<吉祥寺残日録>世界的な競争に入った地球温暖化対策!日本の新たな希望は「人工光合成」か? #210528

トランプさんが退場してから、世界中で地球温暖化対策競争が激化し始めた。

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バイデン政権となったアメリカでは、スーパーメジャーと呼ばれる巨大石油会社「エクソンモービル」に対して環境対策の強化を求める新興の投資会社「エンジン・ナンバーワン」が新たな役員を送り込む提案を行い、会社側の反対にもかかわらず他の株主たちからの支持を得て議案を通した。

つまり、エネルギー分野を牛耳っていた巨大企業でさえ、地球温暖化対策に取り組まないと生き残れない時代に入ったということのようだ。

日本でも、菅政権の国際公約に従って、国や自治体、企業が取り組むべき気候変動対策を定めた改正地球温暖化対策推進法が成立した。

「2050年までの脱炭素社会の実現」を明記したこの法律に与野党すべてが賛成し、全会一致で決まったことは1年前までは考えられない驚きである。

上の表は日本経済新聞からお借りしたものだが、具体策についても重要なので引用させていただく。

目標達成に欠かせない再生エネの導入拡大に向けて、改正法の柱となるのが促進区域だ。市町村は再生エネの発電所をつくっても安全で経済性を見込めると判断した地域を絞り込み、近隣住民などにも事前了解を得た上で区域を設定する。

区域内での事業を市町村が認定すれば、事業者は自然公園法や農地法といった発電所設置に必要な手続きを市町村を窓口にしてワンストップで済ませられる。環境影響評価(環境アセスメント)の手続きの一部も簡略化できる。

事業者の負担を軽くして再生エネ導入の迅速化につなげる。地域住民にとっても、あらかじめ風力発電の風車やメガソーラーなどが建設されるエリアを知っていれば安心感が増す。

再生エネ施設をめぐっては、騒音や景観などの懸念から地域住民が建設に反対し、事業開始が遅れたり、プロジェクトを断念したりする事例が各地で起きている。促進区域の仕組みによって、トラブルが起こるリスクを下げ、企業などが再生エネ事業を円滑に進められるようにする。

都道府県には再生エネの導入目標の開示を義務付け、実行計画を立てて導入を進めてもらう。市町村にも目標開示の努力義務を課す。

企業の排出量についても事業所単位で公表し、脱炭素の努力を「見える化」する。世界で脱炭素の流れが強まるなか、排出量はESG(環境・社会・企業統治)の観点で投融資先を選ぶ目安になる。脱炭素の取り組みは資金調達に影響し、企業の経営課題の一つとなっている。

引用:日本経済新聞

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どうやら自治体や企業に数値目標を課して、再生エネルギーの導入を推進するということのようだ。

しかし、日本の山や農地が太陽光パネルで覆い尽くされるのは本当に良い解決法なのか、そんな疑問が湧いてくる。

そんな中で、私がちょっと気になっているのが「人工光合成」という技術だ。

先月下旬、こんなニュースが流れた。

トヨタ自動車グループの研究開発会社、豊田中央研究所(愛知県長久手市)は、水と二酸化炭素(CO2)を原料に太陽光を利用して有用物質を作り出す「人工光合成」の技術で、エネルギー変換効率を従来の約4.8倍の7.2%に高めた。世界最高性能だという。今後装置を大型にし、実用的な水準といわれる10%以上を目指す。

引用:日本経済新聞「人工光合成効率、世界最高の7.2%」

光合成といえば、植物が太陽光を使ってCO2を栄養素に変える仕組みだが、これを人工的に行って空気中の二酸化炭素を減らす研究を日本は国家プロジェクトとして進めていることを知った。

温暖化対策といえば、電気自動車や太陽光パネル、さらにはレジ袋の削減とワンパターンに考えがちだが、アプローチの方法は実はたくさんあるのだということに気づかされる。

とはいえ、私のような技術音痴にはよく理解できないが、サイエンスライターの佐藤健太郎さんという方が書いた記事を読んでいろいろと基本的な発見があった。

『「人工光合成」トヨタ系研究所が世界を一歩リード! その「夢の技術」とは?』というその記事を引用させていただこう。

 近年、「脱炭素社会」という言葉が盛んに使われるようになった。ただし、有機化学(炭素を中心とした化学)の研究歴を持つ筆者のような者からすると、この言葉には大いなる違和感がある。炭素を抜きにしては、社会も文明も一切存在し得ないからだ。

 他のあらゆる元素とは異なり、炭素はお互いに長くつながり合って安定な分子を作ることができる。酸素や窒素が、3~4個もつながり合うと不安定になり、爆発分解してしまうのとは対照的だ。このため炭素は、極めて多彩な物質群を作り出すことができる。これまで発見され、作り出された物質の8割は、炭素を含んだ化合物だ。100以上もある他の全元素が束になってかかっても、炭素の作り出す物質世界の足元にも及ばないのだ。

