CO2貯留研究グループ◦実用化規模に適用できるCO2地中貯留に係る安全管理技術開発の取り組み

RITEToday

201７

CO2 貯留研究グループ【コアメンバー】

グループリーダー・主席研究員

薛自求

サブリーダー・主席研究員

山崎

主席研究員

啓主任研究員西村真

副主席研究員

野村眞

主任研究員

喜田潤

高須伸夫

主任研究員

高野修

副主席研究員

田島正喜

主任研究員

和泉宏典

主任研究員

中島崇裕

主任研究員

岡林泰広

主任研究員

内本圭亮

主任研究員

間木道政

主任研究員

田中良三

研究員

張毅

主任研究員

三戸彩絵子

研究員

朴

赫

主任研究員

利岡徹馬

研究員

伊藤拓馬

主任研究員

橋本励

研究員

中村孝道

主任研究員

木山保

研究員

蔣

蘭蘭

主任研究員

造倉茂文

研究員

王

璐琛

主任研究員

小牧博信

実用化規模に適用できるCO2地中貯留に係る安全管理技術開発の取り組み
１．はじめに4月1日に「二酸化炭素地中貯留技術研究組合」が設

1996 年 よ り 圧 入 開 始 し た ノ ル ウ ェ ー の 北 海立された（詳細については後述のトピックス参照）。

Sleipnerサイトでは、約1,600万トンの天然ガス随伴

ここでは研究機関と民間企業が持っている知見やノウCO2を海底下の塩水性帯水層に圧入してきた。そのハウを幅広く結集してCCS技術の実用化を目指した

後、大規模CO2地中貯留プロジェクトとしてカナダの研究を推進することになっている。

QUESTに続いて、今後は米国イリノイのIndustrial

RITEは、CO2地中貯留の安全管理技術開発およびCCS（Decaturサイト）、オーストラリアのGorgon国際連携・海外動向調査に取り組んでおり、CCSにプロジェクトもCO2圧入開始予定である。これらはい関する社会受容性の向上を目指している。

ずれも実用化規模の100万トン／年に達しているだけでなく、CCS事業のインセンティブやCCS関連法規への対応も大きく注目されている。北海Sleipnerサイ

32２．二酸化炭素地中貯留技術研究組合の主な研究課題とRITEの役割

トは、圧入開始から20年目を迎えているが、これま二酸化炭素地中貯留技術研究組合は、「二酸化炭素でにCO2漏洩や誘発地震の報告はなく、地下深部帯水回収・貯蔵安全性評価技術開発」の研究成果を基に、層へのCO2地中貯留の手本となっている。

実用化フェーズへ向けて、2016年度に立ち上げられCO2 地中貯留の実用化に向けて、小規模（pilot-

た「二酸化炭素大規模地中貯留の安全管理技術開発」

scale）圧入から大規模（large-scale）へのアップス事業の実施者となり、「大規模CO2圧入・貯留の安全ケーリングは欠かせない。このようなアップスケーリ管理技術の開発」、「大規模貯留層の有効圧入・利用技

ングでは、関連技術検証だけでなく、様々な技術を統術」、「CCS普及条件の整備、基準の整備」に取り組合（integration）することにより、事業のコスト削んでいる。研究課題の詳細と、実施する組合員を表１減も図ることが可能である。そこで、我が国の貯留層に示す。に適した実用化規模（100万トン/年）でのCO2貯留RITEは、これまでも先導的にCCS関連の研究を進めに関する技術統合やコスト削減を目指して、2016年てきたが、本技術研究組合においても主要組合員とし

CO2貯留研究グループ◦実用化規模に適用できるCO2地中貯留に係る安全管理技術開発の取り組み

表１

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201７

二酸化炭素地中貯留技術研究組合 研究課題と組合員の役割て、産業技術総合研究所と連携して研究開発を進め、◇光ファイバーを利用した地層安定性や廃坑井の健全これらの研究成果をもとに、民間企業の組合員と連携性監視システムの開発して、CCS実用化に向けた技術開発に取り組んでいく。

