水素製造

水素ガスはいくつかの工業的方法で生産されています。[ 1 ]現在、世界で供給されている水素のほぼすべては化石燃料から作られています。[ 2 ] [ 3 ]水素のほとんどは、水蒸気メタン改質によって作られるグレー水素です。このプロセスでは、天然ガスの主成分であるメタンと水蒸気の化学反応によって水素が生成されます。このプロセスで1トンの水素を生産すると、6.6～9.3トンの二酸化炭素が排出されます。 [ 4 ]これらの排出量の大部分を二酸化炭素回収・貯留によって除去すると、ブルー水素として知られています。[ 5 ]

グリーン水素は通常、水の電気分解によって再生可能電力から生成されるものと理解されています。 [ 6 ] [ 7 ]頻度は低いですが、グリーン水素の定義には、バイオマス などの他の低排出源から生成される水素も含まれます。 [ 8 ]現在、グリーン水素の生産はグレー水素の生産よりも高価であり、エネルギー変換効率は本質的に低いです。 [ 9 ]その他の水素製造方法には、バイオマスガス化、メタン熱分解、地下天然水素の抽出、 [ 10 ] [ 11 ]および水素原位置合成などがあります。 [ 12 ] [ 13 ]

2023年時点で、専用水素生産量のうち、低炭素水素、すなわちブルー水素、グリーン水素、バイオマス由来の水素は1％未満である。[ 14 ]

2020年には、世界中で約8,700万トンの水素が生産されました[ 15 ]。石油精製、ハーバー法によるアンモニア製造、一酸化炭素還元によるメタノール製造など、様々な用途で使用されています。世界の水素生成市場は2022年に1,550億米ドルと推定され、2023年から2030年にかけて年平均成長率9.3%で成長すると予想されています[ 16 ]。

概要

コラ超深度掘削孔で分子状水素が発見されました。天然の貯留層に分子状水素がどれだけ存在するかは不明ですが、少なくとも1社[ 17 ]が水素抽出のための井戸掘削を専門としています。リソスフェア中の水素のほとんどは、水中の酸素と結合しています。

元素水素の製造には、化石燃料や水などの水素キャリアの消費が必要です。前者は化石資源を消費し、水蒸気メタン改質（SMR）プロセスでは温室効果ガスである二酸化炭素が発生します。一方、より新しいメタン熱分解プロセスでは、温室効果ガスである二酸化炭素は発生しません。これらのプロセスでは、通常、化石燃料以外のエネルギー投入は必要ありません。

天然ガスの水蒸気改質（水素製造プロセス）の入出力を示す。2020年現在、炭素隔離工程は商業的に利用されていない。

後者のキャリアである水を分解するには、何らかの一次エネルギー源（化石燃料、原子力、または再生可能エネルギー）から生成される電気または熱の入力が必要です。風力や太陽光などの再生可能エネルギー源を用いて水を電気分解して生成される水素は、グリーン水素と呼ばれます。[ 18 ]温室効果ガスを排出しないメタン熱分解によって天然ガスから生成される水素は、ターコイズ水素と呼ばれます。[ 19 ]

温室効果ガスを排出する化石燃料由来の水素は、一般的にグレー水素と呼ばれます。二酸化炭素排出量の大部分を回収する場合は、ブルー水素と呼ばれます。[ 20 ]石炭から生成される水素は、ブラウン水素またはブラック水素と呼ばれることがあります。[ 21 ]

製造方法による分類

水素はその起源を示すために様々な色で呼ばれることが多い（おそらく灰色は「汚れた水素」を象徴するためだろう[ 22 ]）。[ 23 ] [ 24 ] [ 11 ]

製造方法を示す色[ 25 ]
色 生産元 プロセス/方法/化学 温室効果ガス排出量[ 26 ]注記 参考文献
緑再生可能電力：風力、太陽光、水力、潮力、地熱。

バイオマスなどの低排出源からの電力も含まれる場合があります。

水の 電気分解

2 H 2 O → 2 H 2 + O 2

最小限 [ 7 ]
ターコイズ化石炭化水素：天然ガス、別名メタンメタンの熱分解（熱分解）

CH 4 → C + 2 H 2

最小限 固体炭素副産物 [ 27 ] : 28 [ 28 ] : 2
青化石炭化水素：天然ガス 炭素回収・貯留を伴うガス改質

第 1 段階: CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2

第2段階：CO + H 2 O → CO 2 + H 2

低い CCSネットワークが必要 [ 27 ] : 28
グレー化石炭化水素：天然ガス 天然ガスの 水蒸気改質

第 1 段階: CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2

第2段階：CO + H 2 O → CO 2 + H 2

高い 発生 するCO2[ 27 ] : 28 [ 29 ] : 10 [ 28 ] : 2
黒化石炭化水素：石炭（無煙炭） 石炭の炭化またはガス化

第 1 段階: 3 C (つまり石炭) + O 2 + H 2 O → H 2 + 3 CO

第2段階：CO + H 2 O → CO 2 + H 2

C 24 H 12 + 12 O 2 → 24 CO + 6 H 2

非常に高い 発生 するCO2[ 30 ]
茶色化石炭化水素：褐炭（亜炭） 石炭の炭化またはガス化

ブラック水素として

非常に高い 発生 するCO2[ 31 ] : 91
赤原子力 核熱：熱分解熱化学的水分解

H 2 O( l ) ⇌ H 2 ( g ) + 1/2 O 2 ( g )  

