漏洩ＣＯ２検出方法及び漏洩ＣＯ２検出装置、地中貯留ＣＯ２の漏洩モニタリング方法
【課題】ＣＯ２貯留層からの漏洩があることを的確に判定する。
【解決手段】海上部３０は、船舶に搭載されて測定者によって直接制御され、海中部２０を遠隔操作する。海中部２０は、漏洩ＣＯ２を検知すべき海中に投入される。気泡等１０３が存在すると判定された、あるいはＰＨが所定の値以下であった場合には、海中制御部２２又は海上制御部３２は、ＣＯ２が存在する可能性があると認識する。この場合、海中制御部２２は、サンブリング部（試料採取部）２４にこの部分の海水を採取させる。第１の分析部３４では、ＣＯ２成分が実際にこの中に存在するか否かが判定される。ここでＣＯ２が検出された場合には、第２の分析部３５は、採取されたＣＯ２に対して質量分析を行い、その１３Ｃ／１２Ｃの存在比率（同位体比）を算出する。海上制御部３２は、この同位体比が、ある所定の値以下であるか否かを判定する。
【解決手段】海上部３０は、船舶に搭載されて測定者によって直接制御され、海中部２０を遠隔操作する。海中部２０は、漏洩ＣＯ２を検知すべき海中に投入される。気泡等１０３が存在すると判定された、あるいはＰＨが所定の値以下であった場合には、海中制御部２２又は海上制御部３２は、ＣＯ２が存在する可能性があると認識する。この場合、海中制御部２２は、サンブリング部（試料採取部）２４にこの部分の海水を採取させる。第１の分析部３４では、ＣＯ２成分が実際にこの中に存在するか否かが判定される。ここでＣＯ２が検出された場合には、第２の分析部３５は、採取されたＣＯ２に対して質量分析を行い、その１３Ｃ／１２Ｃの存在比率（同位体比）を算出する。海上制御部３２は、この同位体比が、ある所定の値以下であるか否かを判定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中に貯留した炭酸ガスの漏洩を検出する漏洩ＣＯ２検出方法、及び漏洩ＣＯ２検出装置に関する。また、これらを利用した地中貯留ＣＯ２の漏洩モニタリング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化の最大の原因として知られる炭酸ガス（ＣＯ２）を減少させることが全世界的に問題になっている。ただし、ＣＯ２は産業上の様々な分野で発生するため、ＣＯ２の生成を抑制することだけによってこれに対処することは困難であり、生成されたＣＯ２を大気中に放出せず、地下や海底下に貯留するという方法も提案、実施されている。ここで減少させる対象となるＣＯ２は、主に燃料（化石燃料、バイオマス原料等）の燃焼によって生成されたＣＯ２である。
【０００３】
図３は、この貯留の状況を模式的に表した図である。図においては、第１の地層１００、第２の地層１０１、海水１０２からなる自然の地形の断面が示されている。この構成においては、地上におけるＣＯ２圧入設備９１から、海底下の地中にあるＣＯ２貯留層９２まで配管９３が設けられており、地上からＣＯ２が輸送され、貯留ＣＯ２９４となる。また、海上にＣＯ２圧入用浮体９５から配管９６を介してＣＯ２を輸送することも可能である。海底下のＣＯ２貯留層９２は、貯留ＣＯ２９４の上方に強固な保護層９２１が存在しているため、貯留ＣＯ２９４が高圧であるにもかかわらずＣＯ２の漏洩は通常発生しない。従って、ＣＯ２が大気中に拡散して温暖化の原因となることが抑制できる。なお、図３においては、便宜上第１の地層１００と第２の地層１０１とを分けて記載しているが、ＣＯ２貯留槽９２を形成できる構造であればよく、これらが明確に区別される構造をもつ必要はない。
【０００４】
しかしながら、例えば地震により第２の地層１０１に衝撃が発生して第２の地層１０１や保護層９２１にクラック１２０が生じ、貯留ＣＯ２９４の一部が海水１０１中に漏洩する可能性がある。通常ＣＯ２貯留層９２は安定な岩盤下に存在するため、このクラック（漏洩）の有無を検知することは困難であるが、ＣＯ２貯留層９２を設けた目的に鑑みて、これを検知することは極めて重要である。
【０００５】
この際にＣＯ２は、海中に漏洩して気泡となるか、深い海底中においては圧力が高いために気泡がそのまま液体ＣＯ２となった状態（以下、この状態を液滴と呼称する）として存在する。これらの気泡や液滴（以下気泡等）１０３は、クラック１２０の上部に発生する。このＣＯ２を検出する方法が、例えば特許文献１に記載されている。この技術においては、船舶からデータキャリア(水中応答器)が海中に投入される。データキャリアは、例えば海中のＰＨを測定することによって、ＣＯ２が漏洩し、気泡等１０３が水中に溶存して生成される炭酸を検知する。データキャリアで検出されたデータは、音響通信を利用して船舶の送受信器に送信される。これによって、ＣＯ２の漏洩を間接的に検出することができる。これによって、ＣＯ２貯留層９２にクラックが生じたことを知ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１９１１１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のようにＣＯ２貯留層９２に貯留されたＣＯ２の他に、自然発生するＣＯ２も存在し、例えば、火山活動に伴ってＣＯ２が発生することもある。このため、実際にはＣＯ２貯留層９２からの漏洩ＣＯ２以外に、自然発生したＣＯ２も同様に検出される。従って、人工的に貯留された漏洩ＣＯ２のみを正確に検出することは困難であり、ＣＯ２貯留層９２からの漏洩があることを的確に判定することは困難であった。
【０００８】
本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の請求項１に係る漏洩ＣＯ２検出方法は、燃料の燃焼によって生成されたＣＯ２を貯留したＣＯ２貯留層からの漏洩ＣＯ２を検出する漏洩ＣＯ２検出方法であって、前記ＣＯ２貯留層の周囲の環境から被分析試料を採取する採取ステップと、前記被分析試料中においてＣＯ２が存在するか否かを判定するＣＯ２検出ステップと、前記被分析試料中に存在したＣＯ２における安定同位体同士の存在比率を測定する同位体分析ステップと、前記存在比率に基づいて、前記ＣＯ２には前記漏洩ＣＯ２が含まれるか否かを判定する判定ステップと、を具備することを特徴とする。
この発明においては、採取ステップにおいて採取された非分析試料中にＣＯ２が存在するか否かがＣＯ２検出ステップにおいて判定される。その後、検出されたＣＯ２中の安定同位体同士の存在比率が同位体分析ステップにおいて測定され、この存在比率に基づいてこのＣＯ２に漏洩ＣＯ２が含まれるか否かが判定ステップにおいて判定される。
また、本発明の漏洩ＣＯ２検出方法において、前記安定同位体同士の存在比率は、１３Ｃと１２Ｃとの存在比率であることを特徴とする。
この発明においては、前記の安定同位体として１３Ｃと１２Ｃが特に用いられ、これらの存在比率が算出され、判定ステップではこの存在比率に基づいて判定がなされる。
また、本発明の漏洩ＣＯ２検出方法は、前記採取ステップの前に、前記ＣＯ２貯留層近傍の環境に対して超音波を照射することによって気泡又は液滴の有無を認識する探査ステップを具備し、前記採取ステップにおいて、前記気泡又は液滴が確認された箇所から前記被分析試料を採取することを特徴とする。
この発明においては、ＣＯ２が存在している可能性が高いと認識された箇所から被分析試料が採取される。ＣＯ２が存在している可能性が高いことは、気泡や液滴（液状のＣＯ２）からの超音波の反射の有無を利用して認識される。
また、本発明の漏洩ＣＯ２検出方法は、前記採取ステップの前に、前記ＣＯ２貯留層近傍の環境のＰＨ値を計測する探査ステップを具備し、前記採取ステップにおいて、前記ＰＨ値が所定の値よりも低い箇所から前記被分析試料を採取することを特徴とする。
この発明においても、ＣＯ２が存在している可能性が高いと認識された箇所から被分析試料が採取される。ＣＯ２が存在している可能性が高いことは、水のＰＨ値が低いことで認識される。
また、本発明の漏洩ＣＯ２検出方法は、前記ＣＯ２検出ステップにおいて、ガスクロマトグラフ法、ガスクロマトグラフ質量分析法、赤外分光法のうちの少なくとも一つを用いてＣＯ２の分析を行うことを特徴とする。
この発明においては、ガスクロマトグラフ法、ガスクロマトグラフ質量分析法、赤外分光法のうちの少なくとも一つによって、被分析試料中のＣＯ２の有無を認識することができる。
