大好きだった水素の色たちへ

私のもっとひねくれた趣味の 1 つは、水素の「色」を収集することです。それが奇妙であることは認めますし、礼儀正しい会社で認めるべきではない種類の趣味であることを恥じているだけですが、謝罪はしません。分子状の水素 (つまり H₂) は本来無色の気体ですが、エネルギーオタクたちは、宇宙で最も単純な分子が作られる多数の方法を指す不完全な略記法を発展させてきました。

気候の観点から見ると、最終的に重要なのは、水素の製造に使用されるプロセスの排出強度であり、実際にはその色ではありません。それにもかかわらず、私は野生で見かける色を、ある種の異常な気候とエネルギーのポケモンのように律儀に集めています。ここで私のコレクションを共有しています。あなたが聞いたことを見逃している場合はお知らせください。

前置き: プロセスの温室効果ガス排出量が比較的少ないか多いかについて言及するとき、漏洩水素の排出による間接的な温暖化への影響は考慮していません。漏洩率が異なるため、方法によって影響は異なります。私の知る限り、このことはどの水素製造方法についても体系的に研究されておらず、以下に挙げる方法の多くは、大笑いせずに「仮説」とうまく説明できる段階をギリギリ過ぎていることを考えると、あまりにも大胆なので、研究されない人もいるのではないかと思います。

(それ自体は温室効果ガスではありませんが、一連の複雑な相互作用を通じて、水素製造時に分子状水素が放出されると、操作上および不用意に放出され、大気温暖化に影響を及ぼします。これは主に、逃散的な水素の放出が大気の寿命を微妙に延長するために発生します。メタンは、私たちがこれまでに見てきた地球の温度変化の約 3 分の 1 の原因となっている、生きてすぐに死んでしまう温室効果ガスです。 )

さぁ、始めよう！

灰色の水素:軽減されない水蒸気メタン改質。メタン (CH₄) を水素分子と二酸化炭素に分解します。メタンはほとんどの場合、化石 (別名「天然」) ガスに由来します。今日、灰色の水素は世界中のほとんどの肥料生産の重要な柱であり、地球が数十億の人々を養うことができることを保証するための中心となっています。このプロセスは排出量が非常に多いため、このプロセスに代わる代替手段を見つけることが不可欠です。水素が 1 トン生成されるごとに、10 トン以上の二酸化炭素が大気中に放出されます。メタンが化石ガスに由来する場合、排出量の多い上流プロセスの結果として、別途大気負荷が発生します。現在製造されている水素のほとんどは、水蒸気メタン改質を使用して化石メタンから得られます。

褐色水素：褐炭を使用した石炭ガス化。このプロセスでは、石炭中の炭素を水蒸気および酸素と結合させて、一酸化炭素、または最近のプロセスの反復では二酸化炭素、および水素を生成します。このプロセスは歴史的に都市ガスの製造に使用されていました。これは、今日の「天然ガス」（製造されたガスではなく文字通り「天然に存在するガス」であるメタン）が産業規模で利用され始める前に、世界中の産業や家庭で使用されていました。世界中で、石炭ガス化は今日 2 番目に一般的な水素源ですが、水蒸気メタン改質ほど一般的ではありません。石炭のガス化は水蒸気メタン改質の約 2 倍の排出量があり、水素 1 トンあたり約 20 トンの二酸化炭素が生成されます。繰り返しになりますが、上流の温室効果ガス排出による追加の負担が大幅に増加します。最近、ビクトリア州の褐炭から製造された液化水素が試験プログラムで世界で初めて日本に出荷されました。

黒色水素:上記と同様ですが、褐色の代わりに地質学的に古く、より純粋な黒色石炭を使用します。水素製造では一般に黒炭よりも褐炭が好まれます。

青い水素：ほとんどの場合、水蒸気メタン改質は炭素の回収と貯蔵に関連していますが、炭素の回収と貯蔵を伴う石炭のガス化を説明するために使用されることは非常にまれです。重大な過呼吸や手を振るにもかかわらず、これまでに青い水素分子は 1 つも生成されていません。理論的には、ブルー水素、特に SMR と CCS は低排出プロセスである可能性があるため、特に化石燃料産業とその擁護者の間で熱心な支持者がいます。しかし、ブルー水素が低排出水素源であるという理論上の可能性は、大量の温室効果ガス排出を生み出す化石燃料サプライチェーンの上流のプロセスを無視し、炭素の回収と貯蔵が非常に高い回収率で機能していると仮定した場合にのみ成立します。 。独立した評価によると、上流の排出とプロセスの非効率性の組み合わせにより、ほとんどの場合、化石ガスの止まらない燃焼は、ガスからのブルー水素よりも単位エネルギーあたりの温室効果ガス排出強度が低くなります。つまり、気候の観点からすれば、ガスを水素に変換し、生成された二酸化炭素を CCS を使用して地下に隔離しようとする努力をするよりも、危険な化石燃料であるガスを燃やすだけのほうが賢明であるということです。CCS は常に失敗する技術です。大事です。そうは言っても、ガスから青い水素を作るよりも、最初からガスを燃やしたほうが良いという事実は、CCS が失敗すると仮定するだけでなく（そうなるだろう）、むしろ成功するだろうと仮定した場合でも当てはまります。今までよりも。かつて一部の頭の悪い人が、CCS で改質する水蒸気メタンが緑色の水素と区別できないかのように装って、「クリーンな水素」という用語をでっち上げました。そのようなたわごとをしようとする人を永久に完全に無視する必要があります。

