H2エネルギー・パラダイムの構築

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、非常勤教授も務めてきた40年にわたるキャリアを通じて、私は、どこでも利用可能で効率的であり、資源の採取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度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源をはじめ、原子力、天然ガス、バイオガスなどのさまざまな原料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の持続可能な構成要素として認められるためには、これらの原料を用いて、効率的かつ副産物の発生を最小限に抑えるプロセスで水素を製造する必要があります。もちろん、これには炭素排出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、副産物として水しか出しません。

水素は、クリーンで天然のエネルギー源であるだけでなく、輸送、発電、工業プロセスなど、さまざまな分野での活用が期待されています。例えば、水素燃料電池はすでに世界の一部の地域で開発・導入が進められており、発電所においても、水素を燃焼燃料や予混合燃料として利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：米国のエネルギーフロー「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が環境に与える全体的な影響を大幅に軽減することになるでしょう。

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。

わが国のエネルギー供給のほぼ3分の1は天然ガスによるもので、その用途はより多岐にわたり、石油よりもはるかにクリーンな燃料資源です。天然ガスは豊富に存在し、その特性も十分に解明されているため、触媒変換による水素源としての利用、高効率なメタン燃料電池への直接利用、そして新たに開発が進められている技術などにおいて、その利用は今後も拡大していく可能性があります。

今後10年間、エネルギー使用量と需要は前年比5％以上のペースで増加し続けると推定されており、これは水素の利用や、将来的には小型モジュール型原子炉が、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る。 2030年までに、水素やその他のエネルギー源が、米国の電力需要の最大40％を賄うベースロード分散型エネルギーを供給することを、現在の国家目標としている。その多くは、現在の技術、そして今後開発が計画されている技術によって確実に実現可能である。

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に加え、水素の生産・輸送に向けた新素材や新技術の開発も含まれます。

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。