高速道路沿いで3Dプリントされたスパイラルリアクターを使用して水素を製造する新しい水素製造技術が開発されました。

出典: ディープテック

最近、米国エネルギー省傘下のパシフィック・ノースウェスト国立研究所は、直径約11インチの新しいタイプの水素生成装置を開発しました。これをマイクロチャネル熱交換器と組み合わせると、高速道路のサービスエリア沿いの現場で簡単に水素を生成できます。

これは、従来の天然ガスまたはバイオマスから作られた再生可能天然ガスから水素を製造する新しい技術であり、オンサイト水素製造技術の市場投入を効果的に加速するでしょう。

図 | 新しい水素発生装置（出典：パシフィック・ノースウエスト国立研究所公式サイト）
水素は、エネルギーの安全性と回復力を実現し、さまざまな分野にわたるさまざまな用途に価値と環境上の利点を提供できる統合エネルギーミックスの一部です。多様で持続可能かつ豊富な国内資源は国にとって不可欠です。
1) 単一または限られたリソースへの依存を減らす。
2) エネルギーの自立を維持し、資源へのアクセスを拡大する。
3) 将来のリソースの使用と起こりうる変更に備えます。

資源の高度利用は、地球規模の持続可能な開発の重要な前提条件です。天然ガスは、地球上で最も豊富な炭素ベースの資源の1つであり、私たちの生活で広く使用されています。さらに、世界中に非常に健全な天然ガスパイプラインが敷設されています。したがって、天然ガスは最も人気のあるエネルギー形態の1つです。

また、将来のエネルギーの持続可能性という観点からは、天然ガスの主成分であるメタンをエネルギーキャリアの一つとして利用し、メタンと二酸化炭素の相互変換によってエネルギーの好循環を構成することも可能となります。

しかし、化石エネルギーの使用効率は通常、カルノー効率によって制限されるため、より高い資源利用率を達成することは困難です。対照的に、水素燃料電池は化学エネルギーと電気エネルギーの相互変換を通じて、より効率的な燃料利用プロセスを実現できます。

天然ガスは水素を豊富に含み、水素キャリアとして使用できます。そのため、天然ガス改質用の水素発生器を天然ガスパイプラインの近くに設置すると、現場での迅速かつ便利な水素製造プロセスが実現し、水素燃料電池駆動装置に水素を供給して、より効率的なエネルギー利用プロセスを実現できます。

天然ガス改質による水素製造は大規模な化学プロセスであり、現在、米国およびその他の国々で水素製造の主な方法となっています。復旦大学の研究者であるゴン・ミン氏はディープテックに次のように語った。「大規模生産の場合、水素製造装置は高いエネルギー効率を達成できます。しかし、オンサイト水素製造などの小規模な分散型水素製造シナリオでは、物質移動や熱伝達などのプロセスの制限により、エネルギー効率を最大限まで高めることは困難です。これが、パシフィック・ノースウェスト国立研究所がこの新しい水素発生器を開発する原動力となったのです。」
図 | 水素エネルギーサイト（出典：Pixabay公式サイト）
この水素発生器は、メタン改質プロセスを使用して水素を生成します。メタンと水を高温で反応させて水素と一酸化炭素または二酸化炭素を生成します。オンサイト水素製造の応用シナリオでは、反応器はスパイラル反応器を使用して、反応中の物質移動と熱伝達プロセスを強化し、反応物が均一に加熱され、完全に混合されるようにし、それによって全体的なエネルギー利用効率を大幅に向上させます。

螺旋状の物体は、自然界によく見られる幾何学的形状の一つであり、単位体積あたりの表面積利用率が最も高い形状の一つでもあります。そのため、螺旋状の反応器設計を採用することは非常に賢明であり、新しい反応器形状の設計も促進しました。

PNNLが開発した水素発生器は、テクノロジー系スタートアップ企業であるSTARS Technology Corporationにライセンス供与された。積層造形プロセスに関しては、STARS TC社や天然ガス配給会社SoCalGas社からもライセンスを取得しており、前述のスパイラルリアクター設計もSoCalGas社に独占的にライセンス供与されている。

