水素経済のしくみ

Jan 16 2002

化石燃料の供給が限られているため、この商品の消費量が増え続けると、地球温暖化から外部の石油源への依存に至るまで、さまざまな問題が発生します。水素は可能な解決策であり、それを利用する技術はすでにそこにあります。水素経済のメリットと直面しているハードルをご覧ください。

ワイラケイ地熱発電所の蒸気管。

燃料電池を動力源とする自動車についてのニュースには、毎日新しい発表があるようです。燃料電池は、大気汚染を大幅に削減しながら、自動車の効率を非常に迅速に2倍にする可能性があるため、この約束は魅力的です。

同時に、石油に関連する問題についてのニュース記事が何十年もありました。石油流出からオゾン警報、地球温暖化まで、すべてが化石燃料への依存のせいになっています。

これらの2つの力は、水素経済として広く知られているものに向けて世界をリードしています。予測が正しければ、今後数十年の間に、私たちは皆、現在の化石燃料経済から、はるかにクリーンな水素の未来へと驚くべき変化を遂げるでしょう。

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社会は実際にこの変化を起こすことができるのでしょうか、それとも技術的、経済的、政治的障壁が私たちを次の世紀以降の石油やその他の化石燃料に縛り付け続けるのでしょうか？この記事では、水素経済の利点とその潜在的な問題について学びます。また、移行を可能にするテクノロジーのいくつかについても検討します。

コンテンツ

化石燃料経済の問題
水素経済の利点
技術的ハードル
水素はどこから来るのですか？
水素をどのように貯蔵し、輸送しますか？
将来の展望

化石燃料経済の問題

現在、米国と世界のほとんどは、化石燃料経済と呼ばれるものに閉じ込められています。私たちの自動車、電車、飛行機は、ガソリンやディーゼルなどの石油製品によってほぼ独占的に燃料が供給されています。当社の発電所の大部分は、燃料に石油、天然ガス、石炭を使用しています。

米国への化石燃料の流れが遮断されれば、経済は停止するでしょう。工場が生産する製品を輸送する方法はありません。人々が車で通勤する方法はありません。経済全体、そして実際には西洋社会全体は、現在、化石燃料に依存しています。

化石燃料は社会を今日の状態にする上で重要な役割を果たしてきましたが、化石燃料が生み出す4つの大きな問題があります。

大気汚染-車がガソリンを燃やすとき、理想的にはそれを完全に燃やし、排気ガスに二酸化炭素と水しか生成しません。残念ながら、内燃機関は完璧ではありません。ガソリンを燃やす過程で、それはまた以下を生成します：

一酸化炭素、有毒ガス
都市のスモッグの主な発生源である窒素酸化物
都市部のオゾンの主な発生源である未燃炭化水素

触媒コンバーターはこの汚染の多くを排除しますが、完全ではありません。自動車や発電所からの大気汚染は、大都市では大きな問題です。

夏になると、多くの都市で危険なレベルのオゾンが大気中に放出されるのは、今では十分に悪いことです。

環境汚染-石油の輸送と貯蔵のプロセスは、何かがうまくいかないときはいつでも環境に大きな影響を及ぼします。

サウジアラビアで石油を積んでいるスーパータンカー

油流出、パイプラインの爆発、または井戸の火災は、大きな混乱を引き起こす可能性があります。エクソンバルディーズ流出は問題の最もよく知られた例ですが、マイナーな流出は絶えず起こります。

地球温暖化-車の中で1ガロンのガスを燃やすと、約5ポンド（2.3 kg）の炭素が大気中に放出されます。それが固体炭素である場合、それは非常に目立ちます-それは、燃焼したガス1ガロンごとに5ポンドの砂糖の袋を車の窓から投げ出すようなものです。しかし、5ポンドの炭素は目に見えないガスである二酸化炭素として出てくるので、私たちのほとんどはそれに気づいていません。すべての車のテールパイプから排出される二酸化炭素は、地球の温度をゆっくりと上昇させている温室効果ガスです。最終的な影響は不明ですが、最終的には地球上のすべての人に影響を与える劇的な気候変動が発生する可能性が高いです。たとえば、氷冠が溶ける場合、海面は大幅に上昇し、今日存在するすべての沿岸都市を洪水と破壊します。それは大きな副作用です。

依存関係-米国や他のほとんどの国は、需要を満たすのに十分な石油を生産できないため、石油が豊富な国から輸入しています。それは経済的依存を生み出します。中東の石油生産者が石油の価格を上げることを決定したとき、世界の他の地域はより高い価格を支払う以外に選択肢がほとんどありません。

水素経済の利点

前のセクションでは、化石燃料によって引き起こされる重大な世界的な問題を見ました。水素経済は、化石燃料経済が引き起こすすべての問題を取り除くことを約束します。したがって、水素経済の利点は次のとおりです。

