「ネットゼロ排出」のグリーンエネルギーを生成するには、わずか 400 度が必要です。

制作：中国科学普及協会

著者: 陳金濤 (北京航空航天大学)、陳林、昊勇、劉明凱、王斌、郭克 (中国科学院工学熱物理研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

水素エネルギーは、炭素ゼロ、環境に優しい、高エネルギー密度といった利点があるため、将来のエネルギー構造において重要な役割を果たすことは間違いありません。これは、エネルギー構造の調整、産業の低炭素化の発展、そして「デュアルカーボン」目標の実現にとって大きな意義を持っています。

【用】北京冬季オリンピックと水素エネルギーの切っても切れない関係

水素エネルギーは多くの分野で利用できます。

2022年の北京冬季オリンピックを例に挙げてみましょう。この冬季オリンピックで発生した炭素排出量はすべて中和されており、「最も環境に優しい」冬季オリンピックと呼ばれています。 「最も環境に優しい」ものの背後には、特に水素エネルギーの利用において、多くの「技術と努力」があります。

まず、北京冬季オリンピックの聖火「フライング」は、聖火燃料として液化天然ガスやプロパンガスを使用していたこれまでのオリンピックとは異なり、世界初の高圧水素貯蔵トーチを使用して水素で点火され、水素炎の視認性、複雑な表面への適応性、大規模な減圧、水素の安全な使用、水素燃料の貯蔵など、多くの技術的問題を次々と解決し、冬季オリンピック史上初めて聖火の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の採火式の様子

（写真出典：CCTV公式サイト）

この出来事は前例のないことであり、古代オリンピックの2つの都市は皆大喜びしました。実際、北京で開催された両オリンピックは水素と切っても切れない「関係」を持っており、水素エネルギーの環境保護への貢献は聖火だけにとどまりません。

2008年の北京夏季オリンピック期間中、わが国初の自動車用水素燃料補給ステーションが北京に建設され、水素燃料電池自動車の「0から1」への飛躍的進歩が達成されました。 2022年冬季オリンピックでは合計816台の水素燃料電池車が使用され、主な移動手段となる。中国は水素燃料電池自動車において「1から100」への飛躍的進歩を達成し、汚染物質の排出量を大幅に削減した。

冬季オリンピック会場を走る水素バス

（写真出典：CCTV公式サイト）

長年にわたる徹底的な研究の結果、人々は水素を恐れる気持ちから、今では水素に大きな期待を抱く気持ちに変わりました。水素エネルギーは、エネルギー構造の変革の過程において、すでにかけがえのない位置を占めています。北京冬季オリンピックは、水素エネルギーの世界的ショーケースとなり、水素エネルギーが空中や地上での利用だけでなく、一般大衆の心の中にも根付くこととなりました。

[速報] 従来の水素製造プロセス：どこにいても炭素排出が続く

水素エネルギーを安全かつ便利に利用するために、まず解決しなければならないのは水素製造の問題です。

水素は自然界から直接得ることができず、他の手段で準備する必要がある二次エネルギー源です。表 1 からわかるように、従来の水素製造方法には、主に化石エネルギーによる水素製造、産業副産物水素、水電気分解などの方法があります。現在、水素を製造する主な方法は、工業用天然ガス改質と石炭ガス化の 2 つです。

表1 世界と中国の水素生産構造の現状

（データソース：文献[1]）

工業用天然ガス改質による水素製造は現在、世界で最も広く使用されている水素製造方法であり、総水素生産量の 62% 以上を占めています。天然ガス改質の主な利点は、天然ガスが豊富なエネルギー源であり、炭素含有量が最も低い主要なエネルギー源であることです。抽出コストも低いです。長期にわたる開発を経て、完全かつ成熟した技術が形成され、生産規模の拡大が容易になりました。

しかし、この方法は環境に優しくありません。天然ガスの改質には、メタンを水素に変換する一連の化学反応が伴い、この過程で大量の二酸化炭素が排出され、気候変動の問題を悪化させます。

同時に、このプロセスは反応温度が高く（800～1000℃） 、業界では一般的にメタンの一部を燃焼させて反応熱を供給する方法が採用されており、これは直接的に1キログラムの水素を生産するために必要なエネルギー消費量と二酸化炭素排出量の増加につながり、天然ガス1立方メートルあたりに生産できる水素の量を減らします。生産される水素1キログラムごとに、8〜11キログラムの二酸化炭素が大気中に排出されます。

水素製造・貯蔵・輸送産業チェーンの概略図

（写真提供：veerフォトギャラリー）

水素を製造するもう一つの主な方法は石炭ガス化です。私の国の現在のエネルギー利用構造は依然として石炭が主流であり、石炭資源は比較的豊富でコストも比較的低いため、石炭ガス化による水素生産は私の国で広く使用されています。

