業界の需要を満たすためのブルー水素の製造

気候変動や世界的な炭素削減目標策定によって水素エネルギーの利用が促進される中、多くの製造方法が新しく開発されていますが、それぞれの製造方法には特有のメリットと課題があります。完全に再生可能なエネルギー源から製造されるグリーン水素は持続可能な未来の理想形ではありますが、現在の技術的、経済的および規模的な制約があるため、グリーン水素の実現推進を継続するには他の方法で製造された水素で相当量を補う必要があります。

現在、世界で製造されている水素の大部分を占めるグレー水素とブルー水素は、いずれも既に実用化されている水蒸気メタン改質法（SMR）や自己熱改質法（ATR）により製造されており、天然ガスを原料として利用しています。グレー水素もブルー水素も同じ方法で製造されますが、ブルー水素は製造時に生成される二酸化炭素を回収・貯留し、大気中への放出を防止する点でグレー水素よりも一歩進んでいます。このため、ブルー水素は低炭素水素であるとみなされています。

成熟した熱化学プロセスであるSMRでは、天然ガスなどのメタン源を圧力0.3～2.5 MPaの触媒下で高温の水蒸気と反応させます。この方法は、石油精製、肥料製造、メタノール製造といった産業分野において長い歴史があります。

この反応によって、水素と一酸化炭素が混合した合成ガスが生成されます。その後の水性ガスシフト（WGS）反応によって一酸化炭素がさらに水素に変換される過程で、二酸化炭素と少量の一酸化炭素が副生成物として生成されます。

より新しい手法であるATRは、特に大規模な水素製造に適しています。必要な反応を誘起させる機器への初期投資が高額にはなりますが、この方法ではより効率的な炭素回収が可能です。これは、改質装置内で酸素ガスの制御された投入より、一酸化炭素の生成が低減され、SMRよりも純度の高い二酸化炭素の流体が生成されるためです。

さらに、ATRではメタンを酸素により部分的に酸化して合成ガスを生成するため、外部の熱源を必要としません。また、SMR同様、WGS反応によって水素収率が最大化されます。

ブルー水素の製造にSMRを使用するか、またはATRを使用するかの判断は、以下の様にいくつかの条件を包括的に評価して行われます。

• 必要とされる生産規模
• 必要とされる水素純度
• 利用可能な天然ガス原料の組成
• 調達可能な資金
• 想定される運用コスト
• 世界的または地域的な経済状況

ブルー水素のSMRには、3つの主要な反応が必要であり、4つ目の追加工程が行われることもあります。

1．メタン改質
この最初の反応においては、ニッケルベース触媒下で、一般的に天然ガスを原料とするメタン（CH₄）と水蒸気（H₂O）を高温（700～1,100 °C/1,300～2,000 °F）、かつ高圧（0.3～2.5 MPa/43.5-363 psi）の状態で反応させます。この反応によって、水素（H₂）と一酸化炭素（CO）が混合した合成ガスが生成されます。これは吸熱反応であるため、熱を加える必要があります。

CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3H₂（ΔH = +206 kJ/mol）

2．水性ガスシフト反応
次に合成ガスをWGS反応させます。通常は鉄酸化物や銅ベースの触媒下で、一酸化炭素を水蒸気とさらに反応させることで、さらなる水素と二酸化炭素（CO₂）が生成されます。この反応は発熱反応であるため、熱を放出します。

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂（ΔH = -41 kJ/mol）

3．二酸化炭素除去
この段階で生成されている混合気体は、主に水素、二酸化炭素、および未反応のメタンで構成されています。二酸化炭素はアミン溶液内に二酸化炭素を溶解させるアミンガス処理によって大部分が除去され、精製された水素の流体が残ります。

CO₂ + アミン溶液 ⇌ アミン-CO₂合成物（化学式は略記）

4．水素精製（オプション）
必要な純度レベルに応じて、さらなる精製工程を実施します。二酸化炭素を選択的に回収する吸着材を使用した圧力スイング吸着（PSA）方式、および水素だけを透過させる特殊なメンブレンを利用した分離膜方式の2つが最も一般的な手法です。

SMRには反応を加速する触媒が不可欠ですが、触媒は徐々に劣化するため、再生や交換が必要となります。吸熱反応であるメタン改質プロセスや、発熱反応であるWGS反応では、効率的な運転をするために慎重な熱管理が求められます。

ATRはSMRより一酸化炭素の排出量が少ないため、二酸化炭素の回収効率がより高くなる点で優れており、SMRの60％に対してATRは実に95％の二酸化炭素を回収できます。 ブルー水素のATRでは、以下の重要な工程が必要です。

1．原料の予熱と混合
主にメタンで構成される天然ガスと水蒸気を予熱し、酸素（O₂）の量を調節しながら混合気体に添加します。

2．燃焼
メタンの一部と添加された酸素が、大量の熱が発生する燃焼反応を起こし、次の改質反応のための熱を生成します。

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O（ΔH = -890 kJ/mol）

3．改質
燃焼中に発生した熱により、吸熱反応である改質が促進されます。

水蒸気改質：CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3H₂（ΔH = +206 kJ/mol）
部分酸化：2CH₄ + O₂ ⇌ 2CO + 4H₂（ΔH = -36 kJ/mol）

