ネガティブエミッションの必要性と限界(一財)エネルギー総合工学研究所
プロジェクト試験研究部 地球環境グループ

加藤悦史

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2016年3月7日 COPパリ協定と今後のIPCC報告書

本日の内容• 地球規模の炭素循環と排出シナリオ• 炭素管理に向けた研究 －ネガティブエミッ
ションの必要性と限界－

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はじめに: 地球規模の炭素循環の解明• 地球の持続可能性において極めて重要• 国際科学会議 (ICSU) による地球環境研究のコア・プロジェクトの一つとして、地球規模の研究が進んできた• グローバルな炭素循環にかかわる自然と人間の両方の側面とその相互作用について、自然科学と社会科学を融合した分析を実施し、国際的な炭素循環管理政策の策定に役立つ科学的理解を深めることを目的として
Global Carbon Projectの研究が行われている3

“Global Carbon Budget”について• Global Carbon Project として 2006年より毎年の全球規模の炭素循環の推計を “Global Carbon Budget”
として発表• このレポートでは、さまざまな研究成果を用い、人為活動による化石燃料起源および土地利用起源の炭素排出、大気中 CO2 の増減、および海洋・陸域への排出・吸収のデータをまとめ公開• 2012年発表のレポートより，科学的方法・データの透明性を担保するために、オープンアクセス・データ
ジャーナル「Earth System Science Data」において「living data」として公開• COP21開催中での2015年発表では、ネガティブエミッションのレビュー論文も同時に発表
4Global Carbon Budget

2015
Published on 7 December 2015
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PowerPoint version 1.0 (released 7 December 2015)

106 人の貢献者 | 68 機関 | 15 ヶ国
C Le Quéré UK | R Moriarty UK | RM Andrew Norway | JG Canadell Australia | S Sitch UK | JI Korsbakken
Norway | P Friedlingstein UK | GP Peters Norway | RJ Andres USA | TA Boden USA | RA Houghton USA | JI
House UK | RF Keeling USA | P Tans USA | A Arneth Germany | DCE Bakker UK | L Barbero USA | L Bopp France| J Chang France | F Chevallier France | LP Chini USA | P Ciais France | M Fader France | RA Feely USA | TGkritzalis Belgium | I Harris UK | J Hauck Germany | T Ilyina Germany | AK Jain USA | E Kato Japan | V Kitidis UK| K Klein Netherlands | C Koven USA | P Landschützer Switzerland | SK Lauvset Norway | N Lefèvre France | ALenton Australia | ID Lima USA | N Metzl France | F Millero USA | DR Munro USA | A Murata Japan | JEMSNabel Germany | S Nakaoka Japan | Y Nojiri Japan| K O'Brien USA | A Olsen Norway | T Ono Japan | FF Pérez
Spain | B Pfeil Norway | D Pierrot USA | B Poulter USA | G Rehder Germany | C Rödenbeck Germany | S Saito
Japan | U Schuster UK | J Schwinger Norway | R Séférian France | T Steinhoff Germany | BD Stocker Switzerland| AJ Sutton USA | T Takahashi USA | B Tilbrook Australia | IT van der Laan-Luijkx Netherlands | GR van der WerfNetherlands | S van Heuven Netherlands | D Vandemark USA | N Viovy France | A Wiltshire UK | S Zaehle
Germany | N Zeng USA | R Jackson USA | P Smith UK | SJ Davis USA | F Creutzig Germany | S Fuss Germany | JMinx Germany | B Gabrielle France | A Cowie Australia | E Kriegler Germany | DP van Vuuren Netherlands | JRogelj Switzerland & Austria | J Milne USA | D McCollum Austria | V Krey Austria | G Shrestha USA | T Gasser
France | A Grübler Austria | WK Heidug Saudi Arabia | M Jonas Austria| CD Jones UK | F Kraxner Austria | E
Littleton UK | J Lowe UK | JR Moreira Brazil | N Nakicenovic Austria | M Obersteiner Austria | A Patwardhan
USA | M Rogner Austria | E Rubin USA | A Sharifi Japan | A Torvanger Norway | Y Yamagata Japan| J Edmonds USA | C Yongsung Seoul | S Soloman USA
Science Committee | Atlas Engineers at LSCE, France (not already mentioned above), France
P Peylin | A Peregon | P Brockmann | V Maigné | P Evano
Atlas Designers WeDoData, France | Infographic designers UK, France & Sweden
K Bastien | Brice Terdjman | V Le Jeune | A Vessière | Nigel Hawtin | BNPParibas Design Team | azote
Communications TeamA Minns | O Gaffney | L Sayer | L Horton6