また、本発明の漏洩ＣＯ２検出方法は、前記ＣＯ２検出ステップ及び前記同位体分析ステップにおいて、ガスクロマトグラフ質量分析器を用いてＣＯ２の分析及び安定同位体同士の存在比率の測定を行うことを特徴とする。
この発明においては、単一のガスクロマトグラフ質量分析器によって、ＣＯ２成分の有無の認識（ＣＯ２検出ステップ）と、このＣＯ２中の安定同位体の分析（同位体分析ステップ）とが共に行われる。
【００１０】
本発明の請求項７に係る地中貯留ＣＯ２の漏洩モニタリング方法は、漏洩ＣＯ２検出方法を用いて、海底の地中に設けたＣＯ２貯留層からの漏洩ＣＯ２を検出することを特徴とする。
この発明においては、前記漏洩ＣＯ２検出方法を、特に海底の地中に設けたＣＯ２貯留層の漏洩モニターに適用する。
また、本発明の地中貯留ＣＯ２の漏洩モニタリング方法は、海上又は海中の船舶を用いて前記漏洩ＣＯ２検出方法を実施することを特徴とする。
この発明においては、海上又は海中の船舶を用いてモニタリングが行われる。
【００１１】
本発明の請求項９に係る漏洩ＣＯ２検出装置は、燃料の燃焼によって生成されたＣＯ２を貯留したＣＯ２貯留層からの漏洩ＣＯ２を検出する漏洩ＣＯ２検出装置であって、前記ＣＯ２貯留層の周囲の環境から被分析試料を採取する試料採取部と、前記被分析試料中におけるＣＯ２を検出するＣＯ２検出部と、前記被分析試料中に存在したＣＯ２における安定同位体同士の存在比率を測定する同位体分析部と、前記存在比率に基づいて、前記ＣＯ２に前記漏洩ＣＯ２が含まれるか否かを判定する制御部と、を具備することを特徴とする。
この発明においては、試料採取部によって被分析試料が採取され、ＣＯ２検出部によって被分析試料中のＣＯ２が検出される。その後、同位体分析部によって、検出されたＣＯ２中の安定同位体同士の存在比率を測定される。制御部は、この存在比率に基づいてこのＣＯ２に漏洩ＣＯ２が含まれるか否かを判定する。
また、本発明の漏洩ＣＯ２検出装置において、前記安定同位体同士の存在比率は、１３Ｃと１２Ｃとの存在比率であることを特徴とする。
この発明においては、前記の安定同位体として１３Ｃと１２Ｃが特に用いられ、これらの存在比率が算出され、制御部は、この存在比率に基づいて判定を行う。
また、本発明の漏洩ＣＯ２検出装置は、前記ＣＯ２貯留層近傍の環境に対して超音波を照射し、かつ該超音波の反射波を検出する探査部を具備し、前記制御部は、前記反射波の分析結果に基づいて前記被分析試料を前記試料採取部に採取させることを特徴とする。
この発明においては、試料採取部は、ＣＯ２が存在している可能性が高いと認識された箇所から被分析試料を採取する。ＣＯ２が存在している可能性が高いことは、探査部が気泡等からの超音波の反射を確認することによって認識する。
また、本発明の漏洩ＣＯ２検出装置は、前記ＣＯ２貯留層近傍の環境のＰＨ値を計測する探査部を具備し、前記制御部は、前記ＰＨ値の測定結果に基づいて前記被分析試料を前記試料採取部に採取させることを特徴とする。
この発明においても、試料採取部は、ＣＯ２が存在している可能性が高いと認識された箇所から被分析試料を採取する。ＣＯ２が存在している可能性が高いことは、探査部が測定した水のＰＨ値が低いことで認識される。
また、本発明の漏洩ＣＯ２検出装置は、前記ＣＯ２検出部において、ガスクロマトグラフ法、ガスクロマトグラフ質量分析法、赤外分光法のうちの少なくとも一つによる分析が行われることを特徴とする。
この発明においては、ＣＯ２検出部が、ガスクロマトグラフ法、ガスクロマトグラフ質量分析法、赤外分光法のうちの少なくとも一つを行うことによって、被分析試料中のＣＯ２の有無を認識する。
また、本発明の漏洩ＣＯ２検出装置において、前記ＣＯ２検出部及び前記同位体分析部は、単一のガスクロマトグラフ質量分析器であることを特徴とする。
この発明においては、ガスクロマトグラフ質量分析器が、ＣＯ２検出部と同位体分析部とを兼ねる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の漏洩ＣＯ２検出方法、検出装置は、以上のように構成されているので、ＣＯ２貯留層からの漏洩があることを的確に判定することができる。
この際、安定同位体同士の存在比率として１３Ｃと１２Ｃとの存在比率を用いた場合には、漏洩ＣＯ２と天然ＣＯ２との識別を特に容易に行うことができる。
この際、探査ステップ（探査部）を用いれば、ＣＯ２が検出される可能性が高い箇所から選択的に被測定試料を採取することができるので、測定の効率を高めることができる。更に、超音波の反射波を検出すること、水のＰＨ値を測定することによって、ＣＯ２が検出される可能性の有無を容易に判定することができる。
また、ガスクロマトグラフ法、ガスクロマトグラフ質量分析法、赤外分光法によれば、特にＣＯ２の検出を容易に行うことができる。
更に、ガスクロマトグラフ質量分析器を用いれば、ＣＯ２検出ステップと同位体分析ステップとを同一の装置を用いて一度に行うことができるため、装置構成や検査工程が簡略化される。
また、本発明の地中貯留ＣＯ２の漏洩モニタリング方法によれば、特に検出が困難であった海底の地中にあるＣＯ２貯留層からの漏洩を的確に検知することができる。この際、上記の漏洩ＣＯ２検出方法を海上又は海中の船舶から実施することが可能であるため、広範囲にわたりこの漏洩のモニタリングを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態となる漏洩ＣＯ２検出装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態となる漏洩ＣＯ２検出方法を示すフローチャートである。
【図３】ＣＯ２を地中に貯留する際の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態となる漏洩ＣＯ２検出装置について説明する。図１は、この漏洩ＣＯ２検出装置１０の構成を示す図である。この漏洩ＣＯ２検出装置１０によって検出されるのは、図３におけるＣＯ２貯留層９２から海水１０１中（水中）に漏洩したＣＯ２（以下、漏洩ＣＯ２）や、これ以外の天然に存在するＣＯ２、例えば地下に天然に存在し、海中に漏洩してきたＣＯ２（以下、天然ＣＯ２）である。これらのＣＯ２は、図３における気泡や液滴（気泡等１０３）として存在するか、これらが海水１０１に溶存した形態として存在する。特にこの漏洩ＣＯ２検出装置１０においては、漏洩ＣＯ２と、天然ＣＯ２とを区別して認識することができる。従って、ＣＯ２貯留層９２からの漏洩を的確に検出することができる。この漏洩ＣＯ２検出装置１０は、図１、３に示されるように、海中部２０と、海上部３０とに分かれて構成される。海上部３０は、船舶９８に搭載されて測定者によって直接制御され、海中部２０を遠隔操作する。海中部２０は、漏洩ＣＯ２を検知すべき海中に投入される。
【００１５】
また、この漏洩ＣＯ２検出装置の動作（漏洩ＣＯ２検出方法）を示すフローチャートが図２である。
【００１６】
測定者は、海上部３０における設定部３１を制御し、探査や分析のパラメータを設定する。これらのパラメータは、海上制御部（制御部）３２（例えばパーソナルコンピュータ）に入力され、海上送受信部３３を介して、海中に投入された海中部２０における海中送受信部２１に送信される。これらの間の通信は無線によってもよく、有線によってもよい。
【００１７】
海中部２０における海中制御部２２（例えば、ＣＰＵ）は、この通信によって得られた海上部３０からの指令に基づき、探査部２３を用いて、ＣＯ２が海水１０２中に存在する可能性があるか否かを探査する（Ｓ１：探査ステップ）。ここでは、可能性があるか否かを探査すればよく、ＣＯ２が実際に存在しているか否かを判定する必要はない。また、ここでは漏洩ＣＯ２と天然ＣＯ２の区別も行う必要はない。
【００１８】
この探査方法としては、例えば、図３における気泡等１０３を認識するという方法が考えられる。この場合には、ソナー等を用いて超音波を水中に発振し、気泡からの反射波を検知することができる。また、気泡ではなく、圧力が高いために液体となったＣＯ２（液滴）が存在しても、同様に反射波が発生するため、気泡や液滴（気泡等１０３）が存在すれば、これからの反射波を検出することが可能である。また、ＣＯ２は水中に溶解して炭酸となるため、海水１０２のＰＨを調べ、ＰＨの値がある所定の値（例えば６．８程度）以下である場合にＣＯ２が存在すると認識するという方法を用いることもできる。この所定の値は、予めわかっているこの地域での海水のＰＨ値を基準にして適宜設定できる。