4．水性ガスシフト反応
SMR同様、改質反応で生成された一酸化炭素を、触媒下で水蒸気とさらに反応させ、さらなる水素と二酸化炭素を生成します。

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂（ΔH = -41 kJ/mol）

5．二酸化炭素除去
SMR同様、混合ガスから二酸化炭素が除去され、最も多く使用されるアミンガス処理により、精製された水素流体が残ります。

6．水素精製（オプション）
必要に応じて、PSAや分離膜方式などのさらなる精製工程を実施し、水素純度を高めることが可能です。

SMRでは継続的な酸素供給が不要なため、ATRよりも単純かつ安価に実施できます。しかし、ATRには燃焼反応が含まれているため熱を自給でき、反応が始まれば外部の熱源が不要なため、SMRよりもエネルギー効率が優れています。

さらに、一般的にATRでは合成ガス中の一酸化炭素に対する水素の割合が高くなることが、下流アプリケーションでは有利に働く場合があります。通常、ATRシステムは製造需要の変化にも、より早く対応できます。これらの理由などから新しいブルー水素製造施設では一般的にATRが使用されています。

ブルー水素に関する議論には、炭素の回収、利用、および貯留（CCUS）が不可欠です。これらの複雑なプロセスは、排気流体中の他の気体が存在する中から二酸化炭素を分離することから始まります。この工程は多くの場合、選択的に炭素を回収するアミンなどを使用した吸着技術に依存しています。

回収された二酸化炭素は加圧と液化によって超臨界状態となるため、長期貯留に適した地層まで、一般的にはパイプラインなどを使用した効率的な輸送が可能になります。貯留できる可能性がある場所として、枯渇した油田やガス田、帯水層、および岩塩ドームなどが挙げられます。

炭素の回収および貯留（CCS）は二酸化炭素排出を管理する一つの方法ですが、長期的な貯留には疑問が残ります。少量の漏洩であっても、近隣の生態系や地下水に影響を及ぼす可能性があるためです。

再生可能エネルギーを使用して製造されるグリーン水素と比較した場合のブルー水素の環境に対する影響については、議論が続いています。ブルー水素に注力すると、再生可能エネルギーやグリーン水素への移行が遅れるという意見もあります。

費用面で言うと、CCSにコストがかかるため、グレー水素よりもブルー水素の方が高額になります。しかし、このコストは徐々に減少しています。さらに、グレー水素に対する炭素税、政府によるブルー水素の奨励策、キャップアンドトレード制度といった要因により、ブルー水素のみならず、グリーン水素の経済的実現性も高まる可能性があります。

環境面や経済面での留意事項もさることながら、ブルー水素製造導入の成功は、プロセスの信頼性、効率性、および安全性を維持するため、洗練された計装と連動する制御システムのネットワークにかかっています。SMRおよびATRには、製造の最適化、ムダの最小化、およびリスクの削減を目的として、プロセスパラメータを継続的に監視し、リアルタイムデータを洗練された制御システムに入力するために数多くのセンサが必要です。

最適な反応条件の維持や触媒の劣化防止のために重要な温度センサは、リアクタやパイプライン内の安全状態を維持する圧力センサと連携して動作します。流量計はプロセス全体の気体と液体の動きを高い信頼性で記録するため、反応率や製品流体の高精度な制御が可能になります。 また、流量計は取引計量のあらゆる場面においても不可欠です。

それと同時に、ラマン分光法や波長可変半導体レーザー吸光分光法（TDLAS）によるガスアナライザが、さまざまな地点で流体組成などを監視することで、オペレータは水素純度を維持、向上するためのプロセス効率の確認や問題の検出が可能になります。

水素インフラが成長を続ける中、グリーン水素が必要なレベルに達するまでの間、ブルー水素にはさらなる研究と効率向上を促進するという重要な役割があります。一般的に、SMRとATRは経済面および環境面の問題の妥協点となり、技術的に成熟している点で、最も実用的な水素製造方法であるとみなされています。CCUS技術の発展によって炭素回収率と長期貯留の安全性が向上する一方で、ブルー水素の製造が現実的にグレー水素を上回るには、まだ長い道のりが残されています。

変化するエネルギー動向の複雑さに対する社会の取組みを前進させるには、各製造方法による水素の兼ね合いを考慮し、長期的な持続可能性を優先する、現在利用可能な複数の方法を考慮したバランスの良いアプローチが不可欠です。これには、複数の異なる製造方法による水素、再生可能エネルギー源、さらなる電化だけでなく、排出量削減策を講じた上での化石燃料の効率的な利用までもが必要となります。エネルギー革命を勝ち残るには、あらゆる方法のメリットを最大限に活用し、各アプリケーションに最適なソリューションを適用する必要があります。