ターコイズ色の水素:メタンの熱分解。このプロセスでは、メタン (やはり CH4) が純粋な炭素と水素に分解されます。このプロセスでは、純粋な炭素を貯蔵したり商業的に使用したりできるため、理論的には低排出の水素を製造することができます。プロセスから生成される二酸化炭素は、まったく存在しないか、少なくとも異常に最小限であるべきです。ただし、その低排出ステータスは、熱分解プロセスに必要な大量の熱エネルギーがゼロ排出源、または少なくとも低排出源から供給されるかどうかによって決まります。また、青色水素の場合と同様に、プロセスで使用されるメタンが化石燃料に由来する場合、上流での排出量の多いプロセスの現実は、低排出水素源としての地位に大きな課題をもたらします。メタンの熱分解は大規模には証明されておらず、商業的な量で生成されていません。

天然水素 (ホワイト水素またはゴールド水素とも呼ばれることもあります):地殻の中で自然に発生する水素分子。最近まで、地球上には天然に存在する純粋な分子状水素はほとんど存在しないと一般に理解されていました。ごく最近になって、地殻の下の開発可能な深さに、商業的に実行可能な大規模な純水素のポケットが多数存在するということで、かなりの興奮があったが、率直に言って証拠は比較的少ない。目標地点の 1 つは南オーストラリア州にあり、ヨーク半島とその周囲で探査許可が下りています。マリ西部のクリコロ地方にあるブーラケブグー村では、1980年代に偶然発見された後、現在、小型の天然水素発電機によって電力が供給されています。天然水素を活用すると、抽出に使用されるエネルギー以外に直接的な温室効果ガスは生成されません（例: 自然に発生する水素を掘削するために使用される機械によって燃焼されるディーゼル）。地球の地殻に純粋な分子状水素が蓄積する可能性のある自然プロセスは多数あります。正直に言うと、それらすべてを説明することはできませんが、15 ほどあると思います。その重大な個人的な失敗を告白した後、私は、ほとんどが鉄またはウランを豊富に含む岩層の存在に依存していると言えます。

金または白色の水素 — 定義 2:超臨界二酸化炭素破砕（別名「フラッキング」）によって生成される水素。このまだほぼ理論的なプロセスでは、水蒸気メタンの改質からの二酸化炭素（上記の「灰色の水素」を参照）、または炭化水素が豊富な岩石の破砕に使用される他のプロセスが見られるでしょう。通常、水圧破砕（「水圧破砕」の形で行われることが多い）では、代わりに水を砂と化学薬品のアルファベットのスープと一緒に地下に注入します。超臨界二酸化炭素破砕では、注入された二酸化炭素からの炭素と、SCCO2 の代わりに水を使用した場合に生成された可能性のあるメタンに含まれる炭素が、純粋な分子状水素が抽出される間、地下に残ります。理論的には、これにより排出ガスが非常に少ない水素が生成されます。

金水素 — 定義 3:遺伝子組み換え微生物で生成された水素。（いいえ、私はこれをでっち上げているわけではありません！) 少なくとも 1 つの企業が、遺伝子組み換えされた油を食べる微生物を枯渇した油田に挿入することによって水素を製造することを検討しています。これらの微生物が残りの炭化水素を除去しながら、商業的に実行可能な量の純粋な水素を生成することが期待されています。これにより、必然的に水素とともにかなりの量の二酸化炭素が抽出されることになりますが、2 番目の (おそらくより大きな) 希望は、この CO₂ が水素から分離された後にフィールドに再挿入される可能性があることです。このような計画を「野心的」と表現するのは丁寧な控えめな表現だろう。驚くべきことに、この計画されたプロセスに伴うリスクは、かなり多くのリスクがあるにもかかわらず、どういうわけか、その数よりも明らかです。この作品では中立的な事実の裁定者になりたかったのですが、

オレンジ色の水素:人工的に天然水素を生成します。このプロセスでは、二酸化炭素が豊富な水を地下深く、鉄分が豊富な岩石に汲み上げます。これは、天然の水素を生成するのと同じプロセスの一部を設計することを目的としています。上記の金水素の 2 番目の定義と似ていますが、同じではありませんが、これは二酸化炭素の隔離をもたらします。これは比較的低い排出量ですが、総排出量は二酸化炭素の発生源、特に二酸化炭素が化石燃料由来で上流での排出量が多い場合、およびプロセスエネルギー源に依存します。

