グリーン水素製造ソリューション

一般的に、水素は主に 2 つの方法で燃料として使用できます。 燃やして熱を発生させることも、水素燃料電池に供給して電気を発生させることもできます。 良いニュースは、青色または緑色の水素が生成されると、さまざまな用途に使用できることです。
輸送：水素は、特に日本において、バスやその他の公共交通機関の燃料としてすでに使用されています。 また、貨物トラックや列車の動力としても使用でき、アンモニアなどの水素ベースの燃料は航空や船舶にも使用できます。 自動車の動力として水素がより広く利用されるかどうかは、水素燃料電池の価格が安くなり、水素給油ステーションがより一般的になるかどうかにかかっています。

発電：水素は、再生可能エネルギー源を燃料に変換し、貯蔵したり長距離輸送したりするために使用できます。 水素とアンモニアは、ガスタービンや石炭火力発電所でも排出量を削減するために使用できます。

建物の暖房:水素には、既存の天然ガスインフラを介して家庭用および商業用建物の暖房用に天然ガスに代わる大きな可能性があります。 水素ボイラーと家庭用水素燃料電池はさらなる開発が必要ですが、将来的には重要な役割を果たす可能性があります。

業界：水素は現在、重要な産業プロセスの幅広い分野で使用されています。 これらには、ガソリンの精製、鉄鋼の製造、金属の処理、さまざまな化学物質の製造が含まれます。

灰色の水素とは異なり、グリーン水素は原料とエネルギー供給の両方において完全に再生可能です。 原料として、今日のグリーン水素は通常、電気分解として知られるプロセスを通じて水から生成されます。このプロセスでは、電流を使用して水を水素と酸素の構成分子に分解します。 これは、陰極と陽極（正および負に帯電した電極）を利用する電解槽と呼ばれる装置を使用して行われます。 このプロセスでは、副産物として酸素 (または蒸気) のみが生成されます。 エネルギー供給に関しては、「グリーン水素」として認定されるためには、電気分解に使用される電力源が風力や太陽エネルギーなどの再生可能エネルギーである必要があります。

電解槽には主に 3 種類あります。アルカリ性、陽子交換膜 (PEM)、固体酸化物。 これらは、使用される電解質材料の性質によって異なります。 アルカリ電解槽はアルカリ性塩を含む水溶液を利用して導電性を実現しますが、PEM 電解槽は固体高分子膜 (電解質) を使用します。 固体酸化物電解槽は電解質として固体セラミック材料を使用するため、より高い電気効率とはるかに高い温度での動作が可能になります。 これにより、電気に依存するのではなく、蒸気と外部熱をエネルギー源として利用することが可能になります。 したがって、固体酸化物電気分解は、熱が一般に安価であり、特定の工業プロセスの副産物として自然に生成される場合があるため、運転コストを大幅に下げることができます。

数年前、水素はより環境に優しい自動車の進化のための解決策としてのみ見られていました。 電気自動車の注目が高まるにつれ、水素は他の業界のソリューションとして注目されるようになってきています。

石油精製、製鉄、セメント生産など、さまざまな目的で工業および製造業全体での使用が拡大するにつれて、水素の需要は増加し続けています。 しかし、水素の人気が高まるにつれて、グリーン水素の重要性はいくら強調してもしすぎることはありません。 驚くべきことに、水素の 98% は化石燃料から作られており、二酸化炭素の排出規制や規制は実施されていません。 しかし、グリーン水素はそれを永久に変える可能性を秘めています。

商業プラントの生産煙からガソリンやディーゼル車の排気ガスに至るまで、グリーン水素の生産により、空気中に大量の二酸化炭素を放出する化石燃料エネルギー源の必要性が削減または排除されます。 データセンター業界では、ストレージシステムで水素が開発されており、将来のデータセンターに電力を供給するためにディーゼル駆動のバックアップ発電機の代わりに水素を使用できます。 その結果、グリーン水素のメリットは豊富にあり、政府や組織は国家エネルギー安全保障を強化し、燃料を節約し、総排出量を削減し、自動車から拡張的な公共交通システムまで輸送エネルギーの選択肢を多様化することができます。

グリーン水素技術はこれ以上ないタイミングで導入されることができました。 米国エネルギー情報局は、世界のエネルギー需要が 2050 年までに 47% 増加すると予測しています。石油と石炭のエネルギー生産という形でその需要を相殺する唯一の方法は、グリーン水素などのより環境に優しい方法を採用することです。

