グリーン水素は、グリーン転換を後押しできる変革をもたらす燃料として広く認識されています。
その製造プロセスである電気分解は、あまり理解されていません。
電気分解について知っておくべきことと、それがグリーン水素と地球の未来にとって何を意味するのかを、すべてご紹介します。
環境への懸念が高まり、よりクリーンで持続可能なエネルギー源への転換が急務となっている現在、電気分解はエネルギー情勢を一変させる可能性を秘めた変革的技術として台頭してきました。電気分解は、グリーン水素の生成を可能にする技術です。
電気分解は、電気エネルギーを利用して水分子を水素と酸素のガスに分解するプロセスです。このプロセスが再生可能エネルギーによって稼働する場合、グリーン水素の製造に利用できます。そして、そのグリーン水素は、今度はクリーンなエネルギーキャリアとして利用することができます。
グリーン水素には、海運、航空、鉄鋼、セメント、石油化学製品の製造など、脱炭素化が難しい産業を脱炭素化する大きな可能性があります。実際、これらの産業は全温室効果ガス排出量の約30％を占めています。
グリーン水素革命を支える技術について、知っておくべきことをすべてご紹介します。
電気分解は、これらの分野にグリーン水素を提供することになります。
運輸
グリーン水素は燃料電池車に利用でき、従来の内燃機関に代わるゼロエミッションの選択肢となります。グリーン水素の派生物であるグリーンアンモニアやeメタノールは、世界の大規模な運輸産業の脱炭素化における主要な解決策として現在検討されています。これは、2024年にも試験・開発が予定されているプロジェクトがある世界の海運業界において、特に重要です。
産業
鉄鋼、セメント、化学製品の製造は、排出量が最も多く、残念ながら脱炭素化が最も困難な産業の一つです。これは、これらの産業における多くの製造工程で、生産に必要な高温の熱を生み出すために大量のエネルギーが必要とされることが一因です。幸いなことに、これらのエネルギー集約型プロセスではグリーン水素を代替として利用でき、「グリーンスチール」のような製品を製造する可能性が開かれています。グリーンスチールでは、グリーン水素を熱の生成に用い、化学プロセスにおいて石炭や天然ガスに代わるものとなります。
エネルギー貯蔵
グリーンケミカルは、エネルギー貯蔵媒体としても機能し、風力や太陽光による余剰の再生可能エネルギーを貯蔵し、必要な時に電力に再変換することを可能にします。これは送電網の安定化に役立ち、変動の大きい再生可能エネルギー源の統合を支えます。
電気分解の3つの種類：知っておくべきこと
電気分解は、主に3種類の産業技術によって実現されています。高温の固体酸化物形電解セル（SOEC）、低温のアルカリ電解、そして低温の固体高分子形電解質膜（PEM）電解です。アルカリ電解とPEM電解では水は液体として供給されますが、SOEC電解は高温であるため水蒸気を利用します。
PEM電解
PEM電解は、固体高分子電解質膜を用いて水素と酸素のガスを分離します。この膜は高いプロトン伝導性を実現し、これはグリーン水素の生成における重要なプロセスであると同時に、ガスの混合を防ぎます。比較的低温の50～80°Cで稼働し、応答時間が速いことで知られています。
PEM電解システムはコンパクトでモジュール式であり、風力や太陽光などの変動する再生可能エネルギー源に適しています。エネルギー供給の変動に合わせて、出力を素早く調整することができます。
PEM電解システムは、膜材料のコストのため高価になりがちです。PEM電解の市場は確立されており、特に、パイプライン向けの燃料電池車など、高純度の水素を必要とする用途で確立されています。再生可能エネルギーの導入が拡大するにつれ、市場の成長が見込まれています。
SOEC電解
SOEC電解では、固体酸化物セラミック電解質を用い、通常675°Cから825°C程度の高温で稼働します。これらの温度では水の電気分解反応が進みやすくなり、その結果、製造される水素1単位当たりの消費電力が少なくなります。
SOECは、PEM電解やアルカリ電解よりも高い効率を実現し、産業プロセスや集光型太陽熱発電からの廃熱を利用することができます。鉄鋼、アンモニア、化学製品の製造や精製などの用途を含む大規模な水素製造に適しています。
国際再生可能エネルギー機関（IRENA）は、SOEC電解装置が、アルカリ技術およびPEM技術と比べて、（水素1kg当たりのkWhで）10～26％効率が高いと推定しています。
多くの用途において、SOEC電解は、PEM電解やアルカリ電解と比べて比較的新しい技術です。しかし、この技術は、特に高温の熱源や多量の廃熱排出がある場合に、産業用途やエネルギー貯蔵用途での可能性を秘めています。
アルカリ電解
アルカリ電解では、通常、水酸化カリウムなどのアルカリ性電解質溶液を用い、水素を生成するイオン交換プロセスを促進します。中程度の温度で稼働し、数十年にわたり産業用途で利用されてきました。
アルカリ電解装置は費用対効果が高く、商業利用の長い実績があります。しかし、アルカリ電解システムは、PEM電解と比べて効率が低く、負荷変動への応答も遅くなります。
アルカリ電解は、特定の産業分野では依然として競争力がありますが、効率性や再生可能エネルギーの統合への適応性の面で課題に直面する可能性があります。
電気分解がもたらす機会
グリーンエネルギー経済は、単一のアイデアや技術だけで実現するものではありません。しかし、電解装置は、世界で最も炭素集約的な産業のいくつかにおいて、グリーン転換を実現する上で重要な役割を果たすでしょう。
グリーン水素は、風力タービンや太陽光パネルと、私たちの日常生活で使用される燃料（飛行機、自動車、船舶で使われるもの）をつなぐ架け橋であり、電気分解がそれを可能にしています。
新たに generated されているグリーン水素経済は、雇用創出を促し、クリーンエネルギー技術への革新と投資を推進するとともに、エネルギー安全保障を強化するという、大きな経済的展望をもたらしています。
電気分解への継続的な研究、技術革新、投資は不可欠です。これは、迅速に行動する人々と地球そのものに恩恵をもたらす大きな機会です。
