CO₂回収のブレークスルー：大気と産業から炭素を除去する先進材料とメガプロジェクト

UCバークレーのジェフリー・ロング教授率いるチームはZnH-MFU-4𝓁というMOFを発見し、約300°Cの高温でCO₂を90%以上捕捉できることを実証した。
2024年10月、オマール・ヤギー教授とローラ・ガリャルディ教授のチームがCOF-999を発表し、大気中のCO₂をごく少量のサンプルで完全に除去でき、吸着量は1グラムあたり最大2ミリモル、再生温度は約60°C、100サイクル耐久を示した。
2024年5月、Climeworksの世界最大のDACプラントMammothがアイスランドで稼働を開始し、72基のモジュール式コレクターで年間最大36,000トンのCO₂を回収、回収後はCarbFixで地中へ注入・石化され、現場運用は日々約2億件のデータポイントを蓄積している。
Brevik CCSはノルウェーの Heidelberg Materials セメント工場でのフルスケールCO₂回収プラントで、2024年末に完成、年間約40万トンのCO₂を回収し北海の貯留層へ輸送・液化される予定である。
英国のNet Zero Teessideクラスターは新設のガス発電所にCCSを搭載してCO₂を北海の貯留へ送る計画で、米国のNET Powerはテキサス州で300MWのアラムサイクル発電所を2026年に稼働させ、ほぼ100%のCO₂回収を目指している。
米国のInflation Reduction Actに伴い45Q税額控除が拡充され、DACのCO₂貯留で最大180ドル/トン、発生源の貯留で最大85ドル/トンが適用される。
2025年のXPRIZE Carbon Removalでは優勝チームに5000万ドルが授与され、1,000トン/日以上の除去と年1,000,000トン規模への拡大可能性を示すことが求められている。
米DOEは2024年末までにDACハブ拡大のための新たな資金として18億ドルを投入する計画を発表し、9つの新設DAC施設を支援する。
中国はCarbonBoxと呼ばれる初の国産DACモジュールを発表し、信頼性試験に合格、1基あたり年間100トン以上のCO₂回収が可能、回収効率は99%、複数ユニットで年間1,000,000トン規模の回収も目指せる。
2023年、マイクロソフトはHeirloom社とCarbonCapture Inc.から10年間で315,000トンのCO₂除去を購入する契約を結んだ。

炭素回収の緊急性

私たちの大気中の二酸化炭素（CO₂）濃度は過去最高となっており、危険な気候変動を引き起こしています。2024年にはCO₂濃度が約426ppmに達し、産業革命前よりも約50%高い水準となっています^[1]。排出削減は極めて重要ですが、専門家はそれだけでは十分でないと一致しています。気候変動に関する政府間パネル（IPCC）は、地球規模の気候目標を達成するためには、すでに大気中に存在するCO₂を数十億トン規模で除去する必要があると述べています^[2]、^[3]。ここで炭素回収技術が登場します。これはCO₂を発生源（例：発電所や工場）で、あるいは大気中から直接回収し、「ネガティブエミッション」を実現するものです。ある気候科学者は、炭素除去だけに頼るのはリスクが高いとし、「近い将来に野心的な排出削減を行うことでのみ、リスクを効果的に減らすことができる…[しかし] CO₂除去（CDR）は温暖化の進行を遅らせるのに役立つ可能性がある」^[4]^[5]と述べています。要するに、私たちは排出削減と並行して炭素回収と除去が必要であり、最近の技術革新によってこれらの技術がより実用的になりつつあります。

なぜカーボンキャプチャーなのか？ 排出削減が困難な産業（セメント、鉄鋼、エネルギー）は、依然として大量のCO₂を排出しています。カーボンキャプチャーは、これらの排気ガスからCO₂を除去し、大気中への放出を防ぐことができます。例えば、セメント生産だけで世界のCO₂排出量の約7～8％を占めており、これらの「プロセス排出」を回収することは長らく非常に困難と考えられてきました^[6]。一方、ダイレクトエアキャプチャー（DAC）システムは、（約0.04％という）希薄な大気中のCO₂を直接回収することができます。これは非常に大きな課題ですが、すでに大気中に蓄積されたCO₂を削減しようとするなら不可欠です^[7]。「ダイレクトエアキャプチャーはCO₂濃度上昇を逆転させる手段として期待されています…これがなければ、気温上昇を1.5°Cに抑える目標は達成できません」と、UCバークレー気候変動センターはIPCCの見解をまとめています^[8]。

つい最近まで、カーボンキャプチャーは高コストでエネルギー集約的、しかも主にパイロットプロジェクトに限られていました。従来の回収法は液体アミン（CO₂と結合する化学物質）を大型スクラバー塔で使用しますが、これは高濃度の排ガスには有効でも多くのエネルギーを消費し、空気のような低濃度CO₂には効率的ではありません^[9]。しかし2024～2025年には、世界中の科学者や技術者が、CO₂回収を劇的に効率的・低コスト・大規模化できる新しい構造や技術を発表しています。CO₂を吸着する最先端のスポンジ状材料から、何千トンものCO₂を貯蔵する大規模新プラントまで、これらのイノベーションが大気浄化の競争を加速させています。

以下では、CO₂回収の最新ブレークスルー――先進材料（金属有機構造体、共有結合性有機構造体、吸着剤）、新しいプロセス（高温回収から太陽光駆動DACまで）、世界各地の主要プロジェクトやイニシアチブ――を紹介します。また、これらの進展が気候変動対策にとって何を意味するのか、第一線の科学者や気候専門家の見解も掲載しています。

CO₂回収のための先進材料：MOF、COF、吸着剤

カーボンキャプチャーにおける大きな革命が、材料科学からもたらされています。研究者たちは、CO₂分子を驚くほど捕捉する能力を持つ新しい多孔性固体を作り出しました。二つの主役は金属有機構造体（MOF）と共有結合性有機構造体（COF）です。これらは、気体のための高表面積スポンジのように機能するナノスケールの細孔を持つ結晶性材料です。これらのフレームワークは、CO₂をしっかりと捕まえる化学基でオーダーメイドすることができ、従来の液体アミンフィルターに比べて大きな改良をもたらします。^[10]^[11]。