最小限 [ 30 ]
ピンク原子力 原子力発電と水：電気分解

2 H 2 O → 2 H 2 + O 2

最小限 [ 30 ]
紫原子力 核熱と水：電気分解と熱分解

2 H 2 O → 2 H 2 + O 2

最小限 天然ガス改質にも蒸気を供給する [ 28 ] : 2 [ 22 ]
黄色太陽光発電 電解

2 H 2 O → 2 H 2 + O 2

最小限 [ 24 ]
金水素 枯渇した油井、掘削における微生物活動 低い CCSネットワークが必要 [ 32 ] [ 11 ]
白地下鉱床に自然発生する水素 掘削、採掘 最小限 [ 30 ]

現在の製造方法

蒸気改質 - 灰色または青

水素は、天然ガスを用いた水蒸気改質法（SMR）によって工業的に生産されます。[ 33 ]生成される水素のエネルギー含有量は、元の燃料のエネルギー含有量の約74%です。[ 34 ]これは、一部のエネルギーが製造中に過剰な熱として失われるためです。一般的に、水蒸気改質法は温室効果ガスである二酸化炭素を排出するため、グレー水素として知られています。二酸化炭素を回収・貯蔵すると、生成される水素はブルー水素として知られています。

水蒸気メタン改質法（SMR）は、天然ガス（主にメタン（CH 4））と水から水素を生成します。これは最も安価な工業用水素源であり、世界の水素の約50%を供給しています。[ 35 ]このプロセスは、ニッケル触媒上で水蒸気の存在下でガスを700～1,100℃（1,300～2,000°F）に加熱することから成ります。その結果生じる吸熱反応により 、一酸化炭素と分子状水素（H 2）が生成されます。[ 36 ]

水性ガスシフト反応では、一酸化炭素が水蒸気と反応してさらにH 2を生成します。WGSRでは、通常、酸化鉄などの酸化物を触媒として用います。副産物としてCO 2が生成されます。[ 36 ]原料（天然ガス、ナフサなど）の品質にもよりますが、1トンの水素を生成すると、回収可能な温室効果ガスであるCO 2が9～12トンも生成されます。[ 37 ]

このプロセスでは、高温の蒸気（H 2 O）がメタン（CH 4）と吸熱反応を起こして合成ガスを生成します。[ 38 ]

CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2

第二段階では、約360℃（680℉）で行われる低温の発熱水性ガスシフト反応によって追加の水素が生成されます。

CO + H 2 O → CO 2 + H 2

本質的には、追加の水（蒸気）から酸素（O）原子が除去され、COがCO 2に酸化されます。この酸化反応は、反応を維持するためのエネルギーも供給します。このプロセスに必要な追加の熱は、通常、メタンの一部を燃焼させることによって供給されます。

電動蒸気メタン改質

2019年5月、Science誌は、スズ触媒を電気的に加熱するデンマークの研究結果を発表しました。これにより、天然ガスの消費量（およびCO2排出量）が3分の1削減され、加熱効率の向上により全体的な効率も向上します。SMRは4.2 kWh/Nm3 H2、eSMRは3.6 kWh/Nm3 H2（天然ガス2.6 kWh、電気1.0 kWh）を必要とします。[ 39 ]

水から

化石燃料を使用せずに水素を製造する方法には、水分解、すなわち水分子（H 2 O）をその成分である酸素と水素に分解するプロセスが含まれます。水分解のエネルギー源が再生可能または低炭素である場合、生成される水素はグリーン水素と呼ばれることがあります。この変換はいくつかの方法で実現できますが、いずれの方法も現時点では化石燃料ベースの製造方法よりもコストが高いと考えられています。

水の電気分解 - 緑、ピンク、黄色

水素は、高圧電気分解、低圧水電気分解、あるいは高温電気分解や炭素支援電気分解などの他の一連の新しい電気化学プロセスによって生成することができます。[ 40 ]しかし、現在の水電気分解の最良の方法は、有効電気効率が70～80％であるため、[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] 1 kgの水素（比エネルギーは143 MJ/kgまたは約40 kWh/kg）を生成するには50～55 kWhの電力が必要です。

世界の一部地域では、水蒸気メタン改質のコストは、水素ガス加圧コストを除いて平均1～3ドル/kgです。このため、多くの地域では既に電気分解による水素生産のコスト競争力が高まっており、これはNel Hydrogen [ 44 ]やその他の研究、さらには電気分解の競争優位性につながる条件を検討した IEA [ 45 ]の論文でも概説されています。

少量（2019年には2% [ 46 ]）は電気と水を用いた電気分解によって生産され、生産される水素1キログラムあたり約50～55キロワット時の電力を消費します。[ 47 ]

電気分解による水素製造の図
温室効果ガスを排出せずに水素を生成するための水の電気分解の入力と出力を示す

水電解は、電気を用いて水を水素と酸素に分解する技術です。2020年現在、水素生産量の0.1%未満が水電解によるものです。[ 48 ]水の電気分解の効率は70～80%（変換損失は20～30%）です。 [ 49 ] [ 50 ]一方、天然ガスの水蒸気改質の熱効率は70～85%です。[ 51 ]電気分解の電気効率は、この分野の進歩が急速に進むにつれて耐久性も維持しながら、2030年までに82～86% [ 52 ]に達すると予想されています。[ 53 ]

