前に、環境に優しい交通手段が電気バスであるかについて話しました。 ただし、1つの重要な点については言及していませんでした。電気自動車の数の増加に伴い、都市はより多くの電力を必要とするようになります。 幸いなことに、今日、世界は風、太陽、さらには水素の助けを借りてエネルギーを得る方法を学びました。 新しい材料を最後のソースに捧げ、水素エネルギーの特徴について話すことにしました。
一見、水素は理想的な燃料です。 第一に、それは宇宙で最も一般的な要素であり、第二に、燃焼すると、大量のエネルギーが放出され、有害なガスを放出することなく水が形成されます。 水素エネルギーの利点は長い間人類に認識されてきましたが、大規模な産業規模で使用することは急ぐことはありません。
水素燃料電池
最初の水素燃料電池は、19世紀の30年代に英国の科学者ウィリアムグローブによって設計されました。 Groveは、鉄表面の硫酸銅水溶液から銅を沈殿させようとし、電流の影響で水が水素と酸素に分解することに気付きました。 この発見の後、グローブとクリスチャン・シェーンバインは、彼と並行して仕事をし、酸電解質を使用して水素酸素燃料電池でエネルギーを生成する可能性を実証しました。
その後、1959年、ケンブリッジのフランシスT.ベーコンは、水酸化物イオンの輸送を促進するために、水素燃料電池にイオン交換膜を追加しました。 米国政府とNASAはすぐにベーコンの発明に興味を持ち、更新された燃料電池は飛行中の主なエネルギー源としてアポロ宇宙船で使用されました。
宇宙飛行士向けの電気、熱、水を生成するApollonサービスモジュールの水素燃料電池。 ソース： ジェームズハンフリーズ /ウィキメディアコモンズ
現在、水素燃料電池は従来のガルバニ電池に似ていますが、1つだけ違いがあります。反応の物質は電池に保存されず、常に外部から供給されます。 多孔質アノードを浸透すると、水素は電子を失い、電気回路に移動し、水素カチオンは膜を通過します。 さらに、カソードでは、酸素がプロトンと外部電子を捕捉し、その結果水が形成されます。
水素燃料電池の動作原理。 ソース：Geek.com
1つの燃料電池から約0.7 Vの電圧が除去されるため、セルは許容可能な出力電圧と電流を備えた巨大な燃料電池に結合されます。 水素元素からの理論電圧は1.23 Vに達することがありますが、エネルギーの一部は熱になります。
グリーンエネルギーの観点から見ると、水素燃料電池の効率は60％と非常に高いです。 比較のために：最高の内燃機関の効率は35〜40％です。 太陽光発電所の場合、係数は15〜20％だけですが、気象条件に大きく依存します。 最高のベーン風力発電所の効率は40％に達し、これは蒸気発生器に匹敵しますが、風力タービンには適切な気象条件と高価なメンテナンスも必要です。
ご覧のように、このパラメーターでは、水素エネルギーが最も魅力的なエネルギー源ですが、それでも大量適用を妨げる多くの問題があります。 それらの中で最も重要なのは、水素生産のプロセスです。
マイニングの問題
水素エネルギーは環境に優しいが、自律的ではない。 動作には、燃料電池には水素が必要ですが、これは地球上で最も純粋な形では見つかりません。 水素を入手する必要がありますが、既存の方法はすべて非常に高価であるか、効果がありません。
消費されたエネルギーの単位あたりに受け取った水素の量の観点から最も効果的な方法は、天然ガスの蒸気変換です 。 メタンは、2 MPaの圧力（約19気圧、つまり約190 mの深さの圧力）および約800度の温度で水蒸気と結合し、水素含有量が55〜75％の変換ガスを生成します。 蒸気変換には巨大なプラントが必要であり、これは生産にのみ適用できます。
蒸気メタン変換用の管状炉は、水素を生成する最も人間工学的な方法ではありません。 出典： CTK-Euro
より便利で簡単な方法は、水の電気分解です。 電流が処理水を通過すると、一連の電気化学反応が発生し、その結果、水素が形成されます。 この方法の大きな欠点は、反応に必要なエネルギー消費が大きいことです。 つまり、やや奇妙な状況であることが判明しました。水素エネルギーを取得するには、エネルギーが必要です。 電気分解中の不必要なコストを回避し、貴重なリソースを節約するために、一部の企業は、外部充電なしでエネルギーを取得できるフルサイクルシステム「電気-水素-電気」の開発に努めています。 そのようなシステムの例は、東芝H2Oneの開発です。
東芝H2Oneモバイル発電所
私たちは、水を水素に、水素をエネルギーに変換するH2Oneモバイルミニ発電所を開発しました。 電気分解を維持するために、太陽電池が使用されており、余分なエネルギーが電池に蓄積され、日光のない状態でシステムの動作を保証します。 結果として生じる水素は、燃料電池に直接供給されるか、統合されたタンク内の貯蔵庫に送られます。 H2One電解槽は1時間で最大2 m 3の水素を生成し、出力で最大55 kWの電力を供給します。 ステーションで 1 m 3の水素を生成するには、最大2.5 m 3の水が必要です。
H2Oneステーションは大企業や都市全体に電力を供給することはできませんが、そのエネルギーは小さな地域や組織の機能に十分です。 機動性があるため、自然災害や緊急停電の状況で一時的な解決策として使用できます。 さらに、通常の運転に燃料を必要とするディーゼル発電機とは異なり、水素発電所は水のみを必要とします。
現在、東芝H2Oneは日本の少数の都市でのみ使用されています。たとえば、川崎の鉄道駅に電気とお湯を供給しています。
川崎へのH2Oneのインストール
水素の未来
現在、水素燃料電池は、携帯用パワーバンク、車を備えた市内バス、および鉄道輸送にエネルギーを提供しています（自動車業界での水素の使用については、次の記事で詳しく説明します）。 水素燃料電池は、クアドロコプターの優れたソリューションであることが予想外に判明しました。バッテリーの質量と同様の質量で、水素供給は最大5倍の飛行時間を提供します。 この場合、霜は決して効率に影響しません。 ロシアの会社AT Energyによって製造された実験的な燃料電池ドローンは、ソチオリンピックでの撮影に使用されました。
東京で開催されるオリンピックでは、水素が自動車や電気、熱の生産に使用され、オリンピック村の主要なエネルギー源になることも知られています。 このために、東芝エネルギーシステムズ＆ソリューションズ株式会社から委託 日本の浪江市では、世界最大の水素製造ステーションの1つが建設中です。 ステーションは、「グリーン」ソースから受け取った最大10 MWのエネルギーを消費し、電気分解により年間最大900トンの水素を生成します。
水素エネルギーは、化石燃料を完全に放棄しなければならない「未来のための準備」であり、再生可能エネルギー源は人類のニーズをカバーできません。 Markets＆Marketsの予測によると、現在の1,150億ドルの世界の水素生産量は2022年までに1,540億ドルに成長します。しかし、近い将来、技術の大量導入は起こりそうにありません。 。 技術的障壁が克服されると、水素エネルギーは新しいレベルに達し、おそらく、今日の伝統的なまたは水力発電と同じくらい広く普及するでしょう。