エネルギー
水素は、貯蔵技術の突破により、エネルギー源としてさらに魅力的になった
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水素は宇宙で最も軽い元素で、記号は H です。原子番号は 1 で、最も一般的に存在する元素です。最も単純な化学元素で、陽子が1つ、電子が1つだけで、無色、無味、無臭です。
興味深いことに、水素は宇宙の質量の約75％を占めていると推定されています。しかし、地球の地殻全体の質量比では約0.14％しか占めていません。水素は他の元素と化合物として固体、液体、気体の形で自然に存在します。酸素と結合すると可燃性の物質である水（H2O）になり、炭素と結合すると石油や石炭に含まれる炭化水素になります。そのため、太陽光や風力といった再生可能エネルギー、原子力、天然ガスなど、さまざまな資源から水素を生成することが可能です。
特に、自然に形成される水素ガスのポケットに関する複数の発見が行われました。これらはオーストラリア、ニュージーランド、カナダ、フランス、ドイツ、日本、ロシアなどの国で確認されています。現在、科学者たちはこれらの国々における埋蔵量の規模や起源、採取した場合の周辺環境への潜在的影響を調査しています。
エネルギー源としての水素
水素燃料を生成する最も一般的な方法は、熱的、電気分解、光起電力駆動電気分解、太陽光駆動、そして生物学的プロセスです。
熱
熱的プロセスでは、蒸気がディーゼル、天然ガス、ガス化石炭、またはガス化バイオマスといった炭化水素燃料と反応して水素を生成します。特に、全水素生産量の大部分（約95％）は天然ガスの蒸気改質から得られています。
電気分解
電気分解は、水を酸素と水素に分離するプロセスです。このプロセスは電解槽内で行われ、水分子から水素が生成されます。
生物学的
生物学的プロセスは、細菌など肉眼では見えない微生物を利用して水素を生成します。
太陽光
太陽光駆動プロセスは、その名が示す通り、光を利用してさまざまな方法で水素を再生産します。具体的には、光電気化学（特殊半導体で水を H と O に分離）、光生物学的（細菌や緑藻の自然光合成活性を利用）、太陽熱化学（集光太陽熱で水分解反応を駆動）があります。
これらすべての特性に加えて、水素はクリーン燃料でもあります。燃料電池で使用されると、水、熱、電気だけが生成されます。このため、発電や自動車、ロケットなどの輸送手段にとって魅力的な選択肢となります。エネルギー密度が高く、貯蔵可能で、温室効果ガスを排出しないこの物質は、実は2世紀以上前に内燃機関の動力源として使用されていました。
これらの点から、水素は再生可能エネルギーの貯蔵手段として主要な選択肢の一つであり、さまざまな産業でも利用が進んでいます。しかし、その真の可能性はまだ十分に実現されていません。実現には、経済的に大規模生産できることが必要です。また、現在のインフラは水素に適応する必要がありますが、ガスパイプラインを通じた輸送は可能です。
水素を燃料として活用する可能性はまだ完全には開かれていませんが、世界的な研究開発投資は年々増加しています。実際、最近の研究はこの分野で大きな突破口を開き、将来のエネルギーシステム向けに高密度の水素貯蔵を可能にしました。
高密度に詰め込まれた水素を貯蔵するフレームワーク
先月、学術誌 Nature Chemistry に掲載された、「小孔ハイドリドフレームワークが高密度に水素を貯蔵する」という研究は、韓国科学技術情報通信部（NRF）とドイツ研究財団（DFG）の資金提供を受けています。
ナノ多孔質材料はガス貯蔵で大きな注目を集めていますが、体積あたりの貯蔵容量を高めることは依然として課題です。そのため、複数の大学の研究者がこの課題に取り組むために協力しました。
日本の東北大学先端材料研究所（WPI‑AIMR）とドイツのマックス・プランク・インテリジェント・システム研究所のマイケル・ヒルシャーが本研究の構想を考案し、プロジェクトを監督しました。一方、韓国の蔚山大学（UNIST）のオ・ヒュンチュルが本プロジェクトを主導しました。
興味深いことに、2022年にマックス・プランク・インテリジェント・システム研究所、米エネルギー省オークリッジ国立研究所（ORNL）、ドレスデン工科大学、フリードリッヒ＝アレクサンダー大学エアランゲン‑ニュルンベルクの研究チームが、示したところによると、水素は H2 の沸点付近の極低温で表面に凝縮し、超高密度の単分子層を形成します。この層は液体水素の密度の3倍に相当し、1kg の水素につき体積がわずか5リットルにまで縮小されます。