そして、水素製造を実質的に脱炭素化する技術的進歩のおかげで、多くの企業が二酸化炭素排出量を削減し、積極的な ESG 目標を達成するために、グリーン水素を活用するカーボン オフセットに目を向けています。

グリーン水素の生成プロセスには利点があります。 国際エネルギー機関 (IEA) は、グリーン水素は、従来の化石燃料法を使用してガスを製造した場合と比較して、年間約 8 億 3,000 万トンの二酸化炭素排出量を削減すると述べています。 これは、英国とインドネシアを合わせた 1 年分の排出量に相当します。

他の新しいテクノロジーと同様に、グリーン水素ブームが定着するにつれて、克服しなければならない課題がいくつかあります。 考慮すべき問題には、長期の加圧保管ソリューションの確立に加えて、大規模生産のプロセス効率とコストが含まれます。 課題はさておき、グリーン水素は、切望されているグリーンエネルギーの大規模生産のバランスをとるのに役立つ可能性のあるエキサイティングな新技術です。

化石燃料からの移行の大部分は、石油やガスを動力源とする私たちが日常的に使用する機械の一部、たとえば自動車や地域交通機関、一部の国では家庭用暖房などの電動化に関係しています。 コンピュータや家電製品など、すでに電力が普及しているものでは、原子力や風力、太陽光などの再生可能エネルギーによる電力が石炭に取って代わります。

しかし、従来の再生可能エネルギーでは需要を満たせないほど大量のエネルギーを必要とする産業もあります。 これらの産業は温室効果ガスの排出量のトップに位置しているため、これは問題だ。

専門家は、ここにグリーン水素には大きな可能性があると述べています。
「風力、太陽光、原子力などのエネルギー源からの電力は、私たちのエネルギーシステムの脱炭素化に不可欠ですが、それだけでは脱炭素化は不可能であり、長距離輸送と重工業は削減が最も難しい排出ガスを排出している」とエネルギーアナリストは述べた。国際エネルギー機関。

「水素は、化学産業や鉄鋼産業に重要な原料を提供したり、航空機や船舶の低炭素燃料に重要な成分を提供したりする際に、これらの重大なギャップの一部を埋めるのに十分な多用途性を持っています」とレメ氏はCNNに語った。

たとえば、飛行機や大型船の運航には非常に多くのエネルギーが必要となるため、太陽光や風力による電力を蓄えるために使用されるバッテリーは、船にとって大きすぎて重すぎる可能性があります。 一方、グリーン水素は液体の形で得られ、より軽いです。 ゼロエミッションの民間航空機を開発しているエアバス社によると、グリーン水素のエネルギー密度は現在使用されているジェット燃料の3倍だという。

緑色の液体水素は炭素排出量がゼロですが、いくつかの制限があります。 大気中で燃焼すると、強力な温室効果ガスである亜酸化窒素が少量放出されます。 しかし、水素が燃料電池を介して供給される場合、排出されるのは水と暖かい空気だけです。

一部の小型飛行機は水素燃料電池を搭載して飛行することに成功しているが、この技術はまだ商用化されていない。

現在、気候変動目標の達成に向けて総力を挙げて取り組んでいます。 エネルギー転換には大きな後押しが必要です。 水素はこれに重要な貢献をすることができます。 たとえば、産業における CO2 削減、航空機用の e-燃料、建築環境での使用などに貢献するために、水素をうまく利用するには協力が不可欠です。 しかし、投資が必要であり、疑問もあります。

水素とは何ですか？
水素は私たちの宇宙で最も一般的な元素です。 通常の状況では、それは気体であり、水素ガス (H2) について話します。 水素は私たちが知っているガスの中で最も軽いため、単位体積あたりのエネルギー密度（m3）が低くなります。 水素は、重量 (kg) あたり、1 kg あたり 120 メガジュール (MJ) という高いエネルギー密度を持っています。 これは天然ガス (1 kg あたり 45 MJ) のほぼ 3 倍です。 水素は加圧されることがよくあります。 ただし、水素ガスを加圧（圧縮）するには必要なエネルギー（約10％）も必要です。