本発表のデータは billion tonnes CO2 (GtCO2) で表示
1 Gigatonne (Gt) = 1 billion tonnes = 1×1015g = 1 Petagram (Pg)
1 kg carbon (C) = 3.664 kg carbon dioxide (CO2)
1 GtC = 3.664 billion tonnes CO2 = 3.664 GtCO2 = 36.64 億tCO2Disclaimer
The Global Carbon Budget and the information presented here are intended for those interested inlearning about the carbon cycle, and how human activities are changing it. The information contained
herein is provided as a public service, with the understanding that the Global Carbon Project team makeno warranties, either expressed or implied, concerning the accuracy, completeness, reliability, or suitabilityof the information.
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化石燃料および産業からの排出2014年の全球での化石燃料および産業からの排出量: 35.9 ± 1.8 GtCO2 in 2014, 1990年比で60%増加
2015年予測値: 35.7 ± 1.8 GtCO2, 1990年比で59%増加

Uncertainty is ±5% for
one standard deviation(IPCC “likely” range)

Estimates for 2012, 2013, 2014, and 2015 are preliminary
Source: CDIAC; Le Quéré et al 2015; Global Carbon Budget 20158これまでの排出量と排出シナリオ
COP21での約束草案 (INDCs) に基づく排出経路は、最悪な気候変化（赤）を避けることは出来るが、多くの分析によると約3°Cの上昇となる （茶）INDCsOver 1000 scenarios from the IPCC Fifth Assessment Report are shown
Source: Fuss et al 2014; CDIAC; Global Carbon Budget 20159上位排出国2014年において、上位4地域の排出で世界全体の59%を占める
中国 (27%), 米国 (15%), EU28 (10%), インド (7%)

Bunker fuels which are used for international transport is 3.0% of global emissions
Statistical differences are between the global estimates and sum of national totals is 1.1% of global emissions
10Source: CDIAC; Le Quéré et al 2015; Global Carbon Budget 2015

消費ベースの排出 (carbon footprint)
財とサービスの消費へ排出を分配することにより、排出の要因に関する違った見方が可能

Consumption-based emissions are calculated by adjusting thestandard production-based emissions to account for international trade
Source: Le Quéré et al 2015; Peters et al 2011; Global Carbon Project 201511

全球レベルの炭素循環に対する人類の撹乱
人類の活動による炭素循環への撹乱
2005-2014年の10年間全球平均 (GtCO2/yr)

Source: CDIAC; NOAA-ESRL; Le Quéré et al 2015; Global Carbon Budget 201512

全球レベルでの炭素収支
化石燃料、産業、土地利用変化による炭素排出は、大気への残留に加え陸および海洋への吸収とバランスする

Source: CDIAC; NOAA-ESRL; Houghton et al 2012; Giglio et al 2013; Joos et al 2013; Khatiwala et al 2013;13
Le Quéré et al 2015; Global Carbon Budget 2015

全球レベルでの炭素収支
1870年からの累積でみた全球炭素収支におけるそれぞれの内訳

Figure concept from Shrink That Footprint
Source: CDIAC; NOAA-ESRL; Houghton et al 2012; Giglio et al 2013; Joos et al 2013; Khatiwala et al 2013;14
Le Quéré et al 2015; Global Carbon Budget 2015

大気中CO2濃度
全球のCO2濃度は1750年に約277ppmであったものが2014年では397ppm (43%増)
マウナ・ロアでの季節性を補正した月平均値は2015年3月に初めて400ppmを超えた

Globally averaged surface atmospheric CO2 concentration. Data from: NOAA-ESRL after 1980;
the Scripps Institution of Oceanography before 1980 (harmonised to recent data by adding 0.542ppm)
15
Source: NOAA-ESRL; Scripps Institution of Oceanography; Global Carbon Budget 2015

人為CO2排出の行方 (2005-2014年平均)
33.0±1.8 GtCO2/yr 91%

16.0±0.4 GtCO2/yr
44%
分割
排出

10.9±2.9 GtCO2/yr
30%
Calculated as the residualof all other flux components

26%
9.5±1.8 GtCO2/yr
3.4±1.8 GtCO2/yr 9%16

Source: CDIAC; NOAA-ESRL; Houghton et al 2012; Giglio et al 2013; Le Quéré et al 2015; Global Carbon Budget 2015

炭素収支の時間変化
現時点までは排出量の増加とともに吸収量も増加している。しかし今後の気候変化が炭素循環に影響を与え大気中CO2の増加を悪化させる可能性がある

Data: GCP

Source: CDIAC; NOAA-ESRL; Houghton et al 2012; Giglio et al 2013; Le Quéré et al 2015; Global Carbon Budget172015

