第４回 目標４杉山プロジェクト
今回は、ムーンショット目標4の東京大学先端科学技術研究センターの杉山プロジェクトマネージャー（以降、PM）に研究開発の内容を伺うとともに実際に活動している研究室を見学しました。
【写真１】東京大学 先端科学技術研究センター
杉山PMは、地球温暖化問題の解決を目指す「Cool Earth」に取り組んでいます。具体的には、温室効果ガスであるCO2（二酸化炭素）を回収して、資源に転換、無害化することを目指しており、「電気化学プロセスを主体とする革新的CO2大量資源化システムの開発」というプロジェクトを進めています。（2022年3月訪問）
目標4 杉山PM（東京大学）
目標４杉山PMが進める研究
どんな研究をしているのですか？
我々のプロジェクトでは、大気中のCO2を電気化学の技術を使って資源化（化学品原料に利用）するという方法でカーボンリサイクルを実現することをコンセプトとしています。
この方法は、脱炭素戦略の最後の砦だと考えています。これからの脱炭素戦略の取組は、CO2排出量削減のため、水素への燃料転換が基本になると思いますが、炭素（C）を利用している化学品原料、航空機燃料などの水素転換には相当な困難が伴います。そのため、その水素転換が困難な部分をターゲットとした取組みが必要になると考えています。そこで、我々は、炭素（C）を含む化学品の主要な原料であるエチレンを大気中のCO2から作ろうと考えています。
今後、脱炭素戦略の取組が進むと、化学品原料は化石燃料ではなく大気中のCO2を活用する世界に変わると考えています。我々が取組んでいる大気中の低濃度のCO2を利用するエチレン製造プロセスは、化石燃料の燃焼により得られる高濃度のCO2を利用する従来のプロセスとは全く異なります。これまで化石燃料からの高濃度の炭素（C）源を活用し化学工場等で集中型の化学品原料の生産を行っていたのに対し、我々のプロセスでは大気中に低濃度で散らばっているCO2を利用するため分散型の生産になると思っています。つまり、大気中の低濃度のCO2を大量に資源化するためには、多くの場所に分散してシステムを配置することが望ましいと考えています。例えば、同様に分散型である電気化学プロセスを用いたエネファームのようなものです。エネファームは、多くの一般家庭にも設置され高効率で稼働しています。
このような考えのもとで、カーボンリサイクル型の電気化学プラントは分散配置されている都市部のテナントビルの空調と一緒に導入することが現実的な解だと思っています。オフィスに充満したCO2を回収することで、そのCO2をエチレン生成にまわすことができるからです。通常、ビルの空調では、CO2濃度が高くなった際の換気（外気（酸素）の取り入れ）に全空調エネルギーの約30％を消費していますが、空調の代わりにこの電気化学ブラントを導入することで、従来の空調が行っていた換気のためのエネルギーをCO2回収のためのエネルギーに回すことができるので、追加のエネルギーを必要としません。一方で、分散配置された都市部のテナントビルに設置した電気化学を用いた設備で生成したエチレンを、気体の状態で回収し郊外にあるポリエチレンやタイヤなどを製造する大きな化学工場に搬送するのは、液体の状態で搬送するのに比べて非効率になると思っています。従って、分散型に対応するサプライチェーンを考えなければいけません。そこで、生成したエチレンを部分酸化することでエチレングリコールという液体に変換して搬送することを検討中です【図１】。 尚、生成物とその運搬方法については、LCA*1も加味して精査することが必要であり、近々試算を行っていく予定です。
*1 LCA（Life Cycle Assessment）：投入資源、環境負荷およびそれらによる地球や生態系への環境影響を定量的に評価する方法
【図１】ビル空調―CO2変換連携 コンセプト
プロジェクトの特徴は、どのようなところですか。
社会実装に向けて、大学だけではなく各工程にそれぞれを得意とする企業が入っているという体制が本プロジェクトの特徴だと思っています。大学では各工程の効率を上げることはできますが、大気中のCO2を電気化学プロセスで回収/富化 （CO2の純度を高める） した後で、電解還元して化学品原料を大量に生成するすべての工程を統合化してパイロットプラントとして作り上げるという知見が不足しています。その不足している部分を企業の参画によって、社会実装に向けた工業化のノウハウを結集することができます。
