産業排出源からのCO2分離・回収技術の現場導入：既存プロセスとの統合と効果的な運用戦略
はじめに
企業のグリーントランスフォーメーション（GX）推進において、産業部門からの温室効果ガス排出量削減は喫緊の課題です。特に、製造プロセス由来の二酸化炭素（CO2）排出は、エネルギー効率化や再生可能エネルギー導入だけでは対応が困難な場合が多く、CO2分離・回収・利用・貯留（CCUS: Carbon Capture, Utilization and Storage）技術への期待が高まっています。しかし、CCUS技術の導入は、単に最新技術を導入すれば良いというものではなく、既存の生産プロセスとの複雑な連携、高額な初期投資と運転コスト、そして長期的な運用における課題を乗り越える必要があります。
本稿では、企業の生産技術部、研究開発部門、環境推進部門の技術者やマネージャーの方々が、CCUS技術を自社の工場やプラントへ実践的に導入し、効果的に運用するための具体的なノウハウと成功要因を解説します。技術の理論的な側面だけでなく、現場で直面するであろう課題に対する解決策、導入効果の測定方法、そして経済性評価のポイントに焦点を当て、貴社のGX推進に貢献する実践的な情報を提供いたします。
1. 産業用CCUS技術の概要と重要性
CCUSは、大規模排出源からCO2を分離・回収し、地中深くに貯留するか、化学製品や燃料などの有効な資源として利用する技術群の総称です。GX推進の文脈において、排出量削減が困難なプロセス（例：製鉄、セメント、化学、電力）からのCO2排出量を大幅に削減し、カーボンニュートラル社会を実現するための不可欠な手段と位置づけられています。
現在、産業排出源からのCO2分離・回収技術としては、主に以下の手法が挙げられます。
- 化学吸収法: アミン溶液などの吸収液を用いてCO2を化学的に吸収し、加熱によってCO2を脱離・回収する方法です。成熟した技術であり、様々な産業に適用されていますが、再生エネルギー消費が大きい点が課題となることがあります。
- 物理吸着法: 固体吸着材（例：ゼオライト、活性炭、MOF）を用いてCO2を物理的に吸着・脱着する方法です。比較的小規模な排出源やCO2濃度が高い排ガスに適していますが、吸着材の選定と耐久性が重要です。
- 膜分離法: 特定のガスを選択的に透過させる膜を用いてCO2を分離する方法です。省スペースでシンプルなシステムを構築できますが、分離性能と膜の耐久性が適用範囲を決定します。
これらの技術は、排ガスの組成、CO2濃度、温度、圧力、そして必要なCO2回収率や純度に応じて最適なものが選択されます。
2. 現場導入における主要課題と解決策
CCUS技術を産業現場に導入する際には、いくつかの共通の課題に直面します。これらの課題に対する具体的な解決策を理解することが、プロジェクト成功の鍵となります。
2.1. 既存プロセスとの統合
CCUS設備は独立して稼働するわけではなく、既存の生産プロセスから排出されるガスを処理し、そこからCO2を回収します。そのため、既存プロセスとのシームレスな統合が不可欠です。
- 排ガス特性への対応: 産業排ガスは、CO2以外に水蒸気、窒素酸化物（NOx）、硫黄酸化物（SOx）、粉塵などの不純物を含みます。これらの不純物は回収設備の性能低下や劣化を引き起こすため、前処理設備の導入（脱硝、脱硫、除塵など）が必須となります。排ガスの温度や圧力、流量の変動にも対応できる設計が求められます。
- エネルギー供給の最適化: 特に化学吸収法では、CO2の脱離に大量の熱エネルギー（蒸気）を必要とします。既存プロセスからの廃熱利用や、工場全体のエネルギーバランスを考慮した熱源・電力の確保が重要です。ヒートポンプや排熱回収ボイラーなどの省エネルギー技術を組み込むことで、運転コストの低減を図ります。