陸域炭素循環における生態系の役割－特に半乾燥域の生態系について－

土地被覆区分Ahlstrom et al. 2015

緑：熱帯林，濃緑：それ以外の森林，
オレンジ：半乾燥地
灰色：北極域ツンドラ・灌木，青：草地・耕作地，白：疎な植生

18陸域炭素循環における生態系の役割• 現在陸域生態系は人為的CO2排出の約4分の1を吸収• 大気CO2の増加率の年変動にも陸域炭素収支は大きく寄与
20世紀後半以降、そのバランスは正味で吸収側となっており、CO2の大気中濃度の増加を抑えるという重要な生態系サービスを担っている• ただし、どういった生態系がこれらの変動に寄与しているかは不明であった
この研究では、国際グループによるモデル研究をによって、サバンナや灌木林などの半乾燥生態系が、陸域によるCO2吸収をコントロールする非常に重要な役割を担っていることを明らかにした19

陸域生態系のCO2吸収
気候変化による生態系、特に半乾燥地の将来の応答が、大気中CO2の動態に大きく影響をおよぼすことを示唆
生物圏純生産量 (NBP)

生態系別寄与度

全球平均

熱帯林

トレンド

半乾燥年変動Ahlstrom et al. 201520

参考: 将来における陸域炭素循環の不確実性 (IPCC AR5
WG1より抜粋、強調は筆者)• 大気中のCO2の増加によって生じる世界の陸域及び海洋の炭素吸収の増加を、気候変化が部分的に相殺することの確
信度は高い• 大気中のCO2の増加が将来の陸域炭素吸収を増す効果は、栄養素の不足によって抑制される可能性が非常に高い• 温暖化による永久凍土面積の減少が原因となって、現在凍結固定されている炭素の融解が生じることの確信度は高い。
しかし、その炭素減少の大きさについての確信度は低い• 高いCO2濃度とより温暖な気候のもとでは、湿地からのCH4放出量が増加する可能性が高いことについて中程度の確信度がある• 飼料／食料需要の増大と農業の窒素肥料への依存により、土壌からのN2O排出量が増加する可能性は高い

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ネガティブエミッションの必要性と限界

22

ネガティブエミッションの必要性• 気候変動に関する国際交渉が20年にもわたり行われてきたが、2000年代のCO2排出の増加率は1990年代よりも上がっている• 現在の増加し続けている排出のもと、国際的なゴールである2度目標を達成するには、今すぐ厳しい削減に向けた政策がない限り困難な状況• このような状況で50%の確率で2度未満に温度上昇を抑えるためのほとんどのシナリオでは、大規模なネガティブエミッション技術を導入したものになっている

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COP21でのパリ協定における記述 (強調は筆者)• Article 4• 1. In order to achieve the long-term temperature goal
set out in Article 2, Parties aim to reach global peakingof greenhouse gas emissions as soon as possible,
recognizing that peaking will take longer for developing
country Parties, and to undertake rapid reductions
thereafter in accordance with best available science, so
as to achieve a balance between anthropogenic
emissions by sources and removals by sinks ofgreenhouse gases in the second half of this century, on
the basis of equity, and in the context of sustainable
development and efforts to eradicate poverty.

• 今世紀後半に、温室効果ガスの人為的排出と人為吸収をバランスさせる必要

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ネガティブエミッション技術を含むシナリオ
ネガティブエミッション技術を含むシナリオの人為起源CO2排出パス（色付きの線）
シナリオカテゴリーをそれぞれ色分け
110735536
18

ネット排出量 (GtCO2/yr)

92

0-18

Scenarios with Negative Emissions Technologies from the AMPERE and LIMITS modelling comparison
exercises (colours), with all other scenarios from the IPCC AR5 database shown in grey
25
Source: Smith et al 2015; Global Carbon Budget 2015

ネガティブエミッション技術の炭素フロー
さまざまな技術を用いた場合の大気、陸域、海洋、地下の間の炭素フロー
化石エネルギー利用

バイオエネルギー利用

炭素回収貯留 (CCS)

バイオエネルギー+CCS (BECCS)

直接空気回収 (DAC)

風化作用促進

植林/耕作方法の変更

海洋肥沃化/アルカリ化

大気陸海洋地質26

Source: Smith et al 2015; Global Carbon Budget 2015

ネガティブエミッション技術の影響/制約
2度目標レベルでのネガティブエミッション技術利用の影響および必要条件

ネガティブエミッション (GtCO2-eq/yr)

14.7

12.8
10.1

土地の必要面積

9.2
7.3
5.5
3.7
1.80

Water requirement is shown as water droplets, with quantities in km3 per year.
All values are for the year 2100 except relative costs, which are for 2050
Source: Smith et al 2015; Global Carbon Budget 2015

27

28

66%の確率で2度未満に抑えるための炭素制約
全球平均気温上昇を2度未満に抑えるためのCO2排出量(900GtCO2 ) は、現在の排出量が続けば20年で使い果たされる

Grey: Total quota for 2°C. Green: Removed from quota. Blue: remaining quota.
With projected 2015 emissions, this remaining quota drops to 865 Gt CO2
Source: Peters et al 2015; Global Carbon Budget 2015

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BECCS の可能性についての試算30

RCP2.6シナリオのBECCSおよび土地利用の前提
Kato and Yamagata (2014)• バイオエネルギーが 2050 年に 161 EJ yr-1, 2100年に 255 EJ yr-1 利用される (一次エネルギー)• 2100年において、そのうちの約半分がBECCSに使われ、11.4 GtCO2
yr-1 の炭素を大気から回収 (21世紀中に計592 GtCO2の回収)
31

こういった土地利用のもと、エネルギー作物を利用して必要な量のネガティブエミッションは達成できるのか?