化石燃料による汚染の排除-水素を燃料電池で使用して電力を生成する場合、それは完全にクリーンな技術です。唯一の副産物は水です。水素で心配する油流出のような環境上の危険もありません。
温室効果ガスの除去-水素が水の電気分解に由来する場合、水素は環境に温室効果ガスを追加しません。完璧なサイクルがあります。電気分解によって水から水素が生成され、水素が酸素と再結合して水と燃料電池に電力を生成します。
経済的依存の排除-石油の排除は、中東とその石油埋蔵量への依存がないことを意味します。
分散生産-水素は、電気と水があればどこでも生産できます。人々は比較的簡単な技術でそれを彼らの家で生産することさえできます。

化石燃料経済の問題は非常に大きく、水素経済の環境上の利点は非常に重要であるため、水素経済への推進力は非常に強い。

技術的ハードル

知ってますか？

水素を動力源とする内燃機関の潜在的な漏れを検出するセンサーは、スペースシャトルの打ち上げ中の水素漏れを検出するためにNASAによって開発されました。ディスカバリーチャンネルのこのインタラクティブアニメーションで、他のNASAの革新について学びましょう。

水素経済の大きな問題は、「水素はどこから来るのか」ということです。その後、水素の輸送、流通、貯蔵の問題が発生します。水素は、その自然の気体の形ではかさばり、扱いにくい傾向があります。

これらの質問の両方が経済的な方法で答えられると、水素経済が実現します。

次のセクションでは、これらの質問を個別に見ていきます。

水素はどこから来るのですか？

水素経済に関するより興味深い問題の1つは、水素自体です。それはどこから来るのでしょうか？化石燃料経済では、化石燃料を地面から汲み出し（石油掘削の仕組みを参照）、精製する（石油精製の仕組みを参照）だけです。それからあなたはそれをエネルギー源として燃やします。

私たちのほとんどは、石油、ガソリン、石炭、天然ガスを当然のことと思っていますが、実際には非常に奇跡的です。これらの化石燃料は、数百万年前の貯蔵された太陽エネルギーを表しています。数百万年前、植物は太陽エネルギーを使って成長しました。彼らは亡くなり、最終的には石油、石炭、天然ガスに変わりました。私たちが地面から石油を汲み上げるとき、私たちはその巨大な太陽エネルギー倉庫を「無料で」利用します。1ガロンのガソリンを燃やすたびに、蓄積された太陽エネルギーを放出します。

水素経済では、利用できる倉庫はありません。私たちは実際にリアルタイムでエネルギーを作り出さなければなりません。

水素には2つの可能な供給源があります。

水の電気分解-電気を使用すると、水分子を簡単に分解して純粋な水素と酸素を生成できます。このプロセスの大きな利点の1つは、どこでも実行できることです。たとえば、ガレージに水道水から水素を生成するボックスを設置し、その水素を車に燃料として供給することができます。
化石燃料の改質-石油と天然ガスには炭化水素が含まれています-水素と炭素からなる分子。燃料処理装置または改質装置と呼ばれる装置を使用すると、炭化水素中の炭素から水素を比較的簡単に分離して、水素を使用できます。残った炭素は二酸化炭素として大気中に捨てます。

もちろん、2番目のオプションは少しひねくれたものです。あなたは水素経済のための水素源として化石燃料を使用しています。このアプローチは大気汚染を減らしますが、温室効果ガスの問題（大気中に炭素がまだ入っているため）または依存性の問題（まだ石油が必要）のどちらも解決しません。ただし、水素経済への移行中に取るべき一時的なステップとしては良いかもしれません。現在、自動車会社が開発している「燃料電池車」の話を聞くと、ほとんどの自動車会社が、ガソリンから燃料電池用の水素を改質装置で調達する計画を立てています。。その理由は、ガソリンは簡単に入手できる水素源だからです。現在のガソリンスタンドのように隅々に「水素ステーション」があるまでは、これが水素を取得して車両の燃料電池に電力を供給する最も簡単な方法です。

最初のオプションの興味深い点は、それが実際の水素経済の中核であるということです。持っているために、純粋な水素経済を、水素が由来しなければならない再生可能エネルギー源我々は大気中に炭素を放出し停止するようにではなく、化石燃料。水素を水から分離するのに十分な電力を確保し、化石燃料を使用せずにその電力を生成することは、水素経済を生み出す上で私たちが目にする最大の変化です。

