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自動車燃料や発電への利用が実現するとなると、挙に数十%もの需要増に応ずることが求められることとなる。
メタノール・エネルギーの意義メタノールは、たとえ今後、新技術の開発がなくても既存LNGは生産地に大規模な液化設備を必要とする。
また、海上輸送にはマイナス一六０℃以下の低温に保持するための特殊タンカーを必要とする。
陸揚げ後にも、同じく高価な貯蔵設備が必要となる。
すなわち、LNGを利用するには、大きな埋蔵量を有するガス田を対象とする、長期契約に基づく取引きがなければならない。
一方、メタノールを製造しようとすれば、中小ガス田も十分に利用可能である。
さらに石炭をガス化して得る一酸化炭素と水素を使ったメタノール製造もすでにアメリカのイーストマン・コダツク社でプロセス化されている。
バイオマスを原料にすることも同時に可能であり、さらにコールベッド・メタンやメタン・ハイドレートなど非在来型の天然ガスも原料になってこよう。
特記すべきことは、炭酸ガスも原料にできることで、発電所の排煙中に含まれる炭酸ガスを回収したときの利用先ともなり得ると研究が進められている。
これに関しては、WE|NET計画の項で改めて述べることとする。
メタノールが常温で液体という性質は、ガソリンや石油と同じように燃料としての利用を容易にするもので、大きな可能性を秘めた二一世紀の燃料として技術開発が進められるであろう。
私たちが使用しているエネルギーは、電力と燃料に大別できる。
現在のエネルギーシステムは示すように一次エネルギーとして化石燃料があり、それが電力と、ガソリンや都市ガスなどの燃料に変換されて消費されることで成り立っている。
しかし、いずれ石油や天然ガスが枯渇して、原子力や太陽エネルギーに置き換わっていったとき、電力を得る道筋は確保されているが、ガソリンなどに相当する燃料がない。
そこで、燃料として水素を入れて新しいエネルギーシステムが成立する。
このように化学燃料として水素を考え、厨房や自動車に用いようとするのが水素エネルギーシステムである。
水素を水から得て、エネルギーとして燃焼すれば水に戻る。
亜硫酸ガスも排出せず、炭素を含まないために温室効果ガスとして問題になる炭酸ガスも出すこともない。
非枯渇でクリーンなエネルギーシステムが成立することになる。
石油危機を背景に、水素エネルギーは世界的に注目され、種々の研究が始められた。
主に石油クリーンエネルギ一社会を実現する「サンシャイン計画」においても、石炭・太陽・地熱と並ぶ一つの柱として取り上げられた。
しかし、製造プロセスの開発は容易なものではないことが明らかになるとともに、石油需給の逼迫感も薄れるなか、人々の関心も遠のいた感があった。
ところが、最近になって地球規模の環境問題が急浮上し、炭酸ガスの低減が課題とされて、水素のクリーン性が脚光を浴びるようになった。
そして水素のコストも環境コストを考慮すると化石燃料よりも経済性がある可能性も生まれた。
図6.2水素エネルギーシステム実現の鍵となる製造法をまず説明し、ついで現在のエネルギーシステムへの水素導入シナリオを考えよう。
「熱化学分解法」で水素を作る、水素はアンモニアやメタノール製造の原料として広く使用されている化学物質であるが、石油のように一次エネルギー源として存在しているものではない。
電力を用いて水を電気分解するか、熱エネルギーを用いて天然ガスを改質することで得られる二次エネルギーである。
水素エネルギーシステムが成立するには、原子力や太陽の熱を利用して水から水素を得る道筋を必要とする。
直接的に水の熱分解を可能とする温度、すなわち「ギブスの自由エネルギー」がゼロとなる温度は約四０００Kの高温である。
仮に、それが得られたとしても解離した水素と酸素を別々に閉じこめて取り出す技術を必要とするため、工業プロセスの実現は当分の間望めそうもない。
これを解決するために提案されたアイデアが「熱化学分解法」と呼ばれるもので、熱化学反応を組み合わせたサイクルを利用するものである。
ヨーロッパ共同体の原子力研究所から熱源温度として一０００℃以下の熱工ネルギーを用いて水が分解できる可能性が示され、以来アメリカ、ドイツ、日本を中心として多くの研究機関から二００近いサイクルが提案されてきた。
しかし、実験による淘汰を経て生き残ったのは世界で二つのサイクルのみとなり、一つは上の二つはカルシウムの化合物、下の二つは鉄の化合物のみからなり、それぞれ臭化物と酸化物の聞を往復して、カルシウムの反応からは酸素が、鉄の反応からは水素が得られる。
実証実験がベンチスケールプラントを作製して実施され、一０サイクル以上にわたって安定した水素の発生が確認された。
熱化学分解法のアイデアが提出されてから一五年以上を経ているが、今もって連続的に水素を製造できたのは、本サイクルのみという状況である。
最初はカルシウム、鉄の化合物のそれぞれの二つの反応に対して気体反応物を切り換えることで往復反応を進行させた。
実験を重ねるうちに反応を式番号を順序で直列に連結し、流路を単純に一本化した方式と名付けた運転方法で水素が作れることがわかった。
すなわち、反応器に水蒸気を送入して排出される過剰の未反応水蒸気と臭化水素を直接反応器に導き、臭化水素と水素および未反応水蒸気を排出させる。
水蒸気と臭化水素を冷却凝縮させて水素を分離する。
引き続いて水蒸気と臭化水素を加温して1の反応器に導入するという具合である。
反応固体は数千四、数万回にもおよぶ繰返し反応を通じて臭化物と酸化物間を往復する。
結晶構造や分子体積が異なるので、純物質で成形すれば微粉化してしまう。
そこで基本構造を、鉄では酸化ケイ素で、カルシウムでは酸化チタンで多孔質体を作り、その内部表面に反応物質が分散露出するようにする。
この反応固体の最適な多孔質構造の形成手法は、まだまだ研究を必要とする。
熱化学分解法は腐食性に富むハロゲンガスを用いるので装置材料が難問とされてきた。
しかし、ニッケルに富むステンレス鋼上に、M０CVD法で、ジルコニアとイリジウムの二層の皮膜をつくることで高温耐食性が得られることが見出されている。
反応器から水蒸気・臭化水素・水素の混合ガスが出るとき、冷却凝縮で水素を分離すると述べた。
しかし、排出される六００℃近傍の温度下で膜分離できるならば、熱経済上ですぐれたプロセスとなる。
ジルコニアを基盤とする複合セラミック膜に十分な分離性能があることが見出されている。
熱化学分解法による水素製造プロセスは、このように工業化を目指して問題を逐次解決してきている。
今後は中間規模プラントを用いて、長期間運転による工業プロセスとしての実証性と経済性の検討が待たれるところである。
燃料としての水素クリーンエネルギ一社会を実現する水素は原子番号1、原子量一・００八０、単体は二原子分子、常温で無色無臭の気体である。
水素は工業的に重要な物質であり、メタノールやアンモニアなどの化学原料、水素添加によるマーガリンなどの製造、脱硫用、そして半導体製造といった分野ですでに広く使用されている。
これらに加えて、前述した燃料用メタノールの原料、そして燃料電池用および自動車、航空機、発電、工業と厨房用の燃料として新しい利用分野の広がりが期待されている。
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