クリーンエネルギーにもバグはあるのでしょうか?保管するには多すぎます!テクノロジーの結合は「修復可能」かもしれない

9月、中国エネルギー研究学会と常州市政府が共催する「カーボンピークとカーボンニュートラルに関する国際フォーラム（2024年）および国際新エネルギー博覧会」が常州で開幕した。

画像出典: CCTV.com

「3060デュアルカーボン」目標を達成するためには、エネルギー分野が主戦場となる。石炭火力発電は我が国の電力供給の主力であり、今後も長期間にわたって変わることはありませんが、大量の二酸化炭素を排出します。風力や太陽光などの新しいエネルギー源を最大限に活用することは、電力の低炭素化への重要な道です。しかし、これらの新しいエネルギー源には無視できない「バグ」があります。

01クリーンエネルギーには「バグ」があるか？

風力エネルギーや太陽エネルギーなどのグリーンエネルギーは、クリーンで低炭素であるという利点がありますが、石炭火力発電と同様に、電気に変換された後、大規模に貯蔵することができず、他の化学エネルギーや位置エネルギー、機械エネルギーにさらに変換する必要があるという欠点もあります。

太陽電池パネル（ギャラリーの著作権保護画像、転載は著作権紛争につながる可能性があります）

この問題を解決するために、科学者たちは水素をアンモニアとメタノールに変換するというアイデアを提案しました。つまり、グリーン電力の水の電気分解によって生成された水素を、空気中の窒素または火力発電所によって生成された二酸化炭素と比例して混合し、それを圧縮し、触媒条件下で反応させてアンモニアまたはメタノールを生成するのです。

アンモニアとメタノールは水素含有量が高く、性質が安定しており、保管や輸送が容易です。これらは重要な化学製品や燃料です。加熱・分解後、急速に脱水素化できるため、優れた水素貯蔵キャリアとなります。

これは「電気・水素・炭素カップリング」の原理であり、風力と太陽エネルギーで発電した電気と水の電気分解で製造した水素、火力発電所から排出される二酸化炭素を利用し、国境を越えたカップリングと物質改質を通じて、化学的性質が安定しており、貯蔵と輸送が容易なアンモニアとメタノールを生成し、風力エネルギー、太陽エネルギー、電気、水素のエネルギー貯蔵と輸送の閉鎖チェーンを実現するというものである。

風力タービン（ギャラリーからの著作権画像、転載は著作権紛争につながる可能性があります）

02 ステップ1：水の電気分解による水素製造

水電気分解による水素製造技術には、主にアルカリ水電気分解による水素製造、プロトン交換膜水電気分解による水素製造、固体酸化物水電気分解による水素製造の 3 つの方法があります。実際のルートでは、アルカリ水電気分解による水素製造が約60％、プロトン交換膜水電気分解による水素製造が30％を占めています。

（１）アルカリ水電気分解による水素製造

♦変換効率：アルカリ水電解による水素製造の変換効率は70％～80％で、水素1立方メートルあたりの電力消費量は約5kWhである[1]

♦利点：20 世紀半ばに工業化が達成され、商業的に成熟度が高く、運用期間が長くなりました。

♦デメリット：電解液として強アルカリを使用すると腐食性があり、電解セルに使用されるアスベスト隔膜にも一定の環境的危険性があります。研究によると、現在の技術的条件下では、水電気分解による水素生産は、再生可能エネルギーの電力価格が0.1元/kWhに下がった場合にのみ有利になることが判明しています[2]。したがって、エネルギー効率の低さとエネルギー消費量の高さは、開発において解決する必要がある問題として依然として残っています。

（２）プロトン交換膜水電気分解による水素製造

♦変換効率：プロトン交換膜水電気分解による水素生成の変換効率は75％～85％で、水素1立方メートルあたりの電力消費量は約4.5～5.5kWhです。

♦利点：純水を原料として使用しているため、高電流密度、高水素純度、高速応答速度、小さな電解槽容量、柔軟な操作、急速な負荷変化、風力発電や太陽光発電との強力な互換性などの利点があります。

♦欠点：貴金属（白金、イリジウム）触媒と特殊な膜材料の使用が必要であり、コストは同じサイズのアルカリ電解装置の約3〜5倍です[1]。

（３）高温固体酸化物水電解による水素製造

固体セラミックを電解質として使用し、500〜1000℃の高温で反応することで、理論上の変換効率は100％に達するかそれに近づくことができ、触媒は貴金属に依存しませんが、まだ技術実証とシステムテストの段階にあります。

ギャラリー内の画像は著作権で保護されています。転載して使用すると著作権侵害の恐れがあります。

03 ステップ2:

（１）グリーン水素＋窒素→グリーンアンモニア

高温高圧触媒の作用によりグリーン水素と窒素からグリーンアンモニアを合成するプロセスは、主に水素と窒素の圧縮、アンモニア合成と凝縮分離、アンモニアの圧縮と冷却から構成されます。

