大量の二酸化炭素を排出するセメント業界は、太陽光エネルギーの活用で「脱炭素化」を推進できるのか?

年間200億トンもの二酸化炭素を大気中に排出しているというセメント業界。この排出量を減らすべく、太陽光エネルギーをセメント生産に利用する実験が、欧米の2カ所で始まった。すでに実現可能性は見えてきたが、解決すべきいくつかの大きな課題が残されている。

Heliogen

ヘリオマックスの受光部は温度が約980℃まで上昇し、太陽表面の温度のおよそ4分の1にもなる。PHOTOGRAPH BY HELIOGEN

太陽の下、新しいものは何ひとつない──そう言い切るのであれば、ここ最近はカリフォルニア州ランカスターを訪れていないだろう。

モハーヴェ砂漠の外れにあるその町では、大型の薄型テレビほどもある大きな鏡が全部で400枚、太陽の光を受けながら小刻みに動いている。それぞれの反射面は、すべて近くにそびえ立つ塔のほうを向くように調整されている。その塔は、まるで『指輪物語』に登場する「サウロンの目」が工業化されたような雰囲気で世界を見下ろしている。

アルゴリズムで自動制御されるこれらのヘリオトロープ(回照器)は、指揮者に従うようなかたちで、塔の上にある小さな標的に太陽光を集中させる。標的の温度は約980℃を超え、太陽の表面温度のおよそ4分の1にもなる。

そう説明されると、コミックに登場する悪者がつくった世界を終わらせる機械のように聞こえるかもしれない。だが実際には世界を終わらせるのではなく、救うために役立つようつくられたものだ。

「HelioMax(ヘリオマックス)」と呼ばれるこの装置がもつ“超能力”、それはセメントをつくることである。システムを開発したヘリオジェン(Heliogen)は設立6年のスタートアップで、ビル・ゲイツの投資会社も資金を提供している。19年11月下旬にステルスモードから脱したばかりだ。

まず最初にセメントをつくる理由

ヘリオマックスは鏡で集めた太陽エネルギーを、鉄鋼やセメントの生産といった大量の熱を必要とする製造工程に利用することを目標にしている。これらの産業は現実にも比喩的にも現代文明の礎だが、気候への影響が大きい。このため二酸化炭素の排出量を制限するうえで、主要な標的となっている。

特にセメント業界は二酸化炭素の排出量が大きいことで悪名が高い。なんと航空業界の2倍以上に当たる年間200億トンを大気中に排出している。10トンのセメントを生産するごとに、9トンの二酸化炭素が生じるのだ。

ヘリオジェンの技術には、水素の生産など多くの用途が考えられる。だが同社は、まずセメントの生産施設と提携する計画だ。最高経営責任者(CEO)のビル・グロスによると、塔の最上部にはすでに小型のセメント焼成炉が設置されている。これはセメント生産で最も大量の二酸化炭素を排出する工程の実験に使われ、この技術が有効であることが示されたという。

ステルスから脱して情報を公開したことから、グロスたちは世界中のセメントメーカーから数十件の問い合わせを受けているという。商用規模で技術テストを実施するために、パートナー探しを始めている。

「セメントは存在するなかで最も用途の広い建築材料です。周囲を見渡すといたるところにあります」と、グロスは言う。「ただし、二酸化炭素排出量の8パーセントはセメントによるものです。われわれがまずセメントから始めるのは、これらの重工業に再生可能エネルギーが利用されていないからです」

太陽光によるセメント生産の可能性を実証

ヘリオジェンの技術は、現状を打開するものとして広く称賛されている革新的ソリューションである。しかし、この道をたどっているのは同社が初めてではない。「SOLPART(ソルパート)」という欧州のプロジェクトでは、太陽光エネルギーを部分的に利用するセメント工場を、2025年までにスペインで建設することを目標に掲げている。18年には実験用の太陽炉を使用し、ヘリオジェンが実施したものと同じ工程のシミュレーションをフランスで実施した。

SOLPARTのメンバーで、ドイツ航空宇宙センター太陽光研究所の博士課程で学ぶグキオッチャン・ムーミンによると、大量の二酸化炭素を排出するこの工程は焼成と呼ばれ、生産プロセスの初期に行われるという。セメントを製造する際には、石灰岩を砕いてキルン(窯)に入れ、800℃近くまで加熱する。

石灰岩はこの温度に達すると、砕けて石灰と二酸化炭素に分かれる。この工程のエネルギー源を再生可能エネルギーにすることは、セメント業界のカーボンフットプリント削減に大きな効果がある。SOLPARTは、それが可能であることを証明したのだ。

The Odeillo solar furnace

SOLPARTの実験を行ったフランス南部にあるオデイヨ太陽炉。世界最大の施設だ。ANDIA/GETTY IMAGES

商用化には遠く及ばなかった理由

SOLPARTのチームはフランス南部にある世界最大の太陽炉を利用し、設計が異なる2種類のセメント焼成炉の試験を実施した。ひとつはロータリーキルン、もうひとつはバブリング流動床で、どちらも石をひき肉のように細かくする。