 我々の体を構成するDNAやタンパク質、脂肪などや、木材、紙、プラスチック、アスファルトなどの重要材料も、みな炭素が骨格を成している。本当に「脱炭素」などしてしまった日には、文明社会どころか全生命が成り立たなくなってしまうのだ。

 そしてもう一つ、炭素には文明を支える重要な用途がある。言うまでもなく、エネルギー源としての活用だ。石油や石炭は、炭素と水素が複雑に結びついてできたものだ。炭素と炭素、炭素と水素の結合には、高い化学エネルギーが潜在している。これを高温で酸素と反応させてやると、エネルギーの低い炭素-酸素結合に組み変わり、両者のエネルギーの差分が外部に放出される。これが燃焼であり、我々はこのエネルギーで自動車を動かしたり、パンを焼いたり、電気を作ったりしている。また動植物は、糖分や脂肪などをゆっくり燃焼させることで生きるためのエネルギーを得ており、原理は同じことだ。

 炭素を酸素と結びつける反応を「酸化」、炭素から酸素を切り離し、炭素-炭素あるいは炭素-水素の結合に戻すことを「還元」と称する。

 現在の問題は、人類の活動によって生成した炭素の酸化物、すなわちCO₂が大気中に増え過ぎていることだ。かといって、火力発電や鉄鋼生産からのCO₂排出を、今すぐ半減させるような手立てはない。となれば、温室効果ガスであるCO₂を還元し、有用な資源となる還元型の炭素に戻してやる技術が必要だ。我々が目指すべきは脱炭素ではなく、地球全体を見渡した炭素の酸化・還元のマネジメントであるといえる。

引用:フォーサイト

なるほど、目指すべきは「脱炭素」ではなく「炭素の酸化・還元のマネジメント」、つまり排出した分だけ回収することだと理解した。

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基本的なことから学ぶことの大切さを感じたことは、最近見るようになったEテレの「高校講座」でもあった。

女優の佐藤藍子さんも出演する「地学基礎」の「地球の大気」という回を見たのだが、この分野での私の知識が決定的に足りていないことを痛感した。

たとえば、こんな内容だ。

  • 大気の厚さはおよそ100キロメートルで、地球の半径の60分の1しかない。
  • 大気の組成は、窒素78%、酸素21%、アルゴン0.9%、二酸化炭素0.04%でCO2の量はごく少ない。
  • 金星の大気は二酸化炭素が96%、火星の二酸化炭素は95%。

大気に含まれる二酸化炭素の比率が0.04%とは、昔習ったかもしれないがまったく頭の中になかった。

二酸化炭素を回収する技術と一口で言っても、簡単ではないのはわかる気がする。

さらに大気の層による温度変化についても、眼から鱗だった。

山に登ったり飛行機に乗ると気温が下がる経験から、大気も上に行くほど気温が下がると思っていたが、実は上のグラフのように上がったり下がったり不思議なグラフとなるのだそうだ。

  • 地上から高度10〜12キロまでの「対流圏」では高度が上がるに従って気温は下がる。気圧が下がることによって温度が下がることに加え、熱を持った地上から離れていくことが原因だ。
  • 高度12キロで気温低下は止まり、20キロあたりからの「成層圏」では気温は上昇する。オゾン層が紫外線を吸収して熱を発生させるため、成層圏のオゾン層より上では温度が上がるのだ。
  • 高度50キロからの「中間層」では再び気温は下がっていく。中間層では大気の密度はかなり小さくなって酸素は少なく、オゾンもわずかしかないことが原因。
  • 高度80キロ以上の「熱圏」では、急激に気温が上昇していく。窒素や酸素が太陽からのX線や紫外線を吸収して分子が激しく運動することで熱が発生する。ただ分子の密度が極めて薄いのでもしそこにいられるとしても暑さは感じない。オーロラも熱圏で起こる現象。

こんなこと、学校で習った記憶がまったくない。

でも、大気のことを知らないまま、地球温暖化の話をするのもおかしな話だと感じる。

高校講座「地学基礎」の別の回では「地球の熱収支」というテーマだったのだが、こちらはズバリ地球温暖化問題を理解する上での基礎知識について学んだ。

まずは地球が太陽から受けている「太陽放射」の説明から。

太陽は可視光線を中心として、紫外線・赤外線・エックス線など、さまざまな波長の電磁波を放射していて、これを「太陽放射」という。

地球が受けている太陽放射は、どのくらいなのでしょうか。

左の画像のように1mの平面が、地球の大気の外側にあるとすると、その平面が太陽光線を垂直に受けるエネルギーは、約1370W/mになります。
このエネルギー量を太陽定数といいます。

