太陽エネルギーは、世界で最も豊富かつ広く利用できるエネルギー源であり、世界中の研究者が、太陽光を有用な形に変換する方法を探っています。
多くの人は、電気を生み出す太陽光発電や、温水をつくる太陽熱パネルを知っています。しかし、太陽光研究にはもう一つの方向性があります。太陽光を液体燃料に変えることです。
太陽由来の液体燃料、すなわちソーラー燃料の研究は、ガソリン、ジェット燃料、水素など、今日のエネルギーインフラと両立するさまざまな製品の製造を目指しています。目標は、太陽光を液体の形で蓄え、太陽光が断続的であるという性質を手軽に克服することです。私も、この分野に取り組む研究者の増加の一端を担っています。
どのように実現できるのでしょうか。太陽光で生成した燃料を車に給油できるようになるまでに、どのような科学的課題が残されているのでしょうか。
自然のプロセスを加速する
ソーラー燃料の製造が特に魅力的なのは、太陽光に固有の変換と貯蔵の両方の問題に対処できるためです。つまり、太陽が利用できるのは一日のうちわずか3分の1です。これは、ほかの太陽エネルギー変換技術に比べて明確な利点です。たとえば太陽光発電パネルでは、発電量と需要が一致しない場合、電池などを含む複雑な送電・蓄電ネットワークと組み合わせる必要があります。
「ソーラー燃料」という言葉は、少し誤解を招く表現です。実際、すべての化石燃料は、技術的には太陽由来です。太陽エネルギーは光合成を促し、二酸化炭素（CO2）と水（H2O）の反応によって植物体を形成します。そして、数百万年をかけて植物体が分解され、私たちが社会を動かすために使う炭化水素が生まれます。
ある熱化学的手法では、太陽熱を使って水蒸気と二酸化炭素ガスから酸素を取り除きます。その後、得られたガスを別の工程で化学的に結合させ、液体燃料をつくります。
ジョナサン・シェッフェ、著者提供
このプロセスの欠点は、炭化水素を生み出す自然の効率が極めて低い一方で、人類のエネルギー需要はかつてないほど大きいことです。その結果、現在の化石燃料消費速度は、自然だけで化石燃料が生成される速度を大幅に上回っています。これが、自然の効率を高め、人為的な手段によってソーラー燃料の製造プロセスを加速する動機となっています。
これが、今日使われる「ソーラー燃料」という言葉の本来の意味ですが、究極の目標は同じです。すなわち、太陽エネルギー、CO2、水（H2O）をガソリンなどの化学物質に変換することです。
研究室へ
人工ソーラー燃料をつくる最初の段階は、CO2分子やH2O分子、あるいはその両方を分解し、多くの場合、一酸化炭素（CO）、または炭素と水素（H2）にすることです。これは簡単なことではありません。これらの分子はどちらも非常に安定しているためです（H2OからH2が自然に生じることはありません）。したがって、この段階では、光子の形で直接、あるいは電気や熱の形で間接的に、太陽光から供給される相当量のエネルギーが必要です。
この段階は、多くの場合、プロセスの中で最も重要な要素であり、今日のソーラー燃料技術の商業化にとって最大の障壁となっています。全体的な燃料製造プロセスの効率、ひいてはコストを大きく左右するためです。
この段階の後、得られた分子、ここでは合成ガスと呼ばれるCOと水素の混合物は、求める最終製品に応じて、既存のさまざまな技術を用いて変換できます。炭化水素ガスを液体に変えるこの工程は、すでに工業規模で実施されています。 Shell Global Solutions やSasolなどの大企業は、こうした技術を活用し、現在の低価格な天然ガスから、より価値の高い液体燃料を製造しています。
最近、欧州連合が支援するプロジェクトが、 SOLAR-JET （再生可能なジェット燃料の長期供給に向けた太陽化学反応器の実証と最適化）と題して、太陽エネルギーをジェット燃料、すなわちケロシンに変換する初の実証を行いました。研究者らは、太陽エネルギーを用いてCO2とH2Oから合成ガス（syngasとも呼ばれます）を製造する工程を、後段のガス液化反応器と組み合わせました。この場合、アムステルダムにあるShell本社の フィッシャー・トロプシュ 反応器が使われました。
液体燃料の製造は、エネルギー密度の高い燃料に依存する航空業界にとって特に重要です。また、太陽光発電と比べたソーラー燃料製造のもう一つの重要な利点でもあります。
私がほかの数人の研究者と取り組んだSOLAR-JETプロジェクトでは、太陽熱化学燃料製造と呼ばれるプロセスを利用しました。この方法では、虫眼鏡で火を起こすのとよく似た仕組みで、鏡やレンズなどの光学機器を使って太陽エネルギーを集光します。生じた熱は、化学反応器として働くチャンバーに吸収されます。吸収された熱を利用し、触媒型のプロセスによってH2OやCO2、あるいはその両方を解離させます。これは、あらゆるソーラー燃料変換プロセスの中でも、技術的に最も難しい段階の一つです。生成物（水素または合成ガス）は回収され、その後の工程でさらに液体燃料へと変換できます。
人工光合成
ソーラー燃料製造の第一段階に必要な反応を促進する方法は、ほかにも数多くあります。光（光子）を直接利用するものや、電気の形で間接的に利用するものなどです。
たとえば、いわゆる 人工光合成 では、光子を熱として吸収するのではなく、触媒プロセスで直接利用してH2O分子とCO2分子を分解します。
電気化学的手法では、太陽光発電セルで生成できる電気を使い、電気分解と呼ばれるプロセスを通じてH2OとCO2の分離を促します。
これまでのところ、これらすべての技術の商業化に向けた主な障壁は、効率の低さ、すなわち液体燃料の製造に必要なエネルギー量に関わる問題と、全体的な堅牢性です。たとえば、前述のSOLAR-JET熱化学変換プロジェクトの効率は、依然として2％未満です。しかし、この技術を商業的に実用化するには、10％を超える効率を達成する必要があります。
研究機関 ARPA-E の資金提供を受けてフロリダ大学で活動するチームは、光学機器で熱を発生させる別の熱化学プロセスを用いて、こうした効率目標の達成に取り組んでいます。一方、極端な高温（摂氏1200度超、または華氏2000度超）による堅牢性の問題は、依然として大きな懸念事項であり、対策が進められています。
さらに、ソーラー燃料の製造によって温室効果ガス濃度を本当に低減するには、空気中のCO2を回収する方法と組み合わせる必要があります。これはまだ比較的未成熟な技術ですが、 Climeworks などの企業が実現に向けて取り組んでいます。
時間とともに変動するエネルギー入力（太陽光）を化学反応器と統合する複雑さも加わると、課題全体の規模は大きく見えるかもしれません。それでも、効率の高いソーラー燃料が近いうちに実現するという希望をもたらす進展が、日々生まれています。
この記事は、 The Conversationとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持していることを意味するものではありません。
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著者：ジョナサン・シェッフェは、 フロリダ大学機械・航空宇宙工学科の准教授です。
画像：Concentrix Solarが製作した太陽追尾型ソーラーパネルの試作機が、2011年2月10日、カリフォルニア大学サンディエゴ校の設置場所でエネルギーを集めている。REUTERS／マイク・ブレイク。