水電解は50～80℃（120～180℉）で作動しますが、水蒸気メタン改質は700～1,100℃（1,300～2,000℉）の温度を必要とします。[ 54 ] 2つの方法の違いは、使用される一次エネルギーが電気（電気分解）か天然ガス（水蒸気メタン改質）かという点です。入手しやすい資源である水を使用するため、電気分解や類似の水分解法は科学界の関心を集めています。水素製造コストの削減を目的として、電気分解を可能にする再生可能エネルギー源が注目されています。[ 55 ]

電解セルには、固体酸化物電解セル（SOEC）、高分子電解質膜セル（PEM） 、アルカリ電解セル（AEC）の3つの主要なタイプがあります。 [ 56 ]伝統的に、アルカリ電解セルは投資の面では安価ですが（一般的にニッケル触媒を使用）、効率は低くなります。逆に、PEM電解セルは高価ですが（一般的に高価な白金族金属触媒を使用）、効率が高く、より高い電流密度で動作できるため、水素生産量が十分に多い場合はより安価になる可能性があります。[ 57 ]

SOECは高温、典型的には800℃（1,500℉）程度で動作します。このような高温では、必要なエネルギーの大部分が熱エネルギーとして供給されるため、高温電気分解と呼ばれます。この熱エネルギーは、産業廃熱、原子力発電所、集光型太陽熱発電所など、様々な熱源から供給できます。これにより、電気分解に必要な電気エネルギー量が削減され、水素製造コスト全体を削減できる可能性があります。[ 58 ] [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ]

PEM電解セルは通常100℃（212℉）以下で作動する。[ 58 ]これらのセルは比較的単純で、広範囲の電圧入力に対応できるように設計できるという利点があり、太陽光発電パネルなどの再生可能エネルギー源での使用に最適である。[ 62 ] AECは高濃度の電解質（KOHまたは炭酸カリウム）と高温（多くの場合200℃（392℉）付近）で 最適に作動する。

効率性と経済性

現代の水素発生器の効率は、水素の標準温度および標準圧力を前提として、標準体積の水素あたりの消費エネルギー（ MJ/m 3 ）で測定される。発生器の消費エネルギーが低いほど、その効率は高くなる。100%効率の電解装置は、水素1キログラムあたり39.4キロワット時（142 MJ/kg）、[ 63 ] 1リットルあたり12,749ジュール（12.75 MJ/m 3）を消費する。実際の電気分解では、通常、回転式電解装置が使用され、遠心力によって気泡が水から分離される。[ 64 ]このような電解装置は、15バールの圧力で1キログラムあたり50キロワット時（180 MJ/kg）を消費し、水素自動車で使用するために水素が圧縮されると、さらに15キロワット時（54 MJ）を消費する。[ 65 ]

従来のアルカリ電解の効率は約70％であるが[ 66 ] 、最大82％の効率を持つ高度なアルカリ水電解装置が利用可能である。[ 67 ] [ 68 ]産業用PEMの効率は2030年までに約86％に増加すると予想されている。[ 69 ]

2022年にNature誌に掲載された論文では、過電位を最小限に抑えるさまざまな設計最適化により98%のエネルギー効率を達成した毛細管供給式電解セルについて説明されました。[ 70 ]

天然ガス価格の変動による水素生産コスト（非課税のガス代金）

2020年現在、電気分解による水素のコストは1kgあたり約3～8ドルである。[ 71 ]水素の工業生産を考慮し、有効電気効率が70～82％である現在の最良の水電気分解プロセス（PEMまたはアルカリ電気分解）を使用すると、[ 72 ] [ 73 ] [ 74 ] 1kgの水素（比エネルギーは143MJ /kgまたは約40kWh/kg）を製造するには50～55kWhの電力が必要である。米国エネルギー省の2015年の水素生産目標に示されているように、電力コストが0.06ドル/kWhの場合、[ 75 ]水素コストは3ドル/kgとなる。

米国エネルギー省（DOE）の2020年の水素の目標価格は2.30ドル/kgで、必要な電力コストは0.037ドル/kWhだったが、多くの地域での風力と太陽光発電の最近のPPA入札を考慮すると達成可能である。[ 76 ] 2021年、米国エネルギー省は水素エネルギー・アースショット（水素ショット）を策定し、10年後には水素1kgあたり1ドル（米ドル）、つまり2031年までに1ドル/kg（「111」として知られる）という目標を掲げた。[ 77 ]この低価格は、米国の天然ガス由来の水素価格（約1.50ドル/kg）と競合できるように設定された。比較すると、2020年の電気分解による水素のコストベースラインは約5ドル/kgであり、水素ショットの目標を達成するには80%のコスト削減が必要であった。[ 78 ] [ 79 ]

IRENA.ORGの報告書は、現在、1kgあたり約53～70kWhを消費する産業用水素生産が、約45kWh/kg Hまで下がる可能性があるという広範な事実報告である。2[ 80 ]電気分解による水素製造に必要な熱力学的エネルギーは33 kWh/kgであり、これは炭素回収を伴う水蒸気改質法やメタン熱分解法よりも高い。水蒸気メタン改質（SMR）による水素製造に比べて電気分解が優れている点の一つは、水素を現場で製造できるため、トラックやパイプラインによる輸送コストのかかるプロセスを回避できることである。

