バイオマス炭素貯蔵技術：大気中のCO₂を「固定」する次世代アプローチ

2025 11/01

2025年11月1日

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1. はじめに

数百年にわたり、大気中の炭素含有化合物（CO₂、CH₄など）の濃度は増加の一途をたどっています。この大気中炭素レベルの上昇は、地球規模の気候変動と密接に関連しており、国際社会は炭素管理に向けた広範な研究と政策を展開してきました。電気自動車への移行や再生可能エネルギーへのインセンティブなど、クリーンな技術の採用が進められている一方で、大気中の炭素濃度は依然として上昇し続けています。

このような背景の中、注目を集めているのがバイオマス炭素除去・貯蔵（BiCRS: Biomass Carbon Removal and Storage）技術です。植物が光合成によって大気中のCO₂を吸収し、それをバイオマスとして固定する自然のプロセスを活用し、さらに人為的な工学技術を組み合わせることで、炭素を長期間にわたって安定的に貯蔵する――この革新的なアプローチは、気候変動対策の切り札として期待されています。

本記事では、特許技術から見えてくるバイオマス炭素貯蔵の最新動向と、その実現に向けた技術的課題について深堀りしていきます。

バイオマスを通じた炭素循環の概念図 https://ugc.berkeley.edu/background-content/carbon-cycle/ より引用

2. バイオマス炭素貯蔵（BiCRS）とは何か

2-1. 光合成を活用した炭素除去の原理

バイオマス炭素除去・貯蔵（BiCRS）は、植物の光合成プロセスを起点とします。植物は成長過程でCO₂を吸収し、炭素を細胞壁や組織に固定します。通常、植物が枯死して分解されると、固定された炭素は再びCO₂として大気中に放出されます。しかし、BiCRS技術では、この炭素循環を人為的に「中断」させることで、炭素を数百年から数千年にわたって安定的に貯蔵することを可能にします。

従来の炭素回収・貯蔵技術（CCS: Carbon Capture and Storage）が、発電所や工場などの排出源から直接CO₂を回収するのに対し、BiCRSは既に大気中に存在するCO₂を植物を介して除去する点で異なります。つまり、BiCRSはネガティブエミッション技術として、大気中の炭素濃度を実質的に減少させる可能性を持っています。

光合成によるCO₂除去プロセスの概念図 https://www.researchgate.net/figure/CO2-is-removed-from-the-atmosphere-through-photosynthesis-GPP-and-then-emitted-back-to_fig1_369082556 より引用

2-2. バイオマス処理プロセスの技術的要素

BiCRS技術を実現するためには、収穫したバイオマスを長期貯蔵に適した形態に変換する必要があります。最新の特許技術では、以下のような処理工程が提案されています：

（1）粉砕（Comminution） バイオマスを細かく粉砕することで、後続の処理工程における効率を高めます。粉砕は表面積を増大させ、乾燥や滅菌などの処理を均一に行うことを可能にします。

（2）滅菌・生物活性の低減（Sterilization） バイオマスが微生物によって分解されることを防ぐため、加熱乾燥などの方法で滅菌処理を行います。これにより、貯蔵期間中にCO₂が再放出されるリスクを最小化します。

（3）固化・カプセル化（Consolidation & Encapsulation） 処理されたバイオマスを圧縮・固化し、さらに耐久性の高い素材でカプセル化することで、長期間の貯蔵に耐えうる形態に変換します。

（4）炭素含有量の定量化 貯蔵されるバイオマスに含まれる炭素量を正確に測定し、炭素クレジットの算定や監視に活用します。

バイオマス処理施設のパイロットプラント https://www.dbfz.de/en/projects/pilot-sbg/pilot-plant より引用

3. バイオチャー：炭素固定の実用的アプローチ

3-1. 熱分解によるバイオチャーの生成

バイオマス炭素貯蔵の中でも、特に注目されているのがバイオチャー（Biochar）です。バイオチャーは、バイオマスを酸素の少ない環境下で加熱する熱分解（Pyrolysis）プロセスによって生成される炭素豊富な固体です。

熱分解によって、バイオマスに含まれる揮発性成分が除去され、炭素が高度に安定化された形態で残ります。このバイオチャーは、通常の有機物よりもはるかに分解されにくく、土壌に施用された場合、数百年から数千年にわたって炭素を貯蔵することができます。

3-2. バイオチャーの多面的な利点

バイオチャーは単なる炭素貯蔵だけでなく、以下のような複数の副次的効果を持つことが知られています：

土壌改良効果：土壌の保水性や通気性を改善し、農作物の生育を促進
栄養素保持：肥料成分の流出を防ぎ、施肥効率を向上
微生物活性の促進：土壌微生物の生息環境を改善
pHの調整：酸性土壌の中和

このように、バイオチャーは炭素除去と農業生産性の向上を同時に実現できる、コベネフィット型の炭素除去ソリューションとして高く評価されています。

土壌におけるバイオチャーの炭素固定サイクル https://www.researchgate.net/figure/C-sequestration-cycle-of-biochar-in-soil-and-crop-plant-system_fig3_372421819 より引用

