Development of numerical models
for the dispersion of CO2 in the sea
corresponding to some leakage
scenarios
漏出シナリオに基づく海中CO2拡散シミュ
レーション技術開発

内本圭亮・中島崇裕
地球環境産業技術研究機構
CO2貯留研究G

CO2海底下貯留
日本では、CO2の貯留サイトは主として海底下になるものと考えられている。

海

CO2の貯留層の上にはCO2を通さないキャップロックという”蓋”があるため、漏出の恐れはほとんどない。

キャップロック
貯留層

漏出に対する備えの必要性• 万が一、漏出が起きた場合、海洋環境・生物に影響があり得るのかどうか？
• （貯留後）海底からCO2の漏出が起きていないか海域の監視観測（モニタリング）をする必要はないのか？

海洋汚染等及び海上災害の防止に関する法律

海洋汚染防止法（海防法）
CO2の海底下廃棄に係る許可制度
CO2海底下廃棄の実施者は、• 環境影響を評価しなければならない✓漏出仮説、拡散予測、影響評価• 海洋環境の保全に障害を及ぼさないよう廃棄し、また、海洋環境を監視しなければならない✓ 実施計画・監視計画→CO2が海に漏出していないことの監視

環境影響評価
1. 漏出経路の仮定– 断層

2. 断層のパラメーターの設定– 既存の文献、データ

3. 地層のシミュレーション（断層モデル作成、数値計算）– 海底からの漏出量の計算

4. 海洋のシミュレーション（数値計算）– 海中での漏出CO2の広がりの計算

5. 生物影響評価

１．漏出経路の仮定

IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage (2005)

断層

２．断層のパラメーターの設定
稚内層（割れ目帯有り）

1µD

1mD

1D

浸透率

Modified JNC (2004)

Permeability

断層内の浸透率は1～1000mD

３．断層モデル作成、数値計算（地層）
地層中の温度・圧力

液＋気圧力

1km以上

気液

超臨界液体液＋超気体
貯留層
超臨界温度

Suenaga et al.(2007)

相変化も考慮してシミュ
レーション（TOUGH2）

３．断層モデル作成、数値計算（地層）ｚ
地表（海底）

文献から得られた知見（断層幅、長さ、浸透率等）に基づき、貯留層直上に地上（海底）まで貫く断層がある場合のモデルを構築

３．断層モデル作成、数値計算（地層）
断層幅5m
貯留層内10mD
断層内200mD
CO2 100k ton/1year

gaseous CO2 気体

sc CO2 超臨界

1 yr

1 yr

time

1 km

1 km

4 yr

4 yr
time

8 yr

8 yr

３．断層モデル作成、数値計算（地層）
海底からの漏出率

漏出開始直後に漏出率が最大200～600ton/year 程度（年）

地層のシミュレーションで得られた漏出率を海洋のシミュレーションへ４．数値計算（海洋のシミュレーション）
海水中でのCO2の広がりは何で決まるのか？
イメージ的には煙と同じようなもの。

煙の広がりは基本的には風（＝空気の流れ）で決まる
海の中のCO2の広がりも海水の流れで決まる⇒海の流れを知る必要

４．数値計算（海洋のシミュレーション）• 観測値、気候値の流速データ例）漏出域で5cm/sの東向きの流れだとする
1日後のCO2の広がりの範囲は5 cm/s ×24 hour ≒約 4 km
⇒ 4km先までCO2が広がる？

4km

×
CO2の広がり４．数値計算（海洋のシミュレーション）• 流れは空間的に変化する
ある点での流速が東向き5cm/sでも周囲は必ずしも同じ流速とは限らない
漏出点××←4km東まで広がる←4km東まで広がらない

4km• 流れは時間的に変化する例）時間平均値として流れがない（0 cm/s ）場合①ずっと流れがない場合→CO2は漏出点付近にたまる②前半に東向き、後半に西向きで平均0cm/sの場合①×CO2の広がり②×
CO2の広がり

空間的にも時間的にも密な流れのデータが必要４．数値計算（海洋のシミュレーション）• 空間的・時間的に変化する海の流れ⇒数値モデルを使ったシミュレーション• 海に流れを作る主たる要因– 気象条件＝風と熱• 流れがある海域の直上や周辺の風• 流れがある海域から遠く離れた海域の風

４．数値計算（海洋のシミュレーション）• 遠方の風で作られる流れの例– オホーツク海サハリン沖の流れ
×の点における流量（南北成分）×
Kamchatka
Hokkaido

Ohshima and Simizu (2008)

青：現実的なシミュレーション
緑：Arrested Topographic Waves理論（赤矢印に沿って風応力を積分）– 黒潮：太平洋スケールの風

４．数値計算（海洋のシミュレーション）• RITEで構築しているモデル

O(100km)– 遠方の風の影響で作られる海流等→数百kmスケールのモデル（広領域モデル）でシミュレーション。
– CO2漏出域周辺→数十kmスケールのモデル（狭領域モデル）でシミュレーション。広領域モデルの結果を境界条件として利用。

