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如何实现光明富足的零排放社会？（一）从脱碳开始的日本活性化
如何实现光明富足的零排放社会？（二）个人能为脱碳做的贡献
如何实现光明富足的零排放社会？（三）利用生物质挑战脱碳化
如何实现光明富足的零排放社会？（四）2050年的电源构成方案
如何实现光明富足的零排放社会？（五）作为电力贮藏系统的“新型抽水蓄能发电”
如何实现光明富足的零排放社会？（六）开发取得进展的各种蓄电技术
如何实现光明富足的零排放社会？（七）信息社会的发展与能源消耗
越 光男（左）
低碳社会战略中心 特任研究员
岩崎 博（右）
低碳社会战略中心 特任研究员
【导读】本文为《如何实习光明富足的零排放社会？》的第八回，以虚构的商社青年员工皆川丰为主人公解读低碳社会战略中心（LCS）公布的提案。上一回皆川将关注点转向能源消耗，了解了支撑信息社会快速发展的技术开发情况。本回将针对2050年实现脱碳社会必不可少的从大气中直接回收二氧化碳 (CO2) 的技术，请教越光男和岩崎博二位特任研究员。
与强碱溶液反应吸收CO2
但解吸需要900℃高温
皆川：感谢二位今天接受我的采访。前几天，谷口升副主任和大友纯一郎特任研究员介绍说，一项名为Direct Air Capture（DAC）的直接从大气中收集CO2的技术取得了进展。我今天来就是想了解一下该技术的最新动向。不让大气中的CO2浓度增加的技术是实现脱碳社会的关键，对吧。
越：是的。回收和清除温室气体的“负排放”技术正在受到关注，DAC就是其中之一。
皆川：目前已经有从发电厂等排放的废气中回收CO2的方法，但从大气中捕集CO2的 DAC技术似乎很难。
越：大气中的CO2只有0.04%的低浓度，排放废气中的CO2浓度高达10%～15%，因此采用的技术截然不同。自1999年美国亚利桑那州立大学的Klaus S. Lackner教授提出DAC技术以来，关于其有效性和可行性一直存在争论。
皆川：技术研发发展到了怎样的阶段？据说国外的创业公司正在推进开发。
越：要想实现脱碳，到2050年全球每年必须要捕集10亿吨的CO2，但目前DAC技术只能捕集约1万吨，这点量完全不够。在日本DAC技术还没有投入实际应用，但这是未来必不可少的技术，所以我认为其开发意义重大。
皆川：请介绍一下该技术是如何捕集CO2的。
越：目前全世界正在推进开发两种主要技术：一种是使用吸收溶液的方法，另一种是使用固体吸附剂的方法（图1）。在使用吸收液的方法中，CO2被吸收到强碱性溶液中，与氢氧化钙反应，形成固体的碳酸钙。之后再加热碳酸钙，就会生成CO2和氧化钙，由此就能回收CO2。
图1 DAC技术概要
（笔者根据N.McQueen et al., Progress in Energy, 3 (2021) 032001的内容制作）
皆川：吸收CO2的技术似乎是关键。
越：要想有效地将 CO2 吸收到液体中，需要占用巨大的面积。加拿大Carbon Engineering公司的方法是，在让气液接触变得更好的空气接触装置的表面，用氢氧化钾进行湿润，再用巨大的风扇将空气吹入其中进行反应。按照其规划，据说空气接触装置中，要竖着叠放4台直径5米的风扇，横向连接有2公里长。
皆川：啊! 光风扇就有20米高，横跨2公里。这可真是难以想象的规模。
越：即使该系统，每年的CO2捕集量也只有90万吨，还远远达不到目标需要量。这个方法的另一个缺点是加热固体碳酸钙需要900℃的高温，需要耗费大量的热能。
吸附到精密多孔材料的表面
成本和循环使用次数仍有课题
皆川：这个我明白了。那么使用固体吸附剂的方法又是怎么做的呢？
越：吸附剂是在多孔材料表面固定那些与CO2反应性高的分子之后形成的。瑞士ClimbWorks公司使用的是在纳米纤维素表面固定了胺分子的吸附剂。将这种吸附剂放入2.5米×2.5米×1.2米的反应装置内，用风扇吸入空气，从而将CO2固定在吸附材料上。然后排出残留在反应箱内的空气，加热到100℃使CO2解吸。用这个反应装置可以进行吸附和解吸的连续处理。
皆川：这种方法需要的热能更少，似乎更值得期待。
岩崎：但是，这种方法要想每年捕集90万吨CO2，就需要有11,000 个反应装置来进行吸附和解吸操作。
越：此外还有吸附剂成本高的缺点。为了增加表面积，还需要对表面构造进行精密的控制，这也会需要一定的成本。另外还存在吸附剂因加热而劣化的问题。Carbon Engineering公司的吸收液法捕集1公斤CO2的成本为35日元，而ClimbWorks公司的吸附剂法的成本为117日元。DAC技术要想在经济上可行，必须至少能重复利用数万次。
皆川：嗯，这两种方法都还有课题需要解决。
不需要热能的新方法
研究值得期待，但储存场所是个问题
岩崎：由于各种原因，使用固体吸附剂的方法更具有发展潜力，因此全世界都在集中研究这种方法。作为新思路，有人提出应该研究一种解吸CO2时不使用热能的方法。
皆川：有这样的可能吗？
岩崎：中国和美国正在积极研究一种名为变湿吸附分离（MSA）的方法（图2）。该方法虽然也使用固体吸附剂，但解吸CO2利用的是水合水的内聚能。
图2 变湿吸附分离（MSA）的工作原理
（笔者根据X.Shi et al. J.Chem.Phys., 149 (2018) 164708的内容制作）
皆川：具体是怎么工作的呢？
岩崎：在吸附剂中加入水，水合水就会凝集在固定CO2的吸附剂周围，凝集能量可以使CO2解吸。吸附剂干燥后就能再次吸附CO2。解吸不需要加热，因此能抑制吸附剂的劣化，这也是这种方法的一大优点。
皆川：听起来好像挺简单的，但实际上肯定不会这么容易吧。
越：理论上可行，但技术还没有确立，所以我们正在研究使其成为可能的技术。
岩崎：从全球范围来看，目前也只是实验室规模的研究。水的问题很重要，加入的水是蒸汽，必须要蒸发吗，喷出的水雾是否均匀等等，这些问题都必须通过实验来确认。
皆川：未来的技术开发真是值得期待。那么，成功回收了CO2之后要怎么办呢？听说在讨论将其埋入地下，但好像实现前景还没确定。
岩崎：就地贮存在日本的话成本较低。但如果要运到其他国家的话，就要作为废弃物处理，会涉及与相关国家合作关系等政治课题。
越：由于CO2是一个全球性问题，因此必须在全球范围考虑其应对体制。总而言之，DAC技术是2050年实现脱碳社会的关键，因此我认为，现在就以实用化为目标在日本国内推进研究是很重要的。
皆川：我们公司也在时刻关注新业务，并尽快投资和实现业务合作。非常感谢今天二位专家的介绍。
（TEXT：岩崎茜、PHOTO：楠圣子、福井智一）
原文：JSTnews 2023年2月号
翻译：JST客观日本编辑部