化学的補助電気分解

電解セルの温度を上昇させることで電気分解に必要な電圧を下げることに加え、燃料（炭素/石炭、[ 81 ]メタノール、[ 82 ] [ 83 ]エタノール、 [ 84 ]ギ酸、[ 85 ] グリセロール、[ 85 ]など）を反応器の酸素側に導入することで、電解装置で生成された酸素を電気化学的に消費することも可能です。これにより必要な電気エネルギーが削減され、残りのエネルギーをこのように供給することで、水素のコストを40～60%未満に削減できる可能性があります。[ 86 ]

炭素/炭化水素支援水電気分解（CAWE）は、低品位炭や高硫黄炭、バイオマス、アルコール、メタン（天然ガス）などのさまざまな炭素源から化学エネルギーを利用する、エネルギー集約度が低くクリーンな方法を提供できる可能性があります。生成された純粋なCO2は分離を必要とせずに簡単に隔離できます。[ 87 ]

バイオマス由来の水素 – グリーン

バイオマスはガス化によって合成ガスに変換され、合成ガスはさらに水性ガスシフト反応（WGSR）によって水素に変換されます。[ 88 ]

他の化学プロセスの副産物としての水素

電気分解による塩素と苛性ソーダの工業生産では、副産物として相当量の水素が発生します。アントワープ港では、この副産物を利用して1MWの実証用燃料電池発電所が稼働しています。この発電所は2011年後半から稼働しています。[ 89 ]余剰水素は、多くの場合、水素ピンチ分析によって管理されます。

鉄鋼生産におけるコークス炉から生成されるガスは、体積比で60％の水素を含む合成ガスに似ています。[ 90 ]水素はコークス炉ガスから経済的に抽出できます。[ 91 ]

既存の高炉を改造してバイオマスを燃料として使用すれば、グリーンスチールとグリーン水素/尿素の両方の生産が可能になります。[ 92 ]

その他の化石燃料の方法

部分酸化

天然ガス、重質炭化水素、および代替炭素質原料からの水素製造は、部分酸化によって達成されます。[ 93 ]燃料と空気、または燃料と酸素の混合物を部分燃焼させることで、水素と一酸化炭素を豊富に含む合成ガスが生成されます。その後、水性ガス転化反応により、一酸化炭素（および水）からさらに多くの水素と二酸化炭素が得られます。 [ 36 ]二酸化炭素を共供給することで、水素と一酸化炭素の比率を下げることができます。

部分酸化反応は、改質器または部分酸化反応器において、燃料と空気の混合気または燃料と酸素の混合比が不足した状態で部分燃焼する際に発生します。熱部分酸化（TPOX）と触媒部分酸化（CPOX）に区別されます。この化学反応は、一般的に以下の式で表されます。

2CnHm + nO2 → 2nCO + mH2​​​​​​​

暖房用油と石炭の理想的な例（それぞれ組成が C 12 H 24と C 24 H 12と仮定）は次のとおりです。

C 12 H 24 + 6 O 2 → 12 CO + 12 H 2
C 24 H 12 + 12 O 2 → 24 CO + 6 H 2

プラズマ熱分解

クヴァルナープロセス、またはクヴァルナーカーボンブラック・水素プロセス（CB&H）[ 94 ]は、1980年代にノルウェーの同名企業によって開発されたプラズマ熱分解法であり、液体炭化水素（C n H m ）から水素とカーボンブラックを生産する。原料の利用可能なエネルギーのうち、約48%は水素に、40%は活性炭に、10%は過熱蒸気に含まれます。[ 95 ]このプロセスではCO2は生成されません。

このプロセスのバリエーションは、プラズマアーク廃棄物処理技術を使用して、プラズマコンバータでメタンと天然ガスから水素、熱、炭素を生成するというものであり、 2009年に発表されました。[ 96 ]

石炭

石炭から水素を製造するには、石炭ガス化が用いられます。石炭ガス化プロセスでは、蒸気と酸素を用いて石炭中の分子結合を切断し、水素と一酸化炭素の混合ガスを生成します。[ 55 ]石炭ガス化から得られるガスは、石炭燃焼から得られるガスよりも二酸化炭素や汚染物質をより容易に除去できる可能性があります。[ 97 ] [ 98 ] もう一つの変換方法として、低温および高温石炭炭化があります。[ 99 ]

石炭の熱分解（無酸素加熱）によって生成されるコークス炉ガスには、約60%の水素が含まれており、残りはメタン、一酸化炭素、二酸化炭素、アンモニア、分子状窒素、硫化水素（H 2 S）です。水素は圧力スイング吸着法によって他の不純物から分離できます。 日本の鉄鋼会社は、この方法による水素製造を実施してきました。

石油コークス

石油コークスは石炭ガス化によって水素を豊富に含む合成ガスに変換することもできます。生成される合成ガスは主に水素、一酸化炭素、そしてコークス原料中の硫黄由来のH2Sで構成されています。ガス化は、ほぼあらゆる炭素源から水素を製造するための選択肢です。[ 100 ]

放射線分解

核放射線は放射線分解によって水との結合を切断する。[ 101 ] [ 102 ]南アフリカのムポネン金鉱山では、研究者らが自然発生的な高放射線地帯で細菌を発見した。デスルフォトマクルム属の新系統が優占するこの細菌群集は、主に放射線分解によって生成された水素を栄養源としていた。[ 103 ]

熱分解

水は約2500℃で自然に解離しますが、この熱分解は通常のプロセス配管や装置では対応できないほど高い温度で起こるため、商業化の可能性はかなり低くなります。[ 104 ]