私が所属している東京大学は、パイロットプラントを作る分野で実績のある千代田化工建設株式会社と一緒にシステム統合化グループを統括しています。ここでは、アカデミアとしてLCAの観点を考慮した統合化および要素技術の研究を行っています。また、千代田化工建設は水素事業に力を入れており、水素の次はCO2リサイクルということでその経験を活かしてシステムの統合化に取り組んでくれています。
CO2回収工程では、先ほど説明した様にビルの中からCO2を回収するというモデルを作っていきたいと考えています。この概念は清水建設株式会社と一緒に考えました。ビルの空調システムやビル全体を設計していく中で、人間から排出されるCO2を化学品原料に転換したいと思っています。これからはビルから新しい資源を作るという新しいパラダイムを作りたいと思い、ビルの空気を対象としたDAC*2の研究を行うことになりました。
＊２ DAC（Direct Air Capture）：大気中のCO2を直接回収すること
CO2電解還元工程では、富化したCO2を還元してエチレンを作ります。そのCO2を還元する装置は水の電気分解装置の次世代版としてCO2の電気分解装置を作るイメージです。ここでは、他の水電解プロジェクトでも非常に高効率の水電解リアクタを作っている理化学研究所が活躍しています。また、CO2電解還元では、触媒や電極の基となる部材や化学的に局所的な環境を制御するという技術がとても大切です。この基礎技術の検討を大阪大学と理化学研究所が担当し、その部材である銅の微細な構造は古河電気工業株式会社が担当します。銅の表面に化学的な修飾を施していくことは機能を発揮していく上で非常に大事であり、その部分を宇部興産株式会社が担っています。さらに、このようなリアクタ*３を作ると出口からどうしてもエチレンや未反応のCO2が混合物として出てきてしまうので、そういうものを出来るだけ小さいエネルギーで分離することが必要であり、大阪大学の中西先生のCO2富化技術が力を発揮しています。
＊３ リアクタ：化学反応を起こさせる装置
この研究開発体制の構築に至ったのは、地球温暖化対策という重要な課題に対し、企業はアカデミアの知見が欲しいし、アカデミアも企業と一緒に研究開発を行うことによって産業界への展開が図られるという思いからです。その結果、目標4の中で最も多くの企業が入っているプロジェクトとなっています。
このプロジェクトの重要なポイントは、何ですか。
電気化学プロセスが重要であり、その中でポイントが2つあります。
1つ目は、CO2富化工程でいかに100%近くまでCO2の濃度を上げるかということです。CO2を回収する吸着剤で集めた気体には酸素などが混ざっています。酸素は電気化学的に還元する時に最も簡単に還元されて水になってしまうので、後続のCO2電解還元工程の大敵になります。酸素を除去してCO2を純化する富化工程がポイントです。
2つ目は、CO2電解還元工程で消費するエネルギーに対して効率よくエチレンを生成することです。システムとして仕上げる際に、回収するCO2の量がシステム全体で排出するCO2（消費するエネルギーを生産する際に発生）の量を上回ってしまうと、本プロジェクトが掲げている目標値*4、すなわち大気中のCO2を減少させるカーボンネガティブにならないため意味がありません。我々が分析した結果として、全ての工程の中でCO2電解還元工程が最もエネルギー消費が大きいことが分かりました。そのため、この工程にかかる余分なエネルギーを極力低減し、いかに理論値に近づけられるかということがもう一つのポイントです。また、類似した電気化学技術を使用している水電解の場合は、ほぼ全ての目的物の水素を生産できますが、CO2還元の場合は、色々な副生成物を生産してしまいます。例えば、CO2を還元しようとしたのに、水があるためにエチレンではなく水素が生成するということが生じます。よって、いかに流した電流のエネルギーをエチレン生成に使われるようにするかが重要です。
*4 目標値： 本プロジェクトでは、1トンのエチレンを製造するにあたり、CO2の排出量が-0.5トン以下にすることとしている
研究室見学
東京大学の先端科学技術センターにある杉山PMの研究室を見学しました。
【写真３】ヘッドスペース ガスクロマトグラフ装置（左）、CO2還元実験装置（右）
