水素 

水素とは何ですか?

水素(H₂)周期表の最初の元素は、無色、無臭、無味です。非毒性、引火性の高いガス状物質。これは宇宙で最も豊富な元素であり、質量で通常の物質の 75%、数で 90% 以上を占めます。地球上の水、有機化合物、その他の分子形態に存在します。。 [1,2,3]

天然の水素はどのようにして生成されるのでしょうか？

水素原子核は、ビッグバンから約 38 万年後、宇宙が冷え始めたときに形成されました。発生した138億年前。宇宙の温度が約 3,000 K に達すると、元素原子が形成されました。水素、ヘリウム、リチウムは現在、唯一の元素として認識されています。宇宙論的な起源 [4]。

天然水素は多くの地質環境で発見されており、で勉強した最近数十年、その後発見する編 中海の海嶺にある水素が豊富な流体。これらの場所の主な水素源には、Fe(II) を含む岩石の変質が含まれます。ウラン、トリウム、カリウムの放射性崩壊による水の放射線分解。ガスを抜いたマグマ。シリカを含む岩石の機械的破砕中の水と表面フリーラジカルの反応 [5]

水素の用途は何ですか?

水素は、次のようなさまざまな業界や用途でさまざまな用途に使用されます。

1. 産業用途 [2、6、7、8]

• 肥料の主要成分であるアンモニアの生産は、世界の水素使用量のかなりの部分を占めており、世界中の水素消費量の約 55% を占めています。
• 水素は、炭化水素分子を分解する水素化分解、硫黄などの汚染物質の除去、メタノールの生成など、石油精製プロセスで広く使用されています。
• 水素は、マーガリンなどの硬化植物油の製造など、不飽和脂肪を飽和油脂に変えるために利用されます。
• 金属加工では、強度や耐食性などの特性を高めるため、金属合金化に水素が使用されます。
• 水素は溶接プロセス、特に原子水素溶接で使用され、水素は原子に分割されて金属を溶かすための火炎を生成します。
• 板ガラスの製造では、製造中の酸化や欠陥を防ぐために水素と窒素が使用されます。
• 水素はエレクトロニクス製造において還元剤およびエッチング剤として機能し、半導体、LED、ディスプレイ、その他の電子部品の製造に貢献します。

2. エネルギーの貯蔵と生成 [2、9]

• 水素は季節性エネルギー貯蔵という独自の機能を提供し、年間を通じてエネルギー需要が変動するという課題に対処します。再生可能エネルギーの生産量が多い時期には、太陽光が減少する冬などの低エネルギー生産のために水素を生成および貯蔵できます。
• 水素は定置型燃料電池で発電に使用できます。水素が燃料電池内で酸素と反応すると、電気、水、熱が生成され、クリーンで効率的なエネルギー生成プロセスが実現します。
• 水素は発電や加熱の目的で燃焼できます。既存の天然ガスインフラに水素を統合することには課題がありますが、発電において水素を効果的に利用するための進歩が見られます。

3. 交通機関

水素は、ゼロエミッション燃料としての可能性があるため、輸送の脱炭素化における重要な役割を果たすものとしてますます検討されています。輸送分野では、水素は主に燃料電池電気自動車 (FCEV) の動力として使用されます。燃料電池電気自動車は副産物として水と熱しか排出しないため、ゼロエミッション自動車 (ZEV) と見なされます。充電にプラグインバッテリーに依存するバッテリー電気自動車 (BEV) とは異なり、FCEV は車載で水素を介して電気を生成します。ただし、発生源や製造方法によっては、水素燃料の製造、輸送、分配中に排出物が発生する可能性があります。 [10、11、12]

水素はどうやって作るの？

水素は次のようなさまざまな方法で生成できます。

1. 水蒸気メタン改質 (SMR)

水蒸気メタン改質 (SMR) は、特に工業環境において、水素製造にとって重要なプロセスです。この方法では、メタン (CH₄) と高温蒸気を反応させて水素 (H₂) と一酸化炭素 (CO) を生成します。このプロセスは非常に効率的で広く使用されており、米国の水素製造の約 95% は主に SMR による天然ガス改質に依存しています。 [13]

SMR プロセスには、次の式で表されるメタンと蒸気の反応である一次反応が含まれます: CH₄ + H₂O → CO + 3H₂。この反応は吸熱性が高く、かなりの量の熱を必要とします。水性ガスシフト反応として知られる次のステップでは、一酸化炭素と水蒸気が反応して二酸化炭素と追加の水素を形成します: CO + H₂O → CO₂ + H₂。この反応は、水素の収量の増加に役立ちます。反応は触媒、通常はニッケルによって促進され、プロセスの効率が向上します。最初の反応の後、ガス混合物は圧力変動吸着を受けて、二酸化炭素などの不純物を除去します。(CO₂)、純粋な水素が残ります。 [14]