バイオマスの熱分解

熱分解は、熱分解温度に基づいて、低温緩速熱分解、中温急速熱分解、高温急速熱分解の3種類に分類されます。[ 105 ]エネルギー源は主に太陽エネルギーであり、光合成微生物の助けを借りて水またはバイオマスを分解し、水素を生成します。しかし、このプロセスは水素収率が比較的低く、運転コストが高いため、産業的には実現可能な方法ではありません。

核支援熱分解

高温ガス冷却炉（HTGR）は、水を分解して大規模に水素を製造する、最も有望なCO2フリーの原子力技術の一つです。この方法では、水を分解するためのヨウ素硫黄（IS）熱化学サイクルと高温蒸気電気分解（HTSE）が、原子力水素製造の主要プロセスとして選択されています。SIサイクルは、以下の3つの化学反応に従います。[ 106 ]

ブンゼン反応: I 2 +SO 2 +2H 2 O→H 2 SO 4 +2HI

HI分解：2HI→H 2 +I 2

硫酸分解：H 2 SO 4 →SO 2 +1/2O 2 +H 2 O

ISサイクルによるHTGRの水素生産率は約0.68 kg/sで、発電所1基を建設するための資本コストは1億ドルです。

熱化学サイクル

熱化学サイクルは、熱源（サーモ）と化学反応のみを組み合わせて水を水素と酸素に分解するプロセスです。[ 107 ]サイクルという用語が用いられるのは、水、水素、酸素以外の化合物が継続的にリサイクルされるためです。電気を入力として部分的に使用すると、結果として得られる熱化学サイクルはハイブリッドサイクルと定義されます。

硫黄-ヨウ素サイクル（SIサイクル）は、約50％の効率で水から水素を生成する熱化学サイクルプロセスです。プロセスで使用される硫黄とヨウ素は回収されて再利用され、プロセスによって消費されることはありません。サイクルは、集光型太陽熱発電システム（CSP）などの約950℃の非常に高い温度源で実行でき、高温原子炉による水素製造に適していると考えられており、[ 108 ]日本の高温工学試験炉で研究されています。 [ 109 ] [ 110 ] [ 111 ] [ 112 ]高温といくらかの電気の両方を使用する他のハイブリッドサイクルもあります。銅-塩素サイクルは、反応ステップの1つで電気化学反応を使用するため、ハイブリッド熱化学サイクルに分類され、530℃で動作し、効率は43％です。[ 113 ]

フェロシリコン法

軍では、風船用の水素を素早く製造するためにフェロシリコンが使用されています。この化学反応では、水酸化ナトリウム、フェロシリコン、水を使用します。発電機はトラックに収まるほど小さく、少量の電力しか必要としません。材料は安定していて不燃性であり、混合するまで水素は発生しません。[ 114 ]この方法は第一次世界大戦以来使用されています。重い鋼鉄製の圧力容器に水酸化ナトリウムとフェロシリコンを満たし、密閉して、制御された量の水を加えます。水酸化物が溶解すると、混合物は約93℃に加熱され、反応が始まります。ケイ酸ナトリウム、水素、水蒸気が生成されます。[ 115 ]このプロセスはシリコールプロセスと呼ばれ、プロセス全体の反応は次のとおりです。[注 1 ]

2NaOH + Si + H 2 O → Na 2 SiO 3 + 2H 2

この製造方法は、低品質の鉄シリコンを使用して高品質のケイ酸ナトリウムを得ることができ、価格も手頃なので、燃料電池品質の水素を経済的に生産できる。[ 116 ]

光生物学的水分解

水素製造用の藻類バイオリアクター。

生物学的水素は藻類バイオリアクターで生産できます。[ 117 ] 1990年代後半、藻類から硫黄が除去されると、通常の光合成による酸素生産から水素生産に切り替わることが発見されました。現在では、エネルギー効率（太陽光から水素への変換）の7～10%という壁を突破することで、この生産は経済的に実現可能になったようです。[ 118 ]水素生産速度は1リットル培養あたり1時間あたり10～12mlです。[ 119 ]

光触媒水分解

水分解プロセスによる太陽エネルギーから水素への変換は、クリーンで再生可能なエネルギーシステムを実現するための最も興味深い方法の一つです。しかし、このプロセスに、太陽光発電と電解システムの代わりに、水に直接懸濁した光触媒を利用すれば、反応は一段階で済むため、より効率的になります。[ 120 ] [ 121 ] [ 122 ]しかしながら、現在のシステムは商業的に導入するには性能が低いです。[ 123 ] [ 124 ]

バイオ水素ルート

バイオマスや廃棄物は、原理的にはバイオマスガス化、水蒸気改質、あるいは生体触媒電気分解[ 86 ]や発酵水素製造[ 125 ]などの生物学的変換によってバイオ水素に変換することができます。

水素製造方法の中でも、生物学的経路は潜在的にエネルギー消費量が少ない。さらに、再生可能資源である農業バイオマスなどの様々な廃棄物や低価値物質を、生化学的または熱化学的経路で水素を製造するために利用することができる。[ 88 ]しかしながら、現在、水素は主に化石燃料、特に再生不可能な資源である天然ガスから製造されている。水素は最もクリーンな燃料であるだけでなく、多くの産業、特に肥料、石油化学、食品産業で広く利用されている。[ 126 ]