- プロセス改修の最小化: 既存設備の稼働を長時間停止させることは、生産性低下に直結します。CCUS設備の導入は、既存プロセスへの影響を最小限に抑えるように設計し、オフシーズンや定期点検期間を活用した工事計画を策定することが望ましいです。
2.2. コストと経済性
CCUSは一般的に高額な初期投資（CAPEX: Capital Expenditure）と運転費用（OPEX: Operating Expenditure）を伴います。
- CAPEXとOPEXの内訳:
- CAPEX: 分離・回収装置本体、前処理設備、CO2圧縮・液化設備、貯蔵・輸送関連設備、土木・建築費用、エンジニアリング費用などが含まれます。
- OPEX: エネルギー費用（電力、蒸気）、吸収液・吸着材の補充・交換費用、メンテナンス費用、人件費、CO2輸送・貯蔵費用などが含まれます。
- 回収コストの削減アプローチ:
- 技術選定の最適化: 排ガス特性に最も適した技術を選定することで、不要な設備投資や運転コストを削減します。
- エネルギー効率の向上: 廃熱利用、高効率コンプレッサーの導入、プロセス最適化により、エネルギー消費量を削減します。
- サプライチェーンの最適化: CO2の輸送・貯蔵先との距離、利用先との連携を考慮し、最も経済的なサプライチェーンを構築します。
- モジュール化・標準化: 設備の一部をモジュール化することで、建設期間の短縮とコスト削減を目指します。
- 投資回収期間の考え方: CO2回収コストは、技術、規模、立地によって大きく変動します。投資回収期間は、回収したCO2の利用価値（製品化、販売）、炭素価格（排出量取引市場価格、炭素税）、そして政府からの補助金や優遇措置によって大きく左右されます。複数のシナリオを想定したLCA（ライフサイクルアセスメント）や経済性評価が不可欠です。
2.3. 運用・保守の課題
CCUS設備の安定稼働には、適切な運用・保守が欠かせません。
- 吸収液・吸着材の劣化・寿命: 化学吸収法では吸収液の劣化や損失、吸着法では吸着材の性能低下が起こり得ます。定期的な補給や再生、交換計画が必要です。
- CO2の純度管理: 回収されたCO2は、利用や貯蔵の要件に応じて高い純度が求められます。特に貯蔵の場合、不純物が貯留層の安全性や効率に影響を与える可能性があります。連続的なモニタリングと制御が必要です。
- 腐食・スケール対策: 排ガス中の成分や吸収液が原因で、設備内部の腐食やスケール生成が発生することがあります。適切な材料選定や防食対策、定期的な洗浄・点検が重要です。
- 安全性確保: 高圧のCO2を取り扱うため、漏洩防止や緊急停止システムなど、厳格な安全対策が求められます。
2.4. 補助金・規制動向の活用
政府や自治体は、GX推進に向けたCCUS技術の導入を支援するため、様々な補助金や税制優遇措置を設けています。
- 補助金制度の活用: 例えば、経済産業省のGX関連投資促進策や、環境省のCO2排出削減対策強化事業など、CCUS導入に特化した大規模な補助金制度が設けられている場合があります。これらの情報を常に収集し、自社の計画に合致する制度を積極的に活用することが重要です。
- 炭素価格・排出量取引制度: 炭素税の導入や排出量取引制度の活発化は、CO2排出に経済的コストを課します。CCUS導入による排出量削減は、これらのコストを回避する直接的なメリットとなり、投資の経済性を高めます。
3. 具体的な導入プロセスと実践ノウハウ
CCUS導入プロジェクトは、一般的な設備投資プロジェクトと同様に、いくつかのフェーズを経て進行します。
3.1. フィージビリティスタディ（FS）の重要性
プロジェクトの初期段階で、実現可能性と経済性を徹底的に評価することが成功の第一歩です。
- 排ガス特性評価: 対象となる排ガスのCO2濃度、流量、温度、圧力、不純物組成などを詳細に分析します。これは技術選定の基礎となります。
