グリーンイノベーション基金事業で目指すコンクリート・セメントにおけるCO₂排出削減と資源活用の取り組みとは

記事「コンクリート・セメント分野でのカーボンリサイクル」では、カーボンリサイクル社会におけるコンクリート・セメント産業の取り組みについてご紹介してきました」。
グリーンイノベーション基金事業では、コンクリートへのCO₂固定化やセメント製造時のCO₂回収・利用に向けた取り組みを進めています。今後の展望や技術的な課題について、プロジェクトを推進する方々にお話を伺いました。

世界で加速するコンクリート・セメント産業におけるカーボンリサイクル

――コンクリート・セメント産業におけるカーボンリサイクルの展望について、教えてください

羽田由美子氏（以下、羽田氏）：2050年カーボンニュートラルの実現に向けて、産業活動の過程で排出されるCO₂を削減していくことが求められていますが、削減するための技術は様々です。再エネ・省エネ利用・省エネ化等に加え、水素やアンモニア等の新燃料の活用や原子力の活用などが想定されます。こうした対策が行われても、なお排出されるCO₂に対しては、CCUS(二酸化炭素回収・利用・貯留技術)の事業化や、CCS（二酸化炭素回収・貯留）の推進について、議論を進めているところです。日本にはCCSとしてCO₂の貯留に適した候補地が必ずしも多いとは言えないため、CO₂を資源として循環的に活用し、大気中へのCO₂排出を抑制していくカーボンリサイクルの取り組みが必要であり、日本においても事業化、社会実装に向けた課題の整理や技術開発を実施しています。
カーボンリサイクル技術の活用が期待できる分野の１つが、CO₂が固定されるコンクリート・セメント分野です。たとえば、多様な産業副産物などから効率的に抽出したカルシウムなどにCO₂を固定させ、コンクリートの原料である骨材・混和材やセメントの原材料として利用することが検討されています。また、コンクリートの養生^*1過程でCO₂を固定することも可能です。さらに、セメント・コンクリートそれぞれに関する技術を組み合わせることにより、コンクリート・セメント全体としてさらなるCO₂削減も期待できます。こうした技術開発は世界中で進められており、既に実用化されている事例も存在します。
しかし、現在、実用化されているCO₂を活用したコンクリートは、従来のコンクリートに比べコストが高いことから、低コスト化が喫緊の課題です。また、製造したコンクリート中に固定されたCO₂固定量を評価する手法の確立も必要です。従来のコンクリートと同じ物さしで、コンクリート中のCO₂固定量を評価することができれば、実用化が進みます。こうした課題に取り組むことで、カーボンニュートラルの実現に貢献していきたいと考えています。

――コンクリート・セメント市場としては、どのような状況でしょうか

羽田氏：コンクリート・セメントの需要は、国内では2050年に向けて漸減が見込まれる一方で、世界ではアジアを中心に増加することが見込まれています。
コンクリートについては、世界的な脱炭素の流れを踏まえると、CO₂を固定したコンクリート製品の市場規模が2030年までに世界全体で約15～40兆円に急拡大するという予測もあります。日本以外にも北米や豪州等で関連技術が実用化されつつあり、今後、国際的な技術競争が本格化していくことが考えられます。日本としては、これまで実用化に成功した技術のさらなる進化を目指すとともに、関係省庁、関係学会、関係業界等と横断的に連携しつつ、特許取得等の知財戦略を通じたライセンス事業形態も活用することで、国内外のシェア獲得・拡大を目指していきます。

金井伸輔氏（以下、金井氏）：コンクリートを固めるには、水とセメントが必要です。セメントは、原料の石灰石（CaCO₃）を熱で分解して製造します。この時にCO₂が大量に発生します。これまでも、業界をあげて、原料の一部を高炉スラグなどに置き換える混合セメントを利用し、石灰石の使用量を抑制し、CO₂の排出削減に取り組んできました。

しかし、セメントの製造を完全にカーボンニュートラルとすることは、現行の技術では難しく、製造プロセスの変更や原料の大転換が求められます。これは世界的に共通の課題で、セメントの開発競争が始まっています。実は、セメントの製造プロセスは、世界的に、NSPキルン^*2という日本発の方法が広く使われています。熱効率がよく、生産効率も高い製造方法です。グリーンイノベーション基金事業では、このNSPキルン方式を活かしつつ、製造工程で生じるCO₂をしっかり回収できる技術を開発中です。さらに、廃コンクリート、汚泥などを原料として活用する技術にも取り組んでいます。
このような方式ができれば、日本のみならず世界各地で導入できますので、今後の成長市場であるアジアを中心に、世界市場も意識して技術開発を加速したいと考えています。

