全国低炭素デー |地質水素：地中深くに隠されたグリーンエネルギーの宝

今日は全国低炭素デーです。人類社会の急速な発展に伴い、エネルギーの需要は増加しています。しかし、石炭、石油、天然ガスなどの従来の化石エネルギー源は、燃焼の過程で大量の二酸化炭素を生成し、地球温暖化を悪化させます。そのため、クリーンで再生可能な低炭素エネルギーの探求が世界的な焦点となっています。その中で、地質水素は、新興のクリーンエネルギーとして、徐々に人々の注目を集めるようになりました。

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01水素の「レインボーファミリー」

水素は宇宙で最も一般的な元素の一つであり、ほぼどこにでも存在します。水素は無色、無臭で非常に可燃性が高く、通常、水 ( H₂O )、メタン ( CH₄ )、アンモニア( NH₃ ) などの他の化合物から分離するには、ある程度のエネルギーが必要です。産業界では、水素を製造する方法が数多くあります。製造方法によって、主にグレー水素、ブルー水素、グリーン水素の3種類に分けられます。

グレー水素は、化石燃料（石油、天然ガス、石炭など）の燃焼または処理によって生成される水素です。このタイプの水素の生産技術は成熟しており、コストも比較的低いです。現在でも世界の水素生産の大部分を担っています。欠点としては、製造工程で二酸化炭素などの温室効果ガスが大量に排出されるため、クリーンなエネルギーではないという点です。

天然ガスの燃焼（出典：Wikipedia）

ブルー水素も化石燃料から生成されますが、グレー水素とは異なり、ブルー水素は製造過程で放出された二酸化炭素を捕捉して貯蔵し、温室効果ガスの排出を削減します。したがって、グレー水素と比較すると、ブルー水素はより環境に優しいと考えられます。しかし、このタイプの水素は、過渡的なクリーンエネルギーソリューションとしてのみ考えることができます。結局のところ、その生産は依然として化石燃料に依存しています。

燃焼後炭素回収技術（出典：Wikipedia common）

グリーン水素は、太陽エネルギーや風力エネルギーなどの再生可能エネルギー源を利用して水を電気分解して生成される水素です。生産プロセス全体で温室効果ガスを排出しないため、最も環境に優しく、持続的に再生可能なタイプの水素と考えられています。現在の生産コストは比較的高いものの、技術の継続的な進歩により、グリーン水素は将来のエネルギーシステムにおいて重要な位置を占めると予想されています。

グリーン水素再生可能エネルギー生産パイプライン - クリーン電力太陽光発電および風力タービン施設向けグリーン水素（著作権画像は図書館所有、転載は著作権紛争の原因となる可能性があります）

オーストラリアのスウィンバーン工科大学のビクトリア水素センターでは、上記の3種類に加え、水素をさらに黄色水素、茶色水素、青緑色水素、ピンク色水素、白色水素に分類しています。異なる発生源から得られるこれら 8 種類の水素は、カラフルな色にちなんで命名されており、素晴らしい「レインボー ファミリー」を形成しています。

さらに驚くべきことは、金水素や天然水素という用語が最近登場したことです。これらはどのようなタイプの水素ですか?

02地質水素の無限の可能性

実際、いわゆるホワイト水素、ゴールデン水素、そして天然水素、つまり自然界で自然に生成される水素資源である地質水素は、今日の私たちの議論の主役です。 1987年、西アフリカ内陸部のマリ共和国で、石油・ガス田探査会社が古代村ブラケブでの掘削作業中に事故に遭遇した。可燃性ガスが継続的に放出されたため、掘削孔が爆発した。事故後、掘削孔は封鎖された。 2012年に技術者らが再び掘削孔を開けたところ、まだ可燃性ガスが放出されていることに驚きました。検査の結果、水素含有量は98%にも達することが判明しました。

その後、地元当局はここに発電機を設置し、簡易な水素発電所を建設した。さらに驚くべきことは、放出から10年以上経った後でも、掘削孔内のガス圧は弱まる兆候が見られないことであり、これは水素が地下深くで継続的に生成され、補充されていることを示している。地質学者たちは、この発見は画期的なものになるかもしれないと考えている。これは、「純粋な水素が地表近くに存在することはほとんど不可能」という従来の概念を打ち破っただけでなく、地質学的水素の開発に人々の注目を集めています。

地質水素はどのように生成されるのでしょうか?研究の結果、地質学者は地質学的水素は地下水とマントル内の鉄分を多く含む岩石との相互作用の結果であると考えています。地下水が高温高圧下で鉄分を多く含む岩石に接触すると、化学反応が起こります。例えば、水はオリビンと反応して水素を放出しながら別の鉱物である蛇紋石になります。