しかし、石炭ガス化水素製造プロセスは複雑であり、工業用天然ガス改質水素製造よりもエネルギー消費量と炭素排出量が多くなります。石炭ガス化水素製造技術では、水素1キログラムあたり20～25キログラムの二酸化炭素が排出されます。さらに、石炭のガス化により二酸化硫黄や窒素酸化物などの他の汚染物質が発生する可能性が高くなり、大気汚染を引き起こしやすくなります。したがって、石炭ガス化による水素製造の総合的な経済的および環境的利点は、天然ガス改質による水素製造の総合的な経済的および環境的利点ほど良くありません。

しかし、上記の 2 つの従来の水素製造技術は、どちらも程度の差はあれ、温室効果ガスの排出を伴うと言わざるを得ません。 「デュアルカーボン」を背景に、従来の水素製造技術を直接利用して水素エネルギーの大規模生産を行うと、水素エネルギーと炭素排出の間に相容れない矛盾が生じ、水素エネルギーの効率的な生産と広範な使用が深刻に制限されます。

しかし、炭素含有エネルギーを水素エネルギーに変換する過程で生成される二酸化炭素をすべて回収して貯蔵または変換して利用することができれば、炭素排出量を大幅に削減または回避することができ、炭素含有エネルギーから生成される水素は真に「持続可能」で「グリーン」な水素エネルギーになります。これってできますか？中国の科学者の答えは「はい」です。

水素エネルギー

（写真提供：veer）

【スタンド】「ネットゼロ排出」天然ガス水素製造原理のブレークスルー

中国科学院工程熱物理研究所分散型エネルギー供給・再生可能エネルギー研究室は、複数製品の逐次分離の新原理と、逐次分離を駆動源とするメタン水蒸気改質の新方法を初めて提案し、摂氏400度の温和な条件下での「ネットゼロ排出」天然ガス水素製造の原理において画期的な進歩を達成した。

この新しい技術を使用すれば、理論的には天然ガス 1 立方メートルから 4 立方メートルの水素を生成できます。実際の試験結果は約3.85立方メートルで、これは工業用天然ガス改質の単位水素生産量（2.5立方メートル）より50％以上高い値です。燃焼を排除し、生成物の分離のためのエネルギー消費を削減することで、生成される水素 1 キログラムあたりのエネルギー消費が 20 ～ 40% 削減されます。

現在、同チームが開発したプロトタイプは、400℃、常圧の温和な条件下で、メタン変換率99%以上、水素と二酸化炭素の収率と選択率99%以上を達成し、高純度の水素と二酸化炭素を直接得ることに成功している。また、最大3週間、6,000サイクルの信頼性検証も完了しており、この技術の変革と応用の幅広い展望を予備的に実証しています。

同時に、この新技術では、複数の製品を秩序正しく分離することにより、天然ガス中のすべての炭素元素が高純度の二酸化炭素の形で直接捕捉され、二酸化炭素が大気中に直接放出されることを回避します。この技術は、大量の水素を生産しながら「実質ゼロ排出」を達成することができ、両方の長所を活かすことが可能です。

【科学】逐次分離＋段階的回収＋高純度回収＝ネットゼロ排出

それで、研究者たちはどのようにして水素生成の原理においてこの画期的な進歩を達成したのでしょうか?

まず、目的生成物である水素と二酸化炭素を順に分離することで、天然ガスを消費し、反応を経て変換し、より多くの水素と二酸化炭素を生成します。このプロセスでは、水素製造と脱炭素化の各ステップが完了するにつれて、天然ガスの消費量の割合が段階的に増加し、最終的に 100% 変換されます。

第二に、各中間分離工程で生成された水素と二酸化炭素を組み合わせることで、それぞれ高純度の水素製品と高純度の二酸化炭素製品を得ることができ、天然ガス原料から水素製品と二酸化炭素製品への最適な変換効果を達成することができる。同時に、2 つの製品を順次分離することで、分離に最も適した圧力条件を作り出すことができ、それによって製品の分離にかかるエネルギー消費を最小限に抑えることができます。

実験プラットフォームの概略図

（画像出典：参考文献[2]）

この新しい原理は、従来の水素製造技術とは異なり、天然ガスを水素に一度に変換することを意図的に追求していないため、非常に高い反応温度を必要としません。しかし、段階的な水素製造ルートに変更し、対応するプロセスを最適化することで、従来の水素製造と同じ天然ガスの100％変換効果を達成できます。

6000サイクルを超えるガス生成とH2/CO2比の安定性

（画像出典：参考文献[2]）

この技術が排出削減に最も貢献するのは、高純度の二酸化炭素を直接回収し、二酸化炭素の排出を削減するとともに、処理が難しい廃ガスである二酸化炭素を、多様な用途が期待できる資源へと変換する点です。