- サイト選定と制約分析: 設置スペース、既存インフラ（電力、用水、蒸気、排水など）の利用可能性、CO2輸送・貯蔵・利用先との距離、法的規制などを評価します。
- 技術選定と概念設計: 排ガス特性と回収CO2の用途に基づき、複数のCCUS技術候補を比較検討し、最適な技術を選定します。その上で、設備の規模、レイアウト、主要機器の仕様などを定めます。
- シミュレーションとLCA: プロセスシミュレーションを用いて、様々な運転条件における回収性能やエネルギー消費量を予測します。LCAを通じて、サプライチェーン全体での環境負荷を評価し、真のCO2削減効果を定量化します。
- 概算コストと経済性評価: CAPEX、OPEXの概算を行い、炭素価格、補助金などを考慮した上での投資回収期間や内部収益率（IRR）を算出します。
3.2. パイロット・デモプラントを通じた検証
特に新規性の高い技術や、複雑な排ガス特性を持つ場合は、実スケールに近いパイロットプラントやデモンストレーションプラントでの検証が強く推奨されます。
- リスク低減とデータ収集: 小規模な実証を通じて、実際の排ガス条件下での回収性能、吸収液・吸着材の耐久性、不純物の影響などを確認します。
- 最適化とトラブルシューティング: 運転ノウハウを蓄積し、プロセスパラメータの最適化、予期せぬトラブルへの対応策を検討します。
- スケールアップ時の留意点: パイロット規模でのデータは、実証規模や商業規模へのスケールアップ時に必要な設計パラメータの根拠となりますが、スケールアップ効果（例：熱損失率の変化、ガス流速分布）を適切に評価する必要があります。
3.3. 既存設備とのインターフェース設計
エンジニアリング段階では、CCUS設備と既存生産設備との間のインターフェース設計が極めて重要です。
- 配管・計装の統合: 排ガス供給ライン、回収CO2輸送ライン、冷却水・蒸気供給ラインなどの配管ルート、圧力・温度計、流量計などの計装機器の配置を最適化します。
- 制御システムの連携: 既存の分散制御システム（DCS）や安全計装システム（SIS）との連携を確保し、プラント全体の安定稼働と安全性維持を実現します。
- 稼働率への影響評価: CCUS設備の導入が既存生産ラインの稼働率に与える影響を事前に評価し、万一の停止時における迂回ルートやバックアップ体制を検討します。
3.4. 導入効果の測定と評価
CCUS導入の投資効果を明確にするためには、定量的な効果測定と評価が不可欠です。
- CO2削減量の定量化:
- CCUS導入前後の排ガス中のCO2濃度と流量を測定し、削減量を算出します。
- 回収されたCO2の流量と純度を連続的にモニタリングし、利用・貯蔵されたCO2量を正確に記録します。
- 国際的なGHG排出量算定基準（例：ISO 14064, GHGプロトコル）に準拠した算定方法を確立します。
- エネルギー消費量と運転コストのモニタリング: CCUS設備の運転に必要な電力、蒸気、冷却水などのエネルギー消費量を継続的に測定し、OPEXを実測値で把握します。
- KPI（重要業績評価指標）の設定: CO2回収率、回収CO2純度、CO2回収にかかるエネルギー原単位、回収CO2トン当たりのコスト、設備稼働率などをKPIとして設定し、目標達成度を評価します。
4. 導入事例（仮想事例）：製鉄所における高炉ガスからのCO2分離・回収
ここでは、仮想事例として、日本の製鉄所が高炉ガスからのCO2分離・回収に取り組んだケースをご紹介します。
背景
ある製鉄所では、高炉ガスからのCO2排出が主要な排出源であり、GX推進目標達成のためには抜本的な対策が不可欠でした。エネルギー効率化や水素還元製鉄への移行には時間を要するため、既存の高炉プロセスからのCO2排出を削減する中期的なソリューションとして、CCUS技術の導入が検討されました。
採用技術とプロセス