この太陽定数に地球の断面積をかけた値が、地球全体で受け取るエネルギー量です。
地球が1秒間に受ける太陽放射のエネルギー量は、1.75×1014kW=約175兆kWになります。
これは、大きな火力発電所3000万個分ぐらいのエネルギー量です。

引用:NHK高校講座「地学基礎」

地球全体で1秒間に火力発電所3000万個分のエネルギーを受け取っているというのには驚いた。

しかし地球に届いた太陽放射の22%は雲や大気が反射、9%は地表面が反射し宇宙に放出される。

さらに20%は大気や雲に吸収され、残りの49%が地表面に吸収されているのだそうだ。

一方、太陽によって温められた地球は熱を持つため、エネルギーを吸収するだけではなく赤外線を出すことで放射もしている。

これを「地球放射」という。

身の回りにあるあらゆるものが赤外線を放出していて、サーモカメラはその赤外線を測定して温度を測っているのだ。

「太陽放射」に比べてわかりにくい「地球放射」だが、太陽放射を100とすると地表面から放射される赤外線は102もあり、そのほとんどは大気中の水蒸気や二酸化炭素が吸収し、そのうちのなんと95は再び地表に戻ってくるのだという。

この地球が放射する赤外線が、水蒸気や二酸化炭素などによって戻ってくる現象が「温室効果」なのである。

「温室効果ガス」というと地球温暖化問題では悪者だが、実は重要な役割を果たしているのだという。

温室効果は、地球に住む生物にとって欠かせないものなのです。
水蒸気や二酸化炭素のほかに、メタンやフロンなども、地球が出した赤外線を吸収して地表に戻す性質を持っています。
こうした働きをする気体を温室効果ガスといいます。

現在の地球表面の平均温度は15℃ぐらいです。
もし温室効果ガスがなく、地球のアルベドが変わらないとすると、地球の表面温度は約-18℃になってしまいます。
このように、温室効果の有無で33℃も違ってきます。
地球は、温室効果があるおかげで、人間などの生物にとって快適な温度で熱収支が保たれているのです。

引用:NHK高校講座「地学基礎」

これまた、眼から鱗のビックリ仰天である。

温室効果ガスがなければ人間は生きていけないなんて、私の頭の中にはまったくなかった。

やっぱり無知な者があれこれ考えても、正しい答えは導かれない。

基礎を学ぶことは重要である。

こうして入ってくるエネルギーと出ていくエネルギーを計算すると、不思議なことにプラスマイナスゼロとなる。

これが「地球の熱収支」であり、バランスが取れているということらしい。

やっぱりこんなことは学校で習った記憶がない。

新しい知識なのかもしれないが、「三つ子の魂百まで」ということで、どうしても年寄りは昔の知識で物事を考えてしまいがちだ。

録画した高校講座を見ながら、学ぶことの大切さを改めて痛感する。

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基本的なことがわかったうえで再び人工光合成の話に戻る。

佐藤さんの記事の続き、植物の光合成に関する部分を引用させていただく。

 大気中のCO₂濃度上昇を抑えつつ、化石燃料の消費を削減し、有用な資源を得るという一石三鳥。この難事を実現しているのが、世界中の植物たちだ。彼らは無尽蔵の太陽光をエネルギー源にし、CO₂を還元して糖分に変換するという離れ業、すなわち光合成をやってのけている。何しろ、大気中にわずか0.04%しか存在しないCO₂を集めて反応させているのだから、その効率のよさがわかる。

 光合成が離れ業だというもう一つの理由は、太陽光エネルギーの密度の低さだ。地球に降り注ぐ太陽のエネルギーは、わずか1時間分で全世界の消費エネルギー1年分を賄えるほど膨大なものだ。しかしそのエネルギーは地球の表面に薄く広く降り注ぐため、かき集めることが難しい。太陽光発電のパネルが、あれほど広大な敷地を占有しながら、日本の消費電力の8%前後を稼ぎ出すに過ぎないのはこのためだ。

 しかし植物は、小さな葉に当たる僅かな光のみをエネルギー源とし、あの巨大な幹や根、花や実を作り出している。化学プラントに見られるような、高温も高圧も必要としない。この至難の業を実現させるため、植物は洗練の極みというべき光合成システムを作り上げた。

 光合成の中心になるのは、葉緑素と呼ばれる化合物だ。ここに当たった光の粒子(光子)が電子をはじき出し、ここから光合成の長い過程が始まる。最終的にCO₂を還元してブドウ糖に変換するまでには多数の電子が必要になるが、前述のように光子の密度は極めて低い。そこで、葉緑体内部には葉緑素分子が精密に配置されており、得られた貴重な電子を漏らさぬよう輸送して還元が行われる。その壮大な仕組みを見ると、1電子たりとも逃しはしないという、植物の執念のようなものさえ感じられるほどだ。