CO₂を用いたコンクリート普及に向けた技術開発

――コンクリート領域の取り組みについて教えてください

吉田 准一氏（以下、吉田氏）：これから特に力を入れていくのは、CO₂を用いたコンクリート製造に関する性能向上とコスト削減です。コンクリートにCO₂を使用する方法として、２つのアプローチがあります。１つは骨材や混和材にCO₂を吸収させてコンクリートの原料に使っていく方法、もう１つはコンクリートの性能が安定するまで保護する養生期間に、CO₂をコンクリートに含まれる特殊混和材等の特性によって吸収させていく方法です。
いずれのアプローチも、要素技術は確立してきています。ただし、現時点ではCO₂固定に使える材料は限られており、コンクリートにCO₂を使用する方法だといずれもコストがかかります。また、工事現場で、実験室と同等のCO₂固定が安定してできる状況にもなっていません。そこで、グリーンイノベーション基金事業では、CO₂の排出を削減し、固定量を最大化するための技術開発と、そのときの品質管理や固定量評価に関する手法開発に取り組んでいます。

――CO₂の排出削減・固定量最大化に向けたプロジェクトの概要を伺えますか

吉田氏：どのようにするとCO₂排出削減・固定量最大化ができるか、２つのテーマが進んでいます。１つは「革新的カーボンネガティブコンクリート」で、もう一つは「CARBON POOLコンクリート」です。
「革新的カーボンネガティブコンクリート」では、CO₂を吸収する混和材や骨材を進化させる開発です。コンクリートにCO₂を吸収させるうえでのポイントは、どのような条件でも同程度の固定ができるような技術です。コンクリートには、工場でコンクリート部材を製造するタイプのものと、現場に生コンクリートを運んで現場で施工するものとがあり、扱うコンクリート部材のサイズが大型化すると難易度が高くなります。さらに、現場条件の異なる工事現場で同量のCO₂を吸収させることについてはまだ技術確立しておらず、これから取り組む必要があります。また、コンクリート塊をCO₂固定源として利用する場合、コンクリートを構成する約7割は、CO₂を固定できない通常の骨材のため、効率が悪くなります。こうした課題をクリアし、多様な現場でCO₂排出削減・固定量最大化が実行できる技術を確立していくことを目指しています。

「CARBON POOLコンクリート」の技術では、CO₂を再生骨材等に固定させてコンクリート原料として適用し、さらに現場で打設後の養生時にもCO₂をコンクリートに固定化させます。前者のコンクリート原料としての再生骨材には、「残コン・戻りコン」と言われるコンクリート打設時の余剰材料や既設コンクリート構造物を解体した時に発生するコンクリート塊を使用します。これらの再生骨材にCO₂を固定させてリサイクル材料として扱います。実用化できるとコンクリート使用現場から廃棄コンクリートを出すことなく、さらにCO₂を吸収できる仕組みになるわけです。
どちらのテーマも現場で使える技術開発が主眼ですので、グリーンイノベーション基金で取組を進めるプロジェクトでは、ゼネコンと言われる総合建設会社が幹事企業となり、連携する建設会社、セメント・材料メーカー、生コンクリート工場、大学などを巻き込んだ体制で取組を進めているところです。

――CO₂排出削減・固定量最大化コンクリートの信頼性も重視されますね

吉田氏：前例のない材料ですので、品質についても、既存コンクリートと比較して遜色がないかを継続的に検証することが必要です。そこで開発段階では、3つの観点を重視しています。１つ目はビル、ダム、橋梁、道路などの現場で生コンクリートを打設した場合に要求性能を満たせるような、技術であるかどうか。２つ目は、大型コンクリート部材を現場で組み立てた場合に要求水準を満たせるかどうか。３つ目はCO₂排出削減・固定量最大化コンクリートを評価、品質管理する方法を開発し、標準化に向けて取り組んでいくこと。実証実験においては全体のコスト最小化といった課題も押さえながら、各種試験を通じて性能の検証と仕組みづくりを進めていきます。

