水素利用

グリーン水素

は、水の電気分解によって作られます。これに必要な電気は、太陽光発電、風力発電、水力発電などの再生エネルギー源から供給されます。このため、この生産はカーボンニュートラルであり、環境にも優しいものとなっています。

グレー水素

は、水蒸気改質により、天然ガス、石炭、石油などの化石燃料から作られます。この方法では、1トンの水素を製造する場合、廃棄物として10トンのCO2が発生します。これは気候中立ではありません。

ブルー水素

は、グレー水素同様に、上記改質により作られます。ただし、放出されたCO2は地下に貯蔵されます（CCS技術：Carbon Capture and Storage）。CO2は環境中に放出されないので、ブルー水素はカーボンニュートラルです。

ターコイズ水素

は、メタンの熱分解により生成されます。この方法では、天然ガス（メタン）は熱化学プロセスで水素と固体炭素に分解されます。固体炭素は顆粒として保管でき、後で再利用できます。

レッド/ピンク水素

は、グリーン水素同様に、水の電気分解によって作られます。ただし、必要な電気は原子力エネルギーから供給されます。このタイプの水素はカーボンニュートラルではありますが、安全に保管する必要がある放射性廃棄物が発生します。

水素を製造するためには、数多くの技術があります。現在、それは主に化石燃料の蒸気改質によって得られており、これによってCO2も生成されます。気候中立により、ますます重要になっている方法は電気分解です。ここでは、再生可能エネルギー源からの電気を利用して、水は、その成分である水素と酸素に分解されます。

工業にとって最も関連の高い電気分解の種類は、アルカリ水電解(AEC)、固体高分子型電解(PEM)、固体酸化物型電解(SOEC)です。すべての方法において、水は、その成分である水素と酸素に分解されます。これらの技術の違いは、膜と電解質の選択です。

アルカリ水電解 (AEC)

アルカリ水電解は、実際に最も一般的に使用されている技術です。電解質として水酸化カリウム溶液(KOH)が使用されます。この技術は、既に大規模に利用可能となっています。少ない投資コストと、長い耐用年数に加えて、重要な原材料は実質的に使用されていません。この欠点は主に、負荷を変更する場合のダイナミクスが低いことです。

固体高分子型電解 (PEMEC)

アルカリ水電解と比較して、固体高分子型電解は、はるかに歴史が浅いですが、同様に工業規模でも利用できます。主なコンポーネントはプロトン交換膜です。これにより、酸素と水素という2つの製品が混合しないことを保証し、水素純度はさらに高くなります。PEM電解により、迅速な負荷交換と小型設計を実現します。これに対し、触媒材料の価格の高さという課題もあります。

固体酸化物または高温電解 (SOEC)

ここでは、水は水蒸気としてシステムに供給されます。これにより、最大85%という高い効率を実現できます。セルは最大900℃という温度で動作します。電解質として固体セラミック物質が使用されます。SOECのもう一つの利点は、合成ガスを作るためのCO電気分解にも適しているということです。ただし、高温であることにより負荷交換能力が低くなり、材料要件が高くなります。

水素を貯蔵するための技術は数多くあります。物理的貯蔵容器は、重量および体積エネルギー密度が高くなります。材料ベースの貯蔵容器により、管理可能な圧力と温度での貯蔵を可能にします。最も関連性の高い2つの技術は、真空断熱タンク内で最大700 barの圧力下で、-253℃で液体水素を貯蔵することです。その保管技術には、金属水素化貯蔵、LOHC、アンモニアやメタノールなどの化学的貯蔵などがあります。

水素はさまざまな分野で利用できます。水素は化学的特性に応じて必要とされるので、産業界において最も高い需要が期待されています。想定される用途としては、アンモニアとメタノールの製造、鉄鋼やセメントの製造などがあります。モビリティにおいても高い需要が予想されています。ここでは、バッテリーが代替手段を提供できない状況、つまり高負荷と長い航続距離が求められる場合に水素が使用されます。これらには、航空宇宙、海洋用途、輸送などがあります。

水素は、1個の陽子と1個の電子のみで構成されています。そのため、水素は最小かつ最軽量の元素であり、そのためさまざまな物質中を非常に早く拡散します。基材材質、圧力、温度、暴露時間に応じて水素脆性が発生し、それによってコンポーネントの早期疲労が発生するおそれがあります。ラインが漏れることなく安全であることを維持するために、用途に応じた材料選択と適切なコンポーネント設計を行うことが重要です。

炭素含有量が少なく、ニッケル含有量が高い、高度合金化されたオーステナイト系クロムニッケル鋼は、水素用途での使用に適しています。炭素含有量が少なく、ニッケル含有量が高いことにより、この鋼材は粒界腐食に対して非常に耐性があり、いわゆる水素脆性を大きく防ぎます。

水素脆性とは、材料の格子構造内に原子状の水素が侵入、蓄積されることを指します。これにより靭性が低下し、亀裂の形成や亀裂伝播の大幅な加速による早期疲労や、突然の材料破損につながるおそれがあります。水素脆性は、材料、圧力、温度、その他数多くの要因に大きく依存しています。