天然ガスは低気圧の一部になる可能性があるか

2010 年代半ばには、天然ガスがゼロカーボンの未来への架け橋燃料になるだろうと言うことが一般的になりました。ゼロカーボンの未来では、気候変動を悪化させる二酸化炭素を排出することなく、太陽光、風力、その他の再生可能技術がすべてのエネルギーを供給します。 しかし、天然ガスが本当に架け橋であるならば、それは長期計画の一部ではありません。 そして、実際に橋を建設したとしても、私たちはそこに留まり続ける可能性が高いです。

米国の天然ガス消費量は過去 15 年間で 3 分の 1 増加しました。 ガスは総エネルギー消費量の 32% を占め、現在では石炭火力発電所に代わって全国最大の電力源となっています。 天然ガス (主にメタン) は、石炭よりもはるかにクリーンに燃焼し、変動する風力発電所や太陽光発電所をすぐにバックアップできます。 天然ガスを燃やすと依然として CO2 が発生することを除けば、それは有望に思えます。 井戸やパイプライン内のメタンは大気中に漏れ、地球温暖化を増幅させる可能性があります。 そして、最後の石炭火力発電所が閉鎖されると、天然ガス火力発電所が最も汚れた電源となります。

CO2 排出量を削減するには、社会はできるだけ早くエネルギーシステムを脱炭素化する必要があります。 風力発電所や太陽光発電所の建設は比較的安価かつ迅速に行うことができ、石炭火力発電所の閉鎖を加速させます。 しかし、風吹きさらしの平原や太陽が照りつける砂漠といった最良の場所を活用するには、大都市や製造業複合施設に電子を届けるために、送電網を大幅に拡張する必要がある。 これらの電線や電柱は、暴風、洪水、火災によるリスクをもたらしますが、これらはすべて気候変動によって増加しており、次から次へと拡張計画に反対するタウンシップが「うちの裏庭にはありません」と日常的に争っています。

天然ガスのインフラはほぼすべて地下にあり、中断される可能性ははるかに低いです。 米国には、隣接する 48 州のほぼすべての主要都市の地下に約 300 万マイルの天然ガス パイプラインが通っています。 すべてのコンプレッサー、タンク、貯蔵洞窟を追加すると、インフラストラクチャの価値は数兆ドルになります。 発電所自体はさらに数千億ドルを追加します。 天然ガスが供給されている約 7,000 万世帯には、少なくともさらに 1,000 億ドル相当の炉、給湯器、調理台が設置されています。 世界中で埋もれた投資を約 5 倍します。 また、ガスは他のどのエネルギー源よりも社会の他の部門、つまり交通機関、建物（暖房および調理用）、工業（熱用および化学原料として）と密接に絡み合っているため、代替が困難です。

本来の耐用年数が終わる前にそのインフラを交換することは、現在の所有者にとっても経済的損失を伴うことになり、所有者は抵抗するだろう。 この代替技術は納税者、料金支払者、住宅所有者に損害を与える可能性があり、彼らも反対するだろう。 そして、電力を増やしても、トラック、船舶、飛行機で燃焼される液体燃料の必要性や、大量の金属、セメント、ガラス、ジェット燃料、化学薬品を製造する工業用鋳物工場、蒸留所、製油所での高熱の必要性はすぐには解決されません。 液体燃料のエネルギー密度を一致させるのは困難です。

天然ガスシステムから排出物を一掃できれば、それは架け橋ではなく、カーボンニュートラルな未来の一部となる可能性があります。 この技術は、炭素を抽出したり、ガスを変換して炭素の排出と炭素のバランスをゼロまたはゼロに近づけるために存在します。

国のエネルギーインフラを脱炭素化するための包括的な計画の最初のステップは、消費を削減するためにエネルギー効率と節約を改善することです。 2 つ目は、再生可能エネルギーを使用して、可能な限り多くの自動車、暖房器具、給湯器、調理台を電化することです。 同時に、ガス漏れの多いインフラを強化します。 そして、できるだけ多くの天然ガスをバイオガス、水素、合成メタンなどの低炭素代替ガスに置き換えるか、天然ガスパイプの末端で熱分解と呼ばれるプロセスを使用して炭素を除去します。

