本記事は The Conversationとの協力により掲載されています。
石炭は産業革命の大部分を支えてきた。現在も中国やインドを含む発展途上国では、経済成長を支え続けている。
しかし石炭の負の側面は、気候変動の原因となる温室効果ガス、主に二酸化炭素（CO2）を大量に排出することにある。このCO2による汚染に加え、石炭燃焼に伴う他の排出物により、世界中で1日当たり数千人の 早期死亡 が生じている。
かつては、石炭火力発電所から排出されるCO2を地下に埋設することで経済的に管理できると考えられていた。しかし、学術誌『 Environmental Science & Technology 』に掲載された我々の最近の分析によれば、炭素回収・貯留（CCS）の概念は、従来の研究が必要エネルギーを誤算していたため、これまで考えられていたよりも著しく高コストになることが示された。したがって、石炭火力発電によるCO2汚染に対する経済的に実現可能な解決策となる可能性は低い。
石炭と世界の炭素予算
各国が温室効果ガス排出を削減する可能な方策を検討する中、 パリで開催される国連気候サミットにおいて、石炭からの排出を抑制する戦略を策定することは、気候変動への有効な対策を講じるうえで不可欠となる。
世界全体では、暖房と発電のための石炭利用によるCO2排出量は2014年に 国際エネルギー機関の推計で140億メトリックトン（ギガトン）を超えた。これは世界の温室効果ガス総排出量の約3分の1を占める。
大気中のCO2濃度は現在約400ppmである。我々の分析によれば、現在の石炭火力発電所が想定される耐用年数の終わりまで稼働を続けた場合、2050年までに合計260ギガトンから350ギガトンのCO2を排出することになり、これによりCO2濃度はさらに13～18ppm上昇することになる。
科学者たちは、CO2濃度を 430～480ppm の範囲内に抑える必要があると勧告している。これは気候への危険な干渉を避けるための水準であり、産業革命以前と比べて気温上昇を摂氏2度に抑えることと定義される。既存の発電所における石炭利用だけで、人類がこの閾値に到達しないために残された「炭素予算」の約3分の1から2分の1を消費することになる。
CCSは救世主となるか？
世界の経済成長における石炭の重要性と、CO2排出削減の必要性とを両立させることへの認識から、「炭素回収・貯留（CCS）」技術への関心が高まっている。
代表的な研究、例えば Pacala and Socolow、 Williams et al、および Hertwich et al などの研究は、CO2問題に対処するための一連の戦略を提案している。特に注目すべきは、これらの研究はいずれもCCSの広範な導入を前提としている点である。例えば、Hertwich et al は、2050年までにCCSが世界のCO2排出削減の約85%に寄与すると試算している。
CCSは基本的に、化石燃料から生じるCO2を回収し、高圧下で圧縮したうえで、パイプラインや船舶で輸送し、深海や地下の地質貯留層に貯蔵することで、CO2を大気中から遠ざける技術である。
現在、運転中の大規模CCS発電所（出力500メガワット超と定義）は存在せず、この技術に関する我々の理解の大部分は、1990年代のパイロット規模の発電所と、その後の回収プロセスに関する科学的モデルに由来する。
石炭火力発電所の排気からCO2を回収するには、蒸気と電力の形でエネルギーが必要である。CO2回収にエネルギーが使われるため、CCSは発電所の電力出力を減少させ、および／または燃料投入量を増加させる。これにより発電所に「エネルギー・ペナルティ」が生じ、運転コストが増加する。さらに、CCSシステムの建設には大規模な設備投資費用もかかる。
従来の 研究 では、CO2排出量の90%を回収する石炭火力発電所の燃料コストは約30%～60%増加すると推定されるのが一般的であった。しかし、最近のパイロット規模または 小規模商業用CCSプラント から得られたデータは、実際にはエネルギー・ペナルティと燃料コストがはるかに高いことを一貫して示している。では、この食い違いはなぜ生じるのか。
数字が合わない
初期のパイロット研究やモデルによる推計が、CCSのエネルギー・ペナルティとコストに関する最近の観測結果と一致しない理由を理解するため、我々はCCSのエネルギー分析と経済学の文献における前提と計算の一部を再検討することにした。
米国国立科学財団の助成を受けた我々の研究では、CO2回収プラントを追加すると石炭火力発電所の燃料コストが最大136%増加しうることが示された。すなわち、発電の限界費用（ひいては利益）を左右する燃料コストは、CCSが導入された未来においてほぼ2倍以上になることになる。
本分析では、CCSの「フィードバック・ループ」を定量化し、エネルギー・ペナルティをより正確に推計した。このフィードバック・ループは、CCS自体のために追加の電力と蒸気を生み出すのに燃やされる余分な燃料がCO2を発生させ、それを回収・貯留しなければならないことから生じる。このCO2を回収するにはさらに燃料が必要となり、その燃料がさらにCO2を発生させる。以前の研究はエネルギー・ペナルティを定義していたものの、この明白なフィードバック・ループを無視しており、その結果CCSのコストが大幅に過小評価されていた。
この混乱の原因は、 1990年代のパイロット研究 がCCSのエネルギーおよび経済に関する文献でどのように解釈されたかにある。そのパイロット研究では、513メガワットの発電所の出力が、追加された炭素回収設備により336メガワットに低下したと報告されていた。これは35%のエネルギー・ペナルティに相当し、燃料から炭素を除去する際、同じメガワットの電力を生み出すのに35%多くのエネルギーが必要となることを意味する。
その後の研究がこの35%のエネルギー・ペナルティという数値を、その基礎にある前提、すなわち、より多くの炭素を回収するほど、より多くの燃料を燃やす必要があるという前提を十分に組み込まずに用いたとき、実際のエネルギー・ペナルティとの食い違いが生じた。
この追加のエネルギーは直接コストに転嫁される。燃料投入量が一定と考慮した場合、炭素回収に必要な蒸気は、発電所のボイラーで生成される蒸気全体の約40%～60%に達しうる。この蒸気は発電に使用できないため、発電所運営者にとって収益損失と利益上のペナルティを意味する。
再生可能エネルギーの方が有利に見える
我々の分析によれば、CCSは他の低炭素発電方式と比べて、これまで考えられていたよりも高コストである。
エネルギー源別の発電コスト（設備費、運転・保守費、燃料費別に内訳）。Supekar and Skerlos（2015）、DOI 10.1021/acs.est.5b03052 を基に改変。
フィードバック・ループによるエネルギー・ペナルティを織り込むと、我々の調査では風力や太陽光発電などの再生可能エネルギーが、すでにCCS付き石炭火力発電よりもコスト競争力を持つことが分かった。さらに予測によれば、風力と太陽光は 今後も低コスト化が進むと見込まれている。
天然ガスは、生み出す電力単位当たりのCO2排出量が石炭の約半分であり、CCSの有無にかかわらず、石炭に対する安価な代替手段ともなり得る。
石炭を地中に残しておくことは、炭素排出を削減する最も経済的な方法であるだけでなく、大気の浄化により毎日数千人の命を救う確実な方法でもある。エネルギーシステムの脱炭素化による「予防」が、CO2回収という「治療」よりも優れており、かつ安価であるという典型的な事例である。
本記事の掲載は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではない。
アジェンダの最新情報を追うには、 週刊ニュースレターを購読してください。
著者：Steve Skerlos は、ミシガン大学機械工学教授、同大学土木・環境工学教授。Sarang Supekar は、同大学機械工学のポストドクトラル・フェロー。
画像：風力発電所の複数の風車を写したもの。REUTERS/Fabian Bimmer.