水素の色

水素の色(color of hydrogen)

 

1. 水素社会の到来

大量に水素がつくられて、自動車などの動力源として、あるいは発電エネルギーとして化石燃料の代わりに様々な場面で利用される「水素社会」が、到来しようとしています。
水素は、我々が今大量に消費している、天然ガスや石油、石炭のようにエネルギーを取り出す際に、地球温暖化の原因であるCO2(二酸化炭素)を排出することはありません。
CO2排出の無いカーボンフリーな水素社会を構築するためには、水素を生産したり、運搬、貯蔵する際に発生するコストを低減することが必要であり、それぞれの過程でCO2の排出を出来るだけ減少させる取り組みが必要です。

 

水素の低コスト化のための条件として、次の3点があげられます。
① 安価な原材料を使用して水素を生産する。
② ⽔素の⼤量生産や⼤量輸送を可能にするサプライチェーンを構築する。
③ 燃料電池⾃動⾞(FCV)や発電、産業利⽤などで⼤量に⽔素を利⽤する環境を作る。

 

水素は、水や、化石燃料の石油・天然ガスに多く含まれています。これらいろいろな原材料から、いろいろなエネルギーの付加により生産されます。ただ、原材料の種類や、負荷するエネルギーによって、地球環境に与える影響が色々考えられます。そこで考え出されたのが、「水素の色」です。

 

水素自身は、においも色もありません。しかし、同じ量の水素を生産するために地球環境に与える影響度合いは異なります。それを直感的に表したものが「水素の色」です。考え出された時期や、研究者によっていろいろな分類はありますが、比較的新しい文献(※1)に記述されている分類に基づいて示したものが、表1です。

 

これらのうち、一般的にクリーンな水素といわれるものは、グリーン水素、ブルー水素、及びターコイズ水素といわれています。これらは、最終成分としては、CO2を排出することはないためです。

ただ管理人のきわめて個人的な考えを述べさせて頂くと、日本では少数派の意見になるとは思いますが、生産時にCO2を排出しないという意味で捉えれば、原子力発電による電力由来であるパープル/ピンク水素もクリーン水素にカウントしても良いのではと考えます。

表1水素の色  参考:日本の水素戦略の再検討  (公財)自然エネルギー財団 2022年9月

 

2. それぞれの水素生産方法の概略

2.1 グリーン水素(green hydrogen)

太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーのみを用いて、水を電気分解することにより生産される水素をグリーン水素といいます。生産段階でCO2の発生はありません。

化学式は、

\( \mathrm{ 2H_{ 2 }O \longrightarrow 2H_{ 2 } + O_{ 2 }} \)

です。

フロー図を示すと、図2のようになります。

図2 グリーン水素の製造工程

グリーン水素は、生産工程では、CO2は発生しませんが、厳密にいえば、製造装置である太陽電池は、シリコンを高純度に生成してからドープなどの操作をするため、大量の電力を消費しますし、寿命が来れば廃棄時にもエネルギーを消費します。また、発生する水素は低圧ですので、基本的には圧縮・冷却して、移動・運搬に支障が無いようにします。
そしてこれはどの色の水素でもいえることですがライフサイクルコストをよく考慮して、より環境負荷が少なくなる様に研究を進める必要があります。

 

2.2 パープル/ピンク水素(purple/pink hydrogen)

原子力発電による電気エネルギーを用いて、水を電気分解することにより生産される水素をパープル・ピンク水素(イエロー水素とも呼ばれます)といいます。グリーン水素と同様、製造段階でCO2の発生はありません。

化学式は、

\(  \mathrm{ 2H_{ 2 }O \longrightarrow 2H_{ 2 } + O_{ 2 } } \)  

です。

フロー図を示すと、図3のようになります。

図3パープル/ピンク水素の製造工程

パープル/ピンク水素を、クリーン水素に位置付けるかは、微妙な所があります。国によっては原子力発電が推奨されていない場合も有ります。フランスやロシアは推奨しているようです。

 

2.3 ターコイズ水素(turquoise hydrogen)

天然ガス(メタン:CH4)を、反応室内でプラズマ照射、または触媒下で加熱することにより熱分化して生成された水素を、ターコイズ水素といいます。

化学反応式は、

\(  \mathrm{ CH_{ 4 } \longrightarrow 2H_{ 2 } + C } \)  

となり、炭素(C)は固体として生成します。生成法により異なるようですが、黒鉛に近い性質のものが生成します。この炭素を有用化するために、カーボンナノチューブやフラーレンに変換する試みもされているようです。

フロー図を示すと、図4のようになります。

図4 ターコイズ水素の製造工程

実用例としては、アメリカのスタートアップ企業C-Zero社が持つメタンガスを熱触媒で処理して水素と固定炭素に熱分解するプロセスがあります。これについては、ビル・ゲイツ氏のファンドが出資している他、三菱重工業も出資しています。この他、三菱重工業は、プラズマ熱分解方式のアメリカノモノリス社(MONOLITH)にも出資しています。

