水素の可能性を解き放つ：再生可能エネルギー貯蔵の鍵としての重曹
Unleashing Hydrogen’s Potential: Baking Soda as the Key to Renewable Energy Storage
By Pacific Northwest National Laboratory
https://scitechdaily.com/ 2023.06.14
PNNLの科学者達は地球に豊富に存在する一般的な塩の有望な特性を調査している。
気温が継続的に上昇する世界では、エネルギー源の炭素排出量がゼロまたはほぼゼロになることが求められるコンセンサスが高まっている。つまり、再生可能エネルギー源からより多くのエネルギーを得ることで、石炭、石油、天然ガスを超えて成長することを意味する。
最も有望な再生可能エネルギー・キャリアーの1つは、化石燃料なしで生産されるクリーン水素である。宇宙で最も豊富な元素は水素であり、すべての物質の75％に含まれているため、これは有望なアイデアである。さらに、水素分子には2つの対になった原子(双子原子)があり、どちらも無毒で可燃性が高い。水素の燃焼性は、世界中のエネルギー研究者達にとって魅力的なテーマとなっている。
太平洋北西部国立研究所(PNNL)では、主に化学結合を切断することにより、エネルギーを貯蔵および放出するための媒体としての水素を調査している。彼等の研究の多くは、エネルギー省(DOE)の水素材料－先端研究コンソーシアムに関連している。
水素貯蔵はまだ最適化されていない
PNNLの研究の焦点の1つは、頑固な問題である水素貯蔵の最適化に関連している。今日まで、水素を大規模に貯蔵するための完全に安全で費用効果が高く、エネルギー効率の高い方法はない。PNNLの研究者達は最近、水素を貯蔵する手段として重曹溶液を調査する論文を共同執筆した。この研究は、王立化学会が発行する雑誌「グリーン・ケミストリー」自体によってすでに「ホットペーパー」と呼ばれている。これは、関心を示したクリック数が多かったと言うことになる。
PNNLでの水素ベースの貯蔵の取り組みは、エネルギー効率および再生可能エネルギー局にあるDOEの水素および燃料電池技術オフィスによって資金提供されている。この研究はDOEのH2＠Scaleイニシアチブと機関の水素ショットを前進させる。
新しい論文の2人の主要な著者は、化学者でPNNL研究所のフェローのThomas Autreyと、化学反応を迅速かつ費用効果の高いものにする専門家である彼の同僚のOliver Gutiérrezである。「あなたは少し創造的出なければならない。」と大きな問題に対する潜在的な答として、重曹がどれほど一般的で、安く、マイルドであるかを面白がっているAutreyは言った。「すべての化学物質が水素を効率的に貯蔵できるわけではない。あなたは母なる自然が貴方に与えるものと一緒に働かなければならない。」
長期的なエネルギー需要に対応するクリーンな水素
PNNLのAutrey、Gutiérrezらは再生可能エネルギーのキャリアとしての水素の未来の鍵は、長期間のエネルギー貯蔵であると考えている。
現在の電池技術は数時間の保管用に設計されている。再生可能エネルギー送電網では、電池は貯蔵ニーズの約80％を処理できる。しかし、「最後の20％は独自のアプローチを取るであろう。」とAutreyは言った。「Dunkelflauteに備えるために余剰エネルギーを蓄えたい。」
これは十分な太陽光と風力エネルギーの可能性がない条件を表すドイツ語である。Dunkelflauteの暗くて風のない時期には、送電網は数時間以上エネルギーを蓄える方法を必要としている。
このような季節貯蔵能力も魅力のひとつである。水素貯蔵はどこでも起こり得るという事実もそうである－専門家が言うように、それは「地理的に不可知論的」である。例えば、水力発電では、電力を作るために余分な水を貯蔵するための標高の違いが必要である。水素貯蔵には、地理的に関連する特別な条件は必要ない。
さらに、Autreyは、スケールが大きくなるにつれて、水素はより経済的になると述べた。沢山の電池を購入するよりも、いくつかの追加の水素貯蔵タンクを購入する方が安価である。
水素貯蔵の最良の方法を見つける
クリーン水素はエネルギー源として大きな期待を寄せている。例えば、電気分解と呼ばれるプロセスは、水を水素と酸素に分解することができる。最高の世界では、電気分解のための電力は、太陽光、風力、地熱などの再生可能エネルギー源から供給される。しかし、水素をより安価に製造するという頑固な課題が1つある。
これに対処するために、DOEは2021年にクリーン･エネルギー技術のブレークスルーを保証するための一連の6つのステップであるEnergy Earthshots initiativeを発表した。最初に導入されたのは、水素のコストを10年で80％削減して1 kg当たり5ドルから1ドルに下げると言う取り組みであるHydrogen Shotである。
