炭素鉱物化とは、二酸化炭素（CO2）と特定の鉱物との反応を促進し、大気中からCO2を除去して恒久的に貯留するプロセスです。
このプロセスは自然界では数百年から数千年かけて起こりますが、さまざまな方法で加速すれば、今後数十年で大気中のCO2を大量に除去できます。
炭素鉱物化には大気中からCO2を除去する大きな可能性がありますが、まだ広く導入されていません。
しかし、炭素鉱物化が環境や社会に与える影響を理解するには、さらなる研究が必要です。
炭素鉱物化は、二酸化炭素除去（CDR）の手法であり、気候変動による最悪の影響を防ごうと世界が取り組むなか、関心を集め始めています。この手法は、二酸化炭素（CO2）と特定の鉱物との反応を促進し、大気中からCO2を除去して恒久的に貯留します。このプロセスは自然界では数百年から数千年かけて起こりますが、炭素鉱物化はさまざまな方法で加速でき、今後数十年で大気中のCO2を大量に除去できます。
地球の気温が上昇し続けるなか、国際的な気候変動に関するパリ協定が示すとおり、地球温暖化を摂氏1.5度（華氏2.7度）に抑えるには、温室効果ガスの排出、とりわけCO2を大幅に削減しなければなりません。科学的なコンセンサスによると、大幅な排出削減に加え、これらの目標を達成するには、すでに大気中にあるCO2の除去も必要です。大幅な排出削減を最優先としつつ、炭素鉱物化などのCDR手法で取り組みを補完する必要があります。
鉱物化には大きな炭素除去の可能性がありますが、広く実用化するために必要となる研究や実証への資金が十分ではありませんでした。最も効果的な方法や場所、さらには環境や社会への潜在的な影響をより深く理解するため、さらなる調査と試験が必要です。
炭素鉱物化についてよくある5つの質問にお答えします。
1）炭素鉱物化とは何ですか？
炭素鉱物化は、自然界で数百年から数千年かけて起こるプロセスです。岩石中の特定の鉱物が大気中のCO2と反応して炭酸塩を生成します。炭酸塩は固体の鉱物で、CO2を確実に除去し、隔離します。
この化学反応は、苦鉄質岩または超苦鉄質岩で最もよく起こります。これらはCO2との反応性が高く、マグネシウムやカルシウムを含むケイ酸塩などのアルカリ性鉱物を含んでいます。こうした自然の吸収源として働くプロセスにより、炭素鉱物化は毎年、大気中から約0.3 billion metric tons（ギガトン）のCO2を恒久的に除去しています。これはポーランドの年間排出量を少し上回る量です。
この自然の鉱物化プロセスを加速する方法があり、大気中のCO2をさらに除去して自然環境に貯留したり、コンクリートなどの製品に固定したりできます。科学者の推計では、今後数年で大規模な導入に備えるため、今日、研究や試験に十分な資金を投じれば、2035年までに世界全体で大気中から年間最大1ギガトンのCO2を除去でき、2050年までには年間10ギガトンを除去できる可能性があります。参考までに、現在の世界の年間CO2排出量は約40ギガトンです。
鉱物の組成、温度、湿度、また手法で用いるCO2源やアルカリ性原料などの要因によって、加速された鉱物化プロセスにかかる時間は数時間から数年に及びます。
2）炭素鉱物化にはどのような手法がありますか？
大きく分けると、炭素鉱物化は地球の地下で起こる（原位置炭素鉱物化）か、地表で起こる（地上または地表炭素鉱物化）かのいずれかです。
地下
原位置での鉱物化には、いくつかの方法があります。一つは、高濃度のCO2を水に溶かし、工業規模の炭酸水製造装置のようにして、井戸を通じてCO2との反応性が高い苦鉄質岩または超苦鉄質岩に注入する方法です。そこで反応によって炭酸塩鉱物が生成され、CO2が隔離されます。その後、CO2が除去された水を地表に戻します。
別の方法では、超臨界CO2（水に近い密度になるまで圧縮されたCO2）を玄武岩に注入します。この方法では注入に必要な水は大幅に少なくて済みますが、圧縮により多くのエネルギーが必要です。
CO2の地下圧入は、枯渇した油層をCO2貯留に転用する場合など、堆積岩の貯留層では十分に研究されてきましたが、原位置での炭素鉱物化を目的とした玄武岩への圧入は、あまり研究されていません。既存の2つのプロジェクト（ワシントン州のワルラとアイスランドのCarbFix）は、玄武岩の貯留層が原位置での炭素鉱物化に有望であることをすでに実証しています。
浸透性と多孔性を持つ玄武岩は、非常に多くのCO2を貯留できるため、炭素鉱物化に大きな可能性を秘めています。玄武岩は火山島や、太平洋岸北西部のコロンビア川流域などの洪水玄武岩地域に広く分布しています。
地表