水素を生成する生化学的経路は、暗発酵と光発酵の2つに分類されます。暗発酵では、炭水化物が厳密嫌気性細菌や通性嫌気性細菌などの発酵微生物によって水素に変換されます。理論上、最大で4 mol H 2 /mol グルコースが生成されます。この過程で、糖は揮発性脂肪酸（VFA）とアルコールに副産物として変換されます。光発酵細菌はVFAから水素を生成することができます。したがって、暗発酵で生成される代謝物は光発酵の原料として利用でき、水素の収率を高めることができます。[ 126 ]

酵素触媒プロセスは、一般的な糖であるキシロースを理論収率のほぼ100%で水素に変換します。このプロセスでは、新規ポリリン酸キシルロキナーゼ（XK）を含む13種類の酵素が用いられます。[ 127 ]

発酵による水素生産

発酵による水素生産は、有機基質を水素に変換する。多様な細菌群がこの変換を促進する。光発酵は暗発酵とは異なり、光の存在下でのみ進行する。例えば、ロドバクター・スフェロイデスSH2Cを用いた光発酵は、一部の脂肪酸を水素に変換するために用いられる。[ 128 ]

発酵による水素生産は、緑藻類による直接的な生物光分解、シアノバクテリアによる間接的な生物光分解、嫌気性光合成細菌による光発酵、嫌気性発酵細菌による暗発酵によって行うことができる。例えば、嫌気性光合成細菌であるH. salinariumと大腸菌のような水素化酵素供与体を用いた水素生産に関する研究が文献に報告されている。[ 129 ]エンテロバクター・アエロゲネスもまた水素生産菌である。[ 130 ]

酵素による水素生成

糖から水素を生成するための多様な酵素経路が設計されている。[ 131 ]

生体触媒電気分解

微生物電解セル

暗発酵に加えて、電気水素生成（微生物を用いた電気分解）も可能性の一つです。微生物燃料電池を用いることで、廃水や植物を利用して発電することができます。バイオ触媒電気分解は生物学的水素生成と混同してはいけません。後者は藻類のみを利用し、藻類自体が即座に水素を生成するのに対し、バイオ触媒電気分解では、藻類が微生物燃料電池を通過した後に水素が生成されます。また、様々な水生植物[ 132 ] [ 133 ]も利用できます。これらには、ヨシ、コードグラス、イネ、トマト、ルピナス、藻類などが含まれます[ 134 ] 。

米陸軍研究所が開発したナノガルバニックアルミニウムベースの粉末

ナノガルバニックアルミニウム合金粉末

アルミニウム合金粉末は水と反応し、接触すると水素ガスを発生します。理論収率の100%で水素が発生すると報告されています。[ 135 ] [ 136 ]このプロセスは経済的ではありません。

天然水素

大陸中部リフトシステム

水素は地下にも自然に存在します。この天然水素はホワイト水素やゴールド水素とも呼ばれ、石油や天然ガスなどの化石燃料と同様に井戸から抽出することができます。[ 137 ] [ 138 ] [ 11 ]

ホワイト水素は、再生可能水素経済のために、大陸中部リフトシステムで大規模に発見または生産される可能性があります。鉄分を豊富に含む高温の岩石に水を注入することで、水素を抽出することができます。[ 139 ]

実験的な生産方法

メタン熱分解 – ターコイズ

水素を生成するプロセスであるメタン熱分解の入力と出力の図解

メタン（天然ガス）のワンステップ熱分解[ 140 ]溶融金属触媒を通してメタンを泡立たせる方法は、温室効果ガスを排出せずに水素を製造する方法であり、2017年に実験室環境で実証され、現在はより大規模な試験が行われています。[ 141 ] [ 142 ]このプロセスは高温（1065℃）で行われます。[ 143 ] [ 144 ] [ 145 ] [ 146 ] 1kgの水素を製造するには、プロセス熱として約18kWhの電力が必要です。[ 147 ]メタンの熱分解は次の反応式で表すことができます。[ 148 ]

CH4(g) → C(s) + 2 H2(g) ΔH° = 74.8 kJ/モル

工業品質の固体炭素は、製造原料として販売されるか、アスファルト舗装に含められるか、埋め立てられる可能性があります。

メタン熱分解技術は2023年現在、いくつかの企業で開発の初期段階にあります。商業化までに克服すべき障害があります。[ 149 ]

生物生産

発酵による水素生産は、多様な細菌群が多酵素系を用いて有機基質をバイオ水素へと発酵的に変換するプロセスであり、嫌気性発酵に類似した3段階の反応を経る。暗発酵反応は光エネルギーを必要としないため、昼夜を問わず有機化合物から継続的に水素を生産することができる。光発酵は暗発酵とは異なり、光が存在する場合にのみ進行する。電気水素化は微生物燃料電池において有機物から水素を生成するために利用されている。[ 150 ]

生物学的水素は藻類バイオリアクターで生産できます。1990年代後半、藻類から硫黄が除去されると、通常の光合成による酸素生産から水素生産に切り替わることが発見されました。[ 151 ] 生物学的水素は藻類以外の原料を用いて生産することもでき、最も一般的な原料は廃棄物です。このプロセスでは、バクテリアが炭化水素を餌として水素と二酸化炭素を排出します。[ 152 ]