この研究室では、ヘッドスペース ガスクロマトグラフ装置、CO2還元実験装置など様々な分析装置【写真3】が設置してあり、本プロジェクトが開始される前からCO2の還元を手がけているそうです。東京大学が全体のシステムを統合化する役割を果たすために、研究室で基礎プロセスの実験を行い課題を発見し、その課題をプロジェクトメンバーへ割り振りを行うなど、この研究室はプロジェクト全体をオーガナイズするための勘所を掴む場になっているそうです。
【写真４】研究室の説明をする嶺岸特任准教授
研究室で日夜実験に勤しんでいる嶺岸特任准教授【写真４】に研究内容について説明してもらいました。
【写真５】実験用電解還元セル
実験用の電解還元セル【写真5】を見せてもらいました。同セルは、小さな長方形のキューブが3つの部屋に仕切られています。1つ目（左側）の部屋には回収したCO2が送り込まれます。２つ目と３つ目の部屋には電解液が入っています。１つ目と２つ目の部屋は、ガス拡散電極と呼ばれる膜で仕切られていて、その膜界面のところで、CO2と電解液が電解還元反応しエチレンが生成されます。生成されたエチレンは、主に１つ目の部屋から出ていきます。２つ目と３つ目の部屋はイオン交換膜と呼ばれる膜で仕切られていて、３つ目の部屋から酸素が出てくるような構造になっています。１つ目の部屋から出てきた副生成物を含むエチレンを分析装置【写真3】にかけ、リアルタイムに生成状況を確認出来るようになっているそうです。この分析装置を活用しながら、より効率よくエチレンが生成される条件を見つけるべく、様々な実験を行っているそうです。また、この電解還元セル【写真5】は、電極にフォーカスしてその素材を評価することも目的としており、この装置では多くの電気エネルギーが必要との事です。
電解還元セルの実験の結果を踏まえて、次のステップとしてそのエネルギー消費を少なくするため出来る限り電気抵抗を小さくした薄い膜を実現しているそうです。その要となる膜は、炭素でできたシートに触媒として銅を貼っているそうです。【写真６】
【写真６】電解還元装置で使われる膜
この膜は500円硬貨ほどの大きさでしたが、社会実装する時には一辺が1メートル近くの大きさを想定しているそうです。この膜を使って、先ほどの3つの部屋で実験していた装置が膜とそれを挟むユニットに置き換わって、CO2電解還元リアクタ【写真7】になり、これをスタックと呼ばれる多層構造に実装するとのことです。実装に当たっては、電極で使用する銅の微細な構造を銅の表面に化学的な修飾を施すなど企業の得意技を集結して実現させたいと考えているそうです。
【写真7】電気還元リアクタ
2024年度のKPIであるラボスケールの装置の実現につなげていく現在の研究内容の一端を見せて頂き、その先の2050年の社会実装システムの実現に向けて着々と研究開発が進められていることを確認することができました。
結びに
大気中のCO2の貯留や資源化する脱炭素の実用化は、地球温暖化対策として世界の最重要活動の１つです。そのため、国内だけでなく世界中で研究開発が進められており、ムーンショット型研究開発制度においても、複数のプロジェクトで取り組んでいます。
その中で、杉山PMのプロジェクトでは、2050年の最終目標である社会実装システムを構築して日本が掲げる地球温暖化の目標達成に貢献することを見据えています。そのために、電気化学をベースとした大学や研究機関などのアカデミアの卓越したCO2を資源化する技術に加えて、それを社会実装にむけて実力と実績のある企業が参画するという特徴のある研究開発体制を構築しています。この特徴に関して、大阪大学の中西先生は、「このプロジェクトで一緒にタッグを組んで胃がキリキリするくらいまでお互いの意見をぶつけ合いながら研究を進めているからこそ、目標を実現できるものだとすごく思う。力の入れどころが分かる。」と話されており、企業が参画することによって、システム全体の中でどこが本当に注力すべきところかが明確になるようです。2050年の目標を共有してアカデミアと企業がそれぞれの得意技術を持ち寄り、切磋琢磨して研究開発を行うという良い関係が構築されていると感じました。
今回、杉山PMの話をお聞きして、私たちが吐き出した二酸化炭素（CO2）から生成したエチレングリコールを定期的に専用のトラックが回収し、それから化学品が製造されているイメージを思い描くことができ、カーボンニュートラルの実現へ近づいていることを実感しました。