灰色と青色の水素とは何ですか?
現在世界中で生産されている水素のほとんどは、いわゆる「グレー水素」です。 現在、生産は水蒸気メタン改質 (SMR) によって行われています。 ここでは、高圧蒸気 (H2O) が天然ガス (CH4) と反応し、水素 (H2) と温室効果ガス CO2 が生成されます。 オランダでは、約 0.80 万トンの H2 がこの方法で生産され、40 億立方メートルの天然ガスが使用され、1,250 万トンの CO2 排出が発生します。
「青色水素」または「低炭素水素」という用語は、灰色の水素の製造過程で放出される CO2 の大部分 (80-90%) が回収および貯蔵される場合に使用されます。 これは CCS (Carbon Capture & Storage) とも呼ばれます。 これは北海の下の空のガス田で起こる可能性があります。 ブルー水素が大規模に生産されている場所は世界のどこにもありません。

グリーン水素とは何ですか？
グリーン水素は「再生可能水素」とも呼ばれ、持続可能なエネルギーで生成される水素です。 最もよく知られているのは電気分解で、グリーン電力によって水 (H2O) が水素 (H2) と酸素 (O2) に分解されます。 オランダの多くの関係者がこれらのメガワット規模の電解槽を実験しています。 水素はバイオマスの高温ガス化中にも放出されます。

ターコイズ水素とは何ですか?
いわゆる溶融金属熱分解技術を使用して天然ガスから生成される水素は、「ターコイズ水素」または「低炭素水素」と呼ばれます。 天然ガスは溶融金属を通過し、水素ガスと固体炭素を放出します。 後者は、たとえば自動車のタイヤに有用な用途が見出されます。 この技術はまだ実験段階にあり、最初のパイロットプラントが実現するには少なくとも10年はかかるだろう。

青と緑のさらに根本的な違いは何ですか?
製造方法に加えて、他にもいくつかの重要な違いがあります。
電気分解によって生成されるグリーン水素のみが、海と陸上で生成される持続可能な大量の電力を私たちのエネルギー システムに適切に統合できることを保証します。 電気を柔軟に（オンデマンドで）水素に変換し、貯蔵できるのは電気分解だけです。
さらに、大規模な電気分解の開発は、増大する電力需要に対応するのに役立ち、持続可能なエネルギーの成長を促進します。
品質にも差があります。 グリーン水素は純度が高く、自動車の燃料電池などにすぐに使用できます。 青色水素の純度は低く、産業用途には十分です。
青色水素の製造は、産業を「脱炭素化」する、つまり CO2 を削減する方法を大規模かつ比較的低コストで実現します。

土壌から作る白色水素は未来のクリーンエネルギー源？
灰色、青色、緑色の水素はすでに知られていますが、現在では白色または天然の水素も入手できるようです。 それは天然ガスと同じように土壌から生まれます。 水素が酸素と一緒に燃焼すると、水だけが発生します。 ホワイト水素は、地中の天然水素であり、風力や太陽光（グリーン）を利用して水を電気分解して作れば、将来の重要なエネルギー源となる可能性を秘めています。
つまり、天然の灰や石炭 (灰色) から作られることはなく、最初に CO2 を回収することによっても作られません (青色)。 このガスは主に、化学工業や鉄鋼や肥料の製造における加熱プロセスに使用されます。 化石エネルギーからグリーンエネルギーへの移行において、太陽光や風力のない期間に電力の貯蔵バッファーとして機能します。

エネルギー転換において水素はどのような役割を果たしますか?
現在のエネルギーミックスでは、約 20% が電力の形で供給され、80% が天然ガスまたは液体化石燃料 (ガソリン、ディーゼル) の形で供給されています。 私たちの気候変動目標は、近い将来、この状況を大きく変えることになるでしょう。 風力と太陽光によって発電される電力の割合は急激に増加するでしょう。 産業や航空における重量輸送、高温プロセスなどの多くの用途では、優れた電気ソリューションが依然として不足しており、持続可能なガスが依然として必要とされています。 ここで水素が有用な役割を果たすことができます。 さらに、水素は、無風時や曇天時の大規模貯蔵の形で重要です。