4. 炭素貯蔵の監視とリーケージ（漏出）検出

4-1. 長期貯蔵における課題

バイオマス炭素貯蔵技術が真に有効であるためには、貯蔵された炭素が長期間にわたって安定的に保持されることが不可欠です。しかし、貯蔵施設の劣化、予期しない分解、あるいは地質学的な変動により、貯蔵された炭素が大気中に再放出されるリーケージ（漏出）のリスクが存在します。

特に地下貯蔵施設では、CO₂の漏出が地表で検出されるまでに時間がかかる可能性があり、早期発見と対応が重要です。最新の特許技術では、貯蔵されたバイオマスの状態を継続的にモニタリングし、劣化やリーケージの兆候を早期に検出するシステムの開発が進められています。

4-2. モニタリング技術の進展

炭素貯蔵のモニタリングには、以下のような技術が活用されています：

センサーネットワーク：貯蔵施設内にCO₂センサーや温度・湿度センサーを配置し、リアルタイムで環境変化を監視
リモートセンシング：衛星画像や航空写真を用いて、広域的な植生変化やCO₂濃度の異常を検出
地球化学的分析：土壌や地下水のサンプル分析により、炭素の移動や分解の兆候を把握
機械学習モデル：過去のデータから異常パターンを学習し、予測的な警告を発する

これらの技術を組み合わせることで、炭素貯蔵プロジェクトの透明性と信頼性を確保し、炭素クレジット市場における価値を保証することが可能になります。

地下エネルギー貯蔵施設の概念図（炭素貯蔵にも応用可能） https://www.lyellcollection.org/doi/10.1144/SP528-2022-160 より引用

5. ギガトンスケールへの展開と今後の展望

5-1. スケールアップの必要性

IPCCの報告によれば、地球温暖化を1.5℃以内に抑えるためには、今世紀半ばまでに年間数ギガトン（Gt）規模でのCO₂除去が必要とされています。現在のバイオマス炭素貯蔵技術は、まだパイロット規模や地域プロジェクトの段階にありますが、これをギガトンスケールにまで拡大していくことが喫緊の課題です。

5-2. 技術的・経済的ハードル

ギガトンスケールへの展開には、以下のような課題があります：

バイオマス供給の持続可能性：大規模な炭素除去には膨大な量のバイオマスが必要であり、森林伐採や食料生産との競合を避けながら、持続可能な供給体制を構築する必要があります。
処理施設のコスト：バイオマスの収集、輸送、処理、貯蔵には大規模なインフラ投資が必要です。
政策・規制の整備：炭素クレジットの認証基準や、長期貯蔵の法的責任など、制度的枠組みの確立が求められます。
公衆の受容性：地域住民や環境団体の理解と支持を得ることが、プロジェクトの成否を左右します。

5-3. イノベーションの方向性

これらの課題を克服するため、以下のようなイノベーションが期待されています：

廃棄物バイオマスの活用：農業残渣、林業副産物、都市有機廃棄物など、既存の廃棄物を原料とすることで、食料生産との競合を回避
分散型処理システム：小規模な処理施設を各地に分散配置し、輸送コストとCO₂排出を削減
デジタル監視プラットフォーム：ブロックチェーンやIoT技術を活用し、炭素貯蔵の透明性と追跡可能性を確保
統合的アプローチ：バイオエネルギー生産と炭素貯蔵を組み合わせたBECCS（Bioenergy with Carbon Capture and Storage）など、複数の価値を同時に創出するシステムの構築

バイオチャーシステムの基本的な構成 https://www.researchgate.net/figure/Schematic-of-a-basic-biochar-system_fig4_302875543 より引用

6. 結論

バイオマス炭素除去・貯蔵技術は、大気中のCO₂濃度を実質的に減少させる有望なネガティブエミッション技術として、世界中で注目を集めています。特許技術の観点から見ると、バイオマスの処理プロセス（粉砕、滅菌、固化、カプセル化）や、炭素貯蔵のモニタリング・リーケージ検出システムなど、様々な技術的イノベーションが進展していることがわかります。

バイオチャーのようなアプローチは、炭素固定だけでなく、土壌改良や農業生産性の向上といった副次的効果も持ち合わせており、経済的・社会的な持続可能性の観点からも魅力的です。

しかし、ギガトンスケールへの展開には、技術的・経済的・政策的な多くの課題が残されています。持続可能なバイオマス供給体制の構築、大規模インフラへの投資、透明性の高い炭素クレジット市場の整備など、産官学が一体となった取り組みが不可欠です。

気候変動対策は待ったなしの状況にあります。バイオマス炭素貯蔵技術は、従来のクリーン技術と相互補完的に機能し、カーボンニュートラル社会の実現に向けた重要なピースとなるでしょう。今後の技術開発と社会実装の加速が期待されます。