MOF（金属有機構造体）： MOFは金属原子が有機リンカーで結ばれた構造を持ち、内部表面積が非常に大きい開放格子を形成します。そのため、「たった1グラムでサッカー場と同じ表面積を持つ」 ^[12]といわれています。科学者たちはMOFの細孔にアミンや他の反応性部位などの官能基を装飾することで、CO₂を選択的に捕捉できるようにしています。MOFは10年以上にわたりCO₂回収のために研究されてきましたが、新しい配合によって性能が新たな高みに押し上げられています。例えば、2024年後半、UCバークレーのジェフリー・ロング教授率いるチームは、高温排ガスからCO₂を捕捉できるMOFを発見しました。これは300 °Cという、従来の材料の限界をはるかに超える高温です^[13]。このMOFはZnH-MFU-4𝓁として知られ、細孔内のアミンの代わりに水素化亜鉛（ZnH）部位を利用しており、これが高温でも非常に安定であることが証明されました^[14]。「私たちの発見は、科学者たちのカーボンキャプチャーに対する考え方を変えるものです。MOFがこれまで不可能と考えられていた前例のない高温でCO₂を捕捉できることが分かりました…」と、本研究の共著者カーティス・カーシュ博士は述べています^[15]。この材料は、シミュレートされた排ガス中で90%以上のCO₂捕捉（「ディープキャプチャー」と呼ばれるレベル）を、約300 °Cでも達成し、最高のアミン系吸着材に匹敵する能力を示しました^[16]。これは、排ガスがしばしば200～400 °Cに達するセメントや鉄鋼などの産業にとって画期的なことです^[17]。従来の回収法を使うために複雑な冷却システムを設置する代わりに、このような高温MOFが将来的には煙突に直接組み込まれる可能性があります。ロング教授は次のように述べています。「この研究は、適切な機能性――ここでは水素化亜鉛部位――があれば、300 °Cのような高温でもCO₂の迅速・可逆的・高容量捕捉が実現できることを示しています」^[18]。研究者たちは現在、このMOFのバリエーションや金属部位の調整によって、他のガスのターゲット化やさらなる容量向上を目指しています^[19]。
COFs（共有結合性有機構造体）： COFsはMOFsに似ていますが、金属を含まず、すべて軽元素（C、H、N、O）が強い共有結合でつながっています。これにより、特定の条件下でより高い耐久性を持つことがあります。2024年10月、Omar Yaghi教授（MOFs/COFsの発明者）とLaura Gagliardi教授が率いるチームは、COF-999という新しいCO₂捕集COFを発表し、その性能で研究者たちを驚かせました^[20]。COF-999は多孔質格子で、その六角形チャネルは「ポリアミンで装飾されている」—本質的には、アミン基の長い鎖が細孔内に成長しているのです^[21]。これらのアミンはCO₂の分子フックのように機能します。UCバークレーでのテストでは、COF-999のごく少量のサンプルで大気中のCO₂を完全に除去することができました。「バークレーの空気—つまり屋外の空気—をこの材料に通して性能を見てみたら、素晴らしかった。空気中のCO₂を完全に除去した。すべてだ」とYaghi教授は報告しています^[22]。研究者によると、COF-999を200グラム（約半ポンド）使えば、年間20kgのCO₂を捕集できるとのことです。これは成木1本が吸収する量に相当します^[23]。重要なのは、COF-999が非常に安定していることです。CO₂の捕集と放出を100サイクル繰り返しても劣化が見られませんでした^[24]。「化学的にも熱的にも非常に安定しており、少なくとも100サイクルは使用できます」とGagliardi教授は述べています^[25]。この耐久性は大きな課題を解決します—従来の多くの材料は、特に空気中の水分や不純物の影響で繰り返し使用すると分解してしまいました。COF-999の骨格はオレフィン（炭素-炭素）結合で構成されており、これは化学的に最も強い結合の一つです^[26]。一部のMOFが湿った空気や塩基性条件下で分解したのに対し、このCOFは水、酸素、その他のガスにも耐性があります^[27]。「空気からCO₂を捕集するのは非常に難しい—高い容量、高い選択性、水への安定性、低い再生温度、スケーラビリティ…非常に高い要求です」とYaghiは説明し、「このCOFは強い骨格を持ち、必要なエネルギーも少なく、100サイクルに耐えられることを示しました容量の損失なしに。他のどの材料もこのような性能を示したことはありません”^[28]。実際、ヤギはCOF-999を「現時点で直接空気回収において基本的に最高の材料」と呼んでいます^[29]。CO₂の吸着量は、吸着剤1グラムあたり最大2ミリモルで、固体吸着剤の中でもトップクラスです^[30]。また、約60°C（140°F）という低温でCO₂を放出するため、再生には低品位熱源を利用できる可能性があります^[31]。チームはすでにAI技術を使ってさらに優れたフレームワークの設計に取り組んでおり、再生が必要になる前に「2倍のCO₂を捕捉できる」材料を目指しています^[32]。このようなAI主導の発見は増加傾向にあり、例えばイリノイ大学シカゴ校とアルゴンヌ国立研究所の研究者は、計算フレームワークを用いて12万の仮想MOF構造をスクリーニングし、CO₂回収に有望なものを特定しました^[33]。ヤギの研究室はまた、これらのレチキュラー材料を炭素回収用に商業化するため、Atocoというスタートアップも立ち上げています。
固体吸着剤およびその他の材料: MOFやCOF以外にも、さまざまな新しい固体吸着剤が試験されています。これには、改良型ゼオライト、多孔性ポリマー、イオン交換樹脂、さらには生体模倣材料などが含まれます。多くはアミン基で機能化されており、CO₂と化学的に結合します。目標は、液体アミン溶液よりも再生に必要なエネルギーが少なく、CO₂に対して高い容量と選択性を実現することです。一部のスタートアップは酵素ベースの吸着剤や電気化学的CO₂回収（熱の代わりに電気でCO₂放出を促す）を模索しています。米国のHeirloom Carbonのように、天然鉱物を利用する異なるアプローチもあります。Heirloomは石灰石由来の酸化カルシウムを広げ、空気中のCO₂を受動的に吸収して炭酸カルシウムに戻し、その後加熱して純粋なCO₂を放出し酸化物を再生します。この鉱物ループ手法は、安価で豊富な材料（基本的には石灰石の風化を加速させたもの）を活用します。2023～2024年、Heirloomは大規模化のために1億5000万ドル超の主要な投資を集め、最初の商業施設を建設中です^[34]、^[35]。ファン駆動型システムよりも遅いものの、鉱物DACは低コストで熱で稼働でき、Heirloomは大規模化で1トンあたり100ドル未満の除去コストを達成できると主張しています。一方、膜によるCO₂回収も徐々に改良されていますが、主に高濃度ガスに適しています。研究者たちはまた、ハイブリッド吸着剤（例えば、酵素や液体状材料を固体支持体に結合させるなど）を開発し、それぞれの長所を組み合わせようとしています。材料の分野はAI設計やハイスループット試験によって急速に拡大しています。あるエネルギーメディアは、「高度な金属有機構造体は…分子スポンジのように機能する」と述べており、真空スイングサイクルのようなスマートなプロセス工学と組み合わせることで、新しいシステムは実験室試験で最大99%のCO₂除去を実現しています。これは従来技術の50～90%を大きく上回ります^[36]。要するに、先進材料によってカーボンキャプチャーはより効率的に（場合によってはCO₂の95～99%以上を捕捉）、かつより少ないエネルギーで実現できるようになっています。例えば、ある新規MOFフィルターは、従来のアミンシステムと比べて約17%少ないエネルギーと19%低いコストで同じCO₂回収率を達成しました^[37]。これらすべての進歩は重要であり、エネルギー使用量の削減は運用コストの低減と、回収プロセス自体の気候負荷の縮小につながります。