高炉ガスはCO2濃度が比較的高いものの、CO、H2、N2などの不純物も多く、安定的な回収が課題でした。この製鉄所では、実績のある化学吸収法を採用し、特に高炉ガスの特性に適した吸収液の選定と、排ガス前処理技術の最適化に注力しました。具体的には、排ガス中のSOx、粉塵除去のための湿式スクラバー、電気集塵機、脱硫装置をCCUS設備の前に設置しました。
導入プロセス
- フィージビリティスタディ: 高炉ガス組成の詳細分析から始まり、既存の廃熱利用可能性、蒸気供給能力、設置スペースの制約を徹底的に評価しました。複数のCCUSベンダーから技術提案を受け、経済性、安定性、実績を総合的に評価しました。
- パイロットプラントでの検証: 排ガス前処理と化学吸収法の小規模パイロットプラントを設置し、約1年間にわたり実際の高炉ガスを用いて連続運転を行いました。これにより、吸収液の劣化挙動、不純物の影響、最適な運転条件、そして年間を通じた回収率の変動データを取得しました。このデータは、商用プラントの設計に不可欠な情報となりました。
- 既存プロセスとの連携設計: 高炉からの排ガスをCCUS設備に供給するためのダクトや、回収したCO2を液化・貯蔵施設へ送るためのパイプライン、そしてCO2脱離に必要な蒸気を製鉄所内の既存熱源から供給するルートを詳細に設計しました。特に、排熱を最大限活用するための蒸気供給ラインの最適化が重要なポイントでした。
導入効果と課題克服
CCUS設備の導入により、この製鉄所では年間数十万トンのCO2排出量削減を見込んでいます。回収したCO2の一部は、近隣の化学工場での合成燃料製造に利用される予定であり、残りは安全な地層への貯留を計画しています。
導入初期には、高炉ガスの成分変動による回収率の不安定化や、前処理設備でのメンテナンス頻度増加といった課題に直面しました。しかし、パイロットプラントで得られた知見と、リアルタイムの排ガス成分分析に基づいた吸収液の調整、そして予防保全スケジュールの最適化により、安定稼働を実現しました。また、導入コストに対しては、政府のGX関連投資促進補助金を活用し、初期負担を軽減しました。
5. 将来展望とGXへの貢献
CCUS技術は、産業界の脱炭素化を加速させる上で非常に大きな可能性を秘めています。今後、さらなる技術革新により、回収効率の向上、エネルギー消費量の削減、設備コストの低減が進むと予想されます。
特に注目されるのは、空気中のCO2を直接回収するDAC（Direct Air Capture）技術や、バイオマス発電と組み合わせることでネガティブエミッションを実現するBECCS（Bioenergy with Carbon Capture and Storage）のような、より広範なGX貢献を目指す技術です。
企業の皆様がCCUS技術を自社のGX戦略に組み込む際には、単一技術の導入に留まらず、工場全体のエネルギーシステム最適化、サプライチェーン全体での炭素排出量削減、そしてCO2利用先の創出といった多角的な視点を持つことが重要です。CCUSは、既存産業の競争力を維持しつつ、持続可能な社会への移行を実現するための強力なツールとなるでしょう。
結論
本稿では、産業排出源からのCO2分離・回収技術（CCUS）の現場導入に焦点を当て、既存プロセスとの統合、コストと経済性、運用・保守、そして具体的な導入プロセスと事例を通じて、その実践的なノウハウを解説いたしました。
CCUS技術の導入は、技術的・経済的な課題を伴いますが、正確なフィージビリティスタディ、パイロット検証、そして既存設備との綿密な連携設計を通じて、これらの課題を克服し、持続可能な排出量削減を実現することが可能です。政府の補助金制度や規制動向を適切に活用することも、プロジェクトの経済性を高める上で不可欠です。
貴社のGX推進において、本記事がCCUS技術導入の具体的な一歩を踏み出すための信頼性の高い情報源となり、カーボンニュートラル社会の実現に貢献できることを願っております。