地表での鉱物化は、採掘された岩石、鉱山の尾鉱、産業廃棄物などの粉砕したアルカリ性原料が、大気中のCO2または高濃度のCO2と反応するときに起こります。アルカリ性の岩石は粉砕すると表面積が大きくなり、鉱物化が促進されます。地表での鉱物化は、産業施設や、副産物として鉱山の尾鉱を排出する鉱山で実施できます。現地でCO2を回収すれば、同じ場所でアルカリ性原料をより高濃度のCO2と反応させることができ、大気中のCO2と反応させる場合よりも速く反応が進みます。
地表での鉱物化には、岩石風化促進も含まれます。この方法では、超苦鉄質岩または苦鉄質岩を粉末状に粉砕し、海岸線や農地に散布します。岩石粉末に含まれるアルカリ性鉱物は大気中のCO2と反応し、固体の炭酸塩に閉じ込めます。例えば海岸では、岩石粉末が海水に溶け、表層水に溶け込んだCO2を重炭酸塩や炭酸塩に変えます。これにより、大気中のCO2がさらに海洋に吸収されます。このプロセスは海洋の制酸剤のように働いて水のpHを上昇させ、局所的な海洋酸性化を抑える可能性があります。
地上での鉱物化は、高圧および／または高温の反応器内で、アルカリ性の岩石を高濃度CO2と反応させます。他の炭素鉱物化手法と比べて、地上での鉱物化は依然としてエネルギー集約的で、コストもかかります。そのため、地上での手法は、コンクリート用骨材など、付加価値のある建材の製造に活用する取り組みが中心です。コンクリートの鉱物化が注目されるのは、回収したCO2の有益な利用を促す米国の45Q税額控除の対象となるためです。2050年までに世界全体で、0.1～1.4ギガトンのCO2をコンクリートに貯留できると推定されています。ただし、排出量を正味マイナスにするには、コンクリートのバリューチェーンにおける炭素強度が鍵となります。
3）炭素鉱物化にはどのような相乗効果が期待できますか？
鉱物化は、有用な製品の製造に活用できます。一部の企業はすでに、回収したCO2をコンクリートが固まる前に注入してコンクリートブロックを製造する技術を開発しています。この反応で炭酸カルシウムが生成され、コンクリートが強化されて使用するセメント量を減らせるだけでなく、CO2も恒久的に隔離されます。また、一部の鉱山尾鉱には、電気自動車のバッテリーに必要なニッケルやコバルトなど、希少で価値の高い鉱物が含まれており、間接的な地上鉱物化を通じて抽出できます。これは、バイデン政権が掲げる国内の重要鉱物生産の拡大という目標にも沿った、新たな収益上のインセンティブとなり得ます。
鉱物化は、一部の鉱山尾鉱に伴う健康上の危険を減らす助けにもなります。例えば、閉鎖されたアスベスト鉱山に保管されることの多いアスベスト尾鉱は、繊維状の結晶形状のため、吸い込むと有毒です。アスベストがCO2と反応すると炭酸マグネシウム鉱物が生成され、CO2が隔離されるとともに結晶の形状が変化し、健康リスクがなくなります。ただし、有害な鉱山尾鉱を鉱物化に用いる技術は、立ち入りを制限した場所で厳格な監督のもと、開発・試験する必要があります。
もう一つの相乗効果として、アルカリ性の岩石を使って局所的な海洋酸性化を抑え、その後に起こり得るサンゴ礁や商業的価値の高い養殖業への被害を防ぐことが挙げられます。かんらん石などの岩石を粉砕して浜辺に散布したり、海水に直接加えたりすると、溶存CO2と反応して固体の炭酸塩を形成し、炭素を固定します。こうした相乗効果を最大限に高め、生態系への潜在的な悪影響を最小限に抑える方法をより深く理解するには、さらなる研究と試験が必要です。
4）炭素鉱物化にはどのような悪影響が考えられますか？
相乗効果が期待される一方、鉱物化の適用には社会面・環境面のリスクも伴う可能性があります。大規模に導入する前に、それらをより深く理解し、対処する必要があります。
岩石風化促進などの手法では、ニッケルやクロムなどの金属が環境中に持ち込まれる可能性があります。これらの金属は蓄積すると有毒であり、土壌や海洋で酸化されると毒性を示します。また、炭酸塩化した鉱山尾鉱を尾鉱堆積池に貯留すると、周辺の表流水や地下水を汚染するおそれがあります。これを抑えるため、一部の鉱山尾鉱は前処理を行い、重金属を抽出できます。
鉱物化によってアスベスト鉱山尾鉱に伴う健康上の危険をなくせるとしても、この廃棄物を処理する作業員には、依然として深刻な健康被害のリスクがあります。アスベスト尾鉱の上で送風機を稼働させて空気の流れを強めると、鉱物化を促進できますが、作業員がアスベスト繊維を吸い込む危険も高まります。そのため、厳格な予防措置が必要です。例えば、アスベスト粉末が空気中に舞わないよう、水を散布できます。
アイスランドのCarbfixが採用する方法など、原位置での鉱物化手法の一部では、大量の水が必要です。CO2を1トン注入するのに約25トンの水を使います。このプロセスでは水のリサイクルも行いますが、米国南西部のような水不足地域では、総消費量が問題となる可能性があります。代替策として、海水を利用できる沖合でこの手法を使えば、水不足の問題を回避できます。ただし、より多くのエネルギーが必要になります。
