グリーン水素が鉄鋼製造から農業までの産業にどのように電力を供給できるか

最も豊富な元素である水素は酸素と結合するとエネルギーを放出し、唯一の副生成物は水です。だからこそ政治家たちは、現在化石燃料で稼働している膨大な数の車両や産業プロセスに動力を供給できる、気候変動のスイス・アーミー・ナイフとしてそれを宣伝してきたのである。

しかし、今日供給される水素の 99 パーセントは「灰色の」水素であり、メタンや石炭ガスを分解して二酸化炭素を放出するプロセスによって生成されます。ネットゼロ排出を達成するために、多くの国は代わりに、このCO2を煙突で回収して地下に注入する「ブルー」水素、または再生可能電力で水を分解して生成する「グリーン」水素に頼ることを計画している。

国連のアントニオ・グテーレス事務総長は12月3日の会議で、グリーン水素はクリーン技術で中国と競争するために「西側諸国が取り組むべき重要な賭け」であると述べた。

問題は、低炭素水素は灰色の水素に比べて少なくとも 2 倍高価であることです。生産量を増やして価格を安くするには政府の補助金が必要となる。欧州連合などがこの業界を支援している一方で、ドナルド・トランプ大統領は米国で70億ドルのプログラムに基づいて計画されている低炭素水素ハブの中止を開始し始めている。

こうした逆風のため、アナリスト会社ブルームバーグNEFは、低炭素水素の生産予測を2030年までにわずか550万トンに半減し、これは現在のグレー水素消費量の約5％に相当する。専門家らは、供給が限られているため、政府や企業は気候や経済にとって最も合理的なクリーンな水素の利用だけに焦点を当てるべきだと指摘する。

「水素はほぼすべてのことを実現できますが、それはそうすべきだという意味ではありません」とスイスのチューリッヒ工科大学のラッセル・マッケンナ氏は言う。

最近の研究で、マッケンナ氏らは、世界中で計画されている2000件のプロジェクトで低炭素水素を製造、輸送するために排出されるCO2を分析し、この水素が置き換えることができるCO2排出量と比較した。彼らは、水素が鉄鋼、バイオ燃料、アンモニア産業において気候に最大のプラスの影響を与える可能性があることを発見しました。

一方、道路輸送、発電、家庭用暖房に水素を使用しても、排出量はそれほど削減されません。

鋼鉄

高炉では、石炭から作られたコークスが熱を提供して酸化鉄鉱石を溶かすだけでなく、その鉱石から酸素を奪う反応のための炭素も提供します。したがって、代わりに再生可能電力で金属を加熱するだけでは十分ではありません。反応では炭素の代わりとなるものが必要ですが、水素であればCO2ではなく水を排出できます。

インペリアル・カレッジ・ロンドンのデイビッド・ダイ氏は、「CO2を発生させずに鉄鉱石から鉄をフル工業規模で製造できる今日の技術、それが水素だ」と語る。 「それ以外のことを行うには、多くの将来のテクノロジーを発明する必要があります。」

グリーン鉄鋼の新興企業である Stegra はスウェーデン北部に施設を建設中で、2026 年末までに電気炉と敷地内の川水から生成されるグリーン水素で鉄鋼を生産し、初の炭素フリー鉄鋼工場となる予定である。ヨーロッパ、アジア、北米でもプロジェクトが進行中です。

しかし、グリーン水素を製造し、アーク炉に電力を供給するには、安価な再生可能電力が利用可能でなければなりません。多国籍製鉄企業アルセロール・ミタルは今年、電気料金が高すぎるとして、ドイツの２つの製鉄所を水素に転換するための補助金１３億ユーロを拒否した。

アンモニア

植物が成長するためには硝酸塩の形で窒素が必要ですが、土壌に含まれる硝酸塩の量は限られています。しかし、20世紀初頭に、化学者のフリッツ・ハーバーとカール・ボッシュは、空気中に豊富にある窒素を水素と反応させてアンモニアを生成し、さまざまな肥料に変換できるプロセスを開発しました。

これにより、農業革命と世界人口の増加が可能となり、現在、水素は石油精製だけでなくアンモニアの生産にも主に消費されています。全アンモニアの約 70 パーセントは肥料として使用され、残りはプラスチック、爆発物、その他の化学物質の製造に役立ちます。

「これを電気化することはできません…なぜなら、これは化学反応であり、この入力が必要だからです」とマッケンナ氏は言います。 「したがって、水素が必要ですが、それは脱炭素化された水素である必要があります。」

サウジアラビアのような国は、主に輸出目的で、太陽エネルギーと風力エネルギーを利用して数十万トンのグリーンアンモニアを生産する工場の建設を開始している。一方、新興企業は、米国の農場の現場でグリーン水素とアンモニアを生産する小型のモジュール式プラントを開発している。しかし今のところ、これらのアプローチはすべて政府の投資や税額控除に依存している。

代替燃料

アンモニアはエンジン内でも燃焼します。乗用車や多くのトラックは電気で効率的に走行できますが、大型トラック、船舶、飛行機などの長距離輸送では、バッテリーの運搬や充電に苦労する可能性があります。水素は、この分野の低炭素燃料の製造に不可欠となる可能性があります。

マッケンナ氏と彼のチームの研究は、水素処理植物油の製造が水素の最も効果的な利用法の 1 つであることを発見しました。これには、使用済み食用油を水素で処理して脂肪を燃焼可能な炭化水素に分解することが含まれます。

アンモニアと水素化処理植物油はいずれも、世界の排出量の 3% を占める海運用重燃料油の代替品として検討されています。同様の二酸化炭素排出量を抱える航空業界も、アンモニアに切り替える可能性がある。

しかし、水素は石油を使わずに製造されるだけで灯油燃料とほぼ同じであるため、今日どの飛行機にも搭載できる合成航空燃料の製造にも使用できる可能性がある。

長期的には、英国のクランフィールド大学のような機関の研究者は、圧縮水素を保持するための超強力なタンクを備えた航空機を設計しています。水素やアンモニアは燃焼すると窒素酸化物汚染を引き起こしますが、代わりに燃料電池内で酸素と結合して電気と水を生成できます。クランフィールド大学のフィル・ロングハースト氏は、燃料電池航空機が究極の目標だと語る。

「水素は、私たちが入手できる中で最もクリーンで炭素ゼロの燃料です。つまり、それは一種の聖杯です。」と彼は言います。