革新的なCO₂回収プロセスとシナジー

新しい材料と並行して、エンジニアたちはどのようにCO₂を捕集・放出するかを再発明し、プロセスをより実用的にしています。従来のカーボンキャプチャーは多くの場合、温度または圧力スイング吸着を使用します。すなわち、ソルベントをガスにさらしてCO₂を吸着させ、その後条件（加熱または減圧）を変えてCO₂を放出させ、貯蔵します。新しい技術はこのサイクルを改善しています:

モイスチャースイング＆ウォーターハーベスティングの相乗効果: 2024年の画期的なアイデアは、水蒸気でCO₂の脱着を補助することでした。Nature Communications（2024年11月）に掲載された論文で、研究者たちは湿度のバーストを加えることでDACソルベントの再生に必要なエネルギーを劇的に削減できることを示しました^[38]。彼らの方法は、固体アミンソルベントを使って空気から水とCO₂の両方を捕集し、約100°Cで濃縮水蒸気を導入することで、効果的にCO₂をソルベントから押し出すものです。このプロセスでは、97.7%純度のCO₂（貯蔵や利用に適した状態）が得られ、同時に真水も生成されました。しかも、真空ポンプや高圧蒸気ボイラーを必要としませんでした^[39]。実際、現場での簡単な蒸気パージだけで、捕集したCO₂の98%を回収し、エネルギー投入量も約20%削減できました^[40]。さらに注目すべきは、彼らが太陽熱のみで駆動するプロトタイプを実証したことで、遠隔地でも再生可能エネルギーで稼働するDACユニットの可能性を示しました^[41]。この「分散型DAC」のコンセプト――太陽光と大気中の水分を利用――は、水資源が乏しい地域でも水を副産物として同時に生産しつつ、手頃なコストでカーボンリムーバルを実現できる可能性があります。これは問題への巧妙なアプローチです。通常、水はCO₂捕集の妨げ（湿度の高い空気は多くのソルベントの効果を下げる）と見なされますが、ここでは水がCO₂の放出を助ける特徴となっています。
省エネルギーな再生: もう一つの焦点は、CO₂放出工程の効率をさらに高めることです。一例が熱統合です。ノルウェーで世界初のセメント工場向けカーボンキャプチャープロジェクト（後述）では、エンジニアがカーボンキャプチャー熱回収システムを導入しました。CO₂圧縮機からの廃熱を再利用して蒸気を発生させ、アミンスクラバーの駆動を助け、再生に必要な熱の約3分の1を供給しています^[42]。本来なら無駄になる熱を再利用することで、システムは回収のエネルギーペナルティを大幅に削減しています^[43]。プロセスのデジタル最適化により、立ち上げ時間も短縮され、不要な部品が排除され、運転の柔軟性も向上しました^[44]^[45]。同様に、多くの新しい回収システムでは、真空または圧力スイング吸着と先進的な吸着材を用いて加熱自体を回避しています。吸着材からCO₂を放出する際、常温で真空をかけることでエネルギーを節約します。設計によっては2つ以上の吸着床を交互に使い、一方が回収中にもう一方が再生されることで連続運転を実現しています（これはClimeworks社のDACモジュールの仕組みで、低圧蒸気や真空でフィルターを再生します）。
電気化学的および触媒的アプローチ: 熱や圧力スイング以外にも、企業は電気駆動のCO₂回収で革新を進めています。例えば、MIT発のスタートアップVerdoxはエレクトロスイング吸着を開発中で、電圧をかけることで材料のCO₂親和性を変化させます。つまり、吸着材を「充電」してCO₂を取り込み、「放電」してCO₂を放出する仕組みで、大きな加熱を必要としません。これは再生可能電力で駆動でき、モジュール式に拡張可能です。他の研究者は、触媒を溶媒系に加え、CO₂放出に必要なエネルギーを低減しています（例: カルボニックアンヒドラーゼ酵素や、低温でCO₂-アミン結合を切る金属触媒など）。これらのアプローチは主に研究開発段階ですが、強引な加熱ではなく、より賢い化学で回収のエネルギーコストを削減する有望な最前線です。
ハイブリッドシステム（CCUS）： 一部の新しいシステムは、CO₂の回収と即時の利用を組み合わせて経済性を向上させています。例えば、大気直接回収から燃料への変換の設計があり、大気から取り出したCO₂を（グリーン水素とともに）リアクターに送り、合成燃料を製造します。DACユニットを燃料合成やコンクリート生産（CO₂を建材に鉱物化）に結びつけるパイロットプロジェクトもあります。注目すべきプロジェクトの一つでは、カーボン・エンジニアリング社のDAC技術がAir Company社の燃料合成と組み合わされ、大気中CO₂からジェット燃料を製造する計画工場が提案されています。もう一つのハイブリッドの概念はBECCS（バイオエネルギーとCCS）で、バイオマス発電所がCO₂排出を回収し、植物が大気中の炭素を固定したため、ネットでマイナス排出を達成します。こうしたイノベーションはまだ初期段階ですが、（燃料や製品などの）収益源を生み出し、回収コストを相殺することで技術の拡大を後押しする可能性があります。

