スーパー燃料?

2020年12月24日午後5時13分発行、G. アレン・ブルックス

(記事はもともと2020年9月/10月号に掲載されました。)

色を選択します - 青、緑、茶色、またはグレーの任意の色です。 これらは、水素の生成方法に応じて、さまざまな形態の水素に割り当てられた色です。 水素は突然、再生可能エネルギーのスーパーマンになりました。 メトロポリスを救うのではなく、化石燃料の燃焼による過剰な炭素排出によって生み出される有害な未来から世界を救うことが必要です。

地球温暖化から気候変動、そして気候危機へと移行するにつれて、クリーンなエネルギー源を見つける必要性がますます緊急になっています。 かつては、石炭の半分の CO2 を排出する天然ガスがその燃料源でした。 100 万 Btus あたり 8 ～ 12 ドルという高コストの天然ガスは、より高価な風力発電や太陽光発電との差を縮めました。

シェール革命によりガス価格が 2 ドル/mmBtu を下回ったため、その差はさらに拡大しました。 その後、環境活動家たちはクリーン燃料の救世主として天然ガスから水素に忠誠を切り替えました。 水素時代が本格的に始まるためには、燃料は多くの技術的およびコスト的なハードルを克服する必要があります。

プロパティ

水素（記号 H、原子番号 1 の化学元素）は宇宙で最も軽い元素で、空気の 14 倍軽いため、気球に役立ちます。 また、宇宙の質量の 75 パーセントを占める、最も豊富な元素でもあります。 「水素」は、ギリシャ語で「水」を意味する「ハイドロ」と、「創造者」を意味する「遺伝子」に由来しており、事実上、水素が燃焼した後に残る「水から生まれる」という意味です。

原子核内に陽子が 1 つだけある水素は、最小の化学元素です。 中性子がなくても存在することもできます。 水素はサイズが小さく密度が低いため、輸送と貯蔵に課題が生じます。 結合強度が比較的高いため、純粋な形で水素を単離するには大量のエネルギー（電気分解など）が必要となり、コストが増加します。

水素は、1766 年に偉大な実験科学者ヘンリー・キャベンディッシュによって初めて確認されました。彼は電気火花を利用して、水素と酸素から水を生成しました。 水素と酸素を電気エネルギーに変換する最初の燃料電池は、1838 年にウィリアム グローブ卿によって亜鉛と白金の電極を使用して開発されました。 石油時代の到来より 20 年も早かったにもかかわらず、この発見は低迷しました。 最初の商業用燃料電池は、1 世紀近くも開発されませんでした (1932 年)。

商品化

水素は、発見から約 25 年後の 1792 年に、「都市ガス」として知られる石炭ガスの生産に初めて商業的に使用されました。 水素は、19 世紀から 20 世紀初頭のガス灯の時代に街路灯の動力となっていた都市ガスの量のほぼ半分を占めていました。

おそらく最も驚くべき水素の予測は、ジュール・ヴェルヌの 1875 年の冒険小説『神秘の島』での言及であり、その中で彼は「水はいつか燃料として使用され、それを構成する水素と酸素が単独または一緒に使用され、供給される」世界を描写しました。石炭では得られない強度の熱と光の無尽蔵の源です。」

ヴェルヌはさまざまな点で先見の明を持っていました。 この本は南北戦争中、5人の捕虜が水素を充填した観測気球をハイジャックして逃亡するところから始まる。 水素は、ツェッペリン型飛行船を持ち上げる浮力要素となり、今後数十年にわたって大西洋横断旅行と軍事戦術に革命をもたらすことになる。

ツェッペリン飛行の時代は、1939 年にニュージャージー州レイクハーストで起きた悲惨なヒンデンブルク号事故で終わりました。この事故では、壮観な爆発と火災で乗客 35 名が死亡し、水素の安全性が疑問視されました。 すべての化石燃料と同様、水素は可燃性が高いですが、ガソリンの約 3 倍の濃度が必要です。つまり、ガソリンは水素よりも 3 倍可燃性が高いことになります。

また、水素は漏れが発生すると急速に拡散し、炭素が存在しない場合には水素の炎は低輻射熱を発生するため、すぐに燃え尽きます。 おそらく最も重要なことは、水素は無毒であり、酸素の存在下で燃焼するときれいな水だけを生成し、将来のカーボンフリー経済を推進する燃料として使用されることです。

さらにその魅力は、その多用途性です。 ガスとして、既存の天然ガス パイプライン インフラストラクチャを利用することも、発電タービンに電力を供給することもできます。 液体の状態では、エネルギー分野で最も厄介なクリーン エネルギー ソリューションである輸送用燃料として使用できます。 世界中の車両の電動化により、レアアースの採掘からバッテリーの廃棄に至るまで環境問題が生じます。 炭素排出を排除または最小限に抑えながら生産できる燃料としては、水素の方がはるかに望ましいです。

クリーンの色

水素の 4 つのバージョンは、製造中に排出される炭素の量によって色分けされています。 茶色の水素は石炭から作られ、灰色の水素は天然ガスから作られます。 どちらの場合も、生産プロセスからの CO2 は大気中に排出されますが、石炭の場合は多く、ガスの場合は少なくなります。

