水素製造：水素の説明とその製造方法。

水素は、有望なクリーンエネルギーキャリアとして、特に、より気候にやさしい未来に向けて、ますます重要になっています。しかし、水素とは実際には何なのか、どのように生成されるのか疑問に思ったことはありませんか? この記事では、水素生成の基本知識と技術、そして水素が特別な元素である理由について見ていきます。

簡単に言えば、水素は、無色、無臭、無味の気体です。宇宙で最もシンプルで豊富な化学元素として評価されています。水素は、陽子、電子という小さな粒子で構成されています。

極めて反応性が高く、他の元素と結合して、水などの化合物を形成することができます。これは強力な燃料として機能し、電気を生成し、車両を動作させ、熱を発生させるために使用できます。クリーンなエネルギーキャリアとして、水素は、環境への影響を低減し、持続可能なエネルギー供給に貢献する可能性があります

水素製造のためのいくつかの技術があり、特定の要件および利用可能な資源に応じて使用できます。一般的な方法をいくつかご紹介します。
 

• 天然ガスの水蒸気改質：これは現在、水素製造で最も広く使用されている技術です。このプロセスでは、主にメタンで構成される天然ガスを、触媒の存在下で水蒸気とともに加熱します。いわば、水蒸気改質は、天然ガスの「分解」と考えることができます。
  
  このプロセスでは、天然ガス中のメタンが水蒸気と反応し、水素（H2）と一酸化炭素（CO）を生成します。得られた水素は精製され、次に自動車の燃料として使用したり、燃料電池やさまざまな産業用途で電気を生成するために使用したりできます。このプロセスは安価ですが、デメリットもあります。二酸化炭素が副産物として放出され、環境に影響を与えます。

• 水の電解：電解では、電流を利用して水を水素と酸素に分解します。電解槽と呼ばれる装置や機器は、これを行うために電解プロセスを実行します。

• 太陽光水素の製造：この方法では、電気エネルギーの代わりに太陽光エネルギーを使用して、電解プロセスを実行します。直射日光でも、ソーラーミラーやコレクターを利用した太陽光の放射を集中させることでもできます。この新しい技術は十分な太陽光が得られる国で使用でき、特にコスト効果の高い方法で水素を生成できます。

• 熱化学的水素製造（生物学的水素製造）：特定の細菌や藻類などの一部の微生物は、発酵や光合成によって水素を生成することができます。この方法はまだ開発中ですが、持続可能で環境に優しい水素源となる可能性があります。ただし、このタイプの製造のデメリットは資源が有限であることです。

すべての水素製造プロセスが同じように、持続可能であるか、または環境に優しいとは限らないことに注意する必要があります。水素製造の持続可能性は、使用するエネルギー源と製造プロセス中のCO2排出量によって異なります。クリーンなエネルギー源として水素の利点を最大限活用するためには、水素製造に再生可能エネルギー源を使用することが非常に重要です。

太陽光エネルギー、風力エネルギー、水力発電などの再生可能エネルギーを使用することで、水素製造におけるCO2排出量を大幅に削減し、より持続可能な水素製造が可能になります。環境に優しく水素を製造することは、将来の低炭素化を達成し、気候変動に対応するための重要なステップです。

電解は、最も有望なプロセスです。電解プロセスは、特に使用される電気が再生可能エネルギー源から供給される場合、環境に優しい水素製造を可能にします。これらの技術は、さまざまな用途の持続可能なエネルギーキャリアとしてクリーンな水素を発生させる上で重要な役割を果たします。当社は、さまざまな技術について詳しく調べ、それぞれのメリットとデメリットを見てみました。

プロトン交換膜電解とも呼ばれるPEM電解では、高分子膜と電流を使用して水を水素と酸素に分解します。

メリット：

• 迅速な起動と可変負荷への迅速な適応
• 効率性に優れた部分負荷運転
• 運転温度が低く（50～80°C）、高価な材料の使用を削減
• コンパクトなサイズで、既存のシステムへの統合が容易
• 高い技術成熟度（TRL 7～8）

デメリット：

• 水中の不純物に敏感なため、水の前処理が必要
• PEM燃料電池の耐用期間の限度（約10,000運転時間）
• アルカリ電解と比較して高コスト

アルカリ電解では、アルカリ電解質（通常は水酸化カリウム水溶液）を使用して、水を水素と酸素に分解します。

メリット：

• PEM電解と比較して低コスト
• 水中の汚染物質に対する堅牢性
• 耐用年数の長い電解槽（約40,000～80,000運転時間）
• 最高レベルの技術成熟度（TRL 8～9）

デメリット：

• PEM電解と比較して反応速度が遅い
• 運転温度が高いため（70～100°C）、エネルギー消費量が高い
• 運転パラメータが異なるため、既存のシステムへの統合がより困難

SOECは固体酸化物電解槽の略であり、固体酸化物を電解質として用いた、高温で水を水素と酸素に変換する高温電解槽のことです。

メリット：

• 高い運転温度（800～1000°C）による高い効率および熱回収
• 水蒸気やCO2など、さまざまな燃料の使用における柔軟性

デメリット：

• 運転温度が高いため、高価な材料や特殊な断熱材が必要
• 遅い起動と可変負荷への遅い適応
• より大きなサイズと複雑なシステム統合
• 大規模な運転経験がほとんどなし

AEMは陰イオン交換膜の略であり、マイナスに帯電したイオンを透過する特殊な膜を使用し、電流を使用して水を水素と酸素に分解する電解槽技術を指します。

メリット：

• PEM電解と比較して低コスト
• 水中の汚染物質に対する堅牢性
• 低温で運転（約60～80°C）

デメリット：

• PEMおよびアルカリ電解と比較して、開発や商品化が限定的
• 膜の長期安定性に潜在的な課題
• 大規模な設備なし。技術成熟度が低レベル。