本研究では、マグネシウムホロホリドフレームワークを中性子粉末回折、非弾性中性子散乱、体積ガス吸着、第一原理計算を用いて調査しました。このフレームワークは小孔を持ち、内部が部分的に負電荷を帯びた非平坦構造で、水素（H）と窒素（N）の吸着が可能です。
窒素と水素は孔内で明らかに異なる吸着部位に配置され、容量も大きく異なります。窒素は 0.66 N2、マグネシウムホロホリド（Mg(BH4)2）は 2.33 H2 をそれぞれ吸着します。1950 年に初めて発見された Mg(BH4)2 は、高容量水素貯蔵材料として知られ、ナノ多孔質 MOF 類似構造の結晶多形と、極めて高い体積水素密度と重量水素容量を持つ非常に密な多形の両方が存在します。
したがって、分子状水素は極めて高密度に詰め込まれ、液体水素の約2倍の密度を示します。
(NRC )研究チームは中性子粉末回折（NPD）を用いて、構造中の水素原子の位置と分子の吸着部位を特定しました。
研究では、ペンタジヒドロゲン・クラスター（ジヒドロゲンは2つの水素が単結合で結合したもの）が見つかり、ある位置の H2 分子は回転自由度を持ち、別の位置の H2 分子は明確な配向とフレームワークとの方向性相互作用を示すことが明らかになりました。これにより、常圧下でも小孔材料内で高密度に詰め込まれた水素が安定化できることが示されました。
この発見により、チームは先進的な高密度吸着技術を用いて、従来の水素貯蔵容量の制限を克服することに成功しました。
この画期的な開発は、UNIST 化学部のオ教授によって報告されました。将来のエネルギーシステムに向けた重要な前進です。
大規模水素貯蔵を可能にする
水素を輸送、固定電力、携帯電力に利用する際、貯蔵は重要な役割を果たします。水素は質量あたりのエネルギーが最も高いものの、常温常圧での密度が低く、体積あたりのエネルギーが低くなります。そのため、エネルギー密度を高めるために高度な貯蔵方法が必要です。
現在の貯蔵技術は主に液体または気体形態の分子水素貯蔵に焦点を当てていますが、体積密度と重量密度の両面で限界があります。
気体として貯蔵するには高圧タンクが必要で、液体としては低温（低温）が必要です。また、表面に吸着させるか、固体内部に吸収させることでも貯蔵できます。
分子としての水素は、弱いファンデルワールス相互作用（比較的弱くイオン性でない）によって多孔質材料に物理吸着（ファイシス吸着）されます。これはガス分子が固体表面に付着するプロセスです。しかし、非常に多孔質な材料は重量あたりの水素吸着量は高いものの、体積貯蔵容量の向上が求められています。
ここで、ナノ多孔質立方体マグネシウムホロホリド γ‑Mg(BH4)2 が優れた結果を示します。密度は ρ = 0.550 g cm−3、自由孔容積は 33％です。約 9 Å の孔径により、水素や窒素などの小分子を吸着できます。部分的に負電荷を帯びた内部表面が、ハイドリド原子を孔に曝露させます。
この研究は、NFR と科学技術情報通信部（MSIT）の中堅研究プログラムにより、マグネシウムカチオン（Mg+）とマグネシウムハイドリド、固体ホロホリド（BH4）2 からなるナノ多孔質複合ハイドリドを合成しました。
得られた材料は、3 次元配置で 5 分子の水素を貯蔵でき、驚異的な高密度水素貯蔵を実現します。孔体積あたり 144 g/L の水素貯蔵容量を示し、従来の方法をはるかに上回ります。さらに、材料内部の水素分子密度は固体状態のそれをも上回ります。
オ教授は、この材料を「水素貯蔵の世界におけるパラダイムシフト」と評し、「従来のアプローチに対する説得力のある代替案」を提供すると述べました。
この開発は、水素をエネルギー源として利用する際の生産性と経済効率を大幅に向上させます。また、公共・個人輸送用途での大規模水素利用に伴う貯蔵課題にも対処します。
この開発から恩恵を受ける企業
この研究が変革する水素貯蔵から利益を得られる産業は、化学、エネルギー、自動車、エンジニアリング、建設など多岐にわたります。以下に、恩恵を受ける可能性のある企業をいくつか紹介します：
#1. Honda Motor Co., Ltd.