全体のテーマは効率と統合です。CO₂回収ユニットを、最小限のエネルギーでCO₂を収集するスマートマシンのようにし、多くの場合、自然のプロセス（水循環、廃熱、再生可能エネルギーなど）を活用します。これらのプロセスのブレークスルーと先進材料の組み合わせにより、研究室や初期デモで記録的な性能が実現されています。例えば、カスタムMOFフィルターとバキュームスイングサイクルを使い、あるチームは最近、実験室テストで99%のCO₂除去を達成し、従来法より約17%少ないエネルギーで実現しました^[46]、^[47]。これらすべての改良が、大規模で費用対効果の高いカーボンキャプチャーの夢に一歩ずつ近づけています。

発生源でのカーボンキャプチャー：産業のクリーンアップ

CO₂を発生源から（発電所、工場、製油所など）で回収することは、気候変動対策の重要な要素です。これらの発生源は高濃度・大量のCO₂を排出するため、ここで回収すれば大量の排出が大気に到達するのを防げます。2024～2025年には、発生源でのカーボンキャプチャーを後押しするいくつかの大きな進展がありました。

セメント＆鉄鋼 – 初のフルスケールプロジェクト: 2025年初頭、ノルウェーのLongship二酸化炭素回収・貯留プロジェクトが歴史的な節目を迎えました。Brevik CCS施設が、世界初のセメント工場におけるフルスケールのCO₂回収プラントとなりました^[48]。2024年末に建設が完了した後、Brevik CCSはノルウェー・ブレヴィクにあるHeidelberg Materialsのセメント工場からCO₂の回収を開始しました。2025年5月までに、すでに試運転中に1,000トン以上のCO₂を安全に回収しました^[49]。本格稼働後は、年間40万トンのCO₂を回収し、工場の排出量のおよそ50％を削減します^[50]。このCO₂は現地で液化され、Northern Lightsプロジェクトの一環として北海の海底下の恒久的な貯留層へ輸送されます^[51]。これは重工業にとって画期的な出来事です。ノルウェーのCCS機関Gassnovaは次のように述べています。「セメント部門は世界のCO₂排出量の7～8％を占めています…この業界のプロセス排出を回収することは長らく非常に困難と考えられてきました。Brevik CCSが実際にCO₂を回収しているという事実は、技術的にも産業的にも画期的です」^[52]。これは、「削減が困難」とされる産業由来のCO₂であっても大規模に回収できることを証明しています。次に、ノルウェー・オスロの廃棄物発電所が2026年にCO₂回収（年間約40万トン）とともに稼働予定であり、さまざまな分野でのCCSの実現をさらに示しています。
産業向け高温回収: 鉄鋼やセメントなどの産業にとって大きな障壁は、排ガスが従来のCO₂スクラバーには高温すぎることでした（従来のスクラバーはガスを約40～60°Cまで冷却する必要があります）。これらのガスを冷却するにはエネルギーと水が必要で、導入の妨げとなっていました^[53]。UCバークレーの新しい亜鉛水素化物MOF（前述）はこの課題に直接取り組んでいます：セメントや鉄鋼の排ガス流で一般的な300°CでCO₂を捕捉します^[54]。実際の排ガス（CO₂が20～30%、他のガスも含む）を模した試験では、このMOFは炉のような高温でもCO₂の90%以上を捕捉しました^[55]。このような材料は、産業用炉に大きな冷却装置を追加せずに後付けで回収システムを設置することを可能にするかもしれません。Carsch博士が述べたように、これは「分離科学の新たな方向性」を切り開くものであり、極限環境で動作する吸着材の設計につながります^[56]。現時点では、ほとんどの排出源回収プロジェクトは改良型アミン溶媒やアンモニアベースの回収を使用していますが、これらも進化しています。例えば中国は2024年、いくつかの石炭火力発電所でカーボンキャプチャーのパイロット実施を2027年までに行うと発表し、バイオマスやアンモニアの混焼による排出削減の試験も進めています^[57]。中国の技術者は独自の溶媒ベース回収システムや、発電所排ガス用の膜コンタクターも開発しています。政策支援が拡大する中（中国の2024年ガイドラインではCCUSが公式な脱炭素ロードマップに追加されました^[58]）、アジアの石炭・ガス発電所で大規模な回収実証ユニットが間もなく登場すると予想されます。
CCS付き天然ガス発電: 米国と英国では、フルカーボンキャプチャーを備えた初のガス火力発電所建設計画が進行中です。英国テサイド地域では、Net Zero Teessideプロジェクトが新設ガス発電所にCCSを装備し、今後数年でCO₂を北海の海底貯蔵に送ることを目指しています。米国ではNET Power（米国のスタートアップ）が、純酸素とCO₂媒体で天然ガスを燃焼させることで本質的に純粋なCO₂流を生み出すアラムサイクル発電所を開発しました。これは、液体CO₂をそのまま隔離できる発電サイクルです。300MWのNET Power発電所が2026年にテキサスで稼働予定で、同種初のゼロエミッションガス発電施設となる可能性があります。これらの統合設計により、ほぼ100%のCO₂を回収しつつクリーンな電力を生み出すことができるでしょう。
より安価な溶媒とモジュール式システム: 多くの企業が、段階的に改良されたポイントソース回収技術に取り組んでいます。例えば、三菱重工業やAker Carbon Captureは、従来のアミンに比べてエネルギー使用量を約30%削減する改良型アミン溶媒システムを導入しています。これは、CO₂を同じくらい強く結合しつつ、より簡単に放出できる独自の化学技術によるものです。モジュール式回収ユニット（スキッド搭載型）が販売されており、例えば小規模な工業排出源（エタノール工場やセメント窯など）から1日あたり30～100トンのCO₂を大規模なインフラなしで回収できます。これらの小型ユニットは、容量拡大のために複製可能です。日本では、政府が2030年までに年間600万～1,200万トンのCO₂回収（産業分も含む）を目標に掲げ、次世代溶媒や吸着法の研究開発に資金を投入しています^[59]。目指しているのは、カーボンキャプチャーを多くの施設でプラグアンドプレイ化し、毎回オーダーメイドの巨大プロジェクトにしないことです。