ベイズウォーター発電所（オーストラリア、ニューサウスウェールズ州）は、加圧蒸気を使用してタービン発電機を稼働させることにより電気を生成します。

水の電気分解のための電気はどこから来るのでしょうか？現在、米国で生産される電力の約68％（参考）は石炭または天然ガスから供給されています。水素経済では、そのすべての発電能力を再生可能な資源に置き換える必要があります。さらに、現在輸送に使用されているすべての化石燃料エネルギー（車、トラック、電車、ボート、飛行機））水素に変換する必要があり、その水素も電気で生成されます。言い換えれば、国の発電能力は、輸送の需要を満たすために倍増する必要があり、その後、すべてが化石燃料から再生可能資源に変換する必要があります。その時点で、そしてその時点でのみ、大気への炭素の流れが止まります。

現在、化石燃料を使用せずに電気を生成する方法はいくつかあります。

原子力
水力発電ダム
太陽電池
風力タービン
地熱発電
波や潮力
コージェネレーション（たとえば、製材所が樹皮を燃やして電力を生成したり、埋め立て地が腐敗したゴミが生成するメタンを燃やしたりする場合があります。）

右上から時計回りに：太陽光発電所。原子力発電所; 水力発電ダム; 風力タービン

米国では、現在、電力の約20％が原子力発電であり、7％が水力発電です。太陽光、風力、地熱、その他の電源は、電力の5％しか生成しませんが、問題になるほどではありません。

将来的には、技術的な進歩がなければ、水素経済を生み出すために2つのことが起こる可能性があります。原子力または太陽光発電のいずれかの発電能力が劇的に増加することです。純粋な水素経済では、現在石油から供給されている輸送用のエネルギーをすべて電気的に生成された水素に置き換える必要があるため、発電能力は約2倍になる必要があることを忘れないでください。そのため、発電所の数は2倍になり、すべての化石燃料発電所が交換されます。

発電の問題は、おそらく水素経済に対する最大の障壁です。技術が洗練されて安価になると、水素を動力源とする燃料電池車は、10年から2年の間にガソリン内燃エンジンに取って代わる可能性があります。しかし、発電所を原子力と太陽光に切り替えるのはそれほど簡単ではないかもしれません。原子力には政治的および環境的な問題があり、太陽光発電には現在コストと場所の問題があります。

水素をどのように貯蔵し、輸送しますか？

営業中

水素充填ステーションは、米国、アイスランド、日本、ドイツを含むいくつかの国ですでにオープンしています。お近くの水素ステーションを見つけるには、FuelCells.org-世界的な水素燃料ステーションを参照してください。

現時点では、純粋な水素自動車を道路に配置する際の問題は、保管/輸送の問題です。水素はかさばるガスであり、ガソリンほど扱いやすいものではありません。ガスの圧縮にはエネルギーが必要であり、圧縮水素には同じ量のガソリンよりもはるかに少ないエネルギーが含まれています。しかし、水素貯蔵問題の解決策が浮上しています。

たとえば、水素は水素化ホウ素ナトリウムと呼ばれる化学物質に固体の形で貯蔵することができ、クライスラーがそれをテストしているため、この技術は最近ニュースに登場しました。この化学物質は、ホウ砂（一部の洗剤の一般的な成分）から作成されます。水素化ホウ素ナトリウムは水素を放出すると、ホウ砂に戻り、リサイクルできるようになります。

貯蔵の問題が解決され、標準化されると、水素ステーションのネットワークと輸送インフラストラクチャをその周りに開発する必要があります。これに対する主な障壁は、技術的な選別プロセスである可能性があります。明らかに市場を支配するストレージ技術が存在するまで、ステーションは急速に発展しません。たとえば、すべてのメーカーのすべての水素自動車が水素化ホウ素ナトリウムを使用している場合、ステーションネットワークは急速に発展する可能性があります。歴史がガイドであるならば、その種の標準化は急速に起こる可能性は低いです。

競争の場を急速に変える可能性のある技術的進歩もあるかもしれません。たとえば、誰かが大容量で充電時間が短い安価な充電式バッテリーを開発できれば、電気自動車は燃料電池を必要とせず、道路に水素を必要としません。車は電気を直接使って充電します。

将来の展望

ドラムビートが大きくなっているので、今後数ヶ月のニュースで水素経済についてますます聞くでしょう。化石燃料経済の環境問題は、燃料電池技術の飛躍的進歩と組み合わされており、この組み合わせにより、私たちは最初の一歩を踏み出すことができます。

私たちが目にする最も明白なステップは、燃料電池自動車のマーケティングです。それらは最初はガソリンと改質装置によって動力を供給されますが、燃料電池は内燃機関に比べて2つの大きな改善を具体化しています。

それらは約2倍効率的です。
それらは都市の大気汚染を大幅に減らすことができます。

ガソリンを動力源とする燃料電池車は、これらの利点があるため、優れた移行ステップです。

純粋な水素経済への移行はより困難になります。発電所は再生可能なエネルギー源に切り替える必要があり、市場は水素を貯蔵および輸送する方法について合意する必要があります。これらのハードルにより、水素経済への移行はかなり長いプロセスになる可能性があります。