太陽光発電の「ブレークスルー」はセメントの炭素問題を解決しない

太陽の下には何も新しいものはないと言う人は、最近カリフォルニア州ランカスターを訪れたことがあるはずだ。モハーベ砂漠の外れには、大型薄型テレビほどの大きさの巨大な鏡が400枚も並び、太陽の光を受けてきらきらと揺れている。鏡面は近くの塔に向けられており、まるでサウロンの工業的な目のように敷地を見下ろしている。これらのロボット型ヘリオトロープは、アルゴリズムに基づく指揮官の指示に従って、塔の小さな標的に太陽光線を集中させる。ここの温度は華氏1800度（摂氏約800度）を超え、太陽の表面温度の約4分の1にまで達する。

まるで漫画の悪役が仕掛けた終末兵器のように聞こえるかもしれないが、これは世界を滅ぼすためではなく、救うための装置だ。ヘリオマックスと呼ばれるこの装置は、セメント製造という超能力を持つ。

このシステムは、今週ステルスモードから脱却したばかりの創業6年のスタートアップ企業、ヘリオジェン社によって開発されました。ヘリオジェン社は、ビル・ゲイツ氏の投資会社から一部出資を受けています。同社の目標は、集光型太陽エネルギーを利用して、鉄鋼やセメント製造など、大量の熱を必要とする産業プロセスに電力を供給することです。これらの産業は文字通り、そして比喩的に現代文明の基盤となっていますが、気候への悪影響から、炭素排出量削減の取り組みにおいて主要な標的となっています。特にセメント産業は深刻な問題を抱えており、年間20億トンの炭素を大気中に排出しています。これは航空業界の2倍以上です。実際、セメント10トンあたり9トンの炭素が排出されています。

ヘリオジェンの技術は、水素製造など、様々な用途に活用できる可能性があるが、同社はまずセメント生産施設での実証実験を計画している。ヘリオジェンのCEO、ビル・グロス氏によると、同社はすでにタワーの頂上に小型セメント炉を設置し、セメント生産における最も炭素集約的な工程を再現したという。これは概念実証ではあったが、成果はあった。ステルスモードを脱した今、グロス氏と彼のチームは世界中のセメント会社から数十件の問い合わせを受けており、商業規模でこの技術をテストするための産業パートナーの探索を開始したという。「セメントは最も用途の広い建築材料です。周りを見渡せばどこにでもあります」とグロス氏は言う。「しかし、排出量の8%を占めています。ですから、私たちはまずセメントから始めています。なぜなら、これらの重工業は再生可能エネルギーの恩恵を受けていないからです。」

これは画期的な解決策として広く称賛されている革新的なソリューションですが、ヘリオジェン社がこの道を歩むのは初めてではありません。Solpartと呼ばれるヨーロッパのプロジェクトは、2025年までにスペインに部分的に太陽光発電で稼働するセメント工場を建設することを目指しています。昨年、同プロジェクトの研究者たちは、フランスの実験用太陽熱反応炉を用いて、ヘリオジェン社が今回実証したのと同じ手順を再現しました。

炭素を大量に消費するこの工程は焼成と呼ばれ、生産の初期段階で行われると、ドイツ航空宇宙センター太陽研究所の博士課程学生でソルパートのメンバーでもあるギオクチャン・ムーミン氏は説明する。セメントを製造するには、砕いた石灰石を窯に投入し、約1500°F（華氏約740度）まで加熱する。この時点で石灰石は石灰と二酸化炭素に分解される。この工程を再生可能エネルギーで稼働させることは、セメント業界の炭素排出量削減に大きく貢献するだろう。そしてソルパートは、それが可能であることを証明した。

ソルパートのチームは、南フランスにある世界最大の太陽炉を利用し、2種類のセメント反応炉設計を試した。1つは回転窯、もう1つは泡立ち流動床式で、岩石を挽く肉挽き機のような構造だ。反応炉は輸送コンテナほどの大きさの受光器に設置され、17階建てのビルほどの大きさの分割放物面鏡から反射された1メガワットの集光太陽光が照射された。

両方のセメント反応炉は稼働したが、全体的な設計は商業施設には程遠いと、欧州粉体・プロセス技術のマネージングディレクターであり、ソルパートチームのメンバーでもあるヤン・バエンス氏は述べている。まず、セメント生産がその瞬間の太陽光に左右されないように、何らかのエネルギー貯蔵システムが必要だ。さらに、1日あたり数十キログラムから数千トンへとスケールアップし、より多くの岩石を焼成する必要がある。