生体触媒電気分解

通常の電気分解に加えて、微生物を用いた電気分解も選択肢の一つです。生体触媒電気分解では、微生物燃料電池を通過させることで水素が生成され、様々な水生植物 （2010年5月17日アーカイブ、Wayback Machine）を利用できます。これには、ヨシ、コードグラス、イネ、トマト、ルピナス、藻類などが含まれます[ 153 ]。

高圧電気分解

高圧電気分解は、水（H 2 O）に電流を流すことで水を電気分解し、酸素（O 2）と水素ガス（H 2 ）を生成する。標準的な電気分解装置との違いは、圧縮水素の出力が約120～200 bar（1740～2900 psi、12～20 MPa）である点である。[ 154 ]電気分解装置内の水素を化学圧縮と呼ばれるプロセスで加圧することで、外部の水素圧縮機が不要になり、[ 155 ]内部圧縮の平均エネルギー消費量は約3％である。[ 156 ]ヨーロッパ最大の水素製造プラント（140万kg/年、高圧水電気分解、アルカリ技術）は、フィンランドのコッコラで稼働している。[ 157 ]

高温電気分解

高温電気分解（HTE）によって、熱と電気の形で供給されるエネルギーから水素を生成することができます。HTEのエネルギーの一部は熱の形で供給されるため、熱から電気へ、そして水素へと2回変換する必要があるエネルギーが少なくなります。したがって、水素を生成するために必要なエネルギーは潜在的に少なくなります。核熱は水から水素を分離するために利用できます。高温（950～1000℃）のガス冷却原子炉は、核熱を用いた熱化学的手法で水から水素を分離する可能性があります。高温電気分解は実験室で実証されており、 生成される水素1kgあたり108MJ（熱量）のエネルギーが得られています[ 158 ]が、商業規模ではまだ実現されていません。さらに、これは低品質の「商用」グレードの水素であり、燃料電池での使用には適していません[ 159 ]。

光電気化学的水分解

太陽光発電システムで発電された電気を利用することは、最もクリーンな水素製造方法です。水は電気分解によって水素と酸素に分解されます。これは光電気化学セル（PEC）プロセスであり、人工光合成とも呼ばれます。[ 160 ]エネルギー変換デバイスのウィリアム・エアーズは、1983年に、水を直接分解する最初の多接合高効率光電気化学システムを実証し、特許を取得しました。[ 161 ]このグループは、現在「人工葉」または「ワイヤレス太陽光水分解」と呼ばれる直接水分解を、低コストの薄膜アモルファスシリコン多接合シートを直接水に浸すことで実証しました。[ 162 ] [ 163 ]

様々な触媒で装飾されたアモルファスシリコンの前面で水素が発生し、裏面の金属基板では酸素が発生した。多接合セルの上部にあるナフィオン膜がイオン輸送経路を提供した。彼らの特許には、アモルファスシリコンやシリコンゲルマニウム合金に加えて、直接水分解に用いられる様々な半導体多接合材料も記載されている。大学や太陽光発電業界では、高効率多接合セル技術の開発に向けた研究が続けられている。このプロセスに、太陽光発電システムと電解システムの代わりに、水に直接懸濁した光触媒を利用すれば、反応は1段階で済み、効率を向上させることができる。[ 162 ] [ 163 ]

光電気触媒生産

イースト・アングリア大学のトーマス・ナン氏とそのチームが研究した方法は、リン化インジウム（InP）ナノ粒子の層で覆われた金電極で構成されています。彼らはこの層構造に鉄硫黄錯体を導入し、これを水中に沈め、微弱な電流を流しながら光を照射すると、60%の効率で水素を生成しました。[ 164 ]

2015年には、パナソニックが太陽光の57%を吸収して水を分解し水素ガスを生成することができる窒化ニオブをベースとした光触媒を開発したと報じられた。 [ 165 ]同社は2020年より前にではなく、「できるだけ早く」商用化を達成する予定である。

集光型太陽熱

水を水素と酸素に分解するには、非常に高い温度が必要である。このプロセスを実現可能な温度で作動させるには触媒が必要である。水の加熱は、集光型太陽光発電を利用することで実現できる。Hydrosol -2は、スペインのアルメリアにあるPlataforma Solar de Almeríaにある100キロワットのパイロットプラントで、太陽光を利用して水を加熱するために必要な800～1,200℃を得る。Hydrosol-IIは2008年から稼働している。この100キロワットのパイロットプラントの設計は、モジュール式のコンセプトに基づいている。そのため、利用可能な反応ユニットを増やし、適切なサイズのヘリオスタットフィールド（太陽追尾ミラーのフィールド）に接続することで、この技術をメガワット規模に容易に拡張できる可能性がある。[ 166 ]

熱化学生産

水分解に使用できる熱化学サイクルは352 以上[ 167 ]あり[ 168 ] 、そのうち約 12 個のサイクル、例えば酸化鉄サイクル、酸化セリウム(IV)-酸化セリウム(III) サイクル、亜鉛-亜鉛酸化物サイクル、硫黄-ヨウ素サイクル、銅-塩素サイクル、ハイブリッド硫黄サイクル、アルミニウム-アルミニウム酸化物サイクルなどが研究中であり、電気を使わずに水と熱から水素と酸素を生成するための試験段階にあります[ 169 ]これらのプロセスは高温電気分解よりも効率的であり、LHV効率で一般的に 35% - 49% の範囲です。石炭や天然ガスからの化学エネルギーを使用して水素を熱化学的に製造することは、直接的な化学経路の方が効率的であるため、一般的には考慮されません。