全体として、2024～2025年のポイントソース型カーボンキャプチャーは、パイロット段階から実際に産業活動からCO₂を回収するプロジェクトへと移行しています。Brevikのような初の商用プラントが実現可能性を示したことで、今後はコストとエネルギー消費の削減に焦点が移りつつあり、新素材や新プロセスが大きな役割を果たします。究極のビジョンは、近い将来、石炭火力発電所やセメント工場が高度な吸着材（MOFペレットなど）を充填したモジュール式回収システムを後付けできるようになり、熱く汚れた排ガスからでもCO₂の90%以上を除去し、そのCO₂を製品にリサイクルするか、安全に地下に貯留できるようになることです。こうしたソリューションが普及すれば、クリーンな代替手段への移行期間中も、不可欠な産業のカーボンフットプリントを大幅に削減できます。

ダイレクトエアキャプチャー: 大気中からCO₂を直接回収

ポイントソース回収が新たな排出を防ぐ一方で、ダイレクトエアキャプチャー（DAC）は、すでに大気中に存在するCO₂を実際に減らすことを目指しています。DACはしばしば「大気の掃除機」と例えられますが、CO₂は大気中のわずか約0.04%しかないため、非常に困難な作業です。しかし2024～2025年には、DACの実用化が進み、新しいプラントの稼働や、より優れた吸着材の登場によって、このプロセスがより現実的になってきました。

DAC施設の拡大: 2024年5月、スイスの企業Climeworksは、これまでで世界最大のDACプラントであるMammothをアイスランドで稼働開始しました^[60]。MammothはClimeworksの従来のOrcaプラントの約10倍の規模です。完全稼働時には、72基のモジュール式CO₂コレクターが年間最大36,000トンのCO₂を大気中から回収しますclimeworks.com。このプラントはアイスランドの再生可能な地熱エネルギーで稼働し、回収後のCO₂はアイスランドのパートナー企業Carbfixに引き渡され、地下深くに注入されて石化します^[61]。Mammothは2024年にコレクターユニット12基の設置から始まり、すでに「最初のCO₂の回収」を開始しており、2024年末までに完成予定です^[62]。Climeworksの共同CEO、Jan Wurzbacher氏は、これを「2030年までにメガトン規模、2050年までにギガトン規模への拡大の道のりにおける新たな証拠」と呼び、同社がより大規模なDACの最適化に関する貴重な実地経験を積んでいることを強調しました^[63]。実際、Climeworksはすでに7年間の現場運用実績があり、プラントから毎日2億件のデータポイントを処理して性能を改善しています^[64]。Mammothで得られる教訓は、さらに大規模なプロジェクトに活かされます。Climeworksは、アメリカで提案されている3つの「メガトン」DACハブのいずれにも参加しており、これらはすべて2023年に米国エネルギー省から初期資金の選定を受けました^[65]。その中で最大のProject Cypress（ルイジアナ州）は、2023年初頭にエンジニアリング開始のため5,000万ドルの助成を受け、完成すれば年間100万トンのCO₂回収が見込まれています^[66]。これらの米国DACハブは、豊富な再生可能エネルギーと地質貯蔵を活用し、DACの大規模化を目指しています。

特にアメリカはDACに大きく賭けています。2022年、政府は地域DACハブのために35億ドルを割り当てました。2024年末までに、エネルギー省は最大9つの新しいDAC施設を支援するための新たな18億ドルの資金調達ラウンドを開始しました。これには、中規模（年間2,000～25,000トンの回収）から大規模（年間25,000トン以上）までの施設、さらにそれらを貯蔵または利用サイトに接続する「ハブ」インフラが含まれます^[67]。このプログラムは明確に「変革的」なDAC技術を求めており、有望な設計がパイロットから商業規模へと移行するギャップを埋めるのに役立ちます^[68]。エネルギー長官のジェニファー・グランホルムは、DACの広範な展開が米国の気候目標と新たなクリーン産業の鍵になると述べました。すでにいくつかの注目プロジェクトが進行中です：オクシデンタル・ペトロリアムの1PointFive子会社（カーボン・エンジニアリングと提携）は、2024年にDOEから最大5億ドルの助成金を受け、南テキサスにDACプラントを建設します^[69]。最初の5,000万ドルは、空気から年間50万トンのCO₂を回収するプラントの設計・設備に充てられ、将来的には年間100万トン、最終的には同地で年間3,000万トンまで拡大する計画です^[70]。「大規模DACは、組織や社会がネットゼロを達成するための最も重要な技術の一つです」と、オクシデンタルのCEOヴィッキー・ホラブはDOEの支援を称賛し、「気候に関連する規模でのCO₂除去」の実現に自信を示しました^[71]。南テキサスのDACハブは、カーボン・エンジニアリングの高温DACプロセス（カリウム水酸化物溶液と巨大なコンタクターでCO₂を吸収し、焼成によって純粋なCO₂流を再生する）を使用します。特筆すべきは、テキサス州キングランチのサイトには、30億トンのCO₂を貯蔵できる地下の塩水層があり、数十年にわたる運用が可能です^[72]。回収と貯蔵を一箇所で組み合わせることで、物流が簡素化され、将来のDACファームの青写真となる可能性があります。

グローバルな参加: DAC（直接空気回収）は米国やヨーロッパだけの取り組みではありません。2024年7月、中国は「CarbonBox」と呼ばれる初の国産DACモジュールが信頼性試験に合格したと発表しました^[73]。このCarbonBoxは、上海交通大学と国有企業のCEECによって開発され、輸送用コンテナサイズのユニットで、空気中から年間100トン以上のCO₂を回収でき、回収効率は99%とされています^[74]。これはアジア最大のDACモジュールとされており、複数のユニットを組み合わせて設置することで、年間100万トン規模の回収も可能です^[75]。各CarbonBoxユニットは標準コンテナと同じ大きさで、工場で製造・試験後に現地へ輸送できるため、ClimeworksやCarbon Engineeringが想定するモジュール型DAC展開と非常に似たアプローチです。中国のDACへの関心は、これらのシステムを稼働させる膨大な再生可能エネルギー容量とも合致しています。他の地域でも、カナダ、オーストラリア、中東のスタートアップがこの分野に参入しています。例えば、米国のCarbonCapture Inc.はMOF吸着材を使ったモジュール型DACユニットを開発しており、ワイオミング州で再生可能エネルギーと鉱物貯蔵を活用するプロジェクトを進めています。ケニアではOctavia Carbonという企業が、リフトバレーの地熱エネルギーを活用してアフリカ初のDACプラント建設を目指しており、XPRIZEのファイナリストにも選ばれました。この分野は真にグローバル化しつつあり、Mission Innovationの「二酸化炭素除去」イニシアチブやXPRIZEコンペティションのような取り組みを通じて知識共有も進んでいます。