2. 水の電気分解

 

水の電気分解は、電流を流すことによって水 (H₂O) をその基本成分である水素 (H₂) と酸素 (O₂) に分解するプロセスです。この方法は、特に使用する電力が太陽光や風力などの再生可能資源から生成されたものである場合、水素を製造するための重要な経路となります。電気分解は、電解質膜で分離された正に帯電したアノードと負に帯電したカソードの 2 つの電極で構成される電解槽ユニット内で行われます。電気分解中、水は陽極で酸化されて、酸素ガスと正に帯電した水素イオン (H⁺) が生成されます。同時に、水は陰極で還元され、水素ガスと負に帯電した水酸化物イオン (OH^–) が生成されます。全体的な反応は、水素発生 (HER) と酸素発生 (OER) の 2 つの半電池反応に分けることができます。高純度水素の製造には、このプロセスの効率が非常に重要です。 [17、18]

3. 太陽光発電による水素製造

太陽熱による水素生産は、太陽エネルギーを利用して水分子を水素と酸素に分解する有望な研究分野です。このプロセスは、太陽光発電による水の電気分解と太陽熱による水の直接分解という 2 つの主な方法によって実現できます。 [20]

• 太陽光発電による水の電気分解には、太陽光発電 (PV) 電池を使用して太陽光を電気に変換し、水を水素と酸素に分解する電解槽に電力を供給します。 [20、21]
• 太陽熱水の直接分解とは、中間の電気分解ステップを経ることなく、太陽エネルギーを直接使用して水から水素を生成するプロセスを指します。直接太陽熱による水の分解法の例には、高温熱化学サイクル、バイオマスのガス化、および光触媒による水の分解が含まれます。 [20、21]

4. 熱化学的水素製造

熱化学的水素の生成は、熱と化学反応を使用して、有機材料または水などの材料から水素を放出します。このプロセスは、電気を使用して水を水素と酸素に分解する電気分解や、細菌や藻類などの微生物を使用して水素を生成する生物学的プロセスなど、他の水素生成方法とは異なります。 [24]

熱化学水素の製造は、天然ガス改質、バイオマスガス化、バイオマス由来液体改質、太陽熱化学水素 (STCH) 製造などのさまざまなプロセスを通じて実現できます。 [25]

• 天然ガス改質、または水蒸気メタン改質 (SMR) は、世界中で最も一般的な水素製造方法です (前述)。
• バイオマスガス化は、バイオマスを水素エネルギー源として利用する別の熱化学プロセスです。バイオマス源は、制御された量の酸素または蒸気と反応して、CO、CO₂、および水素を生成します。 CO は水と反応して、同様の水ガスシフト反応を通じてさらに CO₂ と水素を生成します。酸素が利用できない場合、バイオマスは熱分解として知られる反応を起こして水素エネルギーを生成します。 [25]

太陽熱化学水素 (STCH) 製造は、一連の反応を促進するために集中した太陽エネルギーを使用して水素を生成する有望な方法です。この閉ループプロセスでは、原料として水と太陽熱のみを利用します。 [26]

5. 生物学的水素生成

生物学的水素生成とは、通常は細菌や微細藻類などの微生物が関与する生物学的手段によって水素ガス (H2) を生成することを指します。水素生成には 3 つの主要な生物学的経路があります。シアノバクテリアを使用した水の直接または間接的な生物光分解、光合成細菌を使用した光発酵、およびさまざまなグループの嫌気性細菌を使用した暗所発酵です。 [28]

• 水の直接生物光分解: このプロセスでは、シアノバクテリアなどの微生物が光エネルギーを使用して水分子を水素と酸素に分解します。このプロセスは通常、酸素と水素の生成が競合するため、他の生物学的水素生成方法よりも効率が低くなります。 [28、29]
• 水の間接生物光分解: このプロセスには、微生物を使用して光合成を通じてバイオマスを生成し、その後暗所発酵またはその他の生物学的プロセスを通じて水素に変換します。この方法は、エネルギーの貯蔵とその後の変換を可能にするため、直接的な生物光分解よりも効率的です。 [28、29]
• 光発酵: このプロセスには、光合成細菌を使用して、光エネルギーを使用して有機化合物を水素に変換することが含まれます。細菌はニトロゲナーゼ酵素を使用して有機炭素を水素と二酸化炭素に変換し、同時に分子状窒素を固定します。 [28、29]
• 暗所発酵: このプロセスには、嫌気性細菌を使用して、光を使わずに有機化合物を水素に変換することが含まれます。細菌は、通常はグルコースまたは他の糖を基質として使用し、代謝プロセスの副産物として水素を生成します。 [28、29]

