水素エネルギーのパラダイム構築

商業エネルギー分野、米国エネルギー省、NASA関連市場での経験に加え、19年間にわたり大学で教鞭を執り、非常勤教授を務めてきた私の40年にわたるキャリアを通じて、私は、普遍的かつ効率的で、エネルギーの源から利用に至るまでクリーンな、持続可能で多機能、かつ多様な供給源からなるグローバルなエネルギーミックスの構築を提唱してきました。 これには常に、炭素排出量の削減や、環境に対する人為的な過剰な影響の緩和に向けた取り組みが含まれてきました。その中での顕著かつ拡大しつつある要素の一つが、一般に「_{H2エネルギーミックス}」と呼ばれる、エネルギーキャリアとしての水素の利用です。

水素は、風力や太陽光発電などの再生可能エネルギー、さらには原子力、天然ガス、バイオガスなど、多様な供給源から製造することができます。しかし、エネルギーミックスにおける持続可能な構成要素とみなされるためには、これらの供給源を活用し、効率的かつ副生成物を削減するプロセスを経て製造される必要があります。もちろん、これには二酸化炭素削減の手法も含まれます。

再生可能水素を製造する方法の一つに、電気分解があります。これは、再生可能エネルギー源からの電力を用いて、水を水素と酸素に分解するプロセスです。この水素は燃料電池の動力源として利用でき、燃料電池は電気を発生させる際に、水を唯一の副産物として排出します。

水素はクリーンな天然エネルギー源であるだけでなく、輸送、発電、産業プロセスなど、さまざまな用途に使用される可能性を秘めています。例えば、世界の一部地域ではすでに水素燃料電池の開発と導入が進められている一方、発電所では水素を燃焼または予混合燃料として使用する設計が進められています。

米国エネルギー省（DOE）が作成した、エネルギー源別消費構成を詳細に示したサンキー図（下図参照）は、「なぜ水素なのか」という疑問に対する明確な答えを示しています。2021年に米国で消費された97.3クアドリリオンBTUのうち、3分の1以上が石油由来であり、その大部分は運輸部門で消費されています。しかし、石油の大部分は、工業用作動流体や化学製品製造の原料として使用されています。

リンク：米国のエネルギーの流れを示すスーパー・サンキー図 — Otherlab

この図に示されたデータから、他にも2つの明らかな結論が導き出されます。石炭はエネルギー供給のわずか10％を占めるに過ぎず、その主な用途は発電です。しかし、発電時の損失によって毎日失われる電力の量は、石炭の燃焼によって発電される電力量を上回っています。 当面の間、一部の地域では全国送電網のバランスを保つために石炭火力発電が必要であり、石炭火力発電は比較的効率的なエネルギー源の一つですが、これは全体として熱力学的な損失を伴うプロセスであり、将来的には水素などの地域分散型発電源に置き換えられる可能性があります。これだけでも、わが国のエネルギー構成全体が環境に与える影響を大幅に低減できるでしょう。

水素製造の強力な支援を背景とした車両の電動化は、大きな可能性を秘めた分野です。現時点ではすべての車両を電動化することは現実的ではありませんが、地域密着型の配送や地域内輸送、自家用車などの一部の車両群については、エネルギー利用の観点から見て効率的な選択肢となります。輸送分野で使用されるリチウム電池が環境に与える全体的な影響について現在提起されている疑問は、これらの車両の動力源として水素燃料電池を採用することで、ある程度解消される可能性があります。

国のエネルギーのさらに約3割は天然ガスによるものであり、石油と比較して用途が多様で、はるかにクリーンなエネルギー資源です。埋蔵量が豊富で技術的理解も進んでいるため、触媒転換を通じた水素源としての活用、効率的なメタン燃料電池での直接利用、および新興技術における展開などにより、その利用は今後も拡大していく見込みです。

今後10年間で、エネルギーの使用量と需要は年率5%以上で増加し続けると予測されており、これは水素の利用や潜在的には小型モジュール炉が石炭などのエネルギー源に取って代わることを示唆しています。2030年までに、米国の電力需要の最大40%に対して、水素やその他の情報源がベースロード分散型エネルギーを供給するというのが現在の国家目標です。この多くは今日の技術で実現可能であり、現在開発が計画されている技術であれば確実です。

持続可能で多機能かつ多様な供給源からなるグローバルなエネルギーミックスを構築するためには、水素の生産、貯蔵、輸送に必要な新技術やインフラの研究開発に投資することが重要です。これには、パイプラインや貯蔵施設などの必要なインフラの整備や、水素の生産・輸送に向けた新素材や新技術の開発が含まれます。

全体として、_{水素（H2）の}エネルギーミックスは、持続可能で多機能かつ多様な供給源からなる世界的なエネルギーミックスにおいて重要な役割を果たす可能性を秘めており、より持続可能で回復力があり、安全なエネルギーの未来を実現するためには、水素分野への継続的な投資とイノベーションが不可欠である。