地層の安定性や万一の廃坑井からのCO2漏洩を監視するため、地中埋設型光ファイバーを用いて、地層２．
１．大規模CO2圧入・貯留の安全管理技術の開発
地質モデルの構築、CO2挙動シミュレーションや長期予測手法の確立、光ファイバーを利用した健全性監視システム、圧入安全管理システムの構築等により、の変形、地中の温度と圧力の変化を連続的に測定するシステムを開発・適用し、有効性を検証する。
◇CO2漏出検出・環境影響評価総合システムの構築
万一の廃坑井や遮蔽層等から海底へのCO2漏出に大規模CO2圧入・貯留の安全管理技術を開発する。

ついて、有効な漏出検出手法や漏出CO2の海中拡散シ◇圧入安全管理システムの開発

ミュレーション技術を開発するほか、生物影響データ

自然地震や圧入に伴う微小振動の観測結果、CO2挙動モニタリングおよび海洋モニタリングの結果、CO2ベースの活用によって環境影響評価を行うための総合システムを開発する。

圧入データを基に、赤、黄、青の交通信号システムのように、CO2圧入が安全に実施できる管理システム

２．２．大規模貯留層の有効圧入・利用技術の開発（ATLS：Advanced Traffic Light System）の開発を大規模貯留層への有効圧入・利用技術を開発するた行い、苫小牧サイトでの結果をもとに、日本の独自先め、圧入井や圧力緩和井の最適配置技術や、微細な行技術として、世界展開を目指して、ATLS機能の検証・CO2気泡を活用したCO2溶解促進技術の適用に向け確認を行う。

た研究を実施する。

◇大規模貯留層を対象とした地質モデル構築、貯留層評価◇CO2圧入井や圧力緩和井の最適配置技術の確立

大規模貯留層の貯留可能量評価のため、評価技術の実用化規模（100万トン/年程度）の大規模貯留サ開発および地質モデル構築手法を確立し、苫小牧実証

イトでは、複雑な地層構造や貯留層の不均質性に対応サイトや適地調査サイトに適用する。

して、複数の圧入井、あるいは圧力緩和井を利用する◇大規模貯留層に適したCO2挙動シミュレーション、ケースもあることから、複数坑井の配置や機能を最適長期挙動予測手法の確立化できる手法、苫小牧や適地サイト等のデータを活用

大規模貯留層内のCO2の長期的な挙動を予測するしつつ確立する。

ため、我が国の貯留層の地化学反応特性（地層水の塩◇CO2溶解促進技術の適用による貯留効率向上

濃度が低い、反応鉱物が多い等）を考慮したCO2長期塩濃度の低い地層水への溶解促進や、貯留層の圧力挙動予測手法を確立し、苫小牧実証サイトや適地調査増加の抑制につながる溶解促進技術を確立するとともサイトに適用する。に、微細なCO2気泡を貯留層に圧入し、CO2貯留効

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RITE

Today

201７率向上を図る。室内実験から現場適用手法の検討まで地質学的データが少ない制約下においても、CO2貯留行い、溶解促進技術の適用効果を評価する。

可能量の把握、安定した圧入性能、地表へのCO2漏洩が起きない事等の評価を行うことが必要である。

３．CCS普及条件の整備、基準の整備
２．

CO2貯留研究グループでは、限られた坑井からのCCS普及のためには、普及に向けた条件整備や基ボーリングコアや物理検層等の地質学的情報と、地表準の整備が不可欠であることから、安全性管理プロトからの弾性波探査等による各種データを最大限に有効コル(IRP)の整備、技術事例集の作成、海外機関との活用し、得られた情報を統合して地質モデルを構築し連携、および、社会受容性の向上・国際標準化の整合ていく手法の技術開発を進めている。図１には、地質のための検討を実施する。

学的解析と貯留性能評価に関するデータ統合手法の例◇CO2貯留安全性管理プロトコル（IRP）の整備を示している。

CCSの社会受容性確保にも寄与するIRPの海外サイコア試料のX線CT画像および柱状図による堆積環境トの事例を調査し、その機能検討を行った上で日本版解析から、貯留層はデルタフロントとプロデルタからIRPを構築する。