【００１９】
従って、探査部２３としては、ソナーやＰＨセンサ等を用いることができる。ここでは漏洩ＣＯ２自身を探知するのではなく、ＣＯ２が含まれる可能性があるか否かを認識すれば充分であるため、これら以外にも、電気的な方法、光学的な方法等、任意の方法を使用することができる。気泡等１０３が存在すると判定されない、あるいはＰＨが所定の値以下ではない場合のように、ＣＯ２は存在しないと判定された場合（Ｓ２：Ｎｏ）には、漏洩ＣＯ２は存在しない、すなわち、ＣＯ２貯留層９２からの漏洩は発生していないと認識される（Ｓ３）。なお、海中制御部２２がこの判定を行ってもよいが、海中送受信部２１及び海上送受信部３３を介して測定データを海上制御部３２が入手し、海上制御部３２がこの判定を行う設定とすることもできる。
【００２０】
気泡等１０３が存在すると判定された、あるいはＰＨが所定の値以下であった場合（Ｓ２：Ｙｅｓ）には、海中制御部２２又は海上制御部３２は、ＣＯ２が存在する可能性があると認識する。この場合、海中制御部２２は、サンプリング部（試料採取部）２４にこの部分の海水を採取させる（Ｓ４：採取ステップ）。サンプリング部２４の形態は任意であり、例えば下側にのみ開口部を設けた筒状の容器であれば、気泡等１０３が存在した場合、ＣＯ２を主として採取することが可能である。特にＣＯ２が気泡である場合は、下側にのみ開口部を設けた筒状の容器にＣＯ２が充満した段階で容器を閉じ、ＣＯ２主成分として採取することが可能となる。また、液状のＣＯ２や溶液に対しては、これらの存在箇所に容器を持って行き、これらを容器に満たした後、容器を閉じることによってＣＯ２を主成分として採取することが可能となる。
【００２１】
この採取されたサンプル（被分析試料）の主成分はＣＯ２であると期待されるが、例えば、発振された超音波に対して類似の反射波を発生する他の気泡や液体、ＣＯ２と同レベルのＰＨ値を示す他の溶液である場合もある。このサンプルは、ホース４０を通り、海中部２０から、海上部３０における第１の分析部（ＣＯ２検出部）３４に輸送される。あるいは、サンプリング部２４にサンプルを保管し、海中部２０を船舶９８側に引き上げてからこれを第１の分析部（ＣＯ２検出部）３４に輸送してもよい。
【００２２】
第１の分析部３４では、ＣＯ２成分が実際にこの中に存在するか否かが判定される（Ｓ５：ＣＯ２検出ステップ）。ここで行われる分析は、サンプルの中にＣＯ２が存在しているか否かであり、このＣＯ２における漏洩ＣＯ２と天然ＣＯ２とは、区別なく同様に検出される。この分析方法としては、ガスクロマトグラフ法が好ましく用いられるが、ＣＯ２を検出できる分析方法であれば、これに限定されない。例えば、気化したサンプルに対する赤外線の吸収スペクトルを調べてＣＯ２の存在を調べる赤外分光法や、試薬等を用いることによって溶存ＣＯ２を検出する方法を用いてもよい。ただし、ＣＯ２成分のみを分離して取り出すことのできるガスクロマトグラフ法が特に好ましい。
【００２３】
海上制御部３２は、ここでＣＯ２が検出されない場合（Ｓ５：Ｎｏ）には、ＣＯ２は存在せず、漏洩ＣＯ２も存在しないと認識する（Ｓ３）。
【００２４】
ここでＣＯ２が検出された場合（Ｓ５：Ｙｅｓ）には、海上制御部３２は、第２の分析部（同位体分析部）３５に更にこのサンプルの質量分析を行わせる。ここでは、漏洩ＣＯ２と天然ＣＯ２とを分離して分析する。これらの識別方法について以下に説明する。
【００２５】
一般に、炭素には１２Ｃと１３Ｃの安定同位体が自然界において見られ、その大部分は１２Ｃであるが、これらの存在比率は、試料の起源等に応じて異なる。これらにおいては、原子（原子核）の質量のみが異なり、化学的性質は同様であるため、どちらもＣＯ２を同様に構成する。ここで、この存在比率を示す量として、δ１３Ｃという下記の式で表される量（単位は‰：パーミル）が用いられる。δ１３Ｃは、試料における１３Ｃの１２Ｃに対する存在比率と、標準物質におけるこれらの存在比率との比率の１からの偏差を示す。
【００２６】
【数１】
【００２７】
また、各種の物質において実測されたδ１３Ｃの値の例を表１に示す。
【００２８】
【表１】
【００２９】
この結果より、化石燃料（石油、石炭）と植物バイオマス燃料に含まれる炭素においては特にδ１３Ｃが−２３以下と小さい、すなわち、１３Ｃ含有量が少ない。これらの燃料を燃焼させることによって生成されたＣＯ２においても、δ１３Ｃの値は同様となる。一方、天然ＣＯ２の代表例として火山ガスや海底からの天然の湧き出しガスに含まれる炭素におけるδ１３Ｃは−７以上であり、上記の値よりも大きい。大気中のＣＯ２は、天然に存在するＣＯ２と燃料を燃焼させることによって生成されたＣＯ２の混合物である。従って、そのδ１３Ｃは、これらの中間的な値となっている。
【００３０】
上記の漏洩ＣＯ２検出装置１０で検出すべき漏洩ＣＯ２は、化石燃料や植物バイオマス燃料を燃焼させることによって生成されたＣＯ２であるため、そのδ１３Ｃの値は通常の大気や海水に含まれる天然ＣＯ２よりも低い。従って、上記の結果より、大気中や海水中に含まれるＣＯ２における１３Ｃの１２Ｃに対する存在比率を調べることによって、このＣＯ２が漏洩ＣＯ２か天然ＣＯ２であるかの判定を行うことができる。
【００３１】
従って、第２の分析部３５は、採取されたＣＯ２に対して質量分析を行い、その１３Ｃ／１２Ｃの存在比率（同位体比）、あるいはδ１３Ｃを算出する（Ｓ６：同位体分析ステップ）。この質量分析の手法としては、周知の質量分析法を用いることができ、分析対象は１３Ｃと１２Ｃのみとすることができる。ここで、リファレンス用ＣＯ２が充填されたリファレンス用ＣＯ２ボンベ３６が第２の分析部３５に接続され、第２の分析部３５は、このリファレンス用ＣＯ２を参照資料として用いることができる。すなわち、このリファレンス用ＣＯ２を用いて式（１）における標準試料の１３Ｃ／１２Ｃを算出することができる。ただし、特にリファレンス用ＣＯ２ボンベ３６を用いずに、海上制御部３２が予め求められた標準試料の１３Ｃ／１２Ｃを記憶し、この値を用いてδ１３Ｃを算出する設定とすることもできる。なお、表１の結果より、漏洩ＣＯ２や天然ＣＯ２の存在しない箇所の海水（δ１３Ｃ＝０）を標準試料として用いることもできる。
【００３２】
海上制御部３２は、この同位体比又はδ１３Ｃが、ある所定の値以下であるか否かを判定する（Ｓ７：判定ステップ）。例えば、δ１３Ｃの値が−１５以下であれば（Ｓ７：Ｙｅｓ）、漏洩ＣＯ２が存在すると認識し（Ｓ８）、−１５よりも大きければ（Ｓ７：Ｎｏ）、漏洩ＣＯ２はないと認識する（Ｓ３）。
【００３３】
従って、この漏洩ＣＯ２検出方法においては、天然ＣＯ２と漏洩ＣＯ２とを的確に識別して認識することができる。これによって、ＣＯ２貯留層９２の漏洩を的確に判定することができる。
【００３４】
なお、第１の分析部３４におけるＣＯ２の分析方法は、１３Ｃや１２Ｃの原子核を壊変させない限りにおいて任意である。従って、ガスクロマトグラフ法の他にも、任意の分析方法を用いることができる。ただし、ここでは、常温で気体であるＣＯ２が分析対象であるため、気体の分析が容易であり、かつＣＯ２成分のみを分離でき、同位体分析ステップで用いることのできるガスクロマトグラフ法を使用することが好ましい。
【００３５】
また、図１の構成においては、第１の分析部３４と第２の分析部３５とが用いられていたが、これらを単一の分析装置とすることもできる。例えば、ガスクロマトグラフ質量分析計（ＧＣ−ＭＳ）を用いれば、ＣＯ２の同定と、その質量分析とを同時に行うことができる。従って、単一の分析装置を用いて１３Ｃ／１２Ｃあるいはδ１３Ｃを求めることができ、装置構成を簡略化することが可能であり、上記の漏洩を検査する工程も簡略化される。
【００３６】
また、図１、３の構成においては、海上部３０を船舶９８に搭載したが、これに限られるものではなく、上記の測定を行うことができる限りにおいて、任意の形態をとることができる。例えば、海上部３０をそのまま陸上に設けてもよいし、海中の他の箇所、例えば海中部２０よりも浅い海中に設けてもよい。また、海中部２０と海上部３０の構成はそれぞれ図１に示される通りとしたが、上記の測定を行うことができる限りにおいて、図１全体に示された構成要素を図１の構成とは異なるように適宜選択して海中部２０と海上部３０に設け、機能させることもできる。あるいは、この漏洩ＣＯ２検出装置の全ての構成要素を海中部２０に設けた構成とすることもできる。
