の大部分を占めており、石炭鉱業会社は税金を支払います。 政府への配当やその他の収入源。 皮肉なことに、石炭ベースの発電は、追加の経済的および技術的コストを吸収する必要に応じて容量を増加させることで、その宿敵（断続的な再生可能エネルギー）もサポートします。 インドのエネルギー供給と社会支援を支えるこの複雑かつ精緻な石炭ネットワークは、大きな経済的および社会的混乱を引き起こすことなく脱炭素化のためにCCUSで補完される可能性がある。

上記の見解は著者に帰属します。