二酸化炭素はすごい分子だ。二酸化炭素といえば読者はおそらく、動物が呼気として放出し、植物が吸収する物質であることや、気候変動のいちばんの原因であるとされていることしか知らないだろう。だが、二酸化炭素にはもっと多くの可能性がある。たとえば二酸化炭素によって、電力業界をもう少し環境にやさしいものにできると考えている技術者たちがいるのだ。

そう書くと、二酸化炭素の回収と貯留をひとひねりしたものだと読者は思うだろう。だが、そうではない。熱を電気に変える巨大な装置、タービン発電機のことをいっているのだ。ほとんどの発電所は蒸気タービンを利用している。だが、水を気体（水蒸気）に変えるには大量のエネルギーが必要だ。室温では気体で存在する二酸化炭素なら、そうした問題を避けられる。おまけに、圧縮するのは水と比べてはるかに容易なので、タービンに大量に詰め込むことができる。

『サイエンス』誌に5月26日付けで発表された論文によると、超臨界流体（温度と圧力のバランス上、気体と液体の区別がつかない状態）になった二酸化炭素なら、いまより小型のタービンでもっと多くの電力を生み出せるという。

水を使うのは効率が悪い

米国における電力の3分の2以上は、「ランキンサイクル」と呼ばれる熱サイクルで稼働する蒸気発生器によってつくり出されている。まずは、水をポンプで圧縮してから加熱する。加熱方式は、石炭の燃焼でもいいし、放射性物質の崩壊でもいいし、何千ものミラーで反射させた太陽光でもいい。

加熱によって水を沸騰させ、蒸気を発生させる。そして、さらにどんどん加熱していく。蒸気を限界まで高温にしてからタービンに送り込むと、タービンブレードが回転し、取り付けられた発電器が電力を生み出す。その後、低圧となった水蒸気は復水器に送られ、水になってポンプに戻る。そして、このサイクルが新たに始まる。

ランキンサイクルは、1世紀以上にわたってうまく機能してきたし、最近までは状況を変える理由が何もなかった。発電費用がかなり安く済み、石炭使用の結果（気候変動）が直ちにはわからなかったからだ。だが、ランキンサイクルは効率が悪い。水を使用することがその主な理由である。

「サンショット・イニシアティヴ」（米エネルギー省が太陽光発電システムのコスト削減に向けて2011年に開始した技術開発プロジェクト）のプログラムマネージャーを務めるアヴィ・シュルツは、ランキンサイクルについて次のように語る。「興味深い物理学的事象ですが、氷から水に、あるいは、水から水蒸気に、といった具合に何かの相を変化させるのには、多くのエネルギーを加える必要があります」。つまり、ランキンサイクルを経る蒸気発生器は、水を沸騰させるための多量のエネルギーを無駄にしているわけだ。

二酸化炭素を使えば、高効率で省スペース

今回発表された論文で説明されているような二酸化炭素を利用するタービンは、「ブレイトンサイクル」と呼ばれる、液相のプロセスがないサイクルを利用している。

「全体を通して気相を利用するので、結果的にエネルギーの利用効率が向上します」と説明するのは、論文執筆者レヴィ・アーウィンだ。さらに二酸化炭素は、水と比べて圧縮が容易だ。高エネルギー状態になった二酸化炭素を、少ない体積により多量に詰め込むことができる。論文によれば、二酸化炭素に熱と圧力を加えて超臨界状態の二酸化炭素にすると、水蒸気の10倍のペースでエネルギーをタービンに送り込めるという。

その結果、超臨界二酸化炭素発電システムでは、エネルギーを電力に変える効率が30パーセント高まる、と論文には書かれている。さらに、こうした発電器は小型でシンプルだ。気相だけを扱うので、部品が少なくて済むからである。

ひとつだけ改良しうる点があるとすればそれは、何らかの方法で大気から集められた二酸化炭素を利用できるとさらにいいという点だ。現在は、閉鎖系に滞留している二酸化炭素に頼っている。

タービンの温度変化が課題

システムを実現するうえでの障害は何だろうか？ それは、タービンが受ける温度変化である。

「高エネルギー状態での大きな温度勾配になり、タービンに機械的ストレスが与えられます」とアーウィンは言う。つまり、亀裂や膨張、変形が起きない金属で二酸化炭素用タービンを製造し、酷使に耐えるのに十分な大きさにすることが必要だ。

米エネルギー省は2016年10月、超臨界二酸化炭素タービンを使う発電所のプロトタイプを建設すると発表した。総額8,000万ドルのこのプロジェクトは、約6年後に操業開始し、数千世帯の電力需要を賄うのに十分な10メガワットのエネルギーを生成する予定だ。

シュルツは、少なくとも10年間は、超臨界二酸化炭素用タービンが従来型の蒸気タービンに取って代わり始めることはないと考えている。それまでには石炭が使用されなくなるかもしれないが、それでも問題はない。この技術は、太陽熱発電所や原子力発電所など、熱を電気に変えるどんな発電所でも利用できるからだ。