どの国も水素に取り組んでいますか?
ノルウェー、オーストラリア、モロッコ、チリ、サウジアラビア、中国、日本などの国々は、グリーン水素を製造するための風力、太陽光、水力発電などの安価な再生可能エネルギーがかなり（潜在的に）利用可能であるため、グリーン水素に非常に積極的です。 ただし例外は日本であり、日本はエネルギー供給の大部分を輸入に依存しており、（グリーン）水素を大規模に輸入する戦略を展開している。 その重要な役割は技術開発にあります。 オランダは、ガスおよび電気分解技術、北海の風力エネルギーの大きな可能性、そして持続可能性への強い取り組みが必要なエネルギー集約型産業に関する知識のおかげで、有利な立場にあります。

水素を何に使うのでしょうか？
水素はプロセス産業にとって特に重要です。 現在は主に肥料の生産に使用されていますが、将来的には現在天然ガスや石炭が使用されている鉄鋼生産などの高温プロセスにも使用できるようになります。 さらに、水素は、例えば長距離を移動する必要があり、電気運転が解決策ではない都市間バスなどのモビリティでも役割を果たすでしょう。

水素は国民にとって何を意味するのでしょうか?
短期的にはあまり明らかにならないだろう。 たとえば、家庭での水素の使用は、もし実現したとしても、ずっと先のことになるでしょう。 大多数の家庭では、集合型ヒートグリッドまたは電気ヒートポンプの方が優れたソリューションとなります。 交通面では、水素自動車の数（現在は 100 台未満）と水素充填ステーションの数（2018 年には 3 か所）が徐々に増加するでしょう。

リスクは何ですか?
水素は非常に軽い気体で可燃性が高く、最大 700 bar の圧力下で移動体に使用されます。 他のガスと同様に、製造、輸送、使用の際は慎重に取り扱い、専門業者にのみ任せることが重要です。 既存のガスパイプラインで水素を使用する場合は、水素が実際にどのように「動作」するかをさらに調査することが重要です。 水素は天然ガスより軽いため、バルブやシールから容易に漏れてしまいます。

TNO は水素研究に関して何を行っていますか?
TNO は、最先端の応用研究を行う独立した組織です。 同社の水素に関する研究は、生産、インフラストラクチャ、およびアプリケーション（変換と最終使用）に焦点を当てています。 2020 年に、TNO はこれらのテーマに関連する 50 以上のプロジェクトを実施しました。 これらのプロジェクトの一部へのリンクは、以下 (項目 15) にあります。

グリーン水素の開発はどこまで進んでいますか?
2000 年から 2018 年の間に約 230 件の電気分解プロジェクトが稼働し、総容量は約 100 MW (出典: IEA 2019、水素の将来)。 2020 年の世界の設備容量は 200 MW で、2023 年末までに約 2,400 MW になります。これらの数字は、私たちがまだ始まったばかりであり、まったく新しいサプライ チェーンを開発する必要があることを示しています。
より大型の次世代電解システム用の材料やコンポーネントを開発するには、新しい企業、新しいサプライヤー、新しいメーカーが必要です。 これはオランダのハイテク産業にとって絶好のチャンスです。 欧州連合の目標は、2030 年までに欧州連合内に 40 GW の電解能力を設置し、北アフリカにさらに 40 GW を設置することです。 この目標を達成するには、技術革新と実際のプロジェクトの両方のペースを加速する必要があります。

電気分解によってもたらされる最大の技術的課題は何ですか?
水の電気分解に関しては、現在 4 つの技術 (AEM、SOE、PEM、およびアルカリ) が利用可能であり、それぞれに特有の利点、欠点、および成熟度があります。 電気分解による水素製造のビデオをご覧ください（新しいウィンドウまたはタブで開きます）（別のWebサイトを参照します）。 4 つのテクノロジーすべてについて、主な研究課題は次の 3 つです。
システムに関連する資本支出を削減するため
システム効率を向上させるため
大規模生産への障壁を克服し、2030年までに世界の年間電解槽生産能力30GWを達成できるようにする。

製品は中国のすべての地域で販売され、世界各国に輸出されています。 アメリカ、ドイツ、モロッコ、ケニア、サウジアラビア、ベトナム、アルジェリア、インド、タンザニア、台湾など20以上の国と地域で販売されています。 中国航天、ペトロチャイナ、中国核集団、BYD、九里専門、トニーエレクトロニクス、鄭能源集団などの有名企業への提供に成功。 烏蘭堡、海口、海南、海南海口、雲南昆明などの多くのグリーン水素水素化ステーションがあり、グリーン水素製造プロジェクトを提供しています。