【００３７】
また、上記の例では、探査部２３あるいは探査ステップ（Ｓ１）、ＣＯ２が存在する可能性有無の判定（Ｓ２）が用いられていたが、これらを用いず、例えば、定地点において定期的にサンプルをサンプリング部２４が採取する設定とすることもできる。ただし、ＣＯ２の検出（Ｓ６）や同位体の分析（Ｓ７）に要する時間が長い場合には、ＣＯ２が存在しないことが確実な場合（Ｓ５：Ｎｏ）にはＣＯ２の検出（Ｓ６）や同位体の分析（Ｓ７）を省略することができるため、より効率的な測定が可能である。
【００３８】
なお、上記の例では、この漏洩ＣＯ２検出装置１０は水中（海中）のＣＯ２を検出するものとしたが、これに限られるものではない。例えば、ＣＯ２貯留層からの漏洩を大気中で同様に検出することも可能である。この場合にも、探査ステップを特に行わず、気体（大気）のサンプルを適宜採取し、その赤外分光スペクトルを測定することによって、ＣＯ２成分が通常の大気よりも多く含まれるか否かを判定することができる（ＣＯ２検出ステップ）。その後は、上記と同様に同位体分析ステップ等を行えばよい。
【００３９】
また、前記の例では炭素の安定同位体である１３Ｃと１２Ｃとの存在比率（δ１３Ｃ）を用いたが、他の元素の安定同位体を用いることもできる。例えば、ＣＯ２を構成する酸素（Ｏ）には、１６Ｏ、１７Ｏ、１８Ｏが安定同位体として自然界において見られ、その大部分は１６Ｏである。１３Ｃ、１２Ｃ同様にこれらの存在比率も試料の起源等に応じて異なり、どれもＣＯ２を同様に構成する。これらの存在比率を示す量として、式（１）と同様に、δ１７Ｏ及びδ１８Ｏという量を定義することができる。すなわち、δ１７Ｏは、式（１）における１３Ｃの代わりに１７Ｏを用い、１２Ｃの代わりに１６Ｏを用いた量であり、δ１８Ｏは、式（１）における１３Ｃの代わりに１８Ｏを用い、１２Ｃの代わりに１６Ｏを用いた量である。これらの酸素同位体の地球全体における存在比は、それぞれ、１６Ｏ：９９．７６３％、１７Ｏ：０．０３７５％、１８Ｏ：０．１９９５％である。従って、上記の１３Ｃと１２Ｃとの存在比率（δ１３Ｃ）の代わりに、例えばδ１８Ｏを用いることができる。表２は、δ１８Ｏの自然界の各種物質における値である。
【００４０】
【表２】
【００４１】
この結果より、物質毎にδ１８Ｏの値（範囲）は異なることが明らかである。従って、漏洩ＣＯ２と天然ＣＯ２のδ１８Ｏを識別する閾値を予め設定しておき、第２の分析部３４が１８Ｏと１６Ｏの組成比を求め、海上制御部３２がこの値（δ１８Ｏ）に応じて上記と同様の判定を行うことにより、漏洩ＣＯ２の存在を認識する構成とすることもできる。すなわち、上記の漏洩ＣＯ２検出装置又は漏洩ＣＯ２検出方法においては、必ずしも１３Ｃと１２Ｃとの組成比に基づいた判定を行うことは必要ではなく、他の２つの安定同位体を適宜選択し、これらの安定同位体同士の組成比を用いて同様の判定を行うこともできる。
【００４２】
また、前記のように、この漏洩ＣＯ２検出方法は、特に海底の地中に設けたＣＯ２貯留層からの漏洩を的確に検知することができるため、地中貯留ＣＯ２の漏洩モニタリング方法として特に好ましく用いることができる。この場合、他の検出方法では検出が困難であった海底深くの地中に設けられたＣＯ２貯留層からの漏洩をモニタリングすることができる。特にこの場合には、天然ＣＯ２がサンプルに混入する確率が高くなるために、このモニタリング方法は有効である。この際、海上の船舶や、海中の潜水艦等に上記の漏洩ＣＯ２検出装置を設置すれば、広範囲の領域における測定を適宜行うことができる。従って、特に的確に漏洩を検知することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１０ 漏洩ＣＯ２検出装置
２０ 海中部（漏洩ＣＯ２検出装置）
２１ 海中送受信部
２２ 海中制御部
２３ 探査部
２４ サンプリング部（試料採取部）
３０ 海上部（漏洩ＣＯ２検出装置）
３１ 設定部
３２ 海上制御部（制御部）
３３ 海上送受信部
３４ 第１の分析部（ＣＯ２検出部）
３５ 第２の分析部（同位体分析部）
３６ リファレンス用ＣＯ２ボンベ
４０ ホース（漏洩ＣＯ２検出装置）
９１ ＣＯ２圧入設備
９２ ＣＯ２貯留層
９３、９６ 配管
９４ 貯留ＣＯ２
９５ ＣＯ２圧入用浮体
９８ 船舶
１００ 第１の地層
１０１ 第２の地層
１０２ 海水
１０３ 気泡等
１２０ クラック
９２１ 保護層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中に貯留した炭酸ガスの漏洩を検出する漏洩ＣＯ２検出方法、及び漏洩ＣＯ２検出装置に関する。また、これらを利用した地中貯留ＣＯ２の漏洩モニタリング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化の最大の原因として知られる炭酸ガス（ＣＯ２）を減少させることが全世界的に問題になっている。ただし、ＣＯ２は産業上の様々な分野で発生するため、ＣＯ２の生成を抑制することだけによってこれに対処することは困難であり、生成されたＣＯ２を大気中に放出せず、地下や海底下に貯留するという方法も提案、実施されている。ここで減少させる対象となるＣＯ２は、主に燃料（化石燃料、バイオマス原料等）の燃焼によって生成されたＣＯ２である。
【０００３】
図３は、この貯留の状況を模式的に表した図である。図においては、第１の地層１００、第２の地層１０１、海水１０２からなる自然の地形の断面が示されている。この構成においては、地上におけるＣＯ２圧入設備９１から、海底下の地中にあるＣＯ２貯留層９２まで配管９３が設けられており、地上からＣＯ２が輸送され、貯留ＣＯ２９４となる。また、海上にＣＯ２圧入用浮体９５から配管９６を介してＣＯ２を輸送することも可能である。海底下のＣＯ２貯留層９２は、貯留ＣＯ２９４の上方に強固な保護層９２１が存在しているため、貯留ＣＯ２９４が高圧であるにもかかわらずＣＯ２の漏洩は通常発生しない。従って、ＣＯ２が大気中に拡散して温暖化の原因となることが抑制できる。なお、図３においては、便宜上第１の地層１００と第２の地層１０１とを分けて記載しているが、ＣＯ２貯留槽９２を形成できる構造であればよく、これらが明確に区別される構造をもつ必要はない。
【０００４】
しかしながら、例えば地震により第２の地層１０１に衝撃が発生して第２の地層１０１や保護層９２１にクラック１２０が生じ、貯留ＣＯ２９４の一部が海水１０１中に漏洩する可能性がある。通常ＣＯ２貯留層９２は安定な岩盤下に存在するため、このクラック（漏洩）の有無を検知することは困難であるが、ＣＯ２貯留層９２を設けた目的に鑑みて、これを検知することは極めて重要である。
【０００５】
この際にＣＯ２は、海中に漏洩して気泡となるか、深い海底中においては圧力が高いために気泡がそのまま液体ＣＯ２となった状態（以下、この状態を液滴と呼称する）として存在する。これらの気泡や液滴（以下気泡等）１０３は、クラック１２０の上部に発生する。このＣＯ２を検出する方法が、例えば特許文献１に記載されている。この技術においては、船舶からデータキャリア(水中応答器)が海中に投入される。データキャリアは、例えば海中のＰＨを測定することによって、ＣＯ２が漏洩し、気泡等１０３が水中に溶存して生成される炭酸を検知する。データキャリアで検出されたデータは、音響通信を利用して船舶の送受信器に送信される。これによって、ＣＯ２の漏洩を間接的に検出することができる。これによって、ＣＯ２貯留層９２にクラックが生じたことを知ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１９１１１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のようにＣＯ２貯留層９２に貯留されたＣＯ２の他に、自然発生するＣＯ２も存在し、例えば、火山活動に伴ってＣＯ２が発生することもある。このため、実際にはＣＯ２貯留層９２からの漏洩ＣＯ２以外に、自然発生したＣＯ２も同様に検出される。従って、人工的に貯留された漏洩ＣＯ２のみを正確に検出することは困難であり、ＣＯ２貯留層９２からの漏洩があることを的確に判定することは困難であった。
【０００８】