「このマイクロチャネル技術の近い将来の用途の一つは、燃料電池電気自動車用の水素を生成することだ」と、SoCalGasの研究開発担当シニアディレクター、ユーリ・フリードマン氏は語った。

「この技術は設置面積が小さく、天然ガスを水素に変換するプロセスの効率を大幅に向上させるため、水素をよりクリーンに、より容易に供給できます。近くに天然ガスパイプラインがある場所ならどこでも水素を生産できます。私たちSoCalGasにとって、これは2045年までに事業とエネルギー供給における温室効果ガス排出量をネットゼロにするという目標に向けた重要な一歩です。」

この技術は、カリフォルニア州における水素の生産と使用を劇的に変革し、カリフォルニア州の気候目標に向けたSoCalGasの取り組みを前進させ、顧客を満足させる可能性があります。 ”

図 | 水素を生成する水蒸気メタン改質反応器の 3D「印刷」技術 (出典: パシフィック・ノースウェスト国立研究所公式ウェブサイト)
新しいリアクターは、現場での水素製造アプリケーションシナリオに重点を置いており、革新的な3Dプリントを使用してスパイラルリアクターを準備し、高スループットのリアクター製造プロセスを実現できます。この装置は、広範囲に張り巡らされた天然ガスパイプラインと組み合わせることで、水素の集中貯蔵を回避し、原子炉の小型化と分散化によって潜在的な安全リスクを軽減します。

「これらの小型で効率的な大量生産の発電機を、電力網の変圧器に似た『化学変圧器』と考えてください」と、STARS TCの社長であり、この技術の発明者であるボブ・ウェゲング氏は語った。「これらは天然ガス配給システムのどこにでも設置できるので、現場の需要に合わせた安価な水素を燃料ステーションに供給することで『水素グリッド』になります。」

最近、PNNL、STARS TC、SoCalGas は協力して、水素製造システムとスパイラルマイクロチャネルの設計を改善しました。「この付加製造プロセスは、部品数を減らし、鋳造や機械加工プロセスではほぼ不可能な形状を形成し、時間のかかる製造ステップを排除することで、製造コストを削減します」と、PNNL の技術商業化マネージャーであるサラ・ハントは述べています。「この特許取得済みの技術には、熱伝達を高めるためにデバイス内に構造を構築する独自の方法が含まれています。また、材料に触媒をコーティングまたは含浸させることも可能になり、化学反応からエネルギーへの変換がスピードアップします。」

図 | PNNL が開発・設計したスパイラルマイクロチャネルリアクター (出典: パシフィックノースウェスト国立研究所公式ウェブサイト)
新しい発電機が実際の応用で遭遇する可能性のある問題や課題について、復旦大学の研究者であるゴン・ミン氏はディープテックに次のように語った。「主なポイントは2つあります。

第一に、この原子炉は水素を生成するために天然ガス改質に基づいているため、使用シナリオは天然ガス輸送パイプラインまたは天然ガス使用者の近くになければならないということです。

2 点目は、新型発電機は水素を生成しますが、依然として天然ガス改質法を使用して水素を生成するため、水素には必然的に少量の炭素不純物が含まれます。これらの炭素不純物は、燃料電池などのアプリケーションの耐用年数に大きな影響を与えます。これらの炭素不純物を除去するには、末端で圧力スイング吸着または選択吸着を行う必要があり、発電機装置全体の小型化に課題をもたらします。 ”

現在、新エネルギー自動車分野における水素自動車の数は、純電気自動車の数よりはるかに少ない。主な理由は、水素エネルギーが化石エネルギーや電力システムとは異なり、自然界には存在せず、既成の完全な供給システムも存在しないためである。

水素エネルギーは「生産、貯蔵、輸送、使用」の4大リンクの同期的な発展とインフラの構築を必要とする完全な産業チェーンシステムであり、蓄積するには一定の時間がかかります。また、現状では、水素自動車は電気自動車よりもわずかに高価です。これらが水素自動車の数が少ない理由かもしれません。

