太陽エネルギー、酸素と熱を利用して水素を作る

水素は有用なガスです。 飛行船を浮かべたり、トラックに燃料を供給したり、産業プロセスを加熱したりする場合でも、水素はその役割を果たします。 しかし、それを生産することは現在困難な問題を抱えています。 再生可能エネルギーを使用してクリーンに生産することもできますが、多くの場合、重大な汚染を引き起こすプロセスを使用して炭化水素燃料から分離する方がはるかに安価です。

ただし、クリーンで持続可能なプロセスで水素をより効率的に生成する方法はあります。 また、副産物として有用な熱と酸素も生成します。 プロセスの鍵は？ 集中した日差し。

水素は、排出物を最小限またはまったく排出せずに燃焼したり発電に使用したりできるため、将来のクリーンな燃料として宣伝されています。 車、トラック、電車、飛行機、さらには建設機械の燃料になる可能性があるともてはやされています。 ただし、水素自体はクリーンでも、生成自体はクリーンではないことがよくあります。 研究者らはナノ粒子から高度な熱分解プロセスに至るまであらゆるものを研究しており、水素を大規模に製造するクリーンな方法を見つける競争が続いている。 人々が「グリーン水素」について話しているのを聞くたびに、これが意味するところです。つまり、厄介な温室効果ガスを一切排出せずに生成される水素です。

極めてクリーンな水素の生成を目指して。 『Nature』に掲載された論文によると、研究者らは太陽光加水分解技術を使用したキロワット規模のパイロットプラントを実証した。 このシステムは都市の水道水で動作し、この水は複数の微粒子フィルターと脱イオン装置を通過して原子炉に向けて準備されます。 原子炉内では、直径 7 メートルの放物線状の鏡皿が捉えた光によって脱イオン水が加熱されます。この皿は、原子炉に到達する太陽​​エネルギーを最大化するための集光器として機能します。 この光は水を加熱するだけでなく、PEM 電解セルを動作させるためのエネルギーを提供する太陽光発電パネルにも到達し、実際に水を水素と酸素に分解します。

このシステムの鍵は、太陽エネルギー入力の二重目的です。 最も基本的なアイデアは、太陽光発電システムからの太陽エネルギーを単純に使用して PEM 電解セルに電力を供給することです。 ただし、この場合、太陽エネルギーは水の加熱にも使用され、電気化学プロセスの性能が大幅に向上します。

総合的なアプローチにより、システムによって生み出される経済的価値も最大化されます。 システムからの廃熱は熱交換器で捕捉され、さまざまな外部加熱目的に使用できます。 さらに、このシステムは水素だけでなく酸素も出力します。 これは燃料として直接役立つわけではありませんが、さまざまな産業や医療用途に依然として役立ちます。

パイロットプラントでは 1 日あたり約 0.5 キログラムの水素が生成されます。 これは、かなり平均的な年間走行距離を誇るヨーロッパ人にとって、1 台の水素自動車に電力を供給するのに十分な量です。 あるいは、このような設備を設置すれば、スイスの平均的な家庭の年間電力需要のおよそ半分と熱需要の半分以上を供給できる可能性がある。 ただし、現実的には、この場合、ストレート型太陽光発電の方がはるかに単純です。

スイスの金属生産工場で使用する水素を生成する、数百キロワット規模のより大規模なシステムを構築する計画がすでに始まっている。 医療用の酸素の供給や工場で使用する温水の供給も行う。

ちなみに、同様のシステムを独自に設計することに興味がある場合は、すぐにヘルプが提供されます。 ローザンヌ工科大学 (EPFL) は、太陽光電気化学デバイス最適化ツール (略して SPECDO) をリリースしました。 基本的に、これは、特定の太陽電池水素発生装置の性能パラメータを決定する計算機が満載の Web ページです。 ただし、エンジニアリングにかなり気を配り、設計に効果的な PEM 電解槽を調達する方法を見つける必要があります。

水素が将来の主流燃料になった場合、それを効率的に製造するための太陽光光化学プロセスが鍵となるでしょう。 結局のところ、温室効果ガスの排出が依然として発生する方法で水素燃料を生産するのであれば、交通機関や産業を水素燃料に転換するために巨額の資金を費やしても意味がありません。 同時に、この研究は、水素が依然としてすべての問題に対する特効薬ではないことを示しています。 代替燃料よりもクリーンな状態にするためには、かなりのエンジニアリングと技術が必要です。