• 第一世代および第二世代バイオエネルギー作物を考慮して評価• 第一世代エネルギー作物ではバイオエタノール、およびバイオディーゼルの生産・利用に伴うBECCS• 第二世代エネルギー作物ではガス化技術によるBECCS• 作物生産にあたえる気候・土壌・CO2濃度、肥料の影響を考慮• バイオエネルギーの生産および燃焼過程でのCO2
回収効率の影響も考慮

32

参考: 第二世代バイオ燃料向けに期待されている作物

Switchgrass

Eucariptus

Early growing season

End of growing season
Short rotation coppice

Miscanthus

IEA Bioenergy (2012)

Erianthus arundinaceus
熊本での栽培33

参考: バイオエネルギーのポテンシャル

Estimates for the contribution of energy crops,
wastes and forest biomass to future energy supply(Figure 1 from Slade et al., Nature Climate Change,
2014)

Global Technical Bioenergy Potential from IPCC AR5WG3 Fig 11.20 (IPCC, 2014)• もっとも議論が大きいのは将来のエネルギー作物のポテンシャル。
ただし最近の議論の傾向として控えめな値になってきた(?)
34

RCP2.6気候下でのエネルギー作物の生産性

Kato and Yamagata (2014)• 中程度 (80kgN/ha) および高い肥料投入(160kgN/ha) であれば、かなり高い単収が見込まれる• 高い肥料投入ケースでは、世界平均で現状の2倍の生産性がみこまれる35

RCP2.6土地利用での、BECCSによるネガティブエミッション達成可能量

第一世代エネルギー作物

第二世代エネルギー作物

Kato and Yamagata (2014)• 第一世代エネルギー作物では必要量の達成は不可能• 第二世代エネルギー作物でも、高肥料投入 (160kgN/ha) かつ高CO2回収が可能な技術を用いないかぎり、必要なネガティブエミッション量には届かない
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必要なBECCSを達成するために付随する影響• 土地利用変化による炭素排出は気候変化影響による不確実性が大きいが、無視できない量となる(2005-2100で295 ± 126 GtCO2)• 平均でシナリオの仮定より73 GtCO2多く排出してしまう可能性あり。一つの気候変化ケースではシナリオより187 GtCO2多く排出• エネルギー作物に必要な肥料投入量は、2100年において、現在地球全体で農作物生産に使われている量の77%(Rockstrom et al., Nature, 2009)37

エネルギー作物利用によるネガティブエミッションを達成する一例における条件まとめ• 4.5億haのエネルギー作物むけの農地• 現状の2倍の生産性をもつ多年生草本エネルギー作
物の栽培• 窒素肥料の大規模な追加 (2050年で現状の37%、2100年で77 %の追加)• しかしながら、肥料追加によるN2O排出を出来るだけ抑える必要• エネルギー作物に含まれる炭素のうち、72%以上を回収・貯留• エネルギー作物栽培に付随する土地利用変化による炭素排出を、予測される量より73 GtCO2減らす
38

39

地球規模でのネガティブエミッション技術の限界
地球規模でのネガティブエミッション技術を制約する潜在的な要因
経済的な制約

スケールアップにむけた早急な実地試験

社会的な制約

生物物理的な制約

気候による制約
Source: Smith et al 2015; Global Carbon Budget 201540

ネガティブエミッション技術の影響/制約
持続可能なネガティブエミッション技術の精査

ネガティブエミッション (GtCO2-eq/yr)

14.7

12.8
10.1

土地の必要面積

9.2
7.3
5.5
3.7
1.8
0

Water requirement is shown as water droplets, with quantities in km3 per year.
All values are for the year 2100 except relative costs, which are for 2050
Source: Smith 2016; Smith et al. 201541

まとめ• Global Carbon Budget• 地球規模でのCO2の人為排出と吸収に関し科学的知見を10年間提供• 炭素管理に向けた研究 －ネガティブエミッ
ションの必要性と限界－• ネガティブエミッション技術の研究開発および精査が急務• 社会的な制度・受容、ガバナンスの課題は大きい• 持続可能な開発目標 (SDGs) を考慮した、多次元による評価が重要となる

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