CeO2から水素を作る？マイクロ波を使えばすぐに結果が得られます

化石燃料は気候に悪影響を及ぼします。ご存知の通り、世界は再生可能で持続可能なグリーンエネルギーへ急速にシフトしています。この気候に優しい燃料の探索において、水素は脱炭素化の潜在的な供給源として浮上しています。

技術の進歩により、温室効果ガス排出がゼロまたは極めて少ない水素の生産が可能となりました。水素への関心は非常に高く、米国エネルギー省は2030年までに年間「クリーン水素」生産をほぼゼロから2030年までに1,000万メトリックトン、2050年までに5,000万メトリックトンに増やすという国家目標を設定しています。

しかし、このプロセスには重大なボトルネックがあります。金属酸化物の酸化還元に依存する従来の熱電的手法は、非常に高温での運転が必要です。温度は最高で摂氏1,500度に達することがあります。

最近、韓国・浦項工科大学（POSTECH）の研究チームが、このボトルネックを回避する方法を見出しました。

このプロセスは、身近でありながら十分に活用されていないエネルギー源である「マイクロ波」エネルギーを利用します。はい、間違いありません。家庭用電子レンジで使用されているのと同じエネルギーです。この研究のタイトルはThermodynamic Assessment of Gd-doped CeO2 for microwave-assisted thermochemical reduction¹です。

以下のセクションで、この研究の意味合いについて議論します。

マイクロ波を用いたクリーン水素生産の主要な制限に対処する画期的技術

チームはPOSTECHで活動する学際的な研究者で構成され、尹軍秀教授が率いました。博士課程の候補生である柳在民（物理学部・先端原子力工学課程）、陳亨奎教授、そして機械工学部の李東奎博士課程候補生が参加しました。持続可能なエネルギー追求における画期的な成果として認められ、この研究は『Journal of Materials Chemistry A』の表紙裏に掲載されました。

研究者たちは、マイクロ波が食品を効率的に加熱できるだけでなく、化学反応も駆動できるという前提から出発しました。この考え方を、Gdドープセリア（CeO2）の還元温度低減に応用しました。Gdドープセリア（CeO2）は水素生産のベンチマーク材料であり、マイクロ波エネルギーによりこの材料の還元温度を60%以上低減し、摂氏600度以下にまで下げることが可能です。

マイクロ波エネルギーは、反応に必要な熱エネルギーの75％を代替できる可能性があります。この発見は、持続可能な水素生産にとって正当な画期的成果です。

陳亨奎教授は次のように述べました：

「この研究は、熱化学的水素生産技術の商業的実現性を革命的に変える可能性があります。また、マイクロ波駆動化学プロセスに最適化された新素材の開発への道を切り開くでしょう」

尹軍秀教授は、この新しいメカニズムの導入と既存プロセスの制限克服を「重要な成果」と呼び、研究チームの緊密な学際的協力がなければ実現できなかったと述べました。

チームが達成した別の画期的な成果は、酸素空孔の創出です。これは水を水素に分解するのに役立つ材料構造の欠陥です。従来の方法では非常に高温で数時間かかることがありますが、POSTECHチームはマイクロ波技術を活用することで、摂氏600度以下の温度で数分以内に同様の結果を得られることを示しました。

POSTECHの研究が重要な突破口を提供した一方で、世界中の多くの研究機関がクリーン水素生産の革新的手法に取り組んでいます。その中でも先頭に立つ組織の一つが、米国エネルギー省エネルギー効率・再生可能エネルギー局が運営する国立研究所であるNational Renewable Energy Laboratory（NREL）です。

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低コスト水素生産：その他の取り組み

Xcel Energy (XEL ) との協働で開発されたNRELの風力から水素への（Wind2H2）実証プロジェクトは、風力タービンと太陽光（PV）アレイを電解槽スタックに接続し、生成された電力で水を分解して水素と酸素を生成します。このプロジェクトは現在、コロラド州ボルダー近郊のNational Wind Technology Centerで稼働中です。プロジェクトの根本的な目的は、再生可能資源から大量かつ低コストで水素を生産し、石炭、石油、天然ガスといった従来のエネルギー源と競争できるシステム効率の向上です。

クリーン水素を生成する別の方法は、太陽光を利用して水を直接水素と酸素に分解することです。太陽光産業はすでに、光電気化学（PEC）光収集システム向けに高度なマルチジャンクションセル技術を開発しており、十分な電圧を生成して水を分解でき、また水/電解質環境でも安定しています。NRELは独自のPECシステムを開発しています。

NRELのシステムは電解槽のコストと複雑さを排除し、太陽光から水素を生成でき、捕捉した光を用いて太陽光→水素変換効率12.4％（低位熱量）を達成しています。NRELのさらなる研究は、より効率的で低コストな材料とシステムの開発に焦点を当てており、これらは水性環境での耐久性と耐腐食性を備えています。