なることが示されている。さらに地層中のミクロな不◇苫小牧実証データの提供による技術事例集の作成、均質性を表す孔隙径分布が、CO2圧入性に大きく影響海外機関との連携していることを示している。これらの情報から広域の国内外の大規模CO2地中貯留プロジェクトの技術貯留性能評価を行うためには、三次元弾性波探査結果事例や知見を集約し、CO2地中貯留事業の基本計画かを用いる。その手 法の一 例として、GDI（Geologyら閉鎖後管理までをカバーする技術事例集を完成さ

Driven Integration）解析技術を適用し、坑井物理検せ、事業者の参照に供する。

層等による地質学的データと三次元弾性波探査データ◇社会受容性の向上、国際標準化との整合を統合することで、長岡サイトにおいて信頼性の高い

CO2地中貯留事業の普及に欠かせない社会受容性地質モデルを構築した。これらの手法は、堆積層を対の向上を図る。また、海外機関との連携により、CCS事業の国際標準化との整合に取り組み、我が国のCCS技術の向上や普及を促進する。
３．RITEにおける2016年度の主な研究成果の紹介
RITEではCO2地中貯留の技術的課題に対する取り組みとして、CO2圧入・貯留の安全管理技術の確立、大規模貯留層有効圧入・利用技術の確立、CCS普及条件の整備・基準の整備を進めている。これらの技術的課題の研究推進とともに、国際連携を通じた海外研究機関との研究協力、および海外動向調査等による情報収集にも取り組んでいる。
３．１．地質モデル構築技術の開発
貯留層に圧入されたCO2挙動予測のためには、地層の不均質性を反映した信頼性の高い地質モデル構築が重要である。この地質モデル構築においては、これまで石油・天然ガス生産において開発されてきた手法を利用することが可能であるものの、CO2地中貯留では漏洩防止の観点から掘削坑井の本数が少ないことが一般的である。そのためCO2地中貯留では、そのような

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図１

地質モデル構築のためのデータ統合例と不均質性評価の解析例

CO2貯留研究グループ◦実用化規模に適用できるCO2地中貯留に係る安全管理技術開発の取り組み象とした貯留層に対して適用可能であり、CO2貯留可能量の事前評価においても有効な手法である。

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201７

CO2貯留研究グループでは、これらの課題に取り組
むために、米国ローレンス・バークレー国立研究所で開発されたTOUGHREACT V2.0の並列化、およびヒ３．
２．長期CO2挙動予測技術の開発

ステリシス特性への対応のためのコードの改良を行っ

CO2地中貯留の実用化においては、地下深部の貯留た。開発したコードの検証と性能評価のため、国内で層に圧入されたCO2挙動をモニタリングし、安定的に唯一のCO2圧入後のモニタリングを行っている長岡サ留まっていることを予測・確認することが重要である。

イトの詳細地質モデル（格子数約10万）に対して適用

大規模貯留サイトを対象とした挙動予測技術としてし、その性能評価を行った。比抵抗モニタリング結果

は、大規模モデルに対応するシミュレータの開発、おでは高比抵抗部分に相当する超臨界CO2は2つの部分よび長期予測対応として地化学反応を考慮したシミュに分かれて存在し、その上下に低比抵抗部分に相当すレータの開発が必要となる。

る溶解CO2が存在していることが明らかになっているが、シミュレーションによるCO2挙動解析結果において詳細に再現できている（図２）。
また、地化学反応を含めた1,000年間の長期挙動予測を行った結果、どのような鉱物が反応（溶解・生成）しているか、およびCO2のトラッピングに対する寄与率の経時変化も計算可能となった（図３）。これらの計算は、並列化する計算機数を増やせば短時間で実行可能であるため、大規模サイトへの適用も可能である。
３．３．海洋環境影響評価技術開発
CO2地中貯留においては、CO2が安定的に貯留さ