対照的に、青色水素は天然ガスから得られ、排出物は捕捉および貯蔵されます。 理想的な水素はグリーンであり、再生可能燃料から生成され、唯一の排出物として水が残ります。

欧州は、クリーンエネルギーへの積極的な取り組みにより、不要なときに大量の余剰の風力発電や太陽光発電が生成され、電力会社は無駄になった電力の代金を生産者に支払わなければならないことに気づきつつある。 風力発電や太陽光発電は断続的であるため、必要な電力の 2 ～ 3 倍の発電能力を構築する必要があり、投資の配分が間違っています。 化石燃料発電所の耐用年数が40～60年であるのに比べ、これらの断続的な電源の耐用年数が15～25年しかないという事実によって、その配分の誤りはさらに大きくなります。

コストの課題

水素の最大の障害は、特にグリーンでなければならない場合、製造コストです。 水素評議会による調査では、タービンを動かすための水素 1 キログラムあたり 3 ドルの輸入価格を使用すると、生成される電力のコストはメガワット時 (MWh) あたり約 140 ドルになると判明しました。

比較すると、電力の平準化コストの2019年の推定値は、天然ガス複合サイクル発電の補助金なしのコストがMWh当たり44ドルから​​68ドル/MWhの間であることを示唆しており、水素生成の仮定の数字と比較して、現時点で50から70パーセントのコスト優位性がある。 水素の輸入価格を 1 キログラムあたり 1 ドルに下げることができれば、その結果得られる電力は天然ガスから生成された電力と価格競争力があり、さらに炭素排出がないという利点も得られます。

コストの課題に取り組むことで、企業は安価な再生可能電力を使ってグリーン水素を製造するプロジェクトを実験するようになっています。 これらの実験は、余剰電力を利用して水素を製造する洋上風力発電および太陽光発電施設を対象としています。 水素は貯蔵され、再生可能電源が電力を供給できない場合に発電に利用される。

あるいは、これらの施設は、無駄な電力を利用して大陸のガスパイプラインネットワークに注入することで、低コストで水素を製造することもできる。 液体の形で輸送して輸送部門に電力を供給することもできる。 ヨーロッパの主要河川沿いに液体炭化水素の貯蔵および燃料供給施設のネットワークを構築し、燃料電池を装備したはしけや船舶に電力を供給し、炭素排出量を削減する計画がある。 燃料電池自動車市場は、南カリフォルニアに存在するように、将来的にはヨーロッパにも存在する可能性がある。

輸送用の水素の魅力は、いくつかの注意点がありますが、その高いエネルギー密度です。 特に、水素は他の燃料に比べて単位重量当たりのエネルギー含有量が高いが、単位体積当たりのエネルギー密度は低い。

水素はガソリンの 3 倍のエネルギー含有量を持っていますが、体積ベースではその関係は逆転します。 燃料電池車は高圧水素で駆動する必要があるため、強化複合材料で作られた高強度の貯蔵タンクが必要となり、車両のコストが増加します。

重要なのは、水素はリチウムイオン電池に比べてエネルギー貯蔵密度が高いということです。 1 キログラムの水素は、1 ガロンのガソリンと同じ電気エネルギーを持っています。 燃料電池車のタンクからホイールまでの効率は内燃エンジン車の 2 倍であるため、1 キログラムの水素で 2 ガロンのガソリンと同じくらいの航続距離が得られます。 水素価格の低下により、燃料電池車は、特に電池駆動車よりも環境問題が少ないため、非常に競争力が高まると考えられます。

答えのない質問

コストの問題に加えて、水素の貯蔵と輸送に関しては未解決の疑問があります。 分子が小さいため、メタンの 4 ～ 5 倍の速度で鋼管に浸透し、脆化を引き起こしてガス管や、水素を使用する場合は家電製品の交換が必要になります。

天然ガスの貯蔵には、塩のドーム、帯水層、または枯渇した石油/ガス貯留層が使用されます。 欧州では水素貯蔵については塩ドームのみが検討されているため、十分な容量が存在するかどうかについては疑問が残る。 代替の貯蔵オプションを調査する必要があるか、場合によっては追加の塩ドーム貯蔵施設を建設する必要があるでしょう。 水素が商業的に実行可能な燃料であることが証明されるまで、大規模な貯蔵は制約にはなりません。

欧州はクリーンエネルギー目標を達成するために風力発電と太陽光発電に多額の投資を行っている。 しかし、どのエネルギー研究でも、水素が重要な役割を果たさなければそれらの目標を達成できないことが指摘されています。 最近、ヨーロッパでは風力発電と太陽光発電の出力が低下しており、オンデマンドで電力を供給するという電力会社の課題が増大しています。

誰もが派遣可能な水素の商業性に大きく賭けていますが、水素の経済的および技術的課題がいつ、あるいは克服できるかは不明です。 そうでなければ、グリーンエネルギー計画は清算の日を迎えることになる。

ここで表明された意見は著者のものであり、必ずしも The Maritime Executive の意見ではありません。