水素は最も単純な化学元素であり、その原子核

原子力発電所の運転

原子力発電所の部品。 原子力発電所の主な構成要素 : 原子炉： 原子炉は、核分裂反応が起こるプラントの心臓部です。濃縮ウランやプルトニウムなどの核燃料と、核反応を調節するための減速材と原子炉制御が含まれています。 蒸気発生器 :

は単一の陽子で構成され、その原子は1つの電子しか持っていません。二水素(H2)の分子は、2つの水素原子で構成されています。
水素は一般的に二水素を指すために使用されます。

1kgの水素を燃やすと、1kgのガソリンの約4倍のエネルギーが放出され、水しか生成されません。

2H2 + O2 -> 2H2O

水素は地表に豊富にありますが、純粋な状態では存在しません。それは常に水や炭化水素などの分子で、他の化学元素に結合しています。生物(動物や植物)も水素で構成されています。
したがって、バイオマスは水素のもう一つの潜在的な供給源です。

炭化水素、バイオマス、水などの一次資源から水素を取り出すには、エネルギー投入が必要です。
水素は、低炭素エネルギー(原子力および再生可能エネルギー)から競争力のあるコストで十分な量を生産できれば、ほぼ無尽蔵になる可能性があります。
水素技術は、水素を製造し、貯蔵し、エネルギー目的に変換するために研究された一連の技術です。

現在、水素を製造する方法はいくつかあり、それぞれにコスト、エネルギー効率、環境への影響の点で長所と短所があります。

水の電気分解 :
水の電気分解は、電気を使って水(H2O)を水素(H2)と酸素(O2)に分解するプロセスです。電気分解には大きく分けて、アルカリ電解とプロトン交換膜(PEM)電解の2種類があります。水の電気分解は、太陽光や風力などの再生可能エネルギー源からの電力を動力源とすることができるため、環境に優しい水素製造方法です。

メタン水蒸気改質 :
水蒸気メタン改質は、通常は天然ガスの形態のメタン(CH4)を使用して水素と二酸化炭素(CO2)を生成する化学プロセスです。このプロセスは、水素を製造するために化学産業で一般的に大規模に使用されています。しかし、CO2も排出するため、水の電気分解に比べて環境にやさしい水素製造方法ではありません。

バイオマスガス化 :
バイオマスガス化は、有機物を合成ガスに変換し、合成ガスを水素に変換するプロセスです。この方法は、農業、林業、または都市廃棄物を原料として使用するため、再生可能で持続可能な資源から水素を製造する可能性を提供します。

水熱分解 :
水の熱分解は、熱を使用して水を水素と酸素に分解する熱化学プロセスです。この方法はエネルギー効率の点で効率的ですが、高温と特定の条件を必要とするため、実装が複雑になる可能性があります。

太陽光電解 :
太陽光電解は、太陽電池を使用して太陽光を電気に変換し、水の電気分解プロセスに電力を供給するために使用される水素を製造する方法です。この方法は、再生可能な電力源として太陽エネルギーを使用しますが、太陽電池の効率と関連するコストによって制限される可能性があります。

水素貯蔵は、クリーンで汎用性の高いエネルギーキャリアとしての可能性を秘めているため、研究開発が活発に行われている分野です。ここでは、水素を貯蔵する現在の方法をいくつか紹介します。

ガス圧縮 :
水素は、強化円筒形タンクに高圧で圧縮された気体状で貯蔵することができます。高圧貯蔵タンクは、高圧に耐えるために鋼または複合材料で作ることができます。しかし、水素を高圧で圧縮するには、特定のインフラが必要であり、エネルギー損失につながる可能性があります。

液化：
水素は、非常に低い温度(摂氏-253度未満)まで冷却および液化して、高エネルギー密度の貯蔵を行うことができます。液体で貯蔵すると、水素が占める体積が減りますが、高価な冷却装置が必要になり、液化プロセス中に大きなエネルギー損失が発生します。

