グリーンなどの水素の色分けについて

輸送や発電などの分野に革命をもたらす可能性のある水素は、開発途上であり、エネルギー利用に関してほとんど未開拓の資源です。水素の燃焼では温室効果ガス（GHG）は排出されませんが、そのライフサイクルにおける環境フットプリントは、水素の製造と消費に至るすべてのプロセスの結果であり、その過程で使用されるエネルギー源によって大きく異なります。

これらの差異により、色分けされた分類システムが生まれ、水素のさまざまな色合いを区別し、それらがネットゼロサステナビリティに与える影響を判断できるようになりました。グリーン水素はネットゼロの世界標準ですが、その拡張性にはインフラと効率の面で大きな課題があります。原子力による水の電気分解では、ピンク水素が製造され、カーボンニュートラルなライフサイクルが実現しますが、原子力エネルギーへの依存は別の懸念をもたらします。ブルー水素とターコイズ水素の製造方法は、採算性とサステナビリティのトレードオフの関係にあります。そして、低コストで提供されるブラック水素、ブラウン水素、グレー水素は、より環境に配慮した方法に代わる費用対効果の高い選択肢となります。

ブラック水素とブラウン水素は主に石炭から生成され、どちらも石炭ガス化という、石炭を酸素および蒸気と高温で反応させて合成ガスを生成する多段階プロセスによって製造されます。これは気体の混合物であり、そのうちの1つが水素です。

ブラック水素は、密度が高く高品質とされる瀝青炭を燃焼させることによって生成されます。それに対し、ブラウン水素は、水分含有量が高くエネルギー密度が低い、より若くて圧縮されていない褐炭から生成されます。

環境への影響という点では、ブラック水素とブラウン水素の製造はよく似ており、どちらの方法も比較的効率的です。しかし、二酸化炭素回収を行わずに化石燃料に依存していると、水素エネルギーに関連するサステナビリティのメリットの一部が相殺される可能性があります。

石炭ガス化は、石炭を粉砕し、不純物を除去する処理から始まり、その後に以下の工程が続きます。

1. 乾燥と熱分解（液化）

この最初の工程では、石炭を加熱して、水分と揮発性物質を除去し、石炭を他の元素や材料に分離する必要があります。乾燥は約200 °C（392 °F）で行われ、その後、300 °C（572 °F）～700 °C（1,292 °F）の温度で熱分解が行われます。熱分解の過程で、大きな石炭分子は小さなガス状生成物、主にメタン（CH₄）、水素（H₂）、一酸化炭素（CO）、二酸化炭素（CO₂）、そしてタールに分解されます。

2. 燃焼

石炭（C）の一部であるチャーは、熱分解の固形残渣であり、制御された燃焼反応において揮発性ガスおよび酸素（O₂）と反応します。この発熱反応により、その後のガス化反応に必要な熱が供給されます。完全燃焼と不完全燃焼の両方が起こり、二酸化炭素と一酸化炭素ガスが発生します。

C + O₂ → CO₂（完全燃焼）
2C + O₂ → CO（不完全燃焼）

3. ガス化反応

ガス化では、還元環境下において残留するチャーが1,200～1,500 °C（2,192～2,732 °F）の高温で蒸気（H₂O）および酸素と反応して、水素やその他のガスが生成されます。一次ガス化反応：

水性ガス反応：C + H₂O ⇌ CO + H₂（吸熱）
ブードア反応：C + CO₂ ⇌ 2CO（吸熱）

これらの反応により、合成ガスが生成されます。これは、一酸化炭素と水素を主成分とし、二酸化炭素やその他の微量ガスから成る混合気体です。

4. メタン化

場合によっては、合成ガスのメタン含有量を増加させるために、メタン化と呼ばれる工程が追加されます。グリーン水素、リサイクルCO₂、または直接空気回収（DAC）からのCO₂ が使用される場合、これはE-メタンと呼ばれることもあります。この場合は、触媒が存在する状態で一酸化炭素と水素を反応させる必要があります。

CO + 3H₂ ⇌ CH₄ + H₂O（発熱）

5. 合成ガスの浄化とアップグレード

未精製の合成ガスには不純物が含まれており、それを除去してから使用する必要があります。この浄化プロセスには通常、以下が含まれます。

• 粉塵除去：物理的な分離技術を用いて粒子状物質を除去します。
• 硫黄除去：硫化水素（H₂S）などの化合物をアミン洗浄または同様のプロセスにより除去します。
• 二酸化炭素除去：CO₂ は回収され、貯留されるか、他の工業プロセスで利用されます。