クリーン エネルギー支持者が、ガス インフラへの投資がロックイン効果を生むのではないかと懸念するのは当然です。 新しい発電所、パイプライン、またはガス貯蔵ユニットの耐用年数は 25 ～ 80 年と予想されているため、各要素はさらなる排出の罠になるか、座礁資産になる可能性があります。 しかし、天然ガスに代わるドロップイン代替手段、つまり既存のパイプ、タンク、発電所を通って流れる低炭素ガスを利用して、数兆ドル規模の資産を活用することで、ロックイン問題を解決することができます。

天然ガスの最もすぐに使える代替品はバイオメタン、つまり生物源から生成されるメタンガスです。 嫌気性消化槽と呼ばれる大きなドラム缶内の微生物が作物廃棄物、肥料、下水、食品廃棄物、埋め立て地のその他のゴミなどの有機物を噛み砕いてメタンを生成します。 バイオダイジェスターはすでに成熟した技術であり、埋め立て地や動物の集中飼養作業に隣接する廃棄物ラグーンの廃棄物の流れを、環境上の負債から貴重な商品に変え、自治体や農家に収入をもたらします。

テキサス州オースティンではバイオメタンの取り組みが行われている。同市の埋立地の一つを運営するウェイスト・マネジメント社は、敷地内の128の井戸からバイオメタンを収集し、それを燃やして4,000～6,000世帯分の電力を生成している。 また、市の下水処理施設の 1 つは、それぞれ 200 万ガロンの容量を持つ 8 つの生物分解装置を備えています。 微生物は下水をバイオガスに変換し、現場の発電機に燃料を供給します。 このプロセスでは、塊状の堆肥のような感触と臭いがする、ディロダートと呼ばれる固形の副産物が生成されます。 市内業者が土壌を豊かにするために地域の店舗で袋単位で販売している。

現在、米国の 2,000 以上の埋立地の約 4 分の 1 が、ガスを回収するか、バイオダイジェスターを使用して廃棄物をバイオガスに処理しています。 しかし、それは国の総天然ガス使用量の 1% 未満を相殺するにすぎません。 バイオガスは天然ガスの直接の代替品として機能しますが、世界的に見て相対的な量は少ないです。 農場、埋め立て地、または下水処理場が発電にガスをすぐに使用できない場合、またはガス網に隣接していない場合は、バイオメタンを液化して別の場所にトラックで輸送する必要があり、二酸化炭素の排出量が減少する可能性があります。 それでも、バイオメタンは、ガスシステムの一部の脱炭素化を開始できる商業化可能な技術です。

天然ガスは完全に水素に置き換えることができます。 タービンは水素を燃焼させて送電網用の電力を生成し、内燃エンジンは大型車両で水素を燃焼させることができます。 燃料電池内の水素は、自動車、家庭、オフィス用の電気を生成できます。 そして、水素は多くの基礎化学物質のすぐに使える構成要素です。 燃やしたり、燃料電池で反応させたりしても、CO2は発生しません。 漏洩した水素の温暖化効果はメタンのほんの一部です。

天然の水素は、地球上の多くのクラトン (大陸の中心部を形成する古代の岩石の大きな塊) の盆地から地中から浸透します。 科学者たちは 1 世紀以上にわたってこれらの湧出物を偶然発見してきました。 しかし、石油・ガス会社は、水素が地下貯留層のそばにあるのを発見すると、発火したり金属配管を劣化させたりする可能性があるため、水素は厄介なものであると考えてきた。 しかし現在、企業や大学の研究者は水素試験井を掘削し、地下の水素を探索するための複数年にわたるプログラムを立ち上げている。 この期待は、シェール破砕のごく初期の頃に生じたものと似ているように感じられます。エンジニアがそれを安価かつ安全に利用する方法を見つけられれば、膨大な資源がそこに存在します。