DACのための画期的なソルベント: すでに、DAC用の新しいチャンピオン吸着材であるCOF-999については説明しましたが、これはテストで「空気中のCO₂を完全に除去した」とされています^[76]。このような材料はDACの改良の中心となるでしょう。Climeworksが10年前に始まったときは、市販の吸着フィルター（固体担持アミン）を使用しており、フィルター1グラムあたり数十ミリグラムのCO₂しか捕捉できませんでした。新しいMOFやCOFは、1グラムあたり数百ミリグラムのCO₂を捕捉でき、容量が一桁向上する可能性があります。これは、より小型で効率的なDACユニットを意味します。COF-999の湿度の高い空気中での安定性は、大きな課題も解決します。従来のDAC吸着材はしばしば湿気で劣化したり、空気を事前に乾燥させる必要がありました（これはエネルギーの無駄）^[77]。COF-999のような耐水性吸着材を使えば、DACユニットは大規模な前処理なしで実際の屋外空気中で稼働できます。もう一つ有望なのは、より低温での再生を目指すことです。新しい吸着材の中には80～100°Cで再生できるものもあり、廃熱や太陽熱でDACサイクルを駆動できる可能性があります（Nature誌の水蒸気パージによる実験では約100°Cで実証^[78]）。これにより、熱を供給するために余分な燃料を燃やす必要がなくなり、正味の炭素収支がより有利になります。いくつかの研究グループは、金属酸化物を用いた直接空気回収にも取り組んでおり、これは電気化学的還元でCO₂を放出するもので、熱サイクルとは異なるアプローチを提供します。

コストとエネルギーの推移: これまでDACは非常にエネルギー集約的でした。初期のClimeworksユニットは、CO₂1トンあたり約2,000kWhの熱と500kWhの電力を必要とし、コストは1トンあたり600～1,000ドル程度でした。新技術はこれを劇的に削減することを目指しています。ClimeworksはMammothの正確な数値を公表していませんが、世代ごとにプラントが改善していると主張しています。Carbon Engineeringの手法（高温化学）は、CO₂1トンあたり約8GJ（2,200kWh）の天然ガス消費と、最初の大規模プラントで約250ドル/トンのコストを見積もっており、規模拡大で150ドル未満に下がる可能性があります。COF-999のような材料や改良されたプロセスにより、DACは1トンあたり100ドル未満に10年以内に到達できると予測する研究者もいます。これは大規模導入の重要な指標であり、他の対策と並んで大気中から炭素を除去することが現実的な気候解決策となるコストです。政府の支援もコスト削減を後押ししています。米国の45Q税額控除は、空気から除去・貯蔵されたCO₂1トンあたり180ドルを提供し、初期プロジェクトへのインセンティブとなっています。自主的なカーボン市場では、Microsoft、Stripe、Shopifyなどの企業が、DACへの先行購入契約（Frontier Climateのようなイニシアチブを通じて）を通じて資金を投入し、今は高値で購入することで企業の規模拡大と将来のコスト削減を後押ししています。

特筆すべきは、マイクロソフトが2023年にHeirloom社およびCarbonCapture Inc.から10年間で315,000トンのCO₂除去を購入する契約を結んだことであり、これはDAC技術への強い信頼の表れです。また2024年には、世界の航空業界がJet Zeroイニシアチブを通じて、航空旅行の排出量を相殺するカーボンクレジットの供給源としてDACへの投資を開始しました（例えばユナイテッド航空のサステナビリティファンドは、将来のDACプラントに資金を投入しています）。これらすべてが、かつてはSF的な概念だった直接空気回収（DAC）が、急速に産業になりつつあることを示しています。「特にDACは、単なる概念ではなく、具体的な産業である」と、Climeworksの2023年DACサミットに関するレポートは述べています^[79]。それでも、必要とされる規模は非常に大きく、いくつかの研究では、気候変動を有意に抑制するためには世紀半ばまでに年間数十億トンの除去が必要だと示唆されています^[80]。現在は年間キロトン規模の段階なので、今後1,000倍、あるいは1,000,000倍のスケールアップが大きな課題です。2025年のカーボンリムーバルXPRIZEでは、1,000トン/日以上の除去をスケールできる実現可能な道筋を示したチームに5,000万ドルが授与される予定であり、いかにこのニーズが緊急かつ巨大であるかを強調しています。

進展を牽引する政府と民間の取り組み

CO₂回収の重要性を認識し、世界中の政府や産業が過去2年間で大規模な取り組みを開始しました:

