水素エネルギーはこんなに素晴らしいのに、なぜ今になって使われるようになったのでしょうか？

2か月前の冬季オリンピックの開会式で、「小さな炎」の形をしたトーチが多くの人の心に残る名場面となったが、この瞬間を「動かした」のは水素燃料だった。同様に、冬季オリンピックのリレートーチも水素燃料を使用しており、冬季オリンピック史上、トーチ燃焼による二酸化炭素排出量ゼロを達成しました。北京冬季オリンピック組織委員会が発表したデータによると、「グリーンオリンピック」のコンセプトを実現するため、1,000台以上の水素燃料車と30以上の水素燃料補給ステーションが実証された。

燃焼プロセスでは二酸化炭素は排出されません。水素燃料はどうやってこれを実現するのでしょうか?なぜこのような優れたエネルギー源が今になって利用されるようになったのでしょうか?水素エネルギーについては多くの疑問がありますが、一緒に探っていきましょう。

パート1

水素の概念：将来有望な二次エネルギー源

水素は、化学元素記号 H で表され、周期表の第一位に位置しています。宇宙で最も軽く、最も豊富な元素であり、宇宙の質量の約 75% を占めています。地球上では、自然条件下で形成される元素は比較的稀です。したがって、二次エネルギー源としての水素は、石炭、石油、天然ガスなどの従来の化石エネルギー源とは異なります。自然から直接得ることは困難です。そうだとしたら、なぜ水素が燃料になったのでしょうか?

これは、水素の発熱量が非常に高く（120.0MJ/kg）、同じ質量のコークスやガソリンなどの化石燃料の発熱量の2～4倍にあたるためです。つまり、同じ質量の燃料を燃焼させた場合、水素が発生する熱量は、コークスやガソリンなどの化石燃料の2～4倍になります。同時に、水素エネルギーはエネルギー密度が高く、貯蔵形式が多様であるという特徴があり、太陽エネルギー、風力エネルギーなどをエネルギーキャリアとして活用することができます。

最も重要な点は、水素には水素元素しか含まれていないため、燃焼によって生成されるのは水だけであるのに対し、従来の化石燃料には炭素元素が含まれているため、燃焼すると大量の二酸化炭素が発生するということです。そのため、燃料としての水素は完全に炭素排出ゼロを達成することができ、「グリーン環境保護」の観点から大きな意義があり、21世紀に最も発展の可能性があるグリーン二次エネルギーとみなされています。

国際水素エネルギー委員会によれば、2050年までに水素エネルギーは世界の最終エネルギー需要の18%を占め、2.5兆米ドル以上の市場価値を生み出すだろう。上記のすべては、水素エネルギーの重要性を示すのに十分です。

（写真提供：Veer Gallery）

水素エネルギーは燃料として多くの利点がありますが、その開発と利用には多くの課題があります。水素エネルギーの開発と利用は、生産、貯蔵・輸送、最終利用の3つの分野に分けられます。水素の究極の利用は、すべてのリンクが同時に進歩し、それぞれの技術的障壁を克服した場合にのみ達成できます。

パート2

水素の生成：「灰色・青・緑」は色を表していますか？

水素はグリーンエネルギーですが、水素を製造するプロセスは完全に炭素を排出しないわけではありません。水素エネルギーは、その製造方法によって、グレー水素、ブルー水素、グリーン水素の3種類に分けられます。

グレー水素は化石燃料（石油、天然ガス、石炭）を燃焼させて生成される水素であり、生成過程で二酸化炭素が排出されます。グレー水素の生産コストは低く、水素生産技術も比較的シンプルです。現在、市場に流通している水素のほとんどはグレー水素であり、世界の水素生産量の約95％を占めています。

ブルー水素は天然ガスから生成される水素です。温室効果ガスを排出しながらも、炭素回収・利用・貯留（CCUS）などの技術を活用して温室効果ガスを回収し、低炭素排出の生産を実現します。

グリーン水素とは、再生可能エネルギー発電を利用して水を電気分解して水素を製造するなど、再生可能エネルギー（太陽エネルギー、風力エネルギー、原子力エネルギーなど）を利用して製造される水素のことです。このプロセスでは、炭素排出が一切なく、それが水素製造の究極の目標でもあります。しかし、現在の技術的な制限により、グリーン水素の製造コストは比較的高く、大規模に適用できるようになるまでにはまだまだ時間がかかるでしょう。