水素の製造も可能です。 現在、産業用の水素のほとんどは、メタンの水蒸気再形成によって製造されており、メタンに熱と熱水を加えて水素と CO2 を生成します。 電気分解（電気を使用して水を水素と酸素に分解）でも、水素ガスを生成できます。 ただし、どちらのプロセスも大量のエネルギーを必要とします。

ガス状の水素の移動と貯蔵も課題です。 水素は密度が低いため、メタンなどの密度の高い気体や石油などの液体と比較して、パイプの中を移動するには多くのエネルギーが必要です。 数百キロメートルを超えると、非効率な水素の移動が、水素が運ぶエネルギーの価値よりも高価になってしまいます。 また、運転条件を変更したり、高価な合金を組み込んだりして緩和しない限り、水素は鋼鉄パイプラインを脆化させる可能性があります。

水素を統合する 1 つの方法は、既存の天然ガス パイプライン内で水素をメタンと混合することです。 この混合により、天然ガスの一部が水素に置き換わることにより、システムの一部が脱炭素化されます。 イギリスとフランスで行われた実験では、80パーセントのメタンと20パーセントの水素の混合物が天然ガスパイプライン内で効率的に移動できることが示されています。 2018年半ばから2020年3月までの研究の一環として、フランスのダンケルクでは、パイプライン沿いや建物内に新たな設備を導入することなく、80対20の混合物を100世帯と病院のボイラーに燃料として使用した。

純粋な水素と同様、混合ガスは異なる温度と速度で燃焼するため、20% を超える水素を含む混合ガスの場合、バーナーチップなどの炉やストーブ内の付属品を変更または交換する必要がある場合があります。 もう 1 つの考慮事項は、水素のエネルギー密度が低いため、体積比で 20 パーセント混合すると、天然ガスよりも立方フィートあたりのエネルギーが 14 パーセント少なくなるということです。

特定のコストと安全性の課題を回避する方法の 1 つは、窒素原子 1 つと水素原子 3 つを持つアンモニアなど、私たちが扱い方を知っている別の化学形態の一部として水素をパイプで輸送することです。 水素原子を含む分子は水素キャリアとして知られています。 水素は、発見または生産された場所でキャリアに変換され、既存のパイプラインに投下され、そのままの形で使用されるか、目的地で再び水素に変換されます。

アンモニア、ギ酸、メタノールなどの一般的なキャリアは、周囲条件に近い状態では液体であるため、ガス状の水素よりも輸送が容易です。 アンモニアは腐食性ですが、肥料成分としてすでに世界中に流通しており、燃やしてもCO2を発生させません。 メタンは炭素原子ごとに 4 つの水素原子を持ち、既存のパイプ、コンプレッサー、タンク、タービン、機器とすでに互換性があるため、最も効率的な選択肢となる可能性があります。

実証プロジェクトの数は急速に増加しています。 フィンランドの工業建造会社バルチラは、2023 年にバイキング・エナジーという名前の新しい船を建造中です。この船は、燃料電池を備えたアンモニアで動作し、海事部門を悩ませる温室効果ガスの排出やその他の汚染物質を回避します。 エールフランスとパリのシャルル・ド・ゴール空港は、航空の脱炭素化の手段として水素に非常に関心を持っています。 しかし、水素運搬船はまだ研究の初期段階にあるため、どの程度成功するかを言うのは難しい。

水素を燃焼させる発電所も計画中です。 ユタ州デルタにあるインターマウンテン発電所（米国最大の石炭火力発電所の 1 つ）は、ロサンゼルスまで数百マイルに電力を送っています。 再生可能かつ低炭素エネルギーに対する市の長期的な要件を満たすため、発電所所有者は2025年に石炭ボイラーを水素を燃焼できるタービンに置き換える予定だ。 天然ガスに30パーセントの水素を混合することから始め、後に100パーセントの水素に移行する予定だ。 水素は風力と太陽光による電気分解を利用してその場で生成され、エンパイア ステート ビルディングほどの大きさの既存の 100 以上の地下塩の洞窟に貯蔵されます。