図２

CO2モニタリング結果と挙動シミュレーション結果の比較れる地層を貯留層として選定するため、漏出のおそれは極めて小さいと考えられる。しかし、万が一に備え、漏出を検知する技術は必要である。RITEでは、沿岸域の海底下貯留を想定し、海洋へのCO2漏出の検知技術の研究開発を行っている。CO2は主として気泡の状態で海底から漏出し、気泡は浮力により海水中を上昇しながら海水に溶解すると考えられている。したがって、漏出の検知技術としては、海水中の気泡を検知する手法と、漏出CO2の溶解によるCO2分圧（pCO2）の上昇を検出する手法が考えられる。
海水中の気泡を検知する手法としては、サイドスキャンソナー（Side-scan sonar、以下、SSS）を用いた音響探査手法を検討している。SSSとは、送受波器より発信した音波が物体に反射して戻ってきた際に、音波の強度の違いを色の濃淡によって平面画像に表示する音響探査機器であり（図４）、海底地形や海底地質の探査に頻繁に用いられている。RITEでは、海水中の気泡が音波を反射する性質に着目し、これまでに水深6～7mの海底から20mL/minで放出した圧図３ 鉱物反応シミュレーション結果とトラッピングメカニズムの経時変化

縮空気の気泡柱をSSSで検知できることを明らかにし

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201７てきた。そこで2016年度は、SSSによる気泡検知技

大阪湾で観測されたデータを用いて、pCO2の値だけ術の実用性を検証するため、海底下貯留の実証試験がで異常値を判定する場合の問題と、その問題がDOも実施されている苫小牧沖と同程度の水深30mの海底用いることで改善されることを示す。大阪湾では毎年から圧縮空気およびCO2気泡を放出し、気泡放出点と2月、5月、8月、11月に定点観測が行われている。

測線との距離（オフセット、図４）によって、得られpCO2 とDOは 明 瞭 な 逆 相 関 を 示 し て い る（ 図 ６）。

る気泡画像に違いがあるか否かを検討することにしRITEが考案したのは、pCO2とDOの線形回帰の予測た。圧縮空気の場合には、オフセットが20mおよび区間上限を異常値判定基準にすることである。pCO210mでは海底付近から気泡柱が認められたが、オフの値のみで異常値の判定基準を設定する（例えば図６

セットが0mおよび2mでは海面から水深5～20mにの黒点線）と、貧酸素状態では自然変動の範囲内であかけてのみ気泡がみられた（図５a）。一方、CO2にるpCO2 値を異常値と誤判定しやすく（図６の①）、

対しては、オフセットが10mでは水深5～15m付近

酸素が豊富な状態では自然変動の範囲を大きく超えるに気泡がみられたが、オフセットが0mおよび2mで高いpCO2値を正常値と判定してしまう（図６の②）は水深5m付近に気泡が確認された（図５b）。このよという問題が生じる。しかし、回帰直線の予測区間上うに、圧縮空気、CO2のいずれにおいてもオフセット限（例えば図６の緑太点線）を判定基準にするとこのによって、SSS画像上に反映される位置（深さ）が異問題は大幅に改善される。ただし、自然変動データのなることが明らかになった。実際の音響探査では、複みしか含まれていない図６においても緑太点線より上数の測線を平行に設定するので、複数のSSS画像上のにデータがあるように、一定の割合で自然変動が異常気泡の位置からおおよその漏出地点を予想できること値と誤判定されることは避けられない。また、8月（青が期待される。CO2の放出率は圧縮空気の10倍程度点）に注目すると、400μatm～1800μatmでばらであったにも拘わらず、得られた画像の強度は圧縮空ついており、年によって値が大きく変動していること気より弱かった（図５）。これは、海底から放出されが示されている。このことから、異常値判定基準の作たCO2気泡が上昇していく過程で溶解するために気泡が小さくなり、反射強度が弱くなったためと推察される。このように、圧縮空気とCO2では、SSS画像に特徴的な差が生じることが明らかになった。
CO2漏出によるpCO2上昇の検出する手法については、異常値判定の基準をどのように設定するのかが問題となる。RITEでは、pCO2だけでなく溶存酸素飽和度（DO）も用いた異常値判定基準を考案した。以下に、