これらの焼成炉を、輸送用コンテナほどの大きさの受光器内に設置してから、1MWの集中太陽光を当てた。この太陽光は、多数の鏡で構成されたパラボラアンテナのような形状の反射板で集光されたものだ。反射板の高さは17階建てのビルに相当する。

SOLPARTのチームメンバーで、ヨーロピアン・パウダー・アンド・プロセス・テクノロジー(EPPT)のマネージングディレクターを務めるヤン・バーエンスは、どちらのセメント焼成炉も機能したと説明する。しかし、全体的な設計は商用化には遠く及ばないという。

まずは、利用できる日光の量が安定していない。このため光量によってセメントの生産が左右されないように、何らかのエネルギー貯蔵が必要になる。さらに今回の実験施設では1日に生産するセメントの量が数十キログラム程度だが、実用化には焼成する石の量を大幅に増やすことで数千トンまで拡大する必要がある。

ドイツ航空宇宙センター太陽光研究所のムーミンによると、規模拡大という課題はSOLPARTのチームが最も積極的に研究を進めている分野のひとつだという。これはヘリオジェンが商用セメント施設と連携することになった場合にも、解決しなければならない問題だ。

持続可能性に向けた大きな一歩に

ヘリオジェンとSOLPARTのシステムの違いは、太陽光を集中させるために並べられた鏡の使い方にある。ヘリオジェンはマシンヴィジョンを使って、鏡が常に最適な場所に向けられるように鏡の位置を常時調整する。これにより、SOLPARTのシステムと比べてはるかに少ないエネルギーで、ほぼ同じ温度にすることができる。最終的には、バスケットボールのゴールのリングよりも少し大きい広さに、約300kWを供給できる。

「黒い炭化ケイ素の板を使っていますが、この板は光が当たると白く輝くほど高温になります」と、ヘリオジェンのグロスは説明する。「これは途方もないエネルギーです」

SOLPARTのシステムもヘリオジェンのシステムも、いまのところは非常に未来的な概念を印象深い実験で確認したという段階にすぎない。しかしこうしたシステムによって、セメント生産に太陽光でエネルギーを供給できるようになれば、カーボンフットプリントの削減に躍起になっている業界において、持続可能性に向けた大きな一歩になるだろう。

マサチューセッツ工科大学(MIT)のコンクリート・サステナビリティ・ハブのエグゼクティヴディレクターを務めるジェレミー・グレゴリーは、「さらに多くのセメント工場が代替燃料を使いたいと考えるでしょう」と語る。

セメント業界の根本的な課題

ただし、この業界の脱炭素化は容易ではない。SOLPARTのメンバーであるバーエンスは、すべてを太陽光で調達するセメント工場ができるかについては「懐疑的」であるという。利用できる太陽光の量が変動するからだ。有望なのは、太陽光をバイオマスなどの代替燃料と融合させたハイブリッドな操業だとバーエンスは言う。

ヘリオジェンのグロスも、太陽光エネルギーの限界は認識している。ヘリオマックス・システムを敷地内に設置することを望んだとしても、設置できる土地があるセメント工場は世界の半数にすぎないというのが彼の見積もりだ。

たとえすべてのセメント用キルンを太陽光で運転したとしても、セメント業界からは持続不可能な大量の二酸化炭素が排出される。太陽光エネルギーを使ったキルンの運転は、セメント生産のカーボンフットプリント全体の40パーセントほどにしか相当しない。排出の多くは、石灰岩を加熱する際に起きる化学反応によるものだからだ。

このため太陽光だけをエネルギー源とするキルンを使ったとしても、世界のセメント生産は引き続き、年間約12億トンの二酸化炭素を排出する。比較すると、航空業界全体よりもまだ30パーセント多いことになる。

求められる現実的な解決策

さらに徹底した解決策は、太陽光を使ったキルンを新しいセメント材料や炭素捕捉技術と組み合わせることだろう。代替セメントのアイデアは数多くあるが、いまのところ広範にわたって採用されているものはない。

例えば、米国の民主党で大統領候補のひとりだったアンドリュー・ヤンは、大気中に浮遊する炭素を捕捉できるセメント混合物の研究に連邦政府は投資すべきだと提案している。そのようなセメントはすでに存在するが、製造コストが途方もなく高価だ。炭素捕捉技術のほうも、多くの技術的課題や資金面の問題があり、あまり進んでいない。

ヘリオマックスを利用した炭素捕捉には明るい可能性があると、グロスは考えている。ヘリオマックスのキルンから放出されるのは、化石燃料を使う焼成炉の汚れた排気とは違って純粋な二酸化炭素であるため、捕捉が容易になるというのだ。それでもヘリオジェンは、捕捉のための経済的な方法を示す必要があるだろう。

ヘリオジェンの太陽光エネルギーシステムは、セメント業界が抱える炭素問題の大きな部分を解決するかもしれない。しかしセメント業界は、もう少し現実的な解決策も必要としているのだ。

 

2020年2月20日 カテゴリー: 未分類

 


 

 

 

 

 

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