天然ガスがパイプラインに入る前に脱炭素化する代わりに、顧客がガスを消費するパイプの末端で炭素を除去することができます。 たとえば、メタンはユーザーの場所で水素と固体炭素に分解され、細かい黒い塵のように見えます。 メタン熱分解と呼ばれるこのプロセスは効率的で、CO2 の排出を削減します。 熱分解メタンから生成される水素 1 キログラムごとに、メタンが燃焼した場合に排出される CO2 ガス 9 キログラムの代わりに、固体炭素 3 キログラムが生成されます。

炉やストーブのコレクター内に溜まった炭素粉塵の山は、毎月、運び出されていました。 私たちはすでに、固形廃棄物と液体廃棄物の浄化のために、ゴミ収集業者や地方自治体の下水処理施設にお金を払っています。 ガスの使用から出る廃棄物を浄化するためにもお金を払うべきです。 しかし、カーボンパイルは実際には価値があり、黒鉛、ゴム、塗料、電池、化学薬品を製造するための基本的な原料として、また農業用の土壌改良材として販売できるからです。

エンジニアは何十年にもわたってメタン熱分解を研究してきましたが、それを導入したのは小規模な実証プロジェクトのみでした。 炭素を分離するにはパイプの末端の一部の設備を変更する必要があるが、高価な水素パイプラインを建設する必要はなく、事態は大幅に簡素化される。 従来の天然ガスを熱分解すると、システム全体の炭素をほぼゼロにすることができます。 バイオダイジェスターからのメタン、または再生可能電力を使用して大気中の CO2 から生成されたメタンを追加すると、システムがカーボンネガティブになる可能性があります。

これらの脱炭素化された未来を想像すると、消費者向けに大規模な新しい工業団地や何百万もの小規模な設備変更のビジョンが思い浮かぶかもしれません。 しかし、排出量を抑制するための他の提案も同様だ。 すべてのヒーター、ストーブ、車両を電気化するには、広範な技術の置き換えが必要になります。 空気中から CO2 を直接回収する計画では、ガスを捕捉して隔離するために数百万台の大型機械が必要になります。その大規模な企業は、多くの新しい土地と新しい電力も必要とします。

脱炭素化ガスにより、数兆ドル規模の既存のパイプライン、設備、機器を活用できるようになり、ゼロカーボン エネルギー システムの構築にかかる巨額の資金と長年の時間を節約できます。 もちろん、漏洩しやすいインフラを修正する必要があります。 油井現場で空気圧機器を電気機器に置き換え、ドローンやロボットのセンサーを使ってパイプとタンクの検査の自動化を改善し、意図的に通気や燃焼だけでなく、漏れを無視しない規制を作成することで、漏れを最小限に抑えることができます。不要なガス。 この取り組みにより、石油・ガス産業の労働者に雇用が創出され、エネルギーインフラが浄化され、ひいてはエネルギー施設近くの地域社会の汚染を軽減できる可能性がある。

気候変動を抑制するには多くの解決策が必要です。 天然ガス会社など、誰がこれらの企業に加わることができないかを宣言することは、進歩に対する抵抗を高めるだけです。 脱炭素化ガスは再生可能電力を補完することができ、社会の電化が難しい地域にとってはより早く、より安く、より効果的な手段となる可能性があるため、私たちはガスを選択肢として捨てるべきではありません。 私たちは大規模なガスインフラを持っており、それをどうするかを考えなければなりません。 それを廃棄することは時間と費用がかかり、信じられないほど困難ですが、代わりにそれを活用して低炭素の未来を創造することは可能です。

この記事は当初、「天然ガスについて何をすべきか」というタイトルで、Scientific American 324、4、30-37 (2021 年 4 月) に掲載されました。

土井:10.1038/scientificamerican0421-30

天然ガスの燃焼 。 編集者。 1888年6月23日。

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