水素 — 未来の燃料? | イーサン・ホワイト著 | 2024 年 1 月

気体の形の水素は、私たちの宇宙で最も豊富な元素です。 その同位体は、私たちの空の星々に動力を与える恐ろしく強力な核融合反応の開始段階です。 水素の「誇大広告」は何十年も前から存在しているのに、なぜ私たちのエネルギー問題をすべて解決できていないのでしょうか? この複雑なトピックは、持続可能性に関する会話で常に登場します。ここでは、このグループ 1 要素を燃料源として導入することによる主な利点と制限要因の簡潔な概要を検討します。 だけでなく、より広範な業界に対する既存の影響と潜在的な影響も含めて説明します。

なぜ水素なのか？

1 キログラムの水素ガスのエネルギーは、1 ガロン (2.8 キログラム) のガソリンのエネルギーとほぼ同じです (米国エネルギー省)。これだけでも、将来の燃料として期待される重要な要素です。 さらに、元素状水素は、木星のようなより条件の良い他の惑星とは異なり、地球上に大量に存在するわけではありませんが (Lubitz and Tumas 2007)、多くの一般的な分子の中に貯蔵されています。 これらには水が含まれますが、おそらくさらに重要なことに、すでに燃料として使用されている炭化水素も含まれます。 プロパンやメタンなど。 これらの事実は、適切な条件、輸送方法、インフラストラクチャーを考慮すると、この地味な粒子を非常に有利な光で示しています。 しかし、実際には、これらの制約を克服するのは簡単ではありません。

制限要因

水素は無色、無臭、無味の気体であり、可燃性と爆発性が非常に高いため、空気中の濃度が 4% 程度であっても、広範囲の濃度で自然発火します (NASA)。 これには、できるだけ多くのものを安全に輸送しようとすると、特定の問題が発生します。 濃度が高いほど、貯蔵スペースの体積あたりの水素分子が多くなり、輸送効率が向上します。 この問題を克服するための選択肢の 1 つは、水素を金属の形で貯蔵することですが、水素をこの状態に固体化するには膨大な量のエネルギーが必要です。 これは太陽系ガス巨人における事実上の形態ですが、これらの天体から何かを採取することは、現時点では純粋な SF の話です。

しかし、これらの「小さな」実現可能性の問題は無視して、代わりに過去数十年間に水素インフラがどのように発展してきたかを見てみましょう。 構築するための基盤はある程度整っているはずですよね? どうやら、大企業はこれまでのところ、時間、リソース、人員をこの分野に投入することに限定的な関心を示しているようです。 要因の 1 つは、これまでに開発された水素自動車の効率が自動車の電気より大幅に低く、約半分であることが判明していることです (Volkswagen 2019)。 この事実は、充電ステーションの展開で浮き彫りになった問題と相まって、投資家にとって、同様に巨大なインフラプロジェクトをさらに引き受けるという見通しを飲み込むのが難しいものとなっている。

結果

この逆境に直面して、水素技術は現在どのような位置にあるのでしょうか? そうですね、水面下にはまだ重要な可能性が隠されており、すぐに考えられるのは水素自動車や燃料補給ステーションかもしれませんが、他の選択肢も存在し、素晴らしい結果を示しています。 英国は輸送における CO2 排出量公約の達成目標に達しておらず、変化が必要であり、輸送エネルギー使用量の 4 分の 1 を占める輸送部門 (英国王立化学会、2018 年) が、水素燃料電池導入のターゲット層となる可能性がある。

これらのセルは、エネルギーを放出しながら、電流を使用して水素と空気を水やその他のあまり一般的ではない副産物に化学変換します。 これらは、旅行が連続して予定されており、したがって予測可能であるため、輸送部門での使用に非常に適しています。 この結果、前述の給油所の必要性は減り、一方で、例えば車での個人旅行よりも多く利用されることになる。 これらの利点は、同様の理由で、燃料電池バスなどの公共交通機関の特定の側面にも当てはまります。 これらの車両は機能するために大量のエネルギーを必要とするため、燃料としての水素の高いエネルギー密度からより大きな恩恵を受けるため、この技術を船舶、飛行機、その他の大型輸送手段に使用する事例が考えられます。

結論

結論として、水素の問題が近い将来に解決されるかどうかは言えませんが、その発展は確実にゆっくりと着実に進んでいます。 さまざまな安定した化合物にそれを含めることによって貯蔵および輸送のエネルギー効率を向上させるための進行中の研究など、その現在および将来の実装には調査すべき多くのウサギの穴があります。 現在の状況を効果的に要約している事例の 1 つは、National Grid の「Future Grid」プロジェクトの事例です。 より多くの研究と試験が必要であり、英国のエネルギー消費者にとって多くの潜在的な利益をもたらしますが、次の総選挙が迫っているため、政治的には行き詰まっています。 気候変動の期限が近づき、産業において持続可能性がこれまで以上に考慮されるようになるにつれて、未来の燃料としての水素について言及される機会はますます増えていくでしょう。

参考文献:

米国エネルギー省。 水素の利点と考慮事項。 水素の基本。 代替燃料データセンター。 https://afdc.energy.gov/fuels/hydrogen_benefits.html#:~:text=Hydrogen%20can%20be%20production%20from,stationary%20and%20transportation%20energy%20sectors

ヴォルフガング・ルビッツとウィリアム・トゥマス、(2007)。 水素: 概要化学レビュー。 DOI: 10.1021/cr050200z。 ACS出版物。

NASA。 マガジンに聞いてください。 水素の安全性に関する爆発的な教訓。 ラッセル・ローズ。 46ページ。爆発的なレッスン。 https://www.nasa.gov/pdf/513855main_ASK_41s_explosive.pdf。

フォルクスワーゲン。 （2019年）。 水素か電池か？ 追って通知があるまでは、明らかなケースです。 https://www.volkswagenag.com/en/news/stories/2019/08/hydrogen-or-battery–that-is-the-question.html

デビッド・マレー・スミス。 （2019年）。 鉄道用途のための電池、燃料電池、およびエネルギー回収システムの開発のレビュー スコットランド公共交通機関向けの報告書。 DOI: 10.13140/RG.2.2.16555.67362。

王立化学会。 (2018) エネルギーと環境科学。 地球規模のエネルギー システムにおける水素と燃料電池の役割。 その他の道路輸送。 土井： https://doi.org/10.1039/C8EE01157E。