 この後の過程も複雑かつ緻密なものであり、いまだ解明されていない部分も多い。自然は数々の驚くべき仕組みを作り上げているが、光合成経路はその最高傑作の一つと言っていいだろう。しかも植物は、水とわずかな肥料だけで自己増殖し、膨大なCO₂を吸収して酸素を生んでくれる。人類がこれに匹敵するシステムを作り上げられるのはいつになるか、見当もつかないほどだ。

引用:フォーサイト

植物が行う光合成のメカニズムは、未だに全ては解き明かされていないようだ。

地球環境を守ってきたこの植物たちの営みを破壊し、縄張りを必要以上に広げてきたのが人間の歴史である。

もし人間が切り開いた農地や宅地を再び植物たちに返したなら、地球温暖化は食い止められるかもしれない。

しかし、第二次世界大戦後、世界の人口は爆発的に増え続け、食糧を確保するために農地をさらに拡大しようとしている。

そこで研究が進められているのが「人工光合成」という未知の技術である。

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「人工光合成」の研究と今回のトヨタの成果について佐藤さんの記事は、次のように書いている。

 太陽光エネルギーを生かして直接に燃料や工業原料が合成できるのなら、植物の光合成にはまねのできない大きなメリットとなる。このため、人工光合成はさまざまな角度から研究されてきた。植物のように葉緑素を利用するもの、人工的に改変したタンパク質を活用するもの、半導体と分子触媒を用いた完全に人工的な系など、アプローチは多岐にわたっている。また、CO₂の還元を目的とせず、太陽光で水を分解して酸素と水素を発生させる研究も、近年大きな進展を見せている。

 今回、豊田中研が発表した人工光合成系をごく簡単にいうと、太陽電池で発生した電流をCO₂水溶液に流し、発生した電子を利用してCO₂を還元することで、ギ酸と酸素を作り出すというものだ。ギ酸の分子式はHCOOHであり、CO₂に水素原子が2つ結びついた(還元された)ものに相当する。

 この原理が最初に発表された2011年には、太陽光変換効率(太陽光のエネルギーを有機物の生産に使える割合)はわずか0.04%に過ぎなかった。しかし今回、太陽電池パネルを大面積化(36cm四方)すると同時に、触媒となる分子の構造を工夫することにより、この効率は7.2%と飛躍的に高められている。これは、植物による光合成の効率(多くは1%以下)を大きく上回る。

 得られるギ酸は、一酸化炭素(CO)と水に分解することができる。一酸化炭素はメタノールや液体燃料に変換可能な、重要な工業原料だ。また、ギ酸はCO₂と水素(H₂)に分解することもできる。先ほど、この人工光合成系は水とCO₂をギ酸と酸素に変えると述べた。そのギ酸をCO₂と水素に変換するということは、CO₂を媒介として、水を水素と酸素に分解する系とも捉えられる。太陽光のみをエネルギー源とし、最もクリーンな燃料である水素を、扱いやすい形態のギ酸として作り出すわけだから、大いに有望な技術だ。

 この系はCO₂水溶液を用いるので、大気中のCO₂を除くのではなく、工場などから排出されるCO₂を回収資源化するシステムに向いていると見られる。触媒の長寿命化、レアメタル使用の回避、スケールアップなどまだ課題は多いが、同研究所では2030年の実用化を目指すとしている。

 人工光合成は、長らく化学分野における夢の技術とされてきたが、ついに社会実装が視野に入るところまでやってきた。CO₂削減・省資源に貢献しうる技術であり、日本が世界をリードしている分野でもある。アカデミア主導の基礎研究が主体となってきたが、今後は工学的な視点からの検討や、企業の参入が望まれる局面に入るだろう。今後の環境問題と産業の行方を左右しうる技術として、日本が今以上に注力すべき分野ではないかと考える。

引用:フォーサイト

「人工光合成」技術は日本が世界をリードしているという。

この分野では、新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)が中心となる国家プロジェクトが10年前にスタートしていて、今年が最終年である。

投入された予算は10年間で145億円。

しかし太陽光発電パネルの技術があっという間に中国や韓国に抜き去られたように、技術がある程度確立した段階で、大量生産する他国に利益をさらわれることの連続だった。

ここはグリーンを標榜する菅政権に大いに頑張ってもらいたい。

太陽光パネルに覆われた日本列島よりも、個人的には「人工光合成」という響きのよい技術が実用化し、緑あふれる環境の中で人間がゆとりを持って暮らせる社会が訪れることを望む。

日本の希望として今後も「人工光合成」の進展に注目していきたい。

<吉祥寺残日録>温暖化対策に新目標!私は「氷河期」10万年周期説を学ぶ #210423

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