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バイオロジカル水素

NRELが探求しているもう一つのエキサイティングな道は「バイオロジカル水素」です。NRELの科学者はリグノセルロース系バイオマスを糖分豊富な原料に変換する前処理技術を開発しており、これを直接発酵させて水素、エタノール、そして高付加価値化学品を生成できます。

さらに、ヘミセルロースを直接発酵させて水素を生成できるクロストリジウムのコンソーシアムを特定する取り組みも進行中です。

バイオロジカル水素領域の他の研究分野は以下の通りです：

• Clostridium thermocellum などの高効率セルロース分解微生物をバイオ探索し、結晶セルロースを直接水素に発酵させて原料コストを削減できる。
• モデルセルロース分解菌の同定。
• モデルセルロース分解菌の遺伝子操作の可能性を探求し、抗生物質感受性や遺伝子導入の容易さを含めて検討する。
• 廃酸や溶媒の生成を選択的に阻害し、水素収率を最大化する変異体を作り出す戦略を開発する。

世界中の組織、研究所、ラボが活発に活動している一方で、民間企業も積極的に取り組んでいます。

1. リンデ 

長年にわたりクリーン水素生産の最前線に立つ企業の一つがリンデです。同社は、効率的な圧縮と安全な水素給油を含む革新的技術と、数十年にわたる経験が組み合わさり、同社のインフラは他に類を見ないと主張しています。

同社のクリーン水素生産を目的とした事業は、複数の手法と戦略を含みます。例えば、再生可能エネルギーで駆動される電解槽を用いたグリーン水素の電解法があります。

電解では、再生可能エネルギーから完全に生成された電力を使用して水を水素と酸素に分解します。このプロセスは電解槽と呼ばれる装置内で行われます。電解槽はサイズ、容量、技術が異なりますが、基本的な化学反応は同じです。

現在、主な電解技術はアルカリ式とPEM（プロトン交換膜）式の二つがあり、リンデによれば、どちらも現場でオンデマンドに高純度水素を生成できるとされています。

アルカリ電解は、多孔質ダイヤフラムで分離された二つの電極と、液体アルカリ溶液を電解質として使用します。この電解質溶液は水酸化物イオンを電極間で輸送し、酸素と水素を生成しますが、反応中に消費されません。この技術は信頼性が高く、コスト効率も良いと考えられます。

一方、PEM電解は液体溶液の代わりに純水と固体高分子電解質を使用し、電気で水を水素と酸素に分解します。水素プロトンは膜を通過し、電子と結合して陰極側でH2ガスを生成します。

リンデは、さまざまな戦略に対して効果的な利用・貯留型炭素回収（CCUS）技術も提供しています。また、既存の天然ガスパイプラインに水素を注入し、幅広いエンドポイント用途に供給する革新的なソリューションを備えています。

リンデは地下の塩洞に水素を貯蔵する高度な保管事業を展開しています。エネルギーパーク開発の経験豊富なパートナーであるだけでなく、リンデは10年以上にわたり商業用の高純度水素洞窟を運営しています。また、液体水素の貯蔵・輸送を容易にする水素液化システムの構築にも数十年の経験があります。

最新の利用可能な財務データによれば、リンデは2024年9月30日で終了した四半期に86億5600万米ドルの売上高を記録しました。

2. エア・プロダクツ

クリーン水素生産分野に大きく貢献しているもう一つの企業がエア・プロダクツです。同社は、クリーン水素生産が、鉄鋼製造や化学加工といった電化が難しい産業プロセスの脱炭素化に不可欠であると考えています。

同社はすでに低炭素水素生産を推進しエネルギー転換を加速させるプロジェクトに150億米ドルをコミットしています。

同社のクリーン水素の活用例には、自動車、バス、フォークリフト、船舶、列車、トラック向けの水素給油が含まれます。道路輸送は世界の排出量の約12％を占めています。ディーゼルバスをゼロエミッションの水素燃料電池バスに転換することで、世界的な温室効果ガス排出を削減し、空気質を改善できます。エア・プロダクツは水素バス給油のリーダーであり、世界各地のプロジェクトに関与しています。

NEOMグリーン水素会社（NGHC）は、ACWA Power、エア・プロダクツ、NEOMの3社が等比で出資する合弁事業で、再生可能エネルギーで稼働する世界最大規模のグリーン水素ベースのアンモニア生産施設を設置しています。このプラントは、1日あたり最大600トンのカーボンフリー水素をグリーンアンモニアの形で生産し、輸送および産業部門向けのコスト効果の高いソリューションとなります。