本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の請求項１に係る漏洩ＣＯ２検出方法は、燃料の燃焼によって生成されたＣＯ２を貯留したＣＯ２貯留層からの漏洩ＣＯ２を検出する漏洩ＣＯ２検出方法であって、前記ＣＯ２貯留層の周囲の環境から被分析試料を採取する採取ステップと、前記被分析試料中においてＣＯ２が存在するか否かを判定するＣＯ２検出ステップと、前記被分析試料中に存在したＣＯ２における安定同位体同士の存在比率を測定する同位体分析ステップと、前記存在比率に基づいて、前記ＣＯ２には前記漏洩ＣＯ２が含まれるか否かを判定する判定ステップと、を具備することを特徴とする。
この発明においては、採取ステップにおいて採取された非分析試料中にＣＯ２が存在するか否かがＣＯ２検出ステップにおいて判定される。その後、検出されたＣＯ２中の安定同位体同士の存在比率が同位体分析ステップにおいて測定され、この存在比率に基づいてこのＣＯ２に漏洩ＣＯ２が含まれるか否かが判定ステップにおいて判定される。
また、本発明の漏洩ＣＯ２検出方法において、前記安定同位体同士の存在比率は、１３Ｃと１２Ｃとの存在比率であることを特徴とする。
この発明においては、前記の安定同位体として１３Ｃと１２Ｃが特に用いられ、これらの存在比率が算出され、判定ステップではこの存在比率に基づいて判定がなされる。
また、本発明の漏洩ＣＯ２検出方法は、前記採取ステップの前に、前記ＣＯ２貯留層近傍の環境に対して超音波を照射することによって気泡又は液滴の有無を認識する探査ステップを具備し、前記採取ステップにおいて、前記気泡又は液滴が確認された箇所から前記被分析試料を採取することを特徴とする。
この発明においては、ＣＯ２が存在している可能性が高いと認識された箇所から被分析試料が採取される。ＣＯ２が存在している可能性が高いことは、気泡や液滴（液状のＣＯ２）からの超音波の反射の有無を利用して認識される。
また、本発明の漏洩ＣＯ２検出方法は、前記採取ステップの前に、前記ＣＯ２貯留層近傍の環境のＰＨ値を計測する探査ステップを具備し、前記採取ステップにおいて、前記ＰＨ値が所定の値よりも低い箇所から前記被分析試料を採取することを特徴とする。
この発明においても、ＣＯ２が存在している可能性が高いと認識された箇所から被分析試料が採取される。ＣＯ２が存在している可能性が高いことは、水のＰＨ値が低いことで認識される。
また、本発明の漏洩ＣＯ２検出方法は、前記ＣＯ２検出ステップにおいて、ガスクロマトグラフ法、ガスクロマトグラフ質量分析法、赤外分光法のうちの少なくとも一つを用いてＣＯ２の分析を行うことを特徴とする。
この発明においては、ガスクロマトグラフ法、ガスクロマトグラフ質量分析法、赤外分光法のうちの少なくとも一つによって、被分析試料中のＣＯ２の有無を認識することができる。
また、本発明の漏洩ＣＯ２検出方法は、前記ＣＯ２検出ステップ及び前記同位体分析ステップにおいて、ガスクロマトグラフ質量分析器を用いてＣＯ２の分析及び安定同位体同士の存在比率の測定を行うことを特徴とする。
この発明においては、単一のガスクロマトグラフ質量分析器によって、ＣＯ２成分の有無の認識（ＣＯ２検出ステップ）と、このＣＯ２中の安定同位体の分析（同位体分析ステップ）とが共に行われる。
【００１０】
本発明の請求項７に係る地中貯留ＣＯ２の漏洩モニタリング方法は、漏洩ＣＯ２検出方法を用いて、海底の地中に設けたＣＯ２貯留層からの漏洩ＣＯ２を検出することを特徴とする。
この発明においては、前記漏洩ＣＯ２検出方法を、特に海底の地中に設けたＣＯ２貯留層の漏洩モニターに適用する。
また、本発明の地中貯留ＣＯ２の漏洩モニタリング方法は、海上又は海中の船舶を用いて前記漏洩ＣＯ２検出方法を実施することを特徴とする。
この発明においては、海上又は海中の船舶を用いてモニタリングが行われる。
【００１１】
本発明の請求項９に係る漏洩ＣＯ２検出装置は、燃料の燃焼によって生成されたＣＯ２を貯留したＣＯ２貯留層からの漏洩ＣＯ２を検出する漏洩ＣＯ２検出装置であって、前記ＣＯ２貯留層の周囲の環境から被分析試料を採取する試料採取部と、前記被分析試料中におけるＣＯ２を検出するＣＯ２検出部と、前記被分析試料中に存在したＣＯ２における安定同位体同士の存在比率を測定する同位体分析部と、前記存在比率に基づいて、前記ＣＯ２に前記漏洩ＣＯ２が含まれるか否かを判定する制御部と、を具備することを特徴とする。
この発明においては、試料採取部によって被分析試料が採取され、ＣＯ２検出部によって被分析試料中のＣＯ２が検出される。その後、同位体分析部によって、検出されたＣＯ２中の安定同位体同士の存在比率を測定される。制御部は、この存在比率に基づいてこのＣＯ２に漏洩ＣＯ２が含まれるか否かを判定する。
また、本発明の漏洩ＣＯ２検出装置において、前記安定同位体同士の存在比率は、１３Ｃと１２Ｃとの存在比率であることを特徴とする。
この発明においては、前記の安定同位体として１３Ｃと１２Ｃが特に用いられ、これらの存在比率が算出され、制御部は、この存在比率に基づいて判定を行う。
また、本発明の漏洩ＣＯ２検出装置は、前記ＣＯ２貯留層近傍の環境に対して超音波を照射し、かつ該超音波の反射波を検出する探査部を具備し、前記制御部は、前記反射波の分析結果に基づいて前記被分析試料を前記試料採取部に採取させることを特徴とする。
この発明においては、試料採取部は、ＣＯ２が存在している可能性が高いと認識された箇所から被分析試料を採取する。ＣＯ２が存在している可能性が高いことは、探査部が気泡等からの超音波の反射を確認することによって認識する。
また、本発明の漏洩ＣＯ２検出装置は、前記ＣＯ２貯留層近傍の環境のＰＨ値を計測する探査部を具備し、前記制御部は、前記ＰＨ値の測定結果に基づいて前記被分析試料を前記試料採取部に採取させることを特徴とする。
この発明においても、試料採取部は、ＣＯ２が存在している可能性が高いと認識された箇所から被分析試料を採取する。ＣＯ２が存在している可能性が高いことは、探査部が測定した水のＰＨ値が低いことで認識される。
また、本発明の漏洩ＣＯ２検出装置は、前記ＣＯ２検出部において、ガスクロマトグラフ法、ガスクロマトグラフ質量分析法、赤外分光法のうちの少なくとも一つによる分析が行われることを特徴とする。
この発明においては、ＣＯ２検出部が、ガスクロマトグラフ法、ガスクロマトグラフ質量分析法、赤外分光法のうちの少なくとも一つを行うことによって、被分析試料中のＣＯ２の有無を認識する。
また、本発明の漏洩ＣＯ２検出装置において、前記ＣＯ２検出部及び前記同位体分析部は、単一のガスクロマトグラフ質量分析器であることを特徴とする。
この発明においては、ガスクロマトグラフ質量分析器が、ＣＯ２検出部と同位体分析部とを兼ねる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の漏洩ＣＯ２検出方法、検出装置は、以上のように構成されているので、ＣＯ２貯留層からの漏洩があることを的確に判定することができる。
この際、安定同位体同士の存在比率として１３Ｃと１２Ｃとの存在比率を用いた場合には、漏洩ＣＯ２と天然ＣＯ２との識別を特に容易に行うことができる。
この際、探査ステップ（探査部）を用いれば、ＣＯ２が検出される可能性が高い箇所から選択的に被測定試料を採取することができるので、測定の効率を高めることができる。更に、超音波の反射波を検出すること、水のＰＨ値を測定することによって、ＣＯ２が検出される可能性の有無を容易に判定することができる。
また、ガスクロマトグラフ法、ガスクロマトグラフ質量分析法、赤外分光法によれば、特にＣＯ２の検出を容易に行うことができる。
更に、ガスクロマトグラフ質量分析器を用いれば、ＣＯ２検出ステップと同位体分析ステップとを同一の装置を用いて一度に行うことができるため、装置構成や検査工程が簡略化される。
また、本発明の地中貯留ＣＯ２の漏洩モニタリング方法によれば、特に検出が困難であった海底の地中にあるＣＯ２貯留層からの漏洩を的確に検知することができる。この際、上記の漏洩ＣＯ２検出方法を海上又は海中の船舶から実施することが可能であるため、広範囲にわたりこの漏洩のモニタリングを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態となる漏洩ＣＯ２検出装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態となる漏洩ＣＯ２検出方法を示すフローチャートである。
