水素エネルギー、4大応用可能性

水素エネルギーの開発と利用は、カーボンニュートラルの目標をより早く実現し、国のエネルギー安全を保障し、低炭素モデル転換を実現するための重要な手段の一つです。水素エネルギーは現在、主にエネルギー、鉄鋼冶金、石油化学工業などの分野に応用されている。トップレベルの政策設計と水素エネルギー産業技術の急速な発展に伴い、水素エネルギーの応用分野は多元化の様相を呈し、エネルギー貯蔵、燃料、化学工業、鉄鋼冶金などの分野での応用はますます広くなるだろう。

 

水素エネルギー貯蔵装置

中国の再生可能エネルギー資源が豊富で、力を入れて風力エネルギー、太陽光発電、水素エネルギーへの再生可能エネルギーの変換を実現する必要があります。しかし、風力発電と太陽光発電の間欠性とランダム性は、その送電系統の連続性と安定性に影響を与え、同時に電力システムのピーク調整力を弱めています。

風力発電と太陽光発電を利用してグリーン水素を作ることで、風や光を効率的に利用できるだけでなく、水素を作るコストを下げることができます。電力網の柔軟性を高め再生可能エネルギーの消却を促進しますまた、水素エネルギーもエネルギーネットワークのハブとして、再生可能エネルギーと電力網、ガス網、熱網、交通網を一体につなぎ、エネルギー転換プロセスを加速させることができます。

 

水素燃料

水素エネルギーは末端エネルギーとして電力業界に応用することができて、水素燃料電池を通じて化学エネルギーを電気エネルギーに変換して、あるいはガスタービンを通じて化学エネルギーを運動エネルギーに変換します。水素燃料電池は、高いエネルギー密度、高いエネルギー変換効率、ゼロカーボンなどのメリットがあり、主にプロトン交換膜燃料電池と固体酸化物燃料電池の2つに大別されます。

 

陽子交換膜燃料電池

主に膜電極、双極板、電解質と外部回路などで構成され、働作温度が低く、起働が速く、電力範囲が広く、安定性が強いなどの優位性があり、自働車パワー電源分野で急速に発展しています。燃料電池と電解槽の重要部品である陽子交換膜は、電気抵抗が小さく、電流密度が高く、機械強度が高いなどの特徴を備えていますが、この膜の限界は生化学分解が起こり、温度が高くなると陽子伝導性が悪くなり、コストが高くなることでした。

 

固体酸化物燃料電池

全固体発電装置で、陽極、陰極、電解質、シール材および連結材などからなります。なかでも電解質は、働作温度やパワーを決める重要な部品です。600 ~ 1000℃という高い働作温度と低い起働速さには限界がありますが、燃料の選択範囲が広く、エネルギー変換効率が高く、触媒を必要としないなどの利点があります。

 

水素ガスタービン

ガスタービンは燃料の化学エネルギーを運動エネルギーに変える内燃式動力機械で、発電と船舶分野の核心装備です。石炭火力発電ユニットと比較すると、ガスタービンは発電効率が高く、汚染物質の排出量が低く、建設期間が短く、敷地面積が小さく、消費水量が少なく、運転調整が柔軟であるなどの利点があります。現在、世界の発電量の約23.1%をガスタービン発電所が占めています。
この方面で我が国は外国との格差が大きく、政策の支援力を強化し、科学研究による難関攻略を深化させ、水素・ガスタービン国産化プロセスに早急に道を開く必要があります。

 

水素化学原料

現在、世界の水素需要の約55%はアンモニア合成に、25%は石油精製所での水素生産に、10%はメタノール生産に、10%はその他の産業で使われています。中国の科学技術、工業レベルの絶え間ない発展に伴い、石油精製などの石油化学分野でますます水素添加技術が使われるようになる。

 

石油化学水素添加剤

石油化学工業で使われる水素添加技術は主に重油水素添加分解による芳香族炭化水素とエチレン、残油添加水素脱硫による超低硫黄燃料、低質触媒ディーゼルとガソリン添加水素転化による高オクタン価ガソリン、C3蒸留分添加水素脱アセチレンとプロピレン、重質芳香族炭化水素添加水素脱アルキル、ベンゼン添加水素制シクロヘキサンなどを含みます。

 

合成化学製品

水素はアンモニアや尿素などの合成化学製品の原料として使われます。アンモニアは主にハーバー・ボッシュ法で合成され、水素よりも高いエネルギー密度を持ち、エネルギーの貯蔵や発電に利用でき、二酸化炭素を全く排出しません。
アンモニアは室温や10atmで液体として保存でき、輸送に適しています。また、液アンモニアを輸送・処理するためのインフラが整っており、アンモニアを大規模に利用しやすくなっています。また、アンモニアはCO2と結合して尿素を得ることができ、重要な