6. 水素の分離と処理

最後の工程は、精製された合成ガス混合物から水素を分離することです。これはさまざまな方法で実現できますが、最も一般的な方法は次の2つです。

• 圧力スイング吸着： 吸着剤を使用して一酸化炭素を選択的に捕捉し、精製された水素を残します。
• 膜分離： 水素を通過させ、他のガスを保持する特殊な膜が使用されます。

グレー水素は、現在産業界で最もよく見られるタイプの水素であり、水蒸気メタン改質法（SMR）または自己熱改質法（ATR）によって生成されます。どちらの方法も、主にメタンから成る炭化水素原料が必要であり、天然ガスが最も頻繁に使用されます。

天然ガスの採取と水素の抽出

天然ガスは無臭・無色の気体で、主に石油鉱床付近の地表下に存在します。何百万年もかけて高温と高圧下で有機物が分解して形成されるこの多用途のエネルギー源は、現代社会の要であり、家庭の燃料、工業の動力、発電に使用されます。さらに、合成繊維、不凍液、塗料、包装材、シャンプー、ローション、肥料など、最終的に製品となるさまざまな化合物の原料でもあります。

このガスは、貯留層と呼ばれる多孔質で浸透性のある岩層に存在し、多くの場合、ガスの流出を防ぐ不浸透性の岩層の下に閉じ込められています。これらの貯留層は、陸地の下にあることもあれば、沖合の海底にあることもあります。天然ガスの探査には、埋蔵量を特定するための高度な地質調査、地震探査、試掘が必要です。可能性のある貯留層が特定されると、多くの場合、特定の地質条件に応じた技術の組み合わせによって、採取プロセスが開始されます。

最も一般的な採取方法は、貯留層に坑井を掘削し、閉じ込められたガスを地表に流すための導管を作ることです。この流れは多くの場合、貯留層自体の自然圧力によって推進されます。ガスが採取されると、一般的に圧力が低下するため、ポンプやコンプレッサなど、生産を維持するための人工的な揚収技術が追加されます。

採取された天然ガス（多くの場合、水蒸気、砂、その他のガスなどの不純物を含む）は、地表に到達すると一連の処理工程に進みます。不純物を取り除き、有益な成分を分離し、ガスそのものを使用できるように準備するためには、これらの工程が非常に重要です。処理された天然ガスは、パイプラインを使用して、あるいは圧縮（CNG）または液化（LNG）された状態で特殊なタンカーによって世界中の消費者に輸送されます。

グレー水素が普及しているのは、世界中で天然ガスが豊富にあることが主な理由です。さらに、SMRとATRは石炭ガス化よりも炭素集約度が低いため、ブラック水素やブラウン水素よりも選択される傾向にあります。ブルー水素は、二酸化炭素の回収・輸送・貯留を組み込むことでSMRとATRをさらに一歩進めたものですが、これには多大な運用コストがかかります。

完全な再生可能エネルギーシステムへの移行が水素バリューチェーンにおける最終目標になっている一方、既存の発電所における水素と天然ガスの混合は暫定的なソリューションとなります。その成功には、安定した混合ガスを確保するために、高精度の流量測定やリアルタイムでの気体分析用の計装が必要です。水素は、各国の規制に応じて、最大20%の濃度で住宅用および商業用の天然ガス供給に混合することも可能です。

水素は天然ガスよりもクリーンに燃焼するため、排出ガスが削減されます。家庭用電化製品は、天然ガスに水素を最大20%混合したものしか燃焼できませんが、発電所で使用されるガスタービンはさらに高い混合率、新型モデルでは最大100%で水素を燃焼できます。

混合方式の場合、既存のインフラを即時かつ完全に置き換える必要がなく、よりクリーンなエネルギー源への段階的な移行を可能にし、新しい発電所やパイプラインに多額の設備投資をする必要性が緩和されます。

この戦略が成功するかどうかは、主に水素源に左右されます。グレー水素、ブラウン水素、またはブラック水素を混合した場合、製造時のガス排出量に起因して環境への影響は限定的になりますが、再生可能資源から製造されたグリーン水素を使用すると、全体的なGHG排出量が大幅に削減され、実質ゼロ目標の達成を推進するものになります。

水素エネルギー革命が進展している中、製造方法や環境への影響など、さまざまな水素タイプを理解することが重要になります。グリーン水素は実質ゼロ排出を目標にしています。その一方で、低炭素水素は、グレー水素、ブラック水素、ブラウン水素とともに、インフラ、研究、エネルギーの多様化を進めるために極めて重要です。

人類が今後数十年にわたって気候変動を乗り越えていくには、電力の継続性とサステナビリティを確保するための多様なエネルギー源が必要になります。まだ乗り越えるべきハードルはいくつかありますが、水素はクリーンで汎用性が高く、サステナブルなキャリアとして期待されています。