【図３】ＣＯ２を地中に貯留する際の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態となる漏洩ＣＯ２検出装置について説明する。図１は、この漏洩ＣＯ２検出装置１０の構成を示す図である。この漏洩ＣＯ２検出装置１０によって検出されるのは、図３におけるＣＯ２貯留層９２から海水１０１中（水中）に漏洩したＣＯ２（以下、漏洩ＣＯ２）や、これ以外の天然に存在するＣＯ２、例えば地下に天然に存在し、海中に漏洩してきたＣＯ２（以下、天然ＣＯ２）である。これらのＣＯ２は、図３における気泡や液滴（気泡等１０３）として存在するか、これらが海水１０１に溶存した形態として存在する。特にこの漏洩ＣＯ２検出装置１０においては、漏洩ＣＯ２と、天然ＣＯ２とを区別して認識することができる。従って、ＣＯ２貯留層９２からの漏洩を的確に検出することができる。この漏洩ＣＯ２検出装置１０は、図１、３に示されるように、海中部２０と、海上部３０とに分かれて構成される。海上部３０は、船舶９８に搭載されて測定者によって直接制御され、海中部２０を遠隔操作する。海中部２０は、漏洩ＣＯ２を検知すべき海中に投入される。
【００１５】
また、この漏洩ＣＯ２検出装置の動作（漏洩ＣＯ２検出方法）を示すフローチャートが図２である。
【００１６】
測定者は、海上部３０における設定部３１を制御し、探査や分析のパラメータを設定する。これらのパラメータは、海上制御部（制御部）３２（例えばパーソナルコンピュータ）に入力され、海上送受信部３３を介して、海中に投入された海中部２０における海中送受信部２１に送信される。これらの間の通信は無線によってもよく、有線によってもよい。
【００１７】
海中部２０における海中制御部２２（例えば、ＣＰＵ）は、この通信によって得られた海上部３０からの指令に基づき、探査部２３を用いて、ＣＯ２が海水１０２中に存在する可能性があるか否かを探査する（Ｓ１：探査ステップ）。ここでは、可能性があるか否かを探査すればよく、ＣＯ２が実際に存在しているか否かを判定する必要はない。また、ここでは漏洩ＣＯ２と天然ＣＯ２の区別も行う必要はない。
【００１８】
この探査方法としては、例えば、図３における気泡等１０３を認識するという方法が考えられる。この場合には、ソナー等を用いて超音波を水中に発振し、気泡からの反射波を検知することができる。また、気泡ではなく、圧力が高いために液体となったＣＯ２（液滴）が存在しても、同様に反射波が発生するため、気泡や液滴（気泡等１０３）が存在すれば、これからの反射波を検出することが可能である。また、ＣＯ２は水中に溶解して炭酸となるため、海水１０２のＰＨを調べ、ＰＨの値がある所定の値（例えば６．８程度）以下である場合にＣＯ２が存在すると認識するという方法を用いることもできる。この所定の値は、予めわかっているこの地域での海水のＰＨ値を基準にして適宜設定できる。
【００１９】
従って、探査部２３としては、ソナーやＰＨセンサ等を用いることができる。ここでは漏洩ＣＯ２自身を探知するのではなく、ＣＯ２が含まれる可能性があるか否かを認識すれば充分であるため、これら以外にも、電気的な方法、光学的な方法等、任意の方法を使用することができる。気泡等１０３が存在すると判定されない、あるいはＰＨが所定の値以下ではない場合のように、ＣＯ２は存在しないと判定された場合（Ｓ２：Ｎｏ）には、漏洩ＣＯ２は存在しない、すなわち、ＣＯ２貯留層９２からの漏洩は発生していないと認識される（Ｓ３）。なお、海中制御部２２がこの判定を行ってもよいが、海中送受信部２１及び海上送受信部３３を介して測定データを海上制御部３２が入手し、海上制御部３２がこの判定を行う設定とすることもできる。
【００２０】
気泡等１０３が存在すると判定された、あるいはＰＨが所定の値以下であった場合（Ｓ２：Ｙｅｓ）には、海中制御部２２又は海上制御部３２は、ＣＯ２が存在する可能性があると認識する。この場合、海中制御部２２は、サンプリング部（試料採取部）２４にこの部分の海水を採取させる（Ｓ４：採取ステップ）。サンプリング部２４の形態は任意であり、例えば下側にのみ開口部を設けた筒状の容器であれば、気泡等１０３が存在した場合、ＣＯ２を主として採取することが可能である。特にＣＯ２が気泡である場合は、下側にのみ開口部を設けた筒状の容器にＣＯ２が充満した段階で容器を閉じ、ＣＯ２主成分として採取することが可能となる。また、液状のＣＯ２や溶液に対しては、これらの存在箇所に容器を持って行き、これらを容器に満たした後、容器を閉じることによってＣＯ２を主成分として採取することが可能となる。
【００２１】
この採取されたサンプル（被分析試料）の主成分はＣＯ２であると期待されるが、例えば、発振された超音波に対して類似の反射波を発生する他の気泡や液体、ＣＯ２と同レベルのＰＨ値を示す他の溶液である場合もある。このサンプルは、ホース４０を通り、海中部２０から、海上部３０における第１の分析部（ＣＯ２検出部）３４に輸送される。あるいは、サンプリング部２４にサンプルを保管し、海中部２０を船舶９８側に引き上げてからこれを第１の分析部（ＣＯ２検出部）３４に輸送してもよい。
【００２２】
第１の分析部３４では、ＣＯ２成分が実際にこの中に存在するか否かが判定される（Ｓ５：ＣＯ２検出ステップ）。ここで行われる分析は、サンプルの中にＣＯ２が存在しているか否かであり、このＣＯ２における漏洩ＣＯ２と天然ＣＯ２とは、区別なく同様に検出される。この分析方法としては、ガスクロマトグラフ法が好ましく用いられるが、ＣＯ２を検出できる分析方法であれば、これに限定されない。例えば、気化したサンプルに対する赤外線の吸収スペクトルを調べてＣＯ２の存在を調べる赤外分光法や、試薬等を用いることによって溶存ＣＯ２を検出する方法を用いてもよい。ただし、ＣＯ２成分のみを分離して取り出すことのできるガスクロマトグラフ法が特に好ましい。
【００２３】
海上制御部３２は、ここでＣＯ２が検出されない場合（Ｓ５：Ｎｏ）には、ＣＯ２は存在せず、漏洩ＣＯ２も存在しないと認識する（Ｓ３）。
【００２４】
ここでＣＯ２が検出された場合（Ｓ５：Ｙｅｓ）には、海上制御部３２は、第２の分析部（同位体分析部）３５に更にこのサンプルの質量分析を行わせる。ここでは、漏洩ＣＯ２と天然ＣＯ２とを分離して分析する。これらの識別方法について以下に説明する。
【００２５】
一般に、炭素には１２Ｃと１３Ｃの安定同位体が自然界において見られ、その大部分は１２Ｃであるが、これらの存在比率は、試料の起源等に応じて異なる。これらにおいては、原子（原子核）の質量のみが異なり、化学的性質は同様であるため、どちらもＣＯ２を同様に構成する。ここで、この存在比率を示す量として、δ１３Ｃという下記の式で表される量（単位は‰：パーミル）が用いられる。δ１３Ｃは、試料における１３Ｃの１２Ｃに対する存在比率と、標準物質におけるこれらの存在比率との比率の１からの偏差を示す。
【００２６】
【数１】
【００２７】
また、各種の物質において実測されたδ１３Ｃの値の例を表１に示す。
【００２８】
【表１】
【００２９】
この結果より、化石燃料（石油、石炭）と植物バイオマス燃料に含まれる炭素においては特にδ１３Ｃが−２３以下と小さい、すなわち、１３Ｃ含有量が少ない。これらの燃料を燃焼させることによって生成されたＣＯ２においても、δ１３Ｃの値は同様となる。一方、天然ＣＯ２の代表例として火山ガスや海底からの天然の湧き出しガスに含まれる炭素におけるδ１３Ｃは−７以上であり、上記の値よりも大きい。大気中のＣＯ２は、天然に存在するＣＯ２と燃料を燃焼させることによって生成されたＣＯ２の混合物である。従って、そのδ１３Ｃは、これらの中間的な値となっている。
【００３０】
上記の漏洩ＣＯ２検出装置１０で検出すべき漏洩ＣＯ２は、化石燃料や植物バイオマス燃料を燃焼させることによって生成されたＣＯ２であるため、そのδ１３Ｃの値は通常の大気や海水に含まれる天然ＣＯ２よりも低い。従って、上記の結果より、大気中や海水中に含まれるＣＯ２における１３Ｃの１２Ｃに対する存在比率を調べることによって、このＣＯ２が漏洩ＣＯ２か天然ＣＯ２であるかの判定を行うことができる。
【００３１】