O(10km)

広領域モデル（粗く計算する領域）

×

狭領域モデル（詳細に計算する領域）

CO2漏出点※内湾など広域の影響が小さい
海域では狭域モデルのみで計算可能４．数値計算（海洋のシミュレーション）• 広領域モデル

Honshu– 領域：140～147°E
38.5～43.2°N– 水平解像度1/120°（～1km）

Hokkaido

４．数値計算（海洋のシミュレーション）
津軽暖流由来の高塩分水

広領域モデルでの計算結果（塩分分布図）

HonshuHonshu

TW：津軽暖流、OW：親潮

春季

夏季

Rosa et al. (2009)

津軽暖流は塩分が高い

冬季

Sep

低→

Mar

塩分
←

親潮由来の低塩分水

Hokkaido

高親潮は塩分が低い

Hokkaido

４．数値計算（海洋のシミュレーション）• 狭領域モデル– 漏出域を含む数十kmを領域としてモデルを構築する例) 湾地形
×

地層モデルによる漏出率0.25kt/y

等値線は水深

４．数値計算（海洋のシミュレーション）• 計算例

ΔpCO2≒185μatm
漏出点

海洋モデルで計算されたCO2濃度は生物に影響するのかどうか？

５．生物影響評価• 生物影響データベースの構築– 海水中CO2濃度が生物に与える影響について調べた文献をまとめたデータベースを構築
供試生物

対照区pCO2（ppm）

サンゴ 成体Porolithon onkodes

135-460（pH 8.00-8.40）

サンゴ プラヌラ幼生
Acropora tenuis

400-475（pH 8.03）

動物プランクトン 幼生
Acartia erythrae

365

実験区pCO2（ppm）
520-705（pH 7.85-7.95）
1,010-1,350（pH 7.60-7.70）
905-1,660（pH 7.64）
2,115-3,585（pH 7.31）
2,365
5,365
10,365

暴露期間

8 週間

影響
白化が増加

A

白化が増加

7 日間なし生残率：低濃度区
より増加
なし
24 時間 生残率減少
生残率減少

SK

５．生物影響評価
暴露時間と生残ΔpCO2との関係（石灰質の殻をもつ生物 7種、非石灰質生物20種）

ΔpCO2（µatm）

106
105

10%生残
50%生残
90%生残

104
103
102
10

100–200 µatm
10100
1000
暴露時間（hour）

10000

海洋汚染等及び海上災害の防止に関する法律

海洋汚染防止法（海防法）
CO2の海底下廃棄に係る許可制度
CO2海底下廃棄の実施者は、• 環境影響を評価しなければならない✓漏出仮説、拡散予測、影響評価• 海洋環境の保全に障害を及ぼさないよう廃棄し、また、海洋環境を監視しなければならない✓ 実施計画・監視計画→CO2が海に漏出していないことの監視海水中の漏出監視• 漏出をどのように判断するか？
– 海水のCO2濃度は自然変動が大きい
約2か月の間に150μatm近い幅で変動

400

Oceanic pCO2

250

約10日で100μatm程度の増加
8月5日
サンタモニカ湾(カリフォルニア)におけるCO2濃度の日変動

10月4日（Leinweber et al., 2009）

海水中の漏出監視• 異常（漏出）の判断手法の提案– 海水中のCO2の自然変動の要因光合成と有機物分解

海水中のO2とCO2の濃度には相関があるのでは？

海水中の漏出監視
伊勢湾の溶存酸素(DO)とCO2濃度（全炭酸：TCO2)の関係

全炭酸（TCO2）

95%信頼区間

溶存酸素濃度とCO2濃度が逆相関になっている
例えば、TCO2＝2400μmol/kgが測定された場合・・・
比較的高い値だが、自然変動？異常（漏出の疑い）？

溶存酸素（DO）★ : TCO2 = 2400 μmol/kg で DO = 2 mg/L であれば、自然変動の範囲内と判断できる★: TCO2 = 2400 μmol/kg で DO = 6 mg/L であれば漏出が疑われる

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まとめ
• 環境影響評価
1. 地層のシミュレーションで漏出量の計算
2. 海洋のシミュレーションで海水中濃度の計算
3. 生物影響データベースで生物影響評価• 海水中の漏出監視– CO2濃度とともに溶存酸素濃度を測定• CO2濃度と溶存酸素濃度の関係から異常値（＝漏出）を判断
Acknowledgments
広領域モデルは電力中央研究所との、狭領域モデルは北海道大学低温科学研究所との共同研究でそれぞれ開発を行っています。