図５

図６
図４ サ イドスキャンソナー画像における気泡のシグナルと海水中の位置関係の概念図

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実験で得られたサイドスキャンソナーの画像

 存酸素飽和度（DO）とCO2分圧（pCO2）の散布図
溶
黒点線はpCO2の平均値＋標準偏差の3倍、緑直線と緑点線は回帰直線とその99%予測区間。①と②は本文参照のこと。

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成には少なくとも数年以上のデータが必要であること

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201７

躍の年となることが期待される。

が示唆される。
４．２．CSLFの動向
４．国際連携および海外動向調査

CSLFの2016年の年次会合が、経済産業省とRITE

RITEは、CCSに関係する国際機関などとの連携をの主催により10月に東京で開催された。この会合に通してCCSの普及に貢献するとともに、CCSの海外おいて、苫小牧CCS実証プロジェクトがCCSの普及・動向調査を行っている。ここでは、2016年のCCS関発展に資するプロジェクトとして認定された。日本国

連の主な国際動向と、RITEが参加している国際機関内のCSLF認定プロジェクトは、RITEによる膜分離技などのうち、2016年10月に東京で会合を開催した炭術の開発プロジェクトに次いで2件目となる。

素隔離リーダーシップフォーラム（CSLF）の動向をまとめることとする。

技術グループにおいては、2015年秋以降、貯留層の孔隙スペースの有効利用、海域EOR、バイオCCSの3つのタスクフォースが2017年秋の閣僚級会合前

４．
１． CCSに係る海外動向の報告書の策定に向けて活動中である。東京会合にお2016年は、世界初の大規模CCS事業であるノル

いて、これに加えて、CO2利用に焦点を当てた産業ウェーのSleipnerプロジェクトにおいて、深部塩水層CCSについてのタスクフォースも立ち上げることにへのCO2圧入が開始されてから20年目に当たる節目なった。また、日本の提案により、CCSに対する合の年であった。同プロジェクトは、2016年までに理的な規制を検討するタスクフォースを政策グループ

1,600万トン以上のCO2を安全に貯留しており、CCSとともに設置することが検討されることになった。

技術の安全性を示す好例となっている。

政策グループでは、東京会合においてチェコの加盟さらにノルウェーでは3つの産業プラントに対するが議論され承認を受けた。チェコは石炭の生産量が多CCSプロジェクトの計画が進んでいる。事業の実現く、また、石炭火力への依存度も高いため、CCSへ可能性を探る検討の結果が2016年夏に公表され、政の関心が高い。チェコの加盟により、加盟国数は欧州府の支援を受けて詳細な検討を行う次の段階に進むこ委員会を含めて26となった。政策グループには、「コとが決定している。回収されたCO2は船舶で浮遊式一ミュニケーション」と呼ばれるCCSの啓蒙活動のた時貯蔵施設に集約されたのちに、パイプライン経由でめのタスクフォースがあるが、その活動の一環として海域の深部塩水層に圧入される計画となっている。

CSLFのウェブサイトが関係者以外にも有用な情報源

2019年春に予定されている最終投資決定が下されれとなるように東京会合の開催を前に刷新された。

ば、2022年の稼働が見込まれる。
2016年に運転を開始した大規模CCSプロジェクトは、世界初の鉄鋼セクターでのCCSであった。アラ
ブ首長国連邦に立地する製鉄所から年間80万トンのCO2を回収し、石油増進回収（EOR）に利用するものである。この製鉄所では、高炉方式ではなく、CO2回収が比較的容易な直接還元プロセスが採用されている。
オランダのROADプロジェクトは、政府から2016年12月に支持が表明され、2017年中に最終投資決定が下されることへの期待が高まっている。2017年中に運転開始が見込まれる大規模CCSには、米国のイリノイ産業CCSや豪州のGorgonなどの産業CCSのほか、Petra Nova、Kemperと い う 米 国 の 石 炭 火 力
CCSがあり、2017年がCCSコミュニティにとって飛37