従って、第２の分析部３５は、採取されたＣＯ２に対して質量分析を行い、その１３Ｃ／１２Ｃの存在比率（同位体比）、あるいはδ１３Ｃを算出する（Ｓ６：同位体分析ステップ）。この質量分析の手法としては、周知の質量分析法を用いることができ、分析対象は１３Ｃと１２Ｃのみとすることができる。ここで、リファレンス用ＣＯ２が充填されたリファレンス用ＣＯ２ボンベ３６が第２の分析部３５に接続され、第２の分析部３５は、このリファレンス用ＣＯ２を参照資料として用いることができる。すなわち、このリファレンス用ＣＯ２を用いて式（１）における標準試料の１３Ｃ／１２Ｃを算出することができる。ただし、特にリファレンス用ＣＯ２ボンベ３６を用いずに、海上制御部３２が予め求められた標準試料の１３Ｃ／１２Ｃを記憶し、この値を用いてδ１３Ｃを算出する設定とすることもできる。なお、表１の結果より、漏洩ＣＯ２や天然ＣＯ２の存在しない箇所の海水（δ１３Ｃ＝０）を標準試料として用いることもできる。
【００３２】
海上制御部３２は、この同位体比又はδ１３Ｃが、ある所定の値以下であるか否かを判定する（Ｓ７：判定ステップ）。例えば、δ１３Ｃの値が−１５以下であれば（Ｓ７：Ｙｅｓ）、漏洩ＣＯ２が存在すると認識し（Ｓ８）、−１５よりも大きければ（Ｓ７：Ｎｏ）、漏洩ＣＯ２はないと認識する（Ｓ３）。
【００３３】
従って、この漏洩ＣＯ２検出方法においては、天然ＣＯ２と漏洩ＣＯ２とを的確に識別して認識することができる。これによって、ＣＯ２貯留層９２の漏洩を的確に判定することができる。
【００３４】
なお、第１の分析部３４におけるＣＯ２の分析方法は、１３Ｃや１２Ｃの原子核を壊変させない限りにおいて任意である。従って、ガスクロマトグラフ法の他にも、任意の分析方法を用いることができる。ただし、ここでは、常温で気体であるＣＯ２が分析対象であるため、気体の分析が容易であり、かつＣＯ２成分のみを分離でき、同位体分析ステップで用いることのできるガスクロマトグラフ法を使用することが好ましい。
【００３５】
また、図１の構成においては、第１の分析部３４と第２の分析部３５とが用いられていたが、これらを単一の分析装置とすることもできる。例えば、ガスクロマトグラフ質量分析計（ＧＣ−ＭＳ）を用いれば、ＣＯ２の同定と、その質量分析とを同時に行うことができる。従って、単一の分析装置を用いて１３Ｃ／１２Ｃあるいはδ１３Ｃを求めることができ、装置構成を簡略化することが可能であり、上記の漏洩を検査する工程も簡略化される。
【００３６】
また、図１、３の構成においては、海上部３０を船舶９８に搭載したが、これに限られるものではなく、上記の測定を行うことができる限りにおいて、任意の形態をとることができる。例えば、海上部３０をそのまま陸上に設けてもよいし、海中の他の箇所、例えば海中部２０よりも浅い海中に設けてもよい。また、海中部２０と海上部３０の構成はそれぞれ図１に示される通りとしたが、上記の測定を行うことができる限りにおいて、図１全体に示された構成要素を図１の構成とは異なるように適宜選択して海中部２０と海上部３０に設け、機能させることもできる。あるいは、この漏洩ＣＯ２検出装置の全ての構成要素を海中部２０に設けた構成とすることもできる。
【００３７】
また、上記の例では、探査部２３あるいは探査ステップ（Ｓ１）、ＣＯ２が存在する可能性有無の判定（Ｓ２）が用いられていたが、これらを用いず、例えば、定地点において定期的にサンプルをサンプリング部２４が採取する設定とすることもできる。ただし、ＣＯ２の検出（Ｓ６）や同位体の分析（Ｓ７）に要する時間が長い場合には、ＣＯ２が存在しないことが確実な場合（Ｓ５：Ｎｏ）にはＣＯ２の検出（Ｓ６）や同位体の分析（Ｓ７）を省略することができるため、より効率的な測定が可能である。
【００３８】
なお、上記の例では、この漏洩ＣＯ２検出装置１０は水中（海中）のＣＯ２を検出するものとしたが、これに限られるものではない。例えば、ＣＯ２貯留層からの漏洩を大気中で同様に検出することも可能である。この場合にも、探査ステップを特に行わず、気体（大気）のサンプルを適宜採取し、その赤外分光スペクトルを測定することによって、ＣＯ２成分が通常の大気よりも多く含まれるか否かを判定することができる（ＣＯ２検出ステップ）。その後は、上記と同様に同位体分析ステップ等を行えばよい。
【００３９】
また、前記の例では炭素の安定同位体である１３Ｃと１２Ｃとの存在比率（δ１３Ｃ）を用いたが、他の元素の安定同位体を用いることもできる。例えば、ＣＯ２を構成する酸素（Ｏ）には、１６Ｏ、１７Ｏ、１８Ｏが安定同位体として自然界において見られ、その大部分は１６Ｏである。１３Ｃ、１２Ｃ同様にこれらの存在比率も試料の起源等に応じて異なり、どれもＣＯ２を同様に構成する。これらの存在比率を示す量として、式（１）と同様に、δ１７Ｏ及びδ１８Ｏという量を定義することができる。すなわち、δ１７Ｏは、式（１）における１３Ｃの代わりに１７Ｏを用い、１２Ｃの代わりに１６Ｏを用いた量であり、δ１８Ｏは、式（１）における１３Ｃの代わりに１８Ｏを用い、１２Ｃの代わりに１６Ｏを用いた量である。これらの酸素同位体の地球全体における存在比は、それぞれ、１６Ｏ：９９．７６３％、１７Ｏ：０．０３７５％、１８Ｏ：０．１９９５％である。従って、上記の１３Ｃと１２Ｃとの存在比率（δ１３Ｃ）の代わりに、例えばδ１８Ｏを用いることができる。表２は、δ１８Ｏの自然界の各種物質における値である。
【００４０】
【表２】
【００４１】
この結果より、物質毎にδ１８Ｏの値（範囲）は異なることが明らかである。従って、漏洩ＣＯ２と天然ＣＯ２のδ１８Ｏを識別する閾値を予め設定しておき、第２の分析部３４が１８Ｏと１６Ｏの組成比を求め、海上制御部３２がこの値（δ１８Ｏ）に応じて上記と同様の判定を行うことにより、漏洩ＣＯ２の存在を認識する構成とすることもできる。すなわち、上記の漏洩ＣＯ２検出装置又は漏洩ＣＯ２検出方法においては、必ずしも１３Ｃと１２Ｃとの組成比に基づいた判定を行うことは必要ではなく、他の２つの安定同位体を適宜選択し、これらの安定同位体同士の組成比を用いて同様の判定を行うこともできる。
【００４２】
また、前記のように、この漏洩ＣＯ２検出方法は、特に海底の地中に設けたＣＯ２貯留層からの漏洩を的確に検知することができるため、地中貯留ＣＯ２の漏洩モニタリング方法として特に好ましく用いることができる。この場合、他の検出方法では検出が困難であった海底深くの地中に設けられたＣＯ２貯留層からの漏洩をモニタリングすることができる。特にこの場合には、天然ＣＯ２がサンプルに混入する確率が高くなるために、このモニタリング方法は有効である。この際、海上の船舶や、海中の潜水艦等に上記の漏洩ＣＯ２検出装置を設置すれば、広範囲の領域における測定を適宜行うことができる。従って、特に的確に漏洩を検知することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１０ 漏洩ＣＯ２検出装置
２０ 海中部（漏洩ＣＯ２検出装置）
２１ 海中送受信部
２２ 海中制御部
２３ 探査部
２４ サンプリング部（試料採取部）
３０ 海上部（漏洩ＣＯ２検出装置）
３１ 設定部
３２ 海上制御部（制御部）
３３ 海上送受信部
３４ 第１の分析部（ＣＯ２検出部）
３５ 第２の分析部（同位体分析部）
３６ リファレンス用ＣＯ２ボンベ
４０ ホース（漏洩ＣＯ２検出装置）
９１ ＣＯ２圧入設備
９２ ＣＯ２貯留層
９３、９６ 配管
９４ 貯留ＣＯ２
９５ ＣＯ２圧入用浮体
９８ 船舶
１００ 第１の地層
１０１ 第２の地層
１０２ 海水
１０３ 気泡等
１２０ クラック
９２１ 保護層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料の燃焼によって生成されたＣＯ２を貯留したＣＯ２貯留層からの漏洩ＣＯ２を検出する漏洩ＣＯ２検出方法であって、
前記ＣＯ２貯留層の周囲の環境から被分析試料を採取する採取ステップと、
前記被分析試料中においてＣＯ２が存在するか否かを判定するＣＯ２検出ステップと、
前記被分析試料中に存在したＣＯ２における安定同位体同士の存在比率を測定する同位体分析ステップと、
前記存在比率に基づいて、前記ＣＯ２には前記漏洩ＣＯ２が含まれるか否かを判定する判定ステップと、
を具備することを特徴とする漏洩ＣＯ２検出方法。
【請求項２】
前記安定同位体同士の存在比率は、１３Ｃと１２Ｃとの存在比率であることを特徴とする請求項１に記載の漏洩ＣＯ２検出方法。
【請求項３】
前記採取ステップの前に、
前記ＣＯ２貯留層近傍の環境に対して超音波を照射することによって気泡又は液滴の有無を認識する探査ステップを具備し、
