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如何實施光明富足的零排放社會？（一）從去碳開始的日本活性化
如何實施光明富足的零排放社會？（二）個人能爲去碳做的貢獻
如何實施光明富足的零排放社會？（三）利用生質挑戰去碳化
如何實施光明富足的零排放社會？（四）2050年的電流源構成方案
如何實施光明富足的零排放社會？（五）作爲電力貯藏系統的「新型縮水蓄能發電」
如何實施光明富足的零排放社會？（六）開發取得進展的各種蓄電技術
如何實施光明富足的零排放社會？（七）資訊社會的隊形變換與能源消耗
越 光男（左）
低碳社會戰略中心 特任研究員
岩崎 博（右）
低碳社會戰略中心 特任研究員
【導讀】本文爲《如何實習光明富足的零排放社會？》的第八回，以虛構的商社青年員工皆川豐爲主人公解讀低碳社會戰略中心（LCS）公佈的提案。上一回皆川將關注點轉向能源消耗，瞭解了支撐資訊社會快速隊形變換的技術開發情況。本回將針對2050年實施去碳社會必不可少的從大氣中直接回收二氧化碳 (CO2) 的技術，請教越光男和岩崎博二位特任研究員。
與強鹼溶液反應吸收CO2
但解吸需要900℃高溫
皆川：感謝二位今天接受我的採訪。前幾天，谷口升副主任和大友純一郎特任研究員介紹說，一項名爲Direct Air Capture（DAC）的直接從大氣中收集CO2的技術取得了進展。我今天來就是想了解一下該技術的最新動向。不讓大氣中的CO2濃度增加的技術是實施去碳社會的關鍵，對吧。
越：是的。回收和清除溫室氣體的「負排放」技術正在受到關注，DAC就是其中之一。
皆川：目前已經有從電廠等排放的廢氣中回收CO2的方法，但從大氣中捕集CO2的 DAC技術似乎很難。
越：大氣中的CO2只有0.04%的低濃度，排放廢氣中的CO2濃度高達10%～15%，因此採用的技術截然不同。自1999年美國亞利桑那州立大學的Klaus S. Lackner教授提出DAC技術以來，關於其有效性和可行性一直存在爭論。
皆川：技術研發隊形變換到了怎樣的階段？據說國外的創業公司正在推進開發。
越：要想實施去碳，到2050年全球每年必須要捕集10億噸的CO2，但目前DAC技術只能捕集約1萬噸，這點量完全不夠。在日本DAC技術還沒有投入實際應用，但這是未來必不可少的技術，所以我認爲其開發意義重大。
皆川：請介紹一下該技術是如何捕集CO2的。
越：目前全世界正在推進開發兩種主要技術：一種是使用吸收溶液的方法，另一種是使用固體吸附劑的方法（圖1）。在使用吸收液的方法中，CO2被吸收到強鹼性溶液中，與氫氧化鈣反應，形成固體的碳酸鈣。之後再加熱碳酸鈣，就會生成CO2和氧化鈣，由此就能回收CO2。
圖1 DAC技術概要
（筆者根據N.McQueen et al., Progress in Energy, 3 (2021) 032001的内容製作）
皆川：吸收CO2的技術似乎是關鍵。
越：要想有效地將 CO2 吸收到液體中，需要佔用巨大的面積。加拿大Carbon Engineering公司的方法是，在讓氣液接觸變得更好的空氣接觸裝置的表面，用氫氧化鉀進行溼潤，再用巨大的風扇將空氣吹入其中進行反應。按照其規畫，據說空氣接觸裝置中，要豎着疊放4臺直徑5米的風扇，橫向連接有2公里長。
皆川：啊! 光風扇就有20米高，橫跨2公里。這可真是難以想像的規模。
越：即使該系統，每年的CO2捕集量也只有90萬噸，還遠遠達不到目標需要量。這個方法的另一個缺點是加熱固體碳酸鈣需要900℃的高溫，需要耗費大量的熱能。
吸附到精密多孔材料的表面
成本和循環使用次數仍有課題
皆川：這個我明白了。那麼使用固體吸附劑的方法又是怎麼做的呢？
越：吸附劑是在多孔材料表面固定那些與CO2反應性高的分子之後形成的。瑞士ClimbWorks公司使用的是在奈米纖維素表面固定了胺分子的吸附劑。將這種吸附劑放入2.5米×2.5米×1.2米的反應裝置内，用風扇吸入空氣，從而將CO2固定在吸附材料上。然後排出殘留在反應箱内的空氣，加熱到100℃使CO2解吸。用這個反應裝置可以進行吸附和解吸的連續處理。
皆川：這種方法需要的熱能更少，似乎更值得期待。
岩崎：但是，這種方法要想每年捕集90萬噸CO2，就需要有11,000 個反應裝置來進行吸附和解吸操作。
越：此外還有吸附劑成本高的缺點。爲了增加表面積，還需要對表面構造進行精密的控制，這也會需要一定的成本。另外還存在吸附劑因加熱而劣化的問題。Carbon Engineering公司的吸收液法捕集1公斤CO2的成本爲35日元，而ClimbWorks公司的吸附劑法的成本爲117日元。DAC技術要想在經濟上可行，必須至少能重複利用數萬次。
皆川：嗯，這兩種方法都還有課題需要解決。
不需要熱能的新方法
研究值得期待，但儲存場所是個問題
岩崎：由於各種終極因數，使用固體吸附劑的方法更具有隊形變換潛力，因此全世界都在集中研究這種方法。作爲新思路，有人提出應該研究一種解吸CO2時不使用熱能的方法。
皆川：有這樣的可能嗎？
岩崎：中國和美國正在積極研究一種名爲變溼吸附分離（MSA）的方法（圖2）。該方法雖然也使用固體吸附劑，但解吸CO2利用的是水合水的内聚能。
圖2 變溼吸附分離（MSA）的工作原理
（筆者根據X.Shi et al. J.Chem.Phys., 149 (2018) 164708的内容製作）
皆川：具體是怎麼工作的呢？
岩崎：在吸附劑中加進水，水合水就會凝集在固定CO2的吸附劑周圍，凝集能量可以使CO2解吸。吸附劑乾燥後就能再次吸附CO2。解吸不需要加熱，因此能抑制吸附劑的劣化，這也是這種方法的一大優點。
皆川：聽起來好像挺簡單的，但實際上肯定不會這麼容易吧。
越：理論上可行，但技術還沒有確立，所以我們正在研究使其成爲可能的技術。
岩崎：從全球範圍來看，目前也只是實驗室規模的研究。水的問題很重要，加入的水是蒸汽，必須要蒸發嗎，噴出的水霧是否均勻等等，這些問題都必須透過實驗來應答。
皆川：未來的技術開發真是值得期待。那麼，成功回收了CO2之後要怎麼辦呢？聽說在討論將其埋入地下，但好像實施前景還沒確定。
岩崎：就地貯存在日本的話成本較低。但如果要運到其他國家的話，就要作爲廢棄物處理，會涉及與相關國家合作關係等政治課題。
越：由於CO2是一個全球性問題，因此必須在全球範圍考慮其因應體制。總而言之，DAC技術是2050年實施去碳社會的關鍵，因此我認爲，現在就以實用化爲目標在日本國内推進研究是很重要的。
皆川：我們公司也在時刻關注新業務，並儘快投資和實施業務合作。非常感謝今天二位專家的介紹。
（TEXT：岩崎茜、PHOTO：楠聖子、福井智一）
原文：JSTnews 2023年2月號
翻譯：JST客觀日本編輯部
