空気から燃料？この技術はエネルギーのコードを保持しているかもしれない

制作：中国科学普及協会

制作：ヘシアン

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

「川のさわやかな風や山の明るい月は、耳で聞くと音となり、目で見ると色となります。それらは無限であり、尽きることのないものです。それらは創造主の無限の宝なのです。」このように言った蘇軾は非常に洞察力に富んでいたが、そよ風が「米を使わずに料理する」だけでなく「万能薬」にもなり得るとは夢にも思わなかっただろう。

つい最近、中国の科学者らは実験室で空気中の二酸化炭素からデンプン分子の完全合成に初めて成功し、食糧危機と気候変動に対処するための有望な戦略を示した。

偶然にも、スイス連邦工科大学チューリッヒ校（ドイツ語：Eidgenössische Technische Hochschule Zürich、略称ETH）の研究チームは最近、太陽光と空気を利用して液体炭化水素やメタノール燃料を直接生成する装置を設計し、二酸化炭素の吸収と利用に向けた新たな明るい道を示した。

この成果はトップクラスの学術誌「ネイチャー」に掲載されました。この装置は、通常の条件下で稼働した場合、1日7時間の稼働時間で32mlのメタノールを生産できると報告されている。すごいと思いませんか？調べてみましょう。

画像出典: Nature

空気から燃料への秘密:

スイス連邦工科大学のロボット実験棟の屋上にあるこの金色の実験装置一式が、今日の物語の主人公です。見た目は並外れていて、シンプルかつエレガントで、日傘を持っているのでとてもスタイリッシュに見えます。内部は外観と同じくらいシンプルですか?そうではないようですが、少し複雑です。

実験装置のプロセスフローチャート（画像出典：Nature）

しかし真実は常に単純です。誰もがその動作原理をより明確かつ迅速に理解できるように、空気燃料を生成するデバイスの簡単なフローチャートを参考として示します。

画像出典：著者作成

私たちは皆、自然界には質量保存の法則という重要な法則があることを知っています。化学反応中、物質内の原子の種類は変化せず、その数は増加も減少もしません。座席を変更した後にクラスがグループに再分割されるのと同じように、それらは単に再結合され、ある接続方法から別の接続方法に変換されます。原子はシャッフルされ、再編成されますが、クラスの人々は同じままです。

メタノールやその他の液体炭化水素燃料を得たい場合、それらを製造するための原材料にも同じ元素、つまり炭素、水素、酸素が含まれている必要があります。空気は窒素、酸素、希ガス、二酸化炭素などの物質を含む混合物です。二酸化炭素の体積分率は約0.04％、水蒸気などの不純物は約0.002％です。含有量は比較的多く、必要な元素が含まれているため、液体燃料の製造が可能になります。空気回収装置で収集・精製すると、比較的純粋な二酸化炭素（純度98％）と水（汚染物質は0.2ppm未満、ppmは百万分の一を意味します）が得られます。次の課題は二酸化炭素と水を燃料に変換することです。

直接変換は難しいため、当面の対策としては、まずこれらを合成ガス、すなわち水素と一酸化炭素に調製し、多くの化学原料を製造するための原料ガスとする。この実験装置が採用した方法は、太陽エネルギーを利用して、三酸化セリウムによる二酸化炭素と水蒸気の酸化還元反応を促進するというものです。二酸化炭素と水はそれぞれ一酸化炭素と水素に還元され、三酸化セリウムは二酸化セリウムに酸化されます。酸化生成物である二酸化セリウムは、吸熱還元によって酸素と三酸化セリウムに還元することもできるため、リサイクルに便利です。合成ガス、一酸化炭素、水素は反応装置に入り、空気燃料である液体炭化水素またはメタノールという目的生成物を生成します。

実際の実行効果：

空気を原料として液体燃料を生産するというこの方法は合理的に思えますが、実際に実現可能でしょうか?まず、生産について見てみましょう。研究者らは、通常の作業条件下では、この装置は1日7時間稼働し、17回の連続した酸化還元サイクルを通じて合計96.2リットルの合成ガスを生成し、装置内でさらにメタノールに加工できることを発見した。