ムーミン氏によると、後者の課題はソルパートチームが最も積極的に研究している分野の一つだ。これは、ヘリオジェン社が商業用セメント工場と連携すれば、同社も解決しなければならない課題となる。

ヘリオジェンとソルパートの2つのシステムの違いは、ミラーアレイを用いて太陽光を集光する方法にあります。ヘリオジェンはマシンビジョンを用いてミラーの位置を常に微調整し、常に最適な位置にミラーを向けています。これにより、はるかに少ないエネルギーでほぼ同じ温度を実現し、最終的にはバスケットボールのゴールより少し広い程度の面積に約300キロワットの電力を投下できます。「光が当たる黒い炭化ケイ素のプレートが、そのエネルギーで白熱しています」とグロス氏は言います。「すごいですね。」

今のところ、ソルパートとヘリオジェンの両システムは、非常に未来的なコンセプトの実験的検証として、依然として素晴らしい成果を残しています。もし両社が太陽光エネルギーでセメント生産に成功すれば、二酸化炭素排出量の削減に苦戦してきたセメント業界にとって、持続可能性に向けた大きな一歩となるでしょう。「より多くのセメント工場が代替燃料の利用を望むようになると思います」と、MITコンクリート・サステナビリティ・ハブのエグゼクティブディレクター、ジェレミー・グレゴリー氏は述べています。

しかし、セメント業界の脱炭素化は容易ではない。ソルパート社のベイエンス氏は、利用可能な日照量の変動性から、完全な太陽光発電によるセメント工場の実現可能性は「疑わしい」と述べ、太陽光とバイオマスなどの代替燃料を組み合わせたハイブリッド型の操業が実現する可能性が高いと指摘する。ヘリオジェン社のグロス氏も太陽光発電の限界を認めている。グロス氏は、世界のセメント工場のうち、たとえ設置を希望したとしても、ヘリオマックスシステムを敷地内に設置できるだけの土地を持つのはわずか半数に過ぎないと推定している。

しかし、たとえすべてのセメント窯が光子で稼働したとしても、セメント産業は依然として持続不可能な量の炭素を排出することになります。太陽光発電による窯の稼働は、セメント産業の二酸化炭素排出量の約40%に過ぎません。排出量の大部分は、石灰石を加熱する際に起こる化学反応に由来します。つまり、窯の稼働をすべて太陽光発電で賄ったとしても、世界のセメント生産は年間約12億トンの二酸化炭素を排出し続けることになります_。これは、航空業界全体の排出量の30%にも相当します。

より包括的な解決策としては、ソーラーキルンと新しいセメント材料、あるいは二酸化炭素回収技術を組み合わせることが挙げられます。代替セメントのアイデアは数多く存在しますが、今のところ広く普及しているものはありません。例えば、民主党の大統領候補アンドリュー・ヤン氏は、大気中の二酸化炭素を回収できるセメント混合物の研究に連邦政府が投資すべきだと提言しています。この種のセメントは既に存在していますが、製造コストが法外に高いという問題があります。

二酸化炭素回収技術もまた、数々の技術的問題と資金難により、普及に苦戦している。グロス氏は、ヘリオマックス社が二酸化炭素回収に明るい機会をもたらしていると考えている。同社の窯は、化石燃料を燃料とするオーブンの汚れた排気とは異なり、純粋な二酸化炭素を排出するため、回収が容易だとグロス_氏は述べている。同社は、経済的な方法があることを証明する必要がある。

ヘリオジェンの太陽光発電システムはセメントの炭素問題の大きな部分を解決するかもしれないが、業界にはまだより具体的な解決策が必要だ。

WIREDのその他の素晴らしい記事

天才プログラマーの奇妙な人生と謎の死
2019年のウィッシュリスト：自分用に取っておきたくなる素敵なギフト52選
気候危機がいかに私たちを殺しているのか、9つの警告グラフで示す
私の友人がインスタグラムで食料品店を始めた理由
健康とフィットネスのデータをロックダウンする方法
👁 より安全にデータを保護する方法と、AIに関する最新ニュース
🏃🏽‍♀️ 健康になるための最高のツールをお探しですか？ギアチームが選んだ最高のフィットネストラッカー、ランニングギア（シューズとソックスを含む）、最高のヘッドフォンをご覧ください。