水資源への懸念に加え、誘発される局所的な地震活動も考慮する必要があります。リスクを最小限に抑えるため、地域の地震活動を定期的に調査し、評価しなければなりません。CarbFixでは、溶存CO2を注入する前に、玄武岩の貯留層へ廃水を注入しており、これによって地震活動が大幅に増加しました。この問題に対処するため、他の予防措置とあわせてCO2の注入速度が調整されました。その結果、地震の発生件数は減少し、2011年の96件から2018年には1件となり、現在は規制の範囲内で操業しています。玄武岩での原位置鉱物化に伴うリスクをより深く理解するには、さらなるデータと追加の実証プロジェクトが必要です。
地上での炭素鉱物化を拡大する際の主な懸念は、採掘を増やす必要があることです。大量のアルカリ性物質を得るための採掘に加え、粉砕や輸送にもエネルギーが必要です。採掘の増加により、水質汚染や大気汚染、人の健康への被害など、既存の採掘活動に伴う社会面・環境面の悪影響が拡大するおそれがあります。
5）炭素鉱物化を持続可能な形で拡大するには何が必要ですか？
鉱物化の手法によって開発段階は異なります。玄武岩層での地下鉱物化は、すでにアイスランドと米国で実施されています。地表での鉱物化の一部手法も商用化されています。しかし、炭素鉱物化を責任ある形で拡大するには、科学的な不確実性を解消し、リスクに対処するためのさらなる研究が必要です。測定とモニタリングの標準的な枠組みも整備する必要があります。
研究上のニーズ
さまざまな場所や規模で得られる知見を蓄積し、研究者が潜在的な不確実性を評価してリスクを低減できるよう、さらに多くの実証プロジェクトが必要です。大量のCO2を除去できる理論上の可能性がある一方で、炭素鉱物化はCO2や原料の輸送など、物流上の制約を一部受ける可能性があります。また、鉱物化手法に伴う排出量とコストを最小限に抑えるため、エンジニアリングと物流の実務を改善する必要があります。
さらに、特定の鉱物の化学的性質や、それらがCO2の鉱物化処理にどう反応するか、岩石の全般的な特性についても、さらなる研究が必要です。データセットは標準化されていないことが多く、岩石の組成、粒径、圧力、空隙率、浸透性、表面積に関するデータを比較しにくくなっています。場所ごとの原料の潜在的な量や、その濃度と組成についても、さらなるデータが必要です。
適した岩石や鉱物の分布を示す最新の高解像度地図を、より包括的な縮尺で整備する必要があります。例えば、稼働中および閉鎖された鉱山に関する米国地質調査所（USGS）のデータは10年間更新されていません。廃石や鉱山尾鉱の場所、量、化学組成、鉱物組成をより正確に把握し、CO2貯留の可能性を推定するには、包括的なデータベースに統合できる最新情報が不可欠です。CO2の鉱物化に利用できるアルカリ性廃棄物の量をより正確に地図化・把握するには、産業界との連携をさらに進める必要があります。また、特定の超苦鉄質岩に含まれるアスベストの量に関するデータも必要です。
測定・モニタリングツールの改善と標準化
プロジェクトごとに、標準化された手法と高品質なMRV（測定・報告・検証）プロトコルを開発・適用し、特定の期間にプロジェクトが除去したCO2量を正確に測定する必要があります。現在、手法はまだ標準化されておらず、企業が独自のプロトコルを適用しているため、プロジェクト間の比較が困難です。
例えば、地表での鉱物化によって除去された炭素は、算定が難しく、モニタリングも困難です。鉱山尾鉱や粉砕した岩石が散布される海洋、沿岸、土壌は開放系であり、閉鎖系のDACプラントとは異なるためです。地下での鉱物化によって除去された炭素量の把握にも課題があります。それは、直接観測できないまた、物理サンプルの採取は複雑で費用もかかる場合があります。ex-situ鉱物化によって鉱物化・貯留されたCO2は、特にセメントなどの製品に貯留された場合、より容易にモニタリングできます。プロジェクト間の一貫性と完全性を確保し、気候への好影響を保証するには、高品質なMRVシステムが必要です。
気候変動対策として鉱物化を発展させる
炭素鉱物化は、世界の気候目標の達成を支援するための、より幅広い炭素除去・気候変動対策の一環として、大きな可能性を秘めた炭素除去手法です。炭素鉱物化を主要なCDR経路と位置づけるには、研究や実証プロジェクトを拡大する必要があります。鉱物化プロジェクトをどこでどのように実施するかに関する不確実性に加え、プロジェクトが環境や社会に及ぼす潜在的な悪影響を最小限に抑えなければなりません。また、炭素鉱物化を責任ある形で拡大するため、標準化された包括的なMRVプロトコルも必要です。