この装置で測定した合成ガスの単回モル変換率は27%で、生成されたメタノールの純度は65%でした。

残りの未変換合成ガスを 6 回変換した後、最終的な総モル変換率は 85% になります。 1日7時間運転した場合、得られる純メタノールの量は32mlです。この出力の燃焼熱は、9 ワットの蛍光灯が 15 時間消費する電力に匹敵します。もちろん、このタイプの装置はメタノールの生産に限定されません。特定の合成プロセスを選択することで、他の炭化水素燃料もカスタマイズできます。

研究者たちは、この成果が商業的に利用されれば、莫大な利益が生まれるだろうと予想している。たとえば、商業規模の太陽燃料プラントでは、各フィールドが 100 MW の太陽熱放射を収集し、システム全体の効率 η が 10% であると仮定すると、10 個のヘリオスタット フィールドを使用できます。これにより、1日あたり95,000リットルの灯油が生産され、325人の乗客を乗せたエアバスA350にロンドンからニューヨークまで往復する燃料として十分になります。

画像出典: 中国科学普及協会

では、これらの燃料の品質はどうでしょうか?従来の航空燃料と比較してみましょう。現在、航空灯油を製造する従来の方法は重油の水素化分解であり、その生成物には必然的に硫黄含有化合物、窒素含有化合物、多環芳香族炭化水素、重金属などの大気汚染物質が含まれます。燃焼試験により、太陽酸化還元装置で製造されたジェット燃料は有害物質の排出が大幅に削減されることが示されており、これは独自の利点です。さらに、石油は再生不可能なエネルギー源ですが、空気は継続的に得ることができるため、長期的にはより有望です。

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振り回すの意味：

物語はそこで終わらない。この太陽光酸化還元装置では、太陽エネルギーの作用により二酸化炭素と水が液体燃料に変換され、その液体燃料を使用すると再び二酸化炭素と水が生成されます。物質的な観点から見ると、炭素排出量と消費量は等しいため、研究者はこれを「カーボンニュートラルの画期的な出来事」と呼んでいます。エネルギーの観点から見ると、燃料製造プロセスにおけるエネルギーのほとんどは太陽エネルギーから得られ、その後の燃料燃焼は必要に応じて他の形態のエネルギーに変換することができ、これはクリーンエネルギーの間接的な使用に相当します。

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さらに研究者らは、現在の太陽燃料システムの性能に基づくと、空気回収装置で年間10万トンの二酸化炭素を回収するには約4,500平方メートルの面積が必要になると計算した。システム全体の効率 η が 10% であると仮定すると、このような太陽燃料プラントは年間約 3,400 万リットルの燃料を生産することになります。比較すると、2019年の世界航空灯油消費量は4,140億リットルでした。世界の需要を完全に満たすには、すべての太陽光発電所の総面積は約45,000平方キロメートルになる必要があり、これはサハラ砂漠の面積のわずか0.5％です。

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太陽燃料システムは、原材料が容易に入手可能で、環境に優しく、設置面積が小さいため、普及しやすいようです。しかし、現実には課題に直面しています。太陽熱化学燃料の初期投資コストは非常に高いです。従来のジェット燃料は通常1リットルあたり1ドル以下ですが、ソーラージェット燃料は1リットルあたり10ドル以上かかるため、短期的には有利ではありません。

これを踏まえて、研究者たちは2つの点を考慮しています。まず、彼らは第一世代の商用太陽燃料発電所のための短期的な市場を創出するための政策支援を求めている。このステップは重要です。第二に、規模の経済とプロセスの最適化、主要部品の大規模生産、継続的な改善によるコスト削減を通じて自己改善を求め、それによって市場競争力を向上させます。

脱炭素化は長期的なテーマです。それは特定の地域や集団だけが考える問題ではなく、人類全体が直面する問題です。質量保存の観点から見ると、炭素は消滅するのではなく、より有益な存在形態に変換することができます。今のところ、CO2 の変換ポテンシャルがどの程度あるのか、また、CO2 の用途がどの程度あるのかはわかっていません。すべては人間の想像力にかかっており、それが革新と変化の源なのです。

参考文献:

Schäppi、R.、Rutz、D.、Dähler、F. 他。太陽光と空気から燃料をドロップインします。ネイチャー（2021年）。