日本を拠点とする自動車メーカーは、CO2 排出削減を約束し、水素エネルギーの可能性に早期に注目した企業の一つです。
この目標を達成するため、ホンダは 1980 年代から燃料電池技術の研究を行い、さまざまな用途に適用しています。
今年初め、同社はゼネラル・モーターズ（GM）と協力し、さまざまな製品向けに水素燃料電池電源ソリューションの生産を開始したと発表し、「水素時代の始まり」と呼んでいます。
HMC 価格チャート
時価総額は 648.5 億ドルで、株価は 36.93 ドル（年初来 19.22％上昇）です。ホンダの売上高（TTM）は 1,284.9 億ドル、EPS（TTM）は 7.73、P/E（TTM）は 4.77 です。また、配当利回りは 2.77％です。
#2. Dow Chemical Company
ダウ・ケミカルは、炭化水素・エネルギー部門など多様なセクターに関与しています。最近、同社はリンデ（NYSE: LIN）と提携し、カナダのネットゼロ炭素排出統合エチレンクラッカーおよび派生施設向けに、クリーンな水素と窒素を供給する契約を結びました。この取引は昨年末に完了し、65 億ドル規模のプロジェクトです。契約の一環として、リンデの空気分離および自動熱改質技術を導入し、施設のクラッカーオフガスを水素に変換します。
DOW 価格チャート
時価総額は 399 億ドル超で、株価は 56.76 ドル（年初来 3.5％上昇）です。ダウの売上高（TTM）は 446.2 億ドル、EPS（TTM）は 0.81、P/E（TTM）は 69.67 です。また、配当利回りは 4.93％です。
#3. McPhy Energy SA
フランス拠点の同社は、水素生成および貯蔵ソリューションを開発しています。昨年、マック・インダストリーズ（NYSE: GTLS）との商業契約を拡大し、同社は水素圧縮および液化用のプロセスと装置を提供します。
最近では、スウェーデンの AAK AB から 800‑30 電解槽（容量 4 MW）と関連部品の供給契約を獲得し、低炭素水素をプロセスガスとして使用できるようにしました。
時価総額は 471.8 億ユーロで、株価（MCPHY‑FR: Euronext Paris）は 1.69 ユーロ（年初来 49.97％下落）です。EPS（TTM）は -0.69、P/E（TTM）は -1 です。先月、マックは 2023 年度の決算を発表し、売上高は 1,880 万ユーロ（前年比 +17％）で、電解槽事業は +25％の成長を示しました。また、12 月末時点で約 6,200 万ユーロの現金を保有しています。 (HMC )
結論
水素エネルギー貯蔵市場は急速な成長が見込まれ、今後 8 年で $17.6 億の評価額 を超えると予測されています。政府が水素インフラに多額の投資を行う中、特に輸送部門は 10％の年平均成長率（CAGR）で大きく伸びると見込まれ、水素が産業内の炭素排出削減に大きく寄与することが期待されています。 (GM )
水素がよりクリーンで効率的なエネルギー源としての可能性が高まる中、輸送だけでなく他の産業でも採用が進むでしょう。継続的な研究と新たな発見により、広範な採用が実現し、ネットゼロ炭素排出の達成に貢献できるようになるでしょう。