さまざまな方法の長所と短所水素の生成については、次のように要約できます。

方法	利点	短所
水蒸気メタン改質 (SMR)	·  効率が高く、大量の水素ガスを生成します。 ·  さまざまな原料を利用できる ·  成熟し確立された技術です [15]	·  副産物としてCO2を排出します ·  エネルギーを大量に消費し、高温と高圧が必要です ·  頻繁な触媒の再生または交換が必要です [15,16]
水の電気分解	·  直接排出ゼロ ·  再生可能資源からの動的かつ断続的な発電と相乗効果を発揮できます。 ·  それは生産することができます高純度水素 [17,19]	·  それは資本集約的 ·  大量の電気エネルギーを必要とするエネルギー集約的なプロセスです ·  効率が低いです [17]
ソーラー水素	·  水素製造における二酸化炭素排出量を大幅に削減できます ·  スケールアップやスケールダウンにも柔軟に対応できます [22,23]	·  高価であり、インフラストラクチャに多大な資本投資が必要です ·  太陽光に依存しているため、断続的なエネルギー源です。 ·  効率が低いです [22,23]
熱化学水素	·  バイオマスを短期間で効率よく利用できる大量の水素を生成します ·  温室効果ガスの排出が少ない、またはまったくない [26,27]	·  再生可能エネルギー源に依存していますが、特定の地域では必ずしも利用可能または信頼できるとは限りません。 ·  遺伝子組み換えや飼料の品種改良が必要になる場合があります。 ·  高価であり、高度な設備と材料が必要です。 [26,27]
生体水素	·  さまざまな生物学的プロセスを利用します ·  二酸化炭素排出量が低い ·  室温、大気圧で実施可能 [29,30]	·  生産率が低いです ·  基質変換効率が低い ·  酸が豊富な中間代謝物を生成および蓄積することができます。 ·  効果的に実行するには、光エネルギー、栄養素、温度などの特定の条件が必要です。 ·  水素を効率的に生成できる適切な微生物の入手可能性によって制限されます。 [29,30]

水素はその製造方法に基づいて分類されることがよくあります [31、32、33、34]

• 灰色水素は、最も一般的で安価な水素の形態です。これは、天然ガスから水素を抽出する水蒸気メタン改質プロセスによって製造されますが、炭素は捕捉されないため、二酸化炭素排出量が大きくなります。
• ブルーハイドロジェンはgrに似ていますe水素。青色水素は同じプロセスで生成されますが、炭素排出は捕捉され、地下に隔離されます。ブルー水素は炭素含有量が低いためクリーンであると考えられていますが、最近の研究ではブルー水素が気候に悪影響を与えるという懸念が生じています。
• グリーン水素は、太陽光や風力などの余剰再生可能エネルギー源からのクリーンな電力を利用して水を電気分解して生成され、二酸化炭素を排出しません。グリーン水素は、製造コストが高いため、現在、水素全体に占める割合はわずかです。
• 褐色水素または黒色水素は石炭からガス化して生成され、黒色水素は黒色石炭を使用し、褐色水素は褐炭または褐炭を使用します。どちらも gr よりもさらに大きな二酸化炭素排出量を誇りますe水素。
• ピンク水素は核エネルギーによる電気分解によって生成され、核生成水素は紫色水素または赤色水素とも呼ばれます。
• ターコイズ水素は、水素カラーチャートの新しいエントリーです。メタン熱分解を利用して水素と固体炭素を生成して製造されます。熱プロセスが再生可能エネルギーで駆動され、炭素が永久に貯蔵または使用される場合、ターコイズ水素は低排出水素として評価される可能性があります。
• イエロー水素は、太陽光発電を使用した電気分解によって製造された水素を表す比較的新しい言葉です。
• ホワイト水素は、水圧破砕によって作られた地下鉱床で自然に発生します。現時点ではこの水素を活用する戦略はない

水素の製造と流通における課題は何ですか?

1. コスト競争力

水素製造とインフラ開発には多大な投資が必要となるため、水素製造のコスト競争力は水素製造の普及にとって重要な要素です。海運や製鉄などのさまざまな分野で脱炭素化を達成するには、水素のコストが従来の化石燃料と競争できるものでなければなりません。 [35]

水素の価格は、生産、輸送、最終使用効率に影響されます。グリーン水素の製造コストは、再生可能エネルギー、電解装置、水素の製造に使用される水の価格によって決まります。ブルー水素は、炭素を回収して貯蔵して化石燃料から生成され、現在グリーン水素よりも手頃な価格です。しかし、再生可能エネルギーの価格下落と導入拡大による規模の経済により、これは2020年代半ばから2030年代にかけて変化すると予想されています。使用される技術に応じて、水素の輸送コストが 50 ～ 100% 増加する可能性があります。水素は電気を蓄えるバッテリーよりもエネルギー重量比密度が 3 倍大きいため、最終用途の効率も重要です。そのため、トラック輸送や航空輸送などの長距離重量物輸送に適しています。ただし、軽量で使用頻度の低い車両にはバッテリーの方が適しています。 [36]