アメリカ合衆国 – 「カーボンキャプチャー・ムーンショット」: 米国はカーボンキャプチャーおよび除去の資金提供でリーダー的存在となっています。前述のDACハブプログラム（35億ドル）に加え、エネルギー省化石エネルギー・カーボンマネジメント局は排出源でのカーボンキャプチャーにも投資しています。例えば、ガス火力発電所や工業施設向けの次世代キャプチャー技術の研究開発や、Project Cypressのようなパイロット事業ではDACに加えてエタノール工場からの回収も行われます。2024年にはDOEがCO₂輸送・貯留インフラ（パイプラインや貯留井など）拡大のために26億ドルを発表しました^[81]。CO₂の回収は、安全に隔離または利用できてこそ意味があるからです。バイデン政権の包括的な気候法（インフレ抑制法）は45Q税額控除を大幅に拡充し（排出源CO₂貯留で最大85ドル/トン、DAC CO₂貯留で最大180ドル/トン）、これにより電力、エタノール、工業分野でカーボンキャプチャープロジェクトの計画が相次いでいます。例えば、ルイジアナ州やカリフォルニア州の複数のガス火力発電所が45Qを得るためにキャプチャーユニットの導入を検討中です。政府はまた、CO₂を用いた石油増進回収（EOR）も引き続き支援しています。これは議論の余地はありますが、CO₂-EOR（回収したCO₂を油田に注入して石油生産を増やす手法）は一部のCO₂を貯留し、回収コストの補填となる収益を生み出すことができます。テキサスのDACハブのCO₂の一部は、当初EORに使われる可能性もあります。さらに、米国は貯留ハブ（メキシコ湾岸や中西部の塩水層など）にも資金を投入しており、これらは多くの回収拠点からCO₂を受け入れることができます。これらすべての動きが、カーボンマネジメントのエコシステムを形成しています。
ヨーロッパ – 政策とプロジェクト: EUと英国も産業の脱炭素化に重点を置き、カーボンキャプチャーに多額の投資を行っています。英国政府は2023年に2つの産業クラスター（ハンバーとリバプール湾）をTrack-1 CCUSクラスターとして選定し、資金と支援を提供しました。これらのクラスターは、2030年頃までに複数の工場や発電所にCO₂回収設備を導入し、共用のCO₂パイプラインで北海の沖合貯蔵施設へとつなげる計画です。プロジェクトには、DraxのバイオエネルギーCCS併用（BECCS）プラント（バイオマス発電所から年間800万トンのCO₂回収を目指す）や、CCSを備えたNet Zero Teesside発電所などが含まれます。EUのイノベーション基金は、オランダのDyneema工場でのカーボンキャプチャーユニットや、アイスランドでClimeworksとCarbfixが関与するDACプロジェクト（OrcaやMammothの建設を支援）など、いくつかのCCSプロジェクトに資金を提供しています^[82]。2024年には、EUは2040年までにCDRで排出量の5～10％を除去するという拘束力のある目標も提案しており、加盟国がDACや森林再生などで大気中のCO₂を除去することを事実上義務付けています^[83]。ノルウェーはLongshipに加え、CO₂インフラを拡大し、（CCS付き水素製造など）さらなる回収拠点の追加も視野に入れた「Longship 2」を計画中です。ヨーロッパ各地でも、廃棄物焼却炉の排ガスからCO₂を回収するスイスのプラントや、セメント工場のCO₂回収用新型膜を試験するスペインのプロジェクトなど、多数のパイロットプラントが進行中です。重要なのは、ヨーロッパがカーボンリムーバル認証の規制枠組みを整備しつつあることで、企業が高品質な除去（DACなど）に投資し、それを検証済みの形で気候目標にカウントできるようにしています。
アジアと中東: 中国はCarbonBoxでDAC分野に参入しました。また、中国は世界最大級のポイントソース回収パイロットも運用しており、例えば江蘇省の石炭化学プラントでは年間50万トンのCO₂を回収し、重曹製造に利用しています。国有大手のSinopecなどは、製油所や石油化学プラントにCO₂回収装置を設置中（回収CO₂はEORや化学品に利用）です。中東では、サウジアラビアとUAEがネットゼロ公約の一環として大規模なカーボンキャプチャー導入計画を発表（例：サウジのNEOMプロジェクトにはDACの目標が含まれ、UAEのADNOCはガス処理からのCO₂回収を拡大中）しています。特筆すべきは、COP28でダイレクトエアキャプチャーが注目されたことで、2023年末～2024年初頭にUAEで開催され、現地にはライブデモのDACユニットも設置されました。湾岸の両国は、安価な土地、豊富な太陽エネルギー、CO₂貯留に適した地質など、DACに理想的な条件を備えています。コストが下がれば、これらの地域で最初のギガトンスケールのDAC「ファーム」が建設される可能性もあります。
民間セクターとスタートアップ: 何十ものスタートアップがカーボンキャプチャーの革新を競っています。すでに名前が挙がっている企業（Climeworks、Carbon Engineering/1PointFive、Heirloom、CarbonCapture Inc.、Octavia、Verdox）以外にも、Global Thermostat（アミンでコーティングされた多孔質吸着剤をフルートパネル上で用いたDACプロセスを開発）、Svante（回転ベッド内の固体吸着フィルターで排出源からの回収を行い、MOFベースのフィルターで産業用途でCO₂を1トンあたり50ドル未満で回収できると主張）、Mission Zero（英国拠点、電気化学的DACに取り組む）などがあります。石油・ガス企業もこれら多くに投資しており、OccidentalはCarbon Engineeringに、ChevronはSvanteに、United Airlinesはカーボンリムーバル企業に出資しています。一方、AtocoはMOFの先駆者Omar Yaghiが設立したスタートアップで、「新しいレチキュラー材料」を開発し、カーボンキャプチャーと大気中の水収集ソリューションの両方を提供しようとしています^[84]。「当社の技術は、直接空気や排ガスからCO₂を回収・分離する際のエネルギー消費を50%削減します」とAtocoのCEO、Samer Tahaは述べています^[85]。同社はCO₂親和性が非常に高い材料を設計しており、これにより「回収のためのエネルギー要件とコストを劇的に削減」しています^[86]。このような改良により、小型でモジュール式の回収ユニットが多くの用途で経済的に実現可能になる可能性があります。

金融面では、民間資本がカーボンキャプチャーや除去に流れ込んでいます。カーボンリムーバル系スタートアップへのベンチャー投資は急増しており（業界全体で数億ドル規模）。また、企業は将来の需要を確保するためにバイヤーズクラブを設立しています。Frontierコンソーシアム（Stripe、Alphabet、Metaなどが出資）は、今後10年で恒久的なカーボンリムーバルを10億ドル分購入することを約束し、検証可能なCO₂除去を実現できる企業に市場を事実上保証しています。これにより、スタートアップはR&Dの拡大に自信を持つようになりました。カーボンリムーバルクレジットのマーケットプレイスも登場しつつありますが、取引量はまだ少なく、価格も高い（現在DACクレジットは1トンあたり500ドル超）です。

これらすべての取り組み――公的・民間の両方――は、カーボンキャプチャーを後押しする強い勢いが生まれていることを示しています。Global CCS Instituteは、カーボンキャプチャーの導入は依然として気候目標に必要な水準には達していないが、こうした新たな政策やプロジェクトによってそのギャップは縮まりつつある^[87]と指摘しています。カーボンキャプチャーの時代が到来したという感覚があり、排出削減の代替策ではなく、不可欠な並行戦略として位置付けられています。

展望と専門家の見解

2025年の今、カーボンキャプチャーおよび除去技術はサイエンスフィクションから現実へと移行しつつありますが、依然として大きな課題が残っています。第一線の科学者たちは、これらの技術の可能性と限界の両方を強調しています:

一方では、楽観的な見方もあります。「これは基本的に、直接空気回収に最適な素材です」とオマール・ヤギ氏はCOF-999について語り、このようなブレークスルーが「気候問題への取り組みにおいて新たな地平を切り開く」ことに興奮を示しました^[88]。この分野の多くの人々は、継続的なイノベーションによって、カーボンキャプチャーが世界中で展開できるほど効率的かつ安価になることに本当の希望を抱いています。ビジョンとしては、数十年後には現代の石油・ガス産業規模の新たな産業が誕生し、逆方向に、世界中で炭素をシステムから引き抜くことになるというものです。これには、「巨大な空気清浄機」が戦略的な場所に設置され、ガリアルディ教授が想像するように、DACプラントが「地球規模のカーボンニュートラル達成への取り組みに大きく貢献する」ことも含まれるかもしれません^[89]。気候モデルの専門家も、ネガティブエミッション技術による排出削減が、1.5°Cの温暖化にとどめるためには、（航空、農業、過去の排出など）最も削減が難しい排出源を相殺するために必要になる可能性が高いと認めています。一方で、専門家たちはカーボンキャプチャーを万能薬や化石燃料削減の先延ばしの口実と見なすことに警鐘を鳴らしています。国際エネルギー機関（IEA）のファティ・ビロル事務局長は、「石油・ガスの現状維持を続けながら、カーボンキャプチャーの大規模導入で排出削減できると期待するのは幻想だ」と警告しました。つまり、カーボンキャプチャーは急速なクリーンエネルギーへの移行を補完することはできても、代替にはなりません^[90]。また、科学者たちは、炭素除去は二酸化炭素には対応しますが、他の温室効果ガスや気候への影響には対応しないことも指摘しています。「たとえCDRで気温を下げたとしても、私たちが目にする世界は同じではないだろう」とカール＝フリードリッヒ・シュロイスナー博士は述べ、海面上昇などの問題は単純に逆転しないことを強調しました^[91]。そして、規模の問題も忘れてはなりません。現在、すべてのDACプラントを合わせても年間数千トンのCO₂しか除去していませんが、自然（森林、土壌）は約20億トンを除去しています。しかし、気候目標を本当に支援するには、年間70～100億トンの除去が今世紀半ばまでに必要になるかもしれません^[92]。これは非常に大きな課題であり、自然の現在の除去量の約10倍、あるいはマンモス級DACプラントが数千基必要となります。それを実現するには、今後数十年にわたる継続的なイノベーション、投資、支援的な政策が必要です。

2024～2025年の展開から得られる教訓は、カーボンキャプチャの学習曲線が本格的に始まったということです。コストは徐々に下がりつつあり、初の実証プロジェクトが重要なコンセプトを証明しています。CCSを備えた初のセメント工場、メガトンスケールのDACプロジェクトへの資金提供、従来の限界を打ち破る新素材（300°CでのCO₂回収、100回以上のサイクル耐久、湿度の高い空気中での作動、CO₂の99%回収など）、そして政府が本格的な資金を投入し始めています。それぞれの成功が知見を蓄積し、次のプロジェクトをより簡単かつ安価にしています。ある報告書が述べたように、カーボンリムーバル産業を構築するマラソンは始まったばかりですが、ランナーたちはついにスタートラインを切ったのです^[93]。

今後数年は、これらの「メガプロジェクト」に注目してください。Project Cypress（米国）や英国のHumberクラスターのようなプロジェクトが成功すれば、これまでにない規模でCO₂を回収し、コストが期待通りに下がるかどうかを示すことになります。また、XPRIZE Carbon Removalコンペティションにも注目です。2024年にはDAC、海洋ベースの回収、鉱物化など多様な分野から20のファイナリストチームに絞られました^[94]。2025年に発表される優勝チームは、1,000トンのCO₂除去と年間100万トン規模への拡大可能性を実証しなければなりません。このコンペティションは創造性を刺激し、HeirloomやCarbfixなどのチームが注目され資金提供を受けるきっかけとなりました^[95]。

まとめると、CO₂回収のための新しい構造や技術が急速に登場しています。最先端のCOF結晶はCO₂のスーパー・スポンジのように機能^[96]し、巨大なエンジニアリングプロジェクトはメガトン単位で空から炭素を吸い出すことを目指しています^[97]。それぞれが気候安定化というパズルの一片を担っています。専門家の間では「慎重な楽観論」が広がっています。確かにカーボンキャプチャは技術的に複雑で現時点ではコストも高いですが、2024～2025年の進展は人間の創意工夫がこれらの課題を着実に克服しつつあることを示しています。より良い吸着材を設計するためにAIと化学を融合させることについてYaghi教授が述べたように、「私たちはとても、とてもワクワクしています」^[98]――そしてその興奮は、カーボンキャプチャを将来世代に住みよい地球を引き継ぐための不可欠なツールとみなす気候科学者、エンジニア、投資家、政策立案者の間にも広がりつつあります。

炭素回収だけでは世界を救うことはできませんが、私たちが脱炭素化という困難な作業を進める間、時間を稼ぎ、過去の汚染を削減することができます。今や画期的な技術が手に入り、さらに多くが登場しつつある中で、大気を浄化するというかつて理論的だったアイデアが現実になりつつあります。これらのソリューションを大規模に展開するための今後数年が極めて重要です――そして、もし私たちが成功すれば、将来の世代はこの時代を新たな炭素除去時代の夜明けとして振り返り、人類が文字通り空を洗浄し始めたことで安全な気候バランスの回復に貢献したと認識するかもしれません。

出典: カーボンキャプチャーの研究とニュース（2024–2025年）^[99], ^[100], ^[101], ^[102], ^[103], ^[104], ^[105], 政府発表および専門家のコメント^[106], ^[107], ^[108], ^[109], およびIPCC気候評価^[110], ^[111].