（写真提供：Veer Gallery）

パート3

水素の貯蔵と輸送：技術的な仕事

水素は可燃性、爆発性があります。空気中の体積濃度が4.0%～75.6%になると、火源に遭遇すると爆発します。同時に、水素自体の活性が高く、鋼材に対して「水素脆化」を引き起こしやすく、貯蔵・輸送設備材料の機械的性質や可塑性の低下を招き、ひび割れや損傷の原因となります。水素エネルギーの輸送は通常、水素の貯蔵状態や輸送量に応じて調整されます。輸送には、気体水素、液体水素、固体水素の 3 つの主な方法があります。

したがって、安全性の確保を前提として、水素貯蔵容量の増加、コストの削減、アクセス性の向上が貯蔵・輸送技術の重要なポイントとなります。水素貯蔵技術は、物理的水素貯蔵と化学的水素貯蔵の 2 つのカテゴリに分けられます。

（写真提供：Veer Gallery）

（１）物理的水素貯蔵

物理的な水素貯蔵には、主に高圧ガス水素貯蔵、低温液体水素貯蔵、物理吸着水素貯蔵、地下水素貯蔵が含まれます。

高圧ガス水素貯蔵は、水素を圧縮して高圧ボトルに貯蔵するプロセスです。この方法は室温で動作でき、水素の充填と放出の速度が速く、技術も比較的成熟しています。

極低温液体水素貯蔵は、低温高圧条件下で水素を液化して容器に貯蔵するプロセスであり、貯蔵容器のサイズが小さいという利点があります。しかし、この方法では容器を低温の断熱真空に保つ必要があり、これも技術にとって大きな課題です。

吸着水素貯蔵は、分子間力による物理的な吸着によって、比表面積の大きい材料に水素を貯蔵するプロセスです。

従来のガスボンベでの水素貯蔵と比較して、地下水素貯蔵は、地下の塩層に「容器」を掘って水素を貯蔵します。風力、太陽光、貯蔵の統合プロジェクトと組み合わせることで、地下空間を最大限に活用し、水素を効果的に貯蔵することができます。

（写真提供：Veer Gallery）

（２）化学的水素貯蔵

化学的水素貯蔵は、貯蔵媒体と水素を組み合わせて安定した化合物を形成することによって水素貯蔵を実現します。水素を使用する場合は、加熱などの方法により化合物を分解して水素を放出し、同時に貯蔵媒体を回収します。

パート4

水素の最終用途：バッテリーでの使用は非常に効果的

水素の生産と貯蔵に関する十分な知識が得られた今、科学者たちは水素エネルギーの利用も議題に上げています。現在、水素燃料電池は水素エネルギーのより一般的な最終用途です。 1960 年代初頭から、水素燃料電池は航空宇宙分野で使用されていました。 1970年代に入ってからは、技術の進歩と継続的なコスト削減により、水素燃料電池は発電、自動車、船舶、ドローンなどさまざまな分野で徐々に利用されるようになりました。

（写真提供：Veer Gallery）

冬季オリンピックで水素エネルギーが「主役」のエネルギー源となる場面は、社会全体への宣伝と促進となるだけでなく、我が国のエネルギー構造の転換とカーボンピークとカーボンニュートラルへの公約の達成に向けた決意と能力を世界に示すものでもあります。水素エネルギー開発への道は長く困難ですが、前進し続ければ必ず実現します。一緒に「水素自由」の時代を待ちましょう。

参考文献:

[1] 中国水素エネルギー連盟。中国水素エネルギー・燃料電池産業ハンドブック[R]、2021年

[2] Chen, P., et al., 水素と金属窒化物およびイミドとの相互作用。ネイチャー、2002、420(6913)、302-304。

[3] フーパン地下水素貯蔵技術の現状と課題に関する研究[J]中国ミネラルソルト、2020年、51(6):5。

[4] 邵志剛、易宝蓮。水素エネルギーと燃料電池の現状と展望。中国科学院紀要、2019年、34(04)、469。

[5] 程一歩、水素燃料電池の開発技術と動向の分析。石油と石油化学グリーン・低炭素、2018年、3(02)、5。

[6] 水素貯蔵技術：材料と応用、CRC Press、2012年

制作：中国科学普及協会

著者: ヌアン・ヌアン (中国科学院大連化学物理研究所)

制作者: 中国科学院コンピュータネットワーク情報センター

この記事は著者の見解のみを表しており、中国科学博覧会の立場を代表するものではありません。

この記事は中国科学博覧会（kepubolan）に最初に掲載されました。