この他、日本でも荏原製作所がNEDO((国法)新エネルギー・産業技術総合開発機構)からの委託事業として研究を進めています。

ターコイズ水素は、グリーン水素やブルー水素と比較しても、生産コストが非常に安価な点が特徴です。ただ、C-Zero社ではターコイズ水素は、持続可能な資源ではない天然ガスを用いていることから、恒久的な解決方法ではないとしているようです。
また、バイオガスを利用する試みもされているようです。

 

2.4 ブルー水素(blue hydrogen)

化石燃料から製造される水素で、水素と同時に発生するCO2を系外に排出しない水素をブルー水素といいます。しかしながら後述しますが、ブルー水素は、水素生成工程でCO2を発生します。CO2を分離・回収して大気中に放出しないようにしているだけです。

ブルー水素の原料としては、天然ガスが一般的ですが、石炭を用いる場合もあります。

それぞれの化学反応式は、

天然ガスの場合

\(  \mathrm{ CH_{ 4 } + 2H_{ 2 }O \longrightarrow 4H_{ 2 } + CO_{ 2 } } \)  

石炭ガス化の場合
 酸素吹込み

 \(  \mathrm{ C + OH_{ 2 } \longrightarrow  CO_{ 2 } } \)  

 \(  \mathrm{ C + 1/2O_{ 2 } \longrightarrow  CO } \)  

 \(  \mathrm{ C + CO_{ 2 } \longrightarrow 2CO } \)  

 水蒸気との反応

 \(  \mathrm{ 2CO + 2H_{ 2 }O \longrightarrow 2H_{ 2 } + 2CO_{ 2 } } \)  

 これらより

 \(  \mathrm{ CH_{ 4 } + 2H_{ 2 }O \longrightarrow 4H_{ 2 } + CO_{ 2 } } \)  

天然ガスを用いた場合のフロー図を示すと、図5のようになります。

図5ブルー水素の製造工程:天然ガスの場合

 

後述するグレー水素の場合と比較すると、CO2の分離・圧縮行程が付加されます。圧縮されたCO2を地中に埋める技術をCCSといいます。

石炭を用いる場合は、水蒸気改質工程がガス化工程に置き換えられます。

ブルー水素と一括りにしましたが、原材料が天然ガスの場合と石炭の場合、大きく異なるのが、水素の発生量に対するCO2の発生量です。原材料が天然ガスでも石炭でも1モルから生成するCO2は1モルですが、水素は天然ガスの場合4モル、石炭の場合は2モルとなり、水素の発生量からみると、石炭の方が2倍のCO2を発生することになります。

 

2.5 グレー水素(grey hydrogen)

グレー水素もブルー水素と同様、化石燃料から製造される水素をいいますが、CO2の分離を行いません。例えば天然ガス(メタン)を原料とした場合、投入したメタンと等モルのCO2が排出されてしまいます。

グレー水素は、その原料により色が異なります。天然ガスを原料にする水素は、同じようにグレー水素と呼ばれます。この他、褐炭を原料にしたブラウン水素(brown hydrogen)、石炭を原料にしたブラック水素(black hydrogen)に分類されることが多いようです。何れも、技術的には確立された生産方法ですが、カーボンニュートラルの観点からは、よりクリーンな水素が求められます。

それぞれの化学反応式は、ブルー水素の場合と同じです。

フロー図を示すと,

天然ガス(グレー水素)の場合を、図6に示します。

図6 グレー水素の製造工程:天然ガス

褐炭・石炭(ブラウン水素・ブラック水素)の場合を、図7に示します。

図7 ブラウン水素・ブラック水素の製造工程:褐炭・石炭

 

 

 

参考文献
(※1)日本の水素戦略の再検討 「水素社会」の幻想を超えて  (公財)自然エネルギー財団 2022年9月
ブルー⽔素、グリーン⽔素って何︖プラントエンジニアが技術のキーポイントを解説   プラントエンジニアのおどりば  https://yuruyuru-plantengineer.com/what-is-green-hydrogen/
Wikipedia

 

引用図表
表1水素の色  参考:日本の水素戦略の再検討
図2グリーン水素の製造工程  参考:プラントエンジニアが技術のキーポイントを解説
図3パープル/ピンク水素の製造工程  参考:プラントエンジニアが技術のキーポイントを解説
図4 ターコイズ水素の製造工程  参考:プラントエンジニアが技術のキーポイントを解説
図5 ブルー水素の製造工程:天然ガスの場合  参考:プラントエンジニアが技術のキーポイントを解説
図6 グレー水素の製造工程:天然ガス  参考:プラントエンジニアが技術のキーポイントを解説
図7 ブラウン水素・ブラック水素の製造工程:褐炭・石炭  参考:プラントエンジニアが技術のキーポイントを解説

 

ORG:2022/12/09

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