熱化学水素製造プロセスは、実験室レベルでいくつか実証されているものの、生産レベルで実証されたものはありません。

クヴェルナー法

クヴァルナー法、またはクヴァルナーカーボンブラック・水素法（CB&H法）[ 170 ]は、1980年代にノルウェーの同名企業によって開発された方法であり、メタン、天然ガス、バイオガスなどの炭化水素（C n H m）から水素を生産する方法である。原料の利用可能なエネルギーのうち、約48%は水素に、40%は活性炭に、10%は過熱蒸気に含まれます。[ 95 ]

天然水素の抽出 - ホワイト水素

2019年現在、水素は主に工業原料として、アンモニアやメタノールの生産、石油精製に使用されています。当初、水素ガスは便利な貯留層には自然発生しないと考えられていましたが、現在ではそうではないことが実証されています。マリ共和国クリコロ州ブラケブグ近郊で水素システムが開発され、周辺の村々に電力を供給しています。[ 171 ]近年、大陸の陸上地質環境において天然に存在する水素の発見がさらに増えており[ 172 ]、天然水素またはネイティブ水素という新しい分野への道を開き、エネルギー転換の取り組みを支援しています。[ 173 ] [ 174 ]

大陸中部リフトシステム

ホワイト水素は、再生可能水素経済のために、大陸中部リフトシステムで大規模に発見または生産される可能性があります。鉄分を豊富に含む高温の岩石に水を注入して水素を生成し、抽出することが可能です。[ 175 ]

環境への影響

ほとんどの水素は化石燃料から生産され、二酸化炭素を排出する。[ 176 ]この技術で生産される水素は、排出物が大気中に放出された場合はグレー水素、排出物が炭素回収・貯留（CCS）によって回収された場合はブルー水素と呼ばれる。[ 177 ] [ 178 ]ブルー水素の温室効果ガス排出量は、米国の上流および中流のメタン漏洩率と、二酸化炭素回収機能を後付けした水蒸気メタン改質装置（SMR）による生産を想定すると、熱のためにガスや石炭を燃やす場合よりも20％、ディーゼルを燃やして熱を得る場合と比較して60％大きいと推定されている。[ 179 ]

二酸化炭素回収統合型オートサーマルリフォーマー（ATR）の使用により、満足のいくエネルギー効率でより高い回収率が可能になり、ライフサイクルアセスメントでは、二酸化炭素回収統合型SMRと比較して、このようなプラントの温室効果ガス排出量が低いことが示されています。 [ 180 ]ヨーロッパでの二酸化炭素回収統合型ATR技術の適用は、天然ガスを燃焼させるよりも温室効果ガスのフットプリントが低いと評価されており、例えばH21プロジェクトでは、天然ガスの二酸化炭素強度の低下と二酸化炭素回収に適したタイプの反応器の組み合わせにより、68%の削減が報告されています。[ 181 ]

再生可能エネルギー源から生成される水素は、しばしばグリーン水素と呼ばれる。再生可能エネルギー源から水素を生成する2つの方法が実用的であるとされている。1つは電力をガス化する方法であり、これは電力を使用して水の電気分解から水素を生成するものであり、もう1つは埋立地ガスを使用して水蒸気改質器で水素を生成することである。風力や太陽光発電などの再生可能エネルギー源によって生成される水素燃料は、再生可能燃料である。[ 182 ] [ 183 ]​​ 原子力エネルギーから電気分解によって生成される水素は、グリーン水素のサブセットと見なされることもあるが、ピンク水素と呼ばれることもある。オスカルスハムン原子力発電所は、 2022年1月に1日あたり数キログラムのオーダーで商用ピンク水素を供給する契約を締結した。[ 184 ]

2020年現在、グレー水素とブルー水素の推定生産コストは1kgあたり1～1.80ドル[ 185 ]、グリーン水素の推定生産コストは2.50～6.80ドル[ 185 ]である。

2022年現在、世界では9400万トンのグレー水素が化石燃料（主に天然ガス）を使って生産されており、温室効果ガス排出の大きな原因となっている。[ 186 ] [ 187 ] [ 188 ] [ 189 ]

水素の用途

水素は、水素化分解によって重質石油留分を軽質留分に変換するために使用されます。また、芳香族化プロセス、水素化脱硫、そして世界の食料の47%を生産するための合成窒素肥料の主要な工業的生産方法であるハーバー法によるアンモニア生産など、他のプロセスにも使用されます。[ 190 ]

水素は、地域の発電用の燃料電池で使用されるか、あるいは輸送用燃料として使用される可能性があります。

水素は、工業用塩素製造の副産物として電気分解によって生産されます。高価な技術を必要とするものの、水素は冷却、圧縮、精製して現場で他のプロセスに使用したり、パイプライン、ボンベ、トラックなどで顧客に販売したりすることができます。バルク水素をより安価に製造する方法の発見と開発は、水素経済の確立に重要です。[ 125 ]

参照

ウィキメディア コモンズには、水素製造に関連するメディアがあります。

注記

  1. ^アイロンは意図的に省略されています

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出典

さらに読む

  • カリーズ、フランチェスコ。ダッカディア、マッシモ・デンティス。サンタレッリ、マッシモ。ランジーニ、アンドレア。フェレーロ、ドメニコ編。 （2019年）。太陽光発電による水素製造。土井: 10.1016/C2017-0-02289-9。ISBN 978-0-12-814853-2。
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