セメントの原料・製造プロセス転換に向けた技術開発

――セメント領域の取り組みについて教えてください

吉田氏：現在、セメントを作るキルンという焼成炉１基から、１日あたり数千トン規模のCO₂が排出されています。CO₂を回収するには、CO₂を吸収する液体を使う方法やガスを分離する膜を使う方法等があるのですが、いずれにせよCO₂排出量の多さにあわせて設備も大規模になってしまいます。しかし、大規模設備が設置できるような工場ばかりではありません。そこで、グリーンイノベーション基金事業では、２つの取り組みを進めていこうとしています。
１つが、発生するCO₂をできるだけ効率よく回収できるような製造プロセスを開発し、CO₂回収設備をコンパクトにする取り組みです。 もう１つは、CO₂を新規に発生させないための取り組みです。多様なカルシウム源をリサイクルしてセメント原料を作りだすことで、炭素の総量を増やさず、CO₂も総量として増えないようにすることを考えてます。セメントを作るためにはカルシウム源が必要なのですが、それは廃コンクリートや一般焼却灰、製鉄所の副産物（スラグ）、生コンクリート工場から出る残コン・戻りコンや汚泥（スラッジ）等に含まれています。これらの物質からカルシウム源である酸化カルシウム（CaO）という物質を取り出し、セメント生産工程で排出されたCO₂と再結合させると人工石灰石（CaCO₃）ができます。人工石灰石はセメントの原料として活用できます。つまり、この方法が確立できれば、再生材を活用することで、新たに石灰石を使用せず、セメントを生成することが可能となります。

――どういった技術的課題があるのでしょうか

吉田氏：セメント製造プロセスにおけるCO₂回収システムの開発については、石灰石由来のCO₂を全量近く回収でき、既存のCO₂回収手法と同等以上のコスト低減を実現するような技術を開発しています。まだ世界でも実現していません。それをいち早く実現するために現在進めているのは、「材料を燃やしてセメントにしていく」工程で、空気ではなく酸素で焼成する方法です。材料を燃やすとどうしてもCO₂を含むガスが発生しますが、空気よりも酸素を使う方が、発生するCO₂の濃度を高くすることができます。ガスからCO₂を回収するために、CCUS技術を使いますが、CCUSの技術開発として、濃度が高いCO₂の実用化が進んでいます。CO₂を吸収するような液体を使い、ガスの中からCO₂を取り出すような技術です。この方法はCO₂が低濃度のガスにも応用できる可能性はありますが、より多くの吸収用液体が必要になってコストがかさむなど、実用化に向けた課題が残っています。そこで、このセメント製造プロセスについては、すでに実用化が進んでいる高濃度CO₂ガスからの回収技術を使うために、CO₂が高濃度のガスをあえて作り出そうとしています。 ２つ目の、廃コンクリート等多様なカルシウム源からのセメント原料製造については、大規模に安定的に製造できるかどうかに技術的難しさがあります。現在、研究室レベルでは実現できているものの、社会実装を後押しする大規模化対応技術の開発が求められます。

期待される効果とこれからの展望

――CO₂を用いたコンクリート・セメント産業の今後の展望とカーボンニュートラルの実現に向けてどのような効果が期待できますか

羽田氏：コンクリート構造物は、長期間使用すること、通常の環境下ではCO₂を再放出することがないことからCCSと同様の効果があると見なせる可能性があり、気候変動対策に貢献できると考えられます。世界的に競争が激化するカーボンニュートラルに係る技術においても、この分野は日本の技術的優位性を示すことが可能な分野の一つです。先にも述べましたが、我が国発でCO₂固定量の評価手法により日本の技術の強みを明確化しつつ、国内外への普及を進めることで、カーボンニュートラル社会の実現に貢献することができると考えています。政府としては、将来的な公共調達等を目指し、開発初期段階から関係省庁、地方自治体、関連学会との連携も進めているところです。
金井氏：セメントについても、技術開発とともに国内外への普及拡大を積極的に進めていこうとしています。セメントは製造時に原料の石灰石からのCO₂排出が避けられず、また、加熱に用いる化石燃料由来のCO₂排出もあります。合計してセメント産業全体で国内製造業の２割弱に当たる年間約4,000万トンものCO₂を排出しておりますので、大量のCO₂を効率的に回収・利用することを目指す、このグリーンイノベーション基金による技術開発の意義は非常に大きいと考えています。この技術の社会実装のためには技術開発とともに、廃コンクリートなどを効率的に収集する体制や、脱炭素化された製品が高く評価されるしくみも必要となります。ハードルは高いものと認識しておりますが、今後の資源循環という大きなテーマに合致する社会全体に不可欠な取り組みです。セメントやコンクリートは、社会を支える重要不可欠な素材です。特に、日本は地震国ですから、まずは安全性を確保することが大前提となります。2050年のカーボンニュートラルに向けて、CO₂と向き合う素材としての付加価値も提供することができると考えています。

• ^*1 コンクリートの強度、耐久性などの品質を確保するため、コンクリートを現場で打設した後に一定期間を硬化に必要な温度および湿度に保ち、有害な作用の影響を受けないように保護する作業。
• ^*2 セメント焼成炉（キルン）で、予熱装置を持つ省エネ効果の高い設備のこと。原料焼成に関してプレヒーターのみ設置したものがSPキルン、プレヒーターと仮焼炉を設置してさらに燃焼効率を上げたものがNSPキルンという。