クリーンな水素製造コストを下げるだけでなく、「それを移動して保管する方法を理解する必要がある。」とAutreyは述べている。しかし、水素貯蔵に理想的な培地を見つけることは、捉えどころのないものであった。水素は気体に圧縮できるが、それには非常に高い圧力(最大10,000ポンド/平方インチ)が必要である。安全な貯蔵タンクには非常に厚い鋼または高価な宇宙グレードの炭素繊維の壁が必要である。
極低温液体水素はどうか？これは実績のある貯蔵メディアであるが、周辺エネルギー・コストがかかるほど低温(-279.4℃)のものを入手して維持する必要がある。最も有望と思われるのは、水素を貯蔵および放出するように最適化された液体の分子である。持続可能なエネルギーの専門家であるJamie Holladayは最近、水素を液化するためのより簡単で効率的な戦略に関するPNNL主導の研究を指揮した。
このような液体を貯蔵媒体として使用すると、配管、トラック、列車、テイカー船などの既存のエネルギー・インフラストラクチャ－を所定に位置に保つという利点がある、とGutierrezは述べている。
重炭酸塩－ギ酸塩サイクル
クッキーを焼きたいのか？または水素エネルギーを貯蔵するか？重曹がチケットになる可能性がある。重炭酸塩のこの穏やかで安価なナトリウム塩は無毒で地球に豊富に存在する。
正確には重曹ではない。PNNLチームは、長い間研究されてきた重炭酸塩－ギ酸塩サイクルの水素エネルギー貯蔵特性を調査している。(ギ酸塩は安全でマイルドな液体有機分子である。)
仕組みは次の通りであ：水中のギ酸イオン(水素と二酸化炭素)の溶液は、非腐食性のアルカリ金属ギ酸塩に基づく水素を運ぶ。イオンは触媒の存在下で水と反応する。その反応により、水素と重炭酸塩は、環境への影響がないことでAutreyが賞賛する「重曹」になる。
圧力を適切に穏やかに調整することで、重炭酸塩－ギ酸塩サイクルを逆転させることができる。これは、水素を交互に貯蔵または放出することができる水溶液のオンオフスイッチを提供する。
重曹の前に、PNNL水素貯蔵チームは、エタノールを液体有機水素キャリア、貯蔵および輸送媒体の業界の包括的な用語として検討した。並行して、彼等は水素を放出する触媒を開発した。触媒は、エネルギー効率の高い方法で化学結合を形成および切断するために使用されるプロセスを高速化するデザイナー添加剤である。
2023年5月にPNNLの取り組みに関連するプロジェクトのために、EEREはワシントン州リッチランドのOCOchemに、二酸化炭素からギ酸とギ酸を作る電気化学的プロセスを開発するために2年間で250万ドルの資金を提供した。このプロセスは二酸化炭素を水の象徴的な化学結合であるH2Oにある水素と結合させる。
PNNLは始まったばかりのパートナーシップで、OCOchem製品から水素を放出する方法を開発する。
「水のように見える」水素貯蔵
水素貯蔵研究の世界では、重炭酸塩－ギ酸塩サイクル博士課程なり前から話題を呼んでいる。結局のところ、それは豊富で、不燃性で、無毒の材料に基づいている。このサイクルは「水のように見える」ほど穏やかな水性貯蔵溶液に基づいて構築されている、とAutreyは述べている。「それで火を消すことができる。」
しかし、ギ酸重炭酸塩が水素エネルギーを貯蔵する実行可能な手段になるためには、研究者は依然として経済的に実行可能なシナリオを開発する必要がある。これまでのところ、この技術では、水素を1立方メーター当りわずか20 kgしか貯蔵できていないが、液体水素の業界標準は70 kgである。
より根本的には、研究者は必要な電気化学と触媒作用のシステムレベルの理解を必要としているとAutreyは述べている。工学的には、今日まで、実行可能な重炭酸塩－ギ酸塩サイクルのアイデアは低い技術的準備レベルを有する。
「触媒作用の問題を解決すれば、本当に関心を得ることができる。」と彼は付け加えた。
「すごいピカピカのもの」
プラス面として、PNNLで検討中の塩溶液は、水と反応時に水素を放出する。また、適度な温度と低圧で動作する。理論的には、少なくともAuteryとGutierrezが2023年の論文で説明しているように、重炭酸塩－ギ酸塩サイクルは、水素から「エネルギーを貯蔵および輸送するための実行可能なグリーン代替手段」を表している。重曹のアイデアは、2023年の論文が「いくつかの緊急の科学的課題」と呼んでいるものの結び付きでもある。
その中には、捕獲された過剰な二酸化炭素から水素貯蔵媒体を作る方法がある。また、同じ媒体を使用して電子を蓄えることさえでき、直接、ギ酸燃料電池が約束される。
さらに、PNNLの研究は、水性(水)相での触媒作用に関する洞察を提供する可能性がある。今のところ、PNNLチームはパラジウムを触媒候補として使用している。彼等の努力には、 レアメタルをより安定させ、再利用しやすく、長寿命にする方法を見つけることが含まれている。
全体として、重曹のアイデアは水素貯蔵のための「この驚くべき光沢のあるものである。」とAutreyは言った。「エキサイティングなのは可能性である。」