今後の発展の方向は、必然的に水素自動車と純電気自動車の共同開発となるでしょう。どちらもそれぞれの利点があり、消費者は自分の好みに基づいて車の種類を決定するでしょう。一般的に、水素自動車は大型車市場をターゲットにし、電気自動車は小型車市場をターゲットにすることになります。
図 | 新エネルギー分野における水素の応用（出典：Pixabay公式サイト）
水素エネルギー戦略と技術をリード - 米国
2020年11月12日、米国エネルギー省（DOE）は「水素エネルギープログラム開発計画」報告書を発表し、米国は今後10年あるいはそれ以上の期間で水素エネルギーの研究、開発、実証のための総合戦略計画を策定すると指摘した。米国経済は、進行中の経済および環境の課題、そしてよりクリーンな電力、燃料、その他の製品に対する需要に対して、より敏感になってきています。

同時に、過去10年間は、アメリカの経済とエネルギーの安全保障を確保し、環境を保護するために、根本的に新しい戦略が必要であることを実証しました。多用途燃料である水素は、持続可能な経済成長への道を提供します。

しかし、水素の真の可能性を実現するには、研究開発への継続的な取り組みと、規模の経済を達成するための民間部門による全面的な導入が必要となる。他の燃料とは異なり、水素エネルギーには化石燃料、原子力、再生可能エネルギーシステムのさらなる統合が必要であり、水素の潜在能力と利点を最大限に実現するには統合的なアプローチが必要です。

この課題に対処するため、米国エネルギー省（DOE）は水素エネルギープログラム開発計画を策定しました。

この報告書は、DOEが2002年に発表した「国家水素エネルギーロードマップ」と2004年に開始された「水素エネルギー行動計画」で提案された水素エネルギー戦略計画を更新したものです。DOEの各部門が発行した水素エネルギー関連の計画や文書を総合的に検討し、水素エネルギー開発における主要な技術分野、実際のニーズと課題、研究開発の優先順位を明らかにし、水素エネルギー開発計画の主な技術目標と経済目標を提案しています。

図｜水素エネルギーシステム図（出典：米国エネルギー省公式サイト）
水素エネルギープログラム開発計画報告書には、「DOE の『水素エネルギープログラム』の使命は、水素エネルギー変換関連技術 (燃料電池やガスタービンを含む) を研究、開発、検証し、制度的および市場的障壁に対処して、最終的に応用分野全体にわたる広範な導入を実現することです」と記されています。この計画では、クリーンエネルギーの豊富で信頼性が高く、手頃な価格の供給を確保するために、多様な国内資源を使用して水素エネルギーを開発します。

水素エネルギーには無限の可能性があり、市場も大きい - 中国<br /> 中国政府は2060年までにカーボンニュートラルを達成するという目標を掲げている。今後数十年で、水素エネルギーはグリーンエネルギー構造において重要な位置を占める可能性があります。

中国は世界最大の水素生産国ですが、我が国の国情は石炭は豊富ですが、石油とガスが不足しています。我が国の水素生産方法のほとんどは、天然ガスの改質ではなく、石炭から水素を製造する方法です。石炭を使用して水素を生産することは、明らかに低コストの特徴があります。

しかし、化石エネルギーを原材料として使用することに固執すると、新たな汚染やエネルギー消費の問題が生じ、これも持続可能ではないアプローチとなります。さらに、水素製造プロセスには遅れた技術があり、コア設備は海外から輸入する必要があり、水素製造コストが高く、原材料の供給源は単一です。

世界的に見ると、米国、ドイツ、日本などの先進国では水素エネルギー革命が始まっており、官民連携による水素の生産、貯蔵、輸送、利用の具体的プロジェクトが効果的に進められている。わが国政府も、2060年カーボンニュートラルグリーン成長目標を達成するための重要な分野として水素エネルギー産業を位置づけ、水素エネルギー関連技術の開発とコスト削減を主導すべきである。

高速道路沿いで3Dプリントされたスパイラルリアクターを使用して水素を製造する新しい水素製造技術が開発されました。

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