エア・プロダクツの新しいネットゼロ水素エネルギーコンプレックスは、アルバータ州エドモントンを西カナダの水素経済の中心にすることを目指しています。エドモントンでの建設が順調に進んでおり、同社の変革的な新水素施設を既存のパイプラインネットワークに接続することで、精製・石油化学顧客のエネルギー製品の炭素強度を低減し、持続可能性のパフォーマンスを向上させます。さらに、業界最高水準の液化施設は、西カナダ全域で水素を排出ゼロの輸送燃料として活用する速度を加速させます。

エア・プロダクツのルイジアナ・クリーンエネルギーコンプレックスは、低炭素水素を生産し、ガルフコースト地域およびそれ以降のモビリティと産業市場に供給します。この施設は、二酸化炭素排出量の95％（年間500万トン超）を捕捉・貯留すると見込まれ、ルイジアナ州の理想的な地質孔隙空間に永久的に二酸化炭素を貯留します。

このプロジェクトはエア・プロダクツによる米国最大規模の投資であり、ルイジアナ州が2050年までに温室効果ガス排出をネットゼロに削減することを支援する目的で建設されました。

エア・プロダクツは、ニューヨーク州マッセナの未開発サイトに、1日あたり35メトリックトンのグリーン液体水素を生産する施設を建設・所有・運営するために約5億米ドルを投資する計画です。また、液体水素の流通・供給事業も設置します。このプロジェクトにより、ライフサイクル全体で600万トンのCO2排出回避が見込まれます。プロジェクトはセントローレンス川の水力発電を利用して、カーボンフリー液体水素の生産に電力を供給します。

2024年9月30日で終了した会計年度において、同社は120億米ドル超の売上高を記録しました。

クリーン水素で未来へ

企業や研究機関が信頼性が高くコスト効果のある水素生産の新たな方法を開発し続けるための後押しは十分にあります。例えば、米国エネルギー省は2023年に、超党派インフラ法に基づく総額70億米ドルの資金から、7つの「水素ハブ」を立ち上げるための受賞者を選定しました。資格を得るには、各ハブは「1日あたり少なくとも50〜100メトリックトンのクリーン水素を生産し、温室効果ガス排出を削減できる」ことを説得的に示さなければなりませんでした。

DOEが選定した水素ハブの中で最も活発に参加した企業には、AES Corporation (AES )、エア・リキッド、Amazon (AMZN )、Bloom Energy (BE )、Chevron (CVX )、ExxonMobil (XOM )、GTI Energy、Holtec、Mitsubishi Power Americas、Plug Power (PLUG )、および (TRP ) が含まれます。

最先端技術は水素の生産と流通の促進にも関与できます。例えば、NRELはエネルギーシステム統合施設で、700バールの水素供給ホースの加速試験とサイクルテストを自動ロボットで実施し、現場条件をシミュレートしています。ロボットはホースを曲げねじる人間の繰り返しストレスを模倣し、燃料電池車の搭載タンクへ水素を供給します。研究者は新旧の水素供給ホースの機械的、熱的、圧力ストレス効率を調査しています。

水素は現在注目を集めており、その勢いは今後さらに拡大するでしょう。世界の水素プロジェクトの展開を追跡する組織によると、2022年だけで規模の大きい水素生産プロジェクトが680件発表され、直接投資額は2400億米ドルに上ります。RELはまた、さまざまな持続可能な水素生産・供給経路に対してシステムレベルの分析を定期的に実施し、技術進歩や生産量に応じたコスト変化、コスト削減の可能性などのステータス改善を評価しています。

2030年までの水素投資は間違いなく重要です。2022年にはプライベートエクイティやベンチャー企業が水素関連企業に過去最高額を投資し、プライベートエクイティで31億米ドル、ベンチャーキャピタルで26億米ドルを192のスタートアップに提供しました。過去最高額を投資しました。

この勢いの重要性について語る中で、Breakthrough Energyの米国政策・アドボカシーチームのディレクターであるアドリア・ウィルソンは、最近の政策的成功により、手頃でクリーンな水素が今後10年、あるいはそれ以前に脱炭素化のツールとして利用可能になると述べました。

しかし、楽観的である一方で、まだ道のりは長いことを忘れてはなりません。World Resources Instituteのデータによれば、水素の95％は化石燃料から製造されており、主に蒸気改質（SMR）と呼ばれるプロセスで、 高温で水を加熱して蒸気を作り、天然ガスと反応させて水素と二酸化炭素（CO2）を生成します。このプロセスは温室効果ガス排出が大きく、1kgの水素あたり10〜14kgのCO2相当を排出し、これはガロン1杯のガソリンを製造・燃焼する際の炭素排出量に相当します。

クリーン水素生産方法は、これらの方法を排除する手助けをしなければなりません。移行は迅速であると同時に、持続可能な手法で進める必要があります。

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