深部炭層におけるCO2地質貯留のポテンシャル評価と有利域の最適化

石炭層に炭素を貯める意義

気候目標を達成するためにCO2（二酸化炭素）排出を十分に早く削減するには、よりクリーンなエネルギーだけでなく、大量のCO2を何世紀にもわたって安全に地下に隔離するための貯留場所が必要です。掘採不能な深部炭層は有望な選択肢の一つです。これらの層は内面でCO2を吸着して保持できるだけでなく、貴重な天然ガスを押し出すのにも役立ちます。本研究は中国の沁水盆地にある主要な炭層を対象に、実際的な問いを探ります：これらの深部炭層はどれだけのCO2を実際に貯蔵できるのか、そして注入に最適な場所はどこか？

石炭地帯の地下環境

本研究は沁水盆地南部の第3炭層に焦点を当てています。ここは中国でも重要な石炭・褐炭層メタンの産地の一つです。中〜高ランクの厚い石炭層が地表から数百〜1000メートル以上の深さに位置し、緻密な泥岩や砂岩に挟まれて天然の封留層を形成しています。地下水は層ごとに分離されており、流体が容易に層間移動しない構造です。対象炭層の石炭は硬質で高ランクの無煙炭に近く、微細な孔隙と大きな内表面積を持つため、孔壁に分子が付着する「吸着」によってガスを保持する能力が高く、周囲の岩盤が漏洩を防ぐ役割を果たします。

深さによるCO2の挙動変化

CO2を地下に注入すると、深さとともに温度と圧力が上昇し、最終的には密度は液体に近く運動性は気体に近い超臨界状態に達します。研究者らは約900メートル深部から採取した粉砕石炭を用いて実験室でこれらの条件を再現しました。20、30、40°Cの3つの温度で最大20メガパスカルまで圧力を変え、石炭がどれだけのCO2を取り込むかを測定しました。いずれの温度でも、圧力上昇に伴って石炭はまず急速にCO2を吸着し、やがてピークに達し、測定された「過剰」量はゆるやかに減少しました。温度が高いほど同圧で保持できるCO2量は減少するため、より深くて温度の高い層は浅くて冷たい層とは挙動が異なります。

シンプルだが強力な貯留計算モデルの構築

これらの測定を計画立案ツールに変換するために、研究チームは吸着を表す3つの標準的な数式を検討し、多層吸着を想定するBETモデルが特に臨界点付近や超臨界領域でのCO2挙動をよく再現することを見出しました。次にこの吸着モデルを、開放孔隙に存在する自由流体としてのCO2の占有式および形成水に溶解する微量分の式と組み合わせました。鉱物反応は、数百万年規模でCO2を炭酸塩として固定化しますが、この炭層の工学的時間スケールでは無視できると判断しました。その結果、一般的な孔隙率、含水率、石炭密度、現地の圧力・温度などの典型値を用いて、単位質量あたりの総CO2貯留量を深さの関数として推定する簡潔な方程式群が得られました。

どれだけ貯められるか、どこが有利か

地域の地質データをこの枠組みに入力して、著者らは約300〜1300メートルの深さ範囲での貯留容量変化を算出しました。浅い「亜臨界」層では、石炭表面での吸着が支配的で深さとともに緩やかに増加してから頭打ちになります。おおむね800メートルより深くなるとCO2は超臨界になり、孔隙中の高密度な自由流体としての比重が急速に増し、総容量は約1100メートル付近まで急上昇し、その後はより緩やかに増加します。全体として、研究対象ブロックの主要炭層は理論的に約5億7500万トンのCO2を保持でき、そのうち約3分の2が深部の超臨界ゾーンに存在すると推定されます。詳細な構造マッピングにより、有望なゾーン（単位IおよびII）はブロック北部の構造が単純な領域に位置し、厚い石炭層、良好な封留岩、漏洩しやすい断層が少ないこと、さらに強い褐炭層メタンの可能性と一致していることが示されました。

気候対策とエネルギー利用への含意

専門外の読者向けに要点をまとめると、特定の深部炭層はCO2を蓄える巨大な地下スポンジのように機能し得る、ということです。特に圧力と温度の条件がCO2を密な超臨界状態にする場所で有効です。沁水盆地の事例では、石炭への吸着と孔隙中の高密度自由CO2が貯留ポテンシャルの99%以上を占め、水中への溶解や非常に遅い鉱物反応は短〜中期的には小さな寄与にとどまります。本研究は、安全性と効率の両面での適地が概ね800〜1100メートルの深さにあること、そして最適な注入地点は既存のガス田や井戸と重なることが多いことを示しています。こうした場所では、CO2を貯留しつつメタン生産を増進するプロジェクトが成立しやすく、貯留の費用を相殺しながら中国の「二重カーボン」目標（排出のピーク化とその後の削減）に寄与する道が開けます。

引用: Xue, Z., Xu, X., Tian, L. et al. Potential evaluation and favorable zone optimization of CO₂ geological sequestration in deep coal reservoirs. Sci Rep 16, 12208 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42680-z

キーワード: CO2貯留, 深部炭層, 超臨界流体, 褐炭層メタン, 炭素回収・貯留