オリビンは、マグネシウムと鉄のケイ酸塩鉱物で、通常はエメラルドグリーンまたはオリーブグリーンですが、時には淡黄色または灰緑色のこともあります。オリーブの色にちなんで名付けられました。地質学者の観点から見ると、カンラン石は珍しいものではありません。それは地球上のあらゆる場所で発見されています。オリビンとその変種は地球のマントル物質の50% 以上を占めており、地球上のほぼすべての種類の噴出岩にオリビンが含まれています。カンラン石が地下に広く分布しているからこそ、地質学的水素の形成に特有の自然条件が作り出されるのです。

溶岩から浸食されたオリビン結晶（出典：Wikipedia ）

メディアの報道によると、フランスの科学者たちは実験を通じて地質学的水素の生成原理を確認し、触媒を加えることで水素の生成を大幅に加速できることを発見した。科学者たちは、ダイヤモンド圧力室と呼ばれる小さな圧力鍋（内部の小さな空間は鉛筆の芯ほどの幅）に水、オリビン、酸化アルミニウム（触媒）を入れました。 200～ 300度の高温、 2000パスカルの高圧下で24時間反応させ、水素を得ることに成功した。実験結果によると、触媒酸化アルミニウムは地質水素の自然生成プロセスを7〜50倍加速できることがわかりました。大量の水素を迅速に生産するこの新しい方法は、地質水素の開発と広範な応用を促進することが期待されます。

03地質水素ゴールドラッシュ

多くの学者は「地質水素」を特別な機会と捉えています。その理由は、地質水素の生成プロセスは環境への影響が最小限であり、開発プロセスはブルー水素やグリーン水素よりもクリーンかつ安価であるだけでなく、埋蔵量も膨大であり、将来のエネルギー開発分野において大きな潜在力と応用価値を有していることを示しているからです。

関連データによると、現在の世界の水素エネルギー需要は年間約9,400万トンで、 2050年までに世界の水素エネルギー需要は現在の10倍に増加すると予想されています。米国地質調査所の調査によると、世界の地下には最大5兆トンの水素資源が存在するという。その大半は現在の技術では採掘できないが、たとえほんの一部でも入手できれば、人類の水素需要を何世紀にもわたって満たすのに十分である。

学者たちは地質水素の開発の可能性を鋭く認識しており、ますます多くのエネルギー企業が地質水素研究プロジェクトを立ち上げ、「ゴールドラッシュ」を引き起こしている。アメリカの雑誌「サイエンス」は、「地表下の天然水素源の発見」を2023年の科学上の10大ブレークスルーの1つに挙げた。

近年、多くの国で地質学的水素の発見事例が報告されています。例えば、2023年5月にはフランスのロレーヌ盆地で、埋蔵量が最大4,600万トンの高濃度地質水素が発見されました。これは現在までに世界最大の地質学的水素鉱床である可能性があります。 2023年10月、オーストラリアは南オーストラリア州で初の地質水素井を掘削し、地下240メートルの深さのガスに最大73.3％の高濃度の水素が含まれていることを発見しました。しかし、この地質学的水素田の商業的実現可能性については、さらに評価する必要がある。 2024年末までに試作生産に入る予定だ。

しかし、地質水素の探査と開発には依然として多くの課題が残っています。最初の仕事は、科学的な方法を通じて豊富な鉱物資源を見つけることです。第二に、地下の岩石層における水素生成反応を刺激し、商業採掘のニーズを満たすために水素生成効率を向上させるための効果的な方法（水注入、岩石加熱など）を研究する必要がある。第三に、開発プロセスでは、可燃性・爆発性のある大容量の水素を生産現場から使用現場まで安全に輸送する方法も考慮する必要があり、ガスの圧縮、化学合成、パイプラインの建設など多くの問題を解決する必要があります。

水素の「レインボーファミリー」

（画像出典：https://www.swinburne.edu.au/news/2022/05/the-colours-of-hydrogen-explained/）

ペリドット（写真：馬志飛）

高品質のペリドットも美しい宝石です（写真：馬志飛）

蛇紋岩。特定の温度と圧力条件下では、オリビンは水熱反応によって変化し、蛇紋石に変化することがあります。 （撮影：馬志飛）

サーペンタイン（撮影：馬志飛）

著者: 馬志飛は、北京科学作家協会会員で、人気科学作家です。『紅楼夢』や『ガラスの地球』など、10 冊以上の人気科学書を執筆しています。天然資源部の優秀科学普及図書賞、呉大有科学普及図書賞、中国天然資源作家協会の「中国宝石文学賞」科学普及作品賞を受賞。

査読者: 李瑞霞、シノペックニュースター（北京）新エネルギー研究所副所長兼研究員、国立地熱センター

制作：中国科学普及協会

制作：中国科学技術出版社、中国科学技術出版社（北京）デジタルメディア株式会社