グリーン水素プロジェクトの開発、市場オフテイクの実現、インフラ開発、さらなるリスク軽減には政策支援が必要です。政策に大きな勢いがある一方で、ほとんどの地域での現在の政策支援は、発表された目標を支えるには至っていない。 [35]

2. インフラ整備

堅牢な水素インフラの構築には、生産施設、貯蔵システム、輸送ネットワーク、燃料補給ステーションの開発が含まれます。これには、多額の投資と、政府、公益事業、民間企業を含むさまざまな関係者間の調整が必要です。水素インフラ関連の取り組みは主に、電力会社によるパイプラインインフラの拡大と、水素の共同生産と初期導入者への供給のための水素ハブの開発に焦点を当てている。しかし、水素需要の可視性が依然として大規模な水素インフラ開発を妨げる最大の制約となっており、全体的にはエネルギーインフラ内で二次的な投資分野となっている。 [37]

迅速かつ公平な開発を確保するには、コミュニティがプロジェクト開発プロセス全体を通じて全体的に関与して、コミュニティの声が平等に届くようにする必要があり、プロジェクト開発者は建設期間を短縮し、許可プロセスを短縮する必要があります。州や国々は規制を合理化し、明確な規制機関を設立する必要があります。水素生産者、水素利用者、インフラ開発者は強化する必要がある調整し、訓練された労働力を育成し、莫大な資本を投入します。 [38]

3. 保管と配布

水素は体積エネルギー密度が低いため、貯蔵や輸送が困難です。水素は、気体または液体として物理的に保存できます。通常、ガスの貯蔵には高圧タンク（350～700バール）が必要で、液体の貯蔵には1気圧での水素の沸点のため極低温が必要です。水素貯蔵の主な課題は、容量、耐久性、効率を向上させることです。 [39、40]

航続距離の拡大の需要に応えるためには車載燃料容量を増やす必要があるため、水素の流通は燃料貯蔵の課題に直面している。気体水素はガソリンよりも密度が低いため、高圧に耐えることができ、消費者のニーズを満たすのに十分な大きさの、堅牢で軽量な圧縮ガス容器を開発することが重要です。水素パイプラインネットワークの拡大と水素輸送のための天然ガスインフラの転換は、技術的かつ物流的な課題です。水素の流通には、パイプラインの監視と液化効率の向上も必要です。 [40]

4. 安全性

水素は、ガソリンや天然ガスなどの他の可燃性燃料と同じくらい危険です。安全な取り扱いと保管を確保するには、水素のバリューチェーン全体にわたって、生産から利用に至るまでの安全対策が不可欠です。厳しい安全基準、プロトコル、法律を確立することは、実行可能で安全なエネルギー源としての水素に対する社会の信頼と受け入れを構築するために不可欠です。さらに、リスクを効果的に軽減するために、適切なエンジニアリング制御、換気システム、漏れ検出メカニズム、トレーニング プログラムを導入することも重要です。 [41、42]

5. 方針と規制

水素製造の政策と規制における課題には、時代遅れの連邦規制、州間水素パイプラインを規制する管轄の不明確さ、政策発表と実施までの長い時間差、低炭素水素の国際取引における調和されたルールと基準の必要性などが含まれます。 [43]

水素インフラや技術開発への投資を促進するには、明確で奨励的な政策や規制が不可欠です。政府は、水素経済の成長を支援するために、長期的なインセンティブ、資金調達、強力な規制枠組みを提供する必要があります。これらの措置は、業界関係者、投資家、政府などの利害関係者が世界的なグリーンエネルギーへの移行を推進する際に水素の可能性を活用できる環境を作り出すために不可欠です。 [44]

6. 一般の認識と受け入れ

水素製造に対する一般の人々の認識と受け入れは一般に高いですが、水素エネルギーの知識と受け入れを増やすには依然としてキャンペーンが必要です。調査によると、水素燃料供給ステーションに関する知識や経験が一般の人々の受け入れを向上させ、一般の人々は水素技術を気候変動と戦う最良の方法の 1 つとみなしていることがわかっています。水素の利点、安全上の注意事項、環境上の利点について一般の人々を教育することは、この技術を取り巻く神話や誤解を払拭する鍵となります。 [45、46]

 

著者: Hendra WINASTU、SOLEN プリンシパル アソシエイト – IPC パネル コーディネーター

編集者: (1) Nguyen Duy Hung、SOLEN ディレクター – IPC プログラムディレクター。 (2) Kukuh Jalu Waskita、SOLEN アソシエイト – IPC パネルメンバー

日付：052024年4月

記事番号: SOLEN-IPC-0034

 

参照：

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