理論上、0.18 トンの水素から 1 トンのアンモニアを生成できます。グリーンアンモニアの製造コストのうち、電気代と設備投資が大きな割合を占めます。 10～15MPa、350～500℃の条件下で製造する必要があります。一般的に使用される触媒は鉄またはルテニウムです[1]。したがって、現在、グリーン水素からグリーンアンモニアを生産する際の主な課題は、システムの柔軟性と全体的な変換効率をさらに向上させるために、より安全で経済的かつ効率的なグリーン水素からアンモニアへのプロセスをどのように開発するかということです。

グリーン水素製造（著作権画像はライブラリから取得しており、転載すると著作権紛争が発生する可能性があります）

（２）グリーン水素＋二酸化炭素→メタノール

グリーン水素が二酸化炭素を結合してメタノールを生成する手順は、水素の準備、二酸化炭素の回収、メタノールの合成、蒸留です。反応プロセスは、高温高圧条件下で二酸化炭素と水素が触媒の作用によりメタノールと水を生成するというものです。

反応の難しさは触媒の選択にあります。現在使用されている触媒は主に銅系触媒、パラジウム系触媒、インジウム系触媒、酸化物固溶体触媒です。中でも銅系触媒は製造が簡単で原材料が経済的であることから産業界で広く使用されています。今後、二酸化炭素を水素化してメタノールを製造する際に解決すべき技術的課題は、高活性、高選択性、高安定性を備えた触媒を開発することです。

水素プラント（ギャラリーからの著作権画像、転載は著作権紛争を引き起こす可能性があります）

04我が国の技術革新

現在、我が国のアルカリ水電解水素製造の主要設備の一部の主な性能指標は、国際的に先進的なレベルに近づいています。単一タンク電解水素生産量が大きく、グリッド電解水素生産に非常に適しています。

合成アンモニアに関して言えば、国内の大規模合成アンモニア産業は基本的に国際先進レベルに達しており、合成アンモニア技術は3.0時代に突入している。例えば、中国科学院大連化学物理研究所は、配位水素化物材料をアンモニアの触媒合成に初めて応用し、新しいタイプのアルカリ（土類）金属ルテニウムベースの三元水素化物触媒を開発し、温和な条件下でのアンモニアの触媒合成を実現し、国際的にトップレベルに達しました[3]。

合成メタノールに関しては、中国科学院上海高等研究院と海洋石油福田公司が年間5,000トンのCO2水素化メタノール実証ユニットを完成させた。中国科学院大連化学物理研究所は、蘭州新区グリーン化学研究所に1000トンの液体太陽燃料合成実証プロジェクトを建設した。西南化学研究設計研究所株式会社と魯西化学グループ株式会社は、年間5,000トンのCO2水素化メタノール製造テストパイロットユニットを開発しました。CO2変換率とメタノール選択性は同様の技術の先進レベルに達し、熱結合プロセスによりメタノールの単位エネルギー消費量が大幅に削減されました[4]。

05 今後の展望

中国科学技術協会は2024年7月、「2024年中国十大最先端科学課題」を発表し、電力・水素・炭素の連携による新エネルギーの大規模開発と石炭火力発電のグリーン化の協調的推進に言及した。

電気・水素・炭素結合技術プロセスにより、再生可能エネルギーの大規模利用、水素エネルギーの長距離輸送・貯蔵、石炭火力発電所からの二酸化炭素の資源利用が実現しました。同社は石炭火力発電のグリーン化と低炭素化を推進するとともに、グリーンアンモニアやグリーンメタノールなど、重要な環境的・生態学的価値と一定の経済的利益を有する再生可能なグリーン原料・燃料を合成した。

将来的には、科学技術の継続的な進歩により、太陽光発電パネルや電解装置などの主要機器のコストが削減され、触媒の性能が大幅に向上するでしょう。電力、水素、炭素の国境を越えた連携コストは引き続き低下し、産業チェーンの統合効果と技術の規模効果が引き続き現れ、連携した産業チェーンは引き続き拡大します。より多くのグリーン製品とグリーンエネルギーが登場します!

著者: 劉 漢斌、山西省石炭地質局上級エンジニア

査読者: 黄偉、太原理工大学石炭化学工学研究所教授、博士課程指導者

制作：中国科学普及協会

参考文献:

[1] 林光平、劉兆川、聶李ら。石炭と再生可能エネルギーを高度に融合した典型的なゼロカーボン統合エネルギーシステムの構築[J]。クリーンコールテクノロジー、2022年、28（11）：90-104。

[2] Li Bin、Pan Yuqing、Wen Huajie、他。炭素排出削減に基づく水素・電力資源連携開発の現状と展望[J]。電力供給と使用、2023年、40(10):106-113。

[3] ブ・イェ中国と海外のチームが「グリーン」なアンモニア合成を実現するための新しい触媒を開発している[N]。中国科学日報。 2021-11-30、1ページ目。

[4] 彭生江、楊淑霞。システムダイナミクスに基づく風力・水素・石炭連成システムの容量最適化構成モデルの構築と検証分析[J]。科学技術経営研究、2023年、43（16）：203-214。