例えば、原油回収量を増やすために油井に注入したり、貯蔵のために地下に直接注入したりすることができます。二酸化炭素は化学原料として利用できるほか、食品加工・保存、医療、消防などにも利用できる。再生可能エネルギーが主流となる将来のエネルギー構造を見据えると、二酸化炭素をグリーン電力（太陽光発電など）で高付加価値の化学物質（ギ酸、メタノールなど）に変換し、さらに幅広い工業製品を製造することも重要な変換方法である。

この新しい技術には、高純度の炭素回収と再生可能エネルギーとの補完性という 2 つの大きな利点があります。エネルギー、化学産業等の分野における再生可能エネルギーの普及促進に貢献します。

【希望】「ネットゼロエミッション」が力を発揮します！

この温和な条件下での「ネットゼロ排出」水素製造技術の主な意義は、「デュアルカーボン目標」と再生可能エネルギーの積極的な発展に対する国家の大きな要求を背景に、従来の大規模なエネルギー使用と水素製造モデルを変革し、我が国のエネルギー構造の特徴に適した持続可能な水素製造技術を開発することです。

水素と二酸化炭素の生成物を秩序正しく分離するという新しい原理により、この新技術は、水素製造温度とエネルギー消費量の低減、水素製造と脱炭素化の統合、設備の小型化など、多くの面で画期的な進歩を達成し、水素エネルギー技術チェーン全体の検討に新たな視点をもたらしました。

分散型クリーンエネルギーマルチエネルギー補完エネルギーシステムの概略図（自作）

（画像出典：著者自作）

この技術は、現在の集中型、大規模から分散型、小規模、オブジェクト指向への水素生産の考え方の転換を促進することが期待されており、低炭素で持続可能な水素エネルギー技術の大規模な開発に大きな意義を持っています。

まず、この新技術は、炭素含有エネルギーに基づく水素製造に伴う高い二酸化炭素排出量を大幅に削減し、エネルギー消費量を減らし、エネルギー利用効率を向上させ、炭素含有エネルギーに基づく水素エネルギーを持続可能なものにすることができます。

第二に、水素エネルギー技術チェーン全体の各リンクで現在直面している課題に対応するため、この技術は天然ガスをキャリアとして使用し、水素エネルギーの「生産」、「貯蔵」、「輸送」の問題をより適切に解決し、水素エネルギーの貯蔵および輸送コストと安全リスクを大幅に削減し、水素エネルギーの開発、応用、普及を加速します。

第三に、天然ガスをベースとした分散型水素製造のアイデアは、既存のガスパイプラインサイトのインフラストラクチャを最大限に活用し、投資コストを大幅に削減することができます。

最後に、分散型水素製造は、太陽エネルギーや産業廃熱などの低炭素エネルギーの分散特性と一致します。両者を組み合わせることで、水素エネルギーの持続可能性をさらに向上できるだけでなく、炭素含有エネルギーの優位性を利用して再生可能エネルギーの吸収能力を高めることもできます。

結論

炭素排出量の削減は、化石エネルギー技術と再生可能エネルギー技術の共通の目標です。この目標を達成するためには、エネルギー構造の実態を踏まえ、「節約」と「収益増加」の両面に取り組み、効率的で低炭素な化石エネルギー利用技術や、安定的かつ低コストな再生可能エネルギー技術を開発する必要があります。

したがって、化石エネルギー（石炭、天然ガスなど）のクリーンかつ効率的な利用を基本に、この優位な立場の利点をさらに活用して、太陽エネルギーなどの再生可能エネルギーの開発を加速するとともに、化石エネルギー技術の脱炭素化を実現し、エネルギー変革を支援しながら両者にとってウィンウィンの状況を実現する必要があります。

「デュアルカーボン」戦略は、決して特定の分野や業界における一方的な戦いではなく、社会のあらゆるセクターが共同で行動し、グリーンで持続可能な開発の解決策を共同で模索することを必要とします。このプロセスにおいて、科学者は新しいアイデアを生み出し、新たなブレークスルーを見つけるという重要な任務を担っています。これからの道は長いですが明るいです。前進し続ければ目的地にたどり着くでしょう。

参考文献:

1. Liu Shanze、Yu Qing、Guan Jian。水素エネルギー利用と産業発展の現状と展望[J]。エネルギーとエネルギー節約、2022年、第206号（11）：18-21。DOI：10.16643 / j.cnki.14-1360 / td.2022.11.038。

2. Yunyi Ling、Hongsheng Wang、Mingkai Liu、他。温和な条件下での水素生成のための連続分離駆動型太陽光メタン改質[J]。エネルギー環境。 Sci.、2022、15、1861。DOI: 10.1039/d1ee03870b。