前記採取ステップにおいて、前記気泡又は液滴が確認された箇所から前記被分析試料を採取することを特徴とする請求項１又は２に記載の漏洩ＣＯ２検出方法。
【請求項４】
前記採取ステップの前に、
前記ＣＯ２貯留層近傍の環境のＰＨ値を計測する探査ステップを具備し、
前記採取ステップにおいて、
前記ＰＨ値が所定の値よりも低い箇所から前記被分析試料を採取することを特徴とする請求項１又は２に記載の漏洩ＣＯ２検出方法。
【請求項５】
前記ＣＯ２検出ステップにおいて、
ガスクロマトグラフ法、ガスクロマトグラフ質量分析法、赤外分光法のうちの少なくとも一つを用いてＣＯ２の分析を行うことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の漏洩ＣＯ２検出方法。
【請求項６】
前記ＣＯ２検出ステップ及び前記同位体分析ステップにおいて、
ガスクロマトグラフ質量分析器を用いてＣＯ２の分析及び安定同位体同士の存在比率の測定を行うことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の漏洩ＣＯ２検出方法。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の漏洩ＣＯ２検出方法を用いて、海底の地中に設けたＣＯ２貯留層からの漏洩ＣＯ２を検出することを特徴とする地中貯留ＣＯ２の漏洩モニタリング方法。
【請求項８】
海上又は海中の船舶を用いて前記漏洩ＣＯ２検出方法を実施することを特徴とする請求項７に記載の地中貯留ＣＯ２の漏洩モニタリング方法。
【請求項９】
燃料の燃焼によって生成されたＣＯ２を貯留したＣＯ２貯留層からの漏洩ＣＯ２を検出する漏洩ＣＯ２検出装置であって、
前記ＣＯ２貯留層の周囲の環境から被分析試料を採取する試料採取部と、
前記被分析試料中におけるＣＯ２を検出するＣＯ２検出部と、
前記被分析試料中に存在したＣＯ２における安定同位体同士の存在比率を測定する同位体分析部と、
前記存在比率に基づいて、前記ＣＯ２に前記漏洩ＣＯ２が含まれるか否かを判定する制御部と、
を具備することを特徴とする漏洩ＣＯ２検出装置。
【請求項１０】
前記安定同位体同士の存在比率は、１３Ｃと１２Ｃとの存在比率であることを特徴とする請求項９に記載の漏洩ＣＯ２検出装置。
【請求項１１】
前記ＣＯ２貯留層近傍の環境に対して超音波を照射し、かつ該超音波の反射波を検出する探査部を具備し、
前記制御部は、前記反射波の分析結果に基づいて前記被分析試料を前記試料採取部に採取させることを特徴とする請求項９又は１０に記載の漏洩ＣＯ２検出装置。
【請求項１２】
前記ＣＯ２貯留層近傍の環境のＰＨ値を計測する探査部を具備し、
前記制御部は、前記ＰＨ値の測定結果に基づいて前記被分析試料を前記試料採取部に採取させることを特徴とする請求項９又は１０に記載の漏洩ＣＯ２検出装置。
【請求項１３】
前記ＣＯ２検出部において、ガスクロマトグラフ法、ガスクロマトグラフ質量分析法、赤外分光法のうちの少なくとも一つによる分析が行われることを特徴とする請求項９から請求項１２までのいずれか１項に記載の漏洩ＣＯ２検出装置。
【請求項１４】
前記ＣＯ２検出部及び前記同位体分析部は、単一のガスクロマトグラフ質量分析器であることを特徴とする請求項９から請求項１３までのいずれか１項に記載の漏洩ＣＯ２検出装置。
【請求項１】
燃料の燃焼によって生成されたＣＯ２を貯留したＣＯ２貯留層からの漏洩ＣＯ２を検出する漏洩ＣＯ２検出方法であって、
前記ＣＯ２貯留層の周囲の環境から被分析試料を採取する採取ステップと、
前記被分析試料中においてＣＯ２が存在するか否かを判定するＣＯ２検出ステップと、
前記被分析試料中に存在したＣＯ２における安定同位体同士の存在比率を測定する同位体分析ステップと、
前記存在比率に基づいて、前記ＣＯ２には前記漏洩ＣＯ２が含まれるか否かを判定する判定ステップと、
を具備することを特徴とする漏洩ＣＯ２検出方法。
【請求項２】
前記安定同位体同士の存在比率は、１３Ｃと１２Ｃとの存在比率であることを特徴とする請求項１に記載の漏洩ＣＯ２検出方法。
【請求項３】
前記採取ステップの前に、
前記ＣＯ２貯留層近傍の環境に対して超音波を照射することによって気泡又は液滴の有無を認識する探査ステップを具備し、
前記採取ステップにおいて、前記気泡又は液滴が確認された箇所から前記被分析試料を採取することを特徴とする請求項１又は２に記載の漏洩ＣＯ２検出方法。
【請求項４】
前記採取ステップの前に、
前記ＣＯ２貯留層近傍の環境のＰＨ値を計測する探査ステップを具備し、
前記採取ステップにおいて、
前記ＰＨ値が所定の値よりも低い箇所から前記被分析試料を採取することを特徴とする請求項１又は２に記載の漏洩ＣＯ２検出方法。
【請求項５】
前記ＣＯ２検出ステップにおいて、
ガスクロマトグラフ法、ガスクロマトグラフ質量分析法、赤外分光法のうちの少なくとも一つを用いてＣＯ２の分析を行うことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の漏洩ＣＯ２検出方法。
【請求項６】
前記ＣＯ２検出ステップ及び前記同位体分析ステップにおいて、
ガスクロマトグラフ質量分析器を用いてＣＯ２の分析及び安定同位体同士の存在比率の測定を行うことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の漏洩ＣＯ２検出方法。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の漏洩ＣＯ２検出方法を用いて、海底の地中に設けたＣＯ２貯留層からの漏洩ＣＯ２を検出することを特徴とする地中貯留ＣＯ２の漏洩モニタリング方法。
【請求項８】
海上又は海中の船舶を用いて前記漏洩ＣＯ２検出方法を実施することを特徴とする請求項７に記載の地中貯留ＣＯ２の漏洩モニタリング方法。
【請求項９】
燃料の燃焼によって生成されたＣＯ２を貯留したＣＯ２貯留層からの漏洩ＣＯ２を検出する漏洩ＣＯ２検出装置であって、
前記ＣＯ２貯留層の周囲の環境から被分析試料を採取する試料採取部と、
前記被分析試料中におけるＣＯ２を検出するＣＯ２検出部と、
前記被分析試料中に存在したＣＯ２における安定同位体同士の存在比率を測定する同位体分析部と、
前記存在比率に基づいて、前記ＣＯ２に前記漏洩ＣＯ２が含まれるか否かを判定する制御部と、
を具備することを特徴とする漏洩ＣＯ２検出装置。
【請求項１０】
前記安定同位体同士の存在比率は、１３Ｃと１２Ｃとの存在比率であることを特徴とする請求項９に記載の漏洩ＣＯ２検出装置。
【請求項１１】
前記ＣＯ２貯留層近傍の環境に対して超音波を照射し、かつ該超音波の反射波を検出する探査部を具備し、
前記制御部は、前記反射波の分析結果に基づいて前記被分析試料を前記試料採取部に採取させることを特徴とする請求項９又は１０に記載の漏洩ＣＯ２検出装置。
【請求項１２】
前記ＣＯ２貯留層近傍の環境のＰＨ値を計測する探査部を具備し、
前記制御部は、前記ＰＨ値の測定結果に基づいて前記被分析試料を前記試料採取部に採取させることを特徴とする請求項９又は１０に記載の漏洩ＣＯ２検出装置。
【請求項１３】
前記ＣＯ２検出部において、ガスクロマトグラフ法、ガスクロマトグラフ質量分析法、赤外分光法のうちの少なくとも一つによる分析が行われることを特徴とする請求項９から請求項１２までのいずれか１項に記載の漏洩ＣＯ２検出装置。
【請求項１４】
前記ＣＯ２検出部及び前記同位体分析部は、単一のガスクロマトグラフ質量分析器であることを特徴とする請求項９から請求項１３までのいずれか１項に記載の漏洩ＣＯ２検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−２４３１７８（Ｐ２０１０−２４３１７８Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８８８４０（Ｐ２００９−８８８４０）
【出願日】平成２１年４月１日（２００９．４．１）
【出願人】（５０１２０４５２５）独立行政法人海上技術安全研究所 (185)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月１日（２００９．４．１）
【出願人】（５０１２０４５２５）独立行政法人海上技術安全研究所 (185)
【Ｆターム（参考）】
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