紫色の水素 (ピンク色の水素としても知られる):最新型原子炉の廃熱から熱が供給される熱化学的水素の生成。このまだ使用されていないプロセスでは、500℃を超える温度で水がその構成部分である水素と酸素に分解されます。私の知る限りでは…熱化学的水素の製造は現行世代の原子炉では不可能であり、第 IV 世代原子炉が必要となります。第 4 世代原子炉は、ある程度の進歩はあるものの、20 年にわたって、あと 10 年かかる有望な技術であり続けています。それまであとわずか 10 年です。したがって、現在、この方法を使用して水素が生成されることはありません。

黄色水素：太陽エネルギーから生成される熱化学水素。これは紫色水素と同じですが、廃核熱を使用するのではなく、集光型太陽熱アレイを使用して太陽エネルギーを集中させ、水を分解するのに必要な温度に達します。太陽エネルギーを利用して熱化学水素を生成するために 300 以上の異なる方法が提案されていますが、今日まで商業的に実行可能な量の水素を生成できる方法はありません。

ダーク水素：惑星外の水素。未来学者にとって、ダーク水素とは、宇宙の他の惑星や衛星から抽出される水素を指します。物理学者は通常、暗黒水素について言及するとき、水素の特定の状態を念頭に置いています。つまり、可視光の波長を透過または反射せず、木星や土星のような巨大ガス惑星の表面直下の圧力下で発生する、水素のわずかに磁気的な相です。私の経験では、先進的なエネルギーオタクはその定義にあまり拘束されず、地球以外の場所から得られる水素を指すのにダーク水素という用語を使用する傾向があります。温室効果ガスが放出されても誰が気にするでしょうか？私たちは宇宙にいるのです、母さん — !! (そうではありません。 )

緑色の水素:再生可能エネルギーを利用した電気分解。電気分解で水素を生成するプロセスはいくつかありますが、一般的には、電流を流すことによって水を水素と酸素に分解します。さまざまな方法にはそれぞれ長所と短所がありますが、高分子電解質膜 (または PEM) の電気分解は一般に、再生可能エネルギー、特にエネルギー入力が変化する風力や太陽光にとって最も有望であると考えられています。電気分解は急速に改善されていますが、エネルギーを大量に消費する非効率なプロセスであり、定義上、今後もそうなるでしょう。これは、将来的には、風力や太陽光の普及が進んでいる送電網で起こり得る電力供給のピークを吸収するのに価値があることを意味します。この水素の最初の目標は、既存の水素サプライチェーンの脱炭素化であるべきです。そうすれば、マルサス主義者を悩ませながらも地球が現在の人口を維持し続けることができるようになります。プロセスにグリッド電力を直接供給できる場合、または電気を確実に貯蔵できる場合は、再生可能に生成された水素を使用するよりも、それを行う方がほとんどの場合好まれます。厳密な意味では、グリーン水素という用語はおそらく、必要な電力が完全に電気である場合にのみ限定されるべきです。プロセスにグリッド電力を直接供給できる場合、または電気を確実に貯蔵できる場合は、再生可能に生成された水素を使用するよりも、それを行う方がほとんどの場合好まれます。厳密な意味では、グリーン水素という用語はおそらく、必要な電力が完全に電気である場合にのみ限定されるべきです。プロセスにグリッド電力を直接供給できる場合、または電気を確実に貯蔵できる場合は、再生可能に生成された水素を使用するよりも、それを行う方がほとんどの場合好まれます。厳密な意味では、グリーン水素という用語はおそらく、必要な電力が完全に電気である場合にのみ限定されるべきです。 または少なくともほとんどの場合 — 再生可能資源によって直接供給されるため、電気分解を使用したあらゆる形式の水素生成を説明するためによく使用されます。これは、グリッドに接続された電解槽に主に石炭やガス由来の電力が供給されている場合でも発生する可能性があります。場合によっては、これらのプロジェクトのグリーンステータスの主張は、ある種の再生可能エネルギー証明書または他の形式のオフセットが購入され放棄されたために発生しますが、場合によっては、プロジェクトが単に電気分解を使用しているという理由で「グリーン」であると主張することもあります。このような場合、水素製造による排出への影響は、オフセット方法の完全性と供給される電力の排出強度に依存します。再生可能エネルギーの普及率が高く、石炭が存在しない南オーストラリア州でも、系統接続電力を利用した衰えることのない水素生産は、衰えることのない水蒸気メタン改質（灰色の水素）に匹敵する温室効果ガス強度を持っています。オーストラリアで最も排出量が多い送電網（ビクトリア州、ニューサウスウェールズ州、クイーンズランド州）では、石炭ガス化よりも排出量がさらにひどい。

紫色の水素 (またはピンク) — 定義 2:上記と同様ですが、供給される電力が主に、または排他的に原子力発電所から供給されている場合。

それはほぼすべてです。かつて別の種類の青い水素を見たことがあるのですが、その定義が思い出せません。これを忘れていることを知っているという事実に対する私のイライラが、残りをすべて書き留めるインスピレーションでした。