固体材料への吸着 :
水素は、活性炭、ゼオライト、多孔質有機金属(MOF)、有機無機ハイブリッド材料などの多孔質構造を持つ固体材料に吸着できます。これらの材料は比表面積が大きく、適度な圧力と周囲温度で水素を吸着することができます。ただし、水素吸着は可逆的ですが、脱着には高圧が必要です。

薬品の保管 :
水素は、分解されたときに放出される化合物の形で貯蔵することができます。例えば、水素は、金属水素化物または有機水素化物などの有機化合物の形態で貯蔵することができる。水素の放出は、加熱、触媒、またはその他の方法によって引き起こされる可能性があります。ただし、化学物質貯蔵システムには、温度、圧力、および材料の再生に関して特定の要件がある場合があります。

地下貯蔵庫 :
水素は、塩水帯水層、自然空洞、多孔質貯留層などの適切な地層に地下に貯蔵できます。地下貯蔵庫は大容量の貯蔵庫を提供し、セキュリティとインフラストラクチャのリスクを軽減できます。ただし、これには適切な地質学的場所と安全で信頼性の高い保管技術が必要です。

水素は、汎用性、再生可能エネルギー由来のクリーン性、温室効果ガスの排出削減効果など、そのユニークな特性により、さまざまな分野で幅広い用途が期待されています。水素の潜在的な用途には、次のようなものがあります。

クリーンなモビリティ :
燃料電池

PEMFC燃料電池

PEMFCはポリマー膜を使用します。 燃料電池の種類 プロトン交換膜燃料電池(PEMFC) : PEMFCは、電解質としてポリマー膜(多くの場合、ナフィオン®)を使用します。比較的低い温度(約80~100°C)で動作し、始動が速く、電力密度が高いため、主に水素自動車などの輸送用途で使用されます。

車、バス、トラック、電車などの水素自動車は、内燃機関車に代わるクリーンな選択肢を提供します。空気中の酸素と水素を結合させて発電し、副産物として水と熱のみを生成し、大気汚染物質や温室効果ガスの排出を削減します。

エネルギー貯蔵 :
水素は、太陽光や風力などの断続的な再生可能エネルギー源によって生成されたエネルギーを貯蔵するなど、大規模なエネルギー貯蔵の手段として使用できます。余剰電力は、水を電気分解して水素を製造し、後で燃料やエネルギー源として使用するために貯蔵することができます。

工業生産 :
水素は、肥料の製造に使用されるアンモニアの製造や、メタノール、塩素化水素、炭化水素などのさまざまな化学物質の製造に化学工業で広く使用されています。また、鉄鋼やその他の金属の製造における還元剤としても使用できます。

発電量 :
水素燃料電池

PEMFC燃料電池

PEMFCはポリマー膜を使用します。 燃料電池の種類 プロトン交換膜燃料電池(PEMFC) : PEMFCは、電解質としてポリマー膜(多くの場合、ナフィオン®)を使用します。比較的低い温度(約80~100°C)で動作し、始動が速く、電力密度が高いため、主に水素自動車などの輸送用途で使用されます。

は、定置型と移動型の両方の用途で、クリーンで効率的な方法で発電するために使用できます。商業用および住宅用の建物で、バックアップ電源として、または主要な電源として使用されます。また、需要のピーク時に電力網に電力を供給するためにも使用できます。

C住宅用および商業用暖房 :
水素は、天然ガスや燃料油の代わりに、住宅用および商業用暖房の燃料として使用できます。水素ボイラーは開発中であり、建物の暖房に低炭素の代替手段を提供する可能性があります。

宇宙用途 :
宇宙産業では、特にロケットの上段で、宇宙ロケットを推進するための燃料として水素が使用されています。液体水素は、エネルギー密度が高く、燃焼がクリーンなため、推進剤としてよく使用されます。