Greenhouse gas microbubbles sequestration 

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今開発中のCO2マイクロバブル固定は安定化を促進する革新技術です。安全性が高いので、日本をはじめ広範な地質条件で利用可能です。多孔質の堆積岩でも、硬質の割れ目系岩盤にも適した温室効果ガス地下注入技術です。また、原油増進回収やガス増進回収にも適しています。

2008年11月19日 二酸化炭素(通称:炭酸ガス)を微細なマイクロバブルに封じ込めて地下深部の岩石の微細孔中に注入し、浮上しないようにして、半永久的に地下に固定する新技術<CO2マイクロバブル固定技術(CMS)>を第9回温室効果ガス管理技術国際会議(GHGT-9)で世界に提案しました。この技術の開発により世界の広範な地域で安全かつ経済的なCO2地中貯留(CCS)が可能になります。日本国内では2007年春の資源・素材学会で発表しましたが<微細泡CO2注入法>、国際会議では初公表です。
Hitoshi Koide, Ziqiu Xue : Carbon microbubbles sequestration: a novel technology for stable underground emplacement of greenhouse gases into wide variety of saline aquifers, fractured rocks and tight reservoirs, GHGT-9: 9th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies, 16 - 20 November 2008, The Omni Shoreham Hotel Washington DC, U.S.A, Technical Session 7E - Novel Options for Geological Storage, November 19, p.1-8. [小出 仁(早大理工研)、 薛 自求(京大) : 二酸化炭素マイクロバブル固定: 多様な塩水帯水層、割れ目系岩体、難浸透性貯留層への安定な新温室効果ガス注入技術, GHGT-9: 第9回温室効果ガス管理技術国際会議] https://www4.eventsinteractive.com/iea/rs.esp?id=270005&scriptid=sppp1
2007:微細泡(マイクロバブル)CO2注入による非構造性帯水層隔離法の提案, (社)資源・素材学会 平成19年度春季大会講演資料,1-4、小出 仁、篠田淳二

CO2の地下安定封入
世界最初の大規模CO2地中貯留事業であるノルウェーのスレイプナー・プロジェクトでは、1996年から年約100万トンの規模で北海海底下の帯水層にCO2を注入している。その国際共同モニタリング(SACSプロジェクト)が実施され、地下におけるCO2の重要な挙動が明らかにされた(SACS Best Practice Manual, 2003, CO2STORE Best Practice Manual, 2007)。地下深部にCO2を急速に大量注入すると、注入口付近の帯水層中の地下水を排除して、岩石間隙中がほぼCO2で満たされた領域(CO2バブルと呼ぶ)が生じる。気体または超臨界流体状のCO2は水より軽いため、CO2バブルは浸透性の良い砂層からなる帯水層中を上昇し、砂層中に挟まる難浸透性の薄い頁岩層に達すると一旦上昇を停めて頁岩層の下面に沿って広がるが、頁岩層に小さな隙間でもあると、隙間を抜けて上部の砂層に至り,砂層中を更に上の頁岩層に達するまで上昇する。隙間(欠陥)のまったく無い頁岩層に到達すると、その頁岩層が真のキャップロックになる。CO2バブルは,キャップロックの下を上方に向かって広がる。CO2溶解水は溶解していない水より重くなるため、CO2が溶解すれば帯水層の下方に流れる。しかし、大きなCO2バブルが帯水層中に形成されると、CO2と水の接触が岩石の間隙中に制約されるので、地下の高圧下でCO2溶解度が高いにも係わらず、大きなCO2バブルの溶解縮小には長年月を要する。
以上の知見から、以下の方策がCO2を地下に安定に封入するために重要な事が判る。
(1) キャップロック(難浸透性の頁岩層・泥層・粘土層など)は薄くても有効であるが、隙間(欠陥)が無いことが重要である。隙間(欠陥)は、割れ目や不整合や砂脈や封塞の不完全な坑井であるが、その検出・探査技術の開発が必要である。また、検出した欠陥を補修する技術の開発も必要である。
(2) 地下に大きなCO2バブルを形成しないようなCO2地下注入法を開発できれば、強い上昇流を生じないで安定に地下封入ができる。たとえば、CO2のみを圧入するのでなく、CO2溶解水として圧入すれば,帯水層中で注入口よりさらに下方に流れるので,安定性が高い。しかし,この方法は多量の水を圧入する事になるので,効率が悪い。WAG法と呼ばれるCO2と水を交互に圧入する方法はCO2-EORなどで実用化されている。
温暖化防止地球システム(株)は、CO2溶液注入やWAG法より効率よく、大きなCO2バブル形成を防げるCO2地下注入法として、新しく微細泡(マイクロバブル)CO2注入法を開発中である。


CO2微細泡(マイクロバブル)地下注入
径数十ミクロン程度以下のいわゆるマイクロバブルは、合体して大きなバブルを形成するより、むしろ縮小して急速に溶解消滅する傾向がある。マイクロバブルの性質はまだよく解明されていないが、縮小する際に内部は高圧になるので、表面積が大きいこともあって、溶解が速くなる。地下ではマイクロバブル内のCO2注入法は超臨界状態になる可能性が高い。マイクロバブルは、大きなバブルに比べて浮力がごく小さいため、水中でほとんど上昇しない。このようなマイクロバブルの特性は、前項で述べたようにCO2の地中固定に理想的な性質である。
注入井の坑口ないし注入井内部にマイクロバブル発生装置を設置し、水中にCO2を噴出してCO2マイクロバブル乳状水を作り、貯留層に注入する(図1)。水は、帯水層からくみ上げた塩水地下水を用いて、それを地下に再圧入するのが望ましい。塩水地下水に含まれているメタンを回収し、代わりにCO2を混入する。マイクロバブルを発生させる深度が効率上重要である。
微細泡(マイクロバブル)の岩石への浸透性については、測定データが少なく、結果にも大きな変動がある。微細泡の径の分布と岩石の間隙径の分布の相互関係が複雑なためであろう。注意深い実験を多数行う必要があるが、岩石の間隙径より微細泡の径が十分に小さければ、マイクロバブル水の浸透性は良いが、間隙径より大きい微細泡が混入すると浸透性が著しく低下すると考えられる。微細泡の径は貯留層になる砂岩等の間隙より小さく、キャップロックとして期待される頁岩層・粘土層等の間隙より大きいことが望ましい。

CO2微細泡(マイクロバブル)注入法をすれば、海洋固定のようなフリーウォーター中でも安定にCO2固定ができると考えられるが、多孔質の岩石中では、界面効果などによるマイクロ・トラップ・メカニズムが作用し、「残留ガス」が生じる(図2)。残留ガスとして岩石間隙中に留まっている間に、さらに溶解・イオン化・炭酸塩化などの固定メカニズムが進行し、長期安定化すると期待される(図3)。CO2微細泡(マイクロバブル)注入法は、残留ガス化から溶解への固定プロセスを促進する方法であり、苦鉄質岩などへの地化学固定や微生物固定などの高度固定法を効率的に実現できる地下CO2注入技術である。また、極微細なマイクロバブルの注入により、岩石の微細な間隙の奥にCO2注入が可能であるので、CO2-EOR(原油増進回収法)としてもCO2微細泡(マイクロバブル)注入法は有望である。特に、原油増進回収が技術的に難しい水押型の油層に適している。

CO2微細泡(マイクロバブル)地中固定技術は安全性が高く、高度固定化を促進できる。


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温暖化防止地球システム(株)
小出 仁・小出すみ子
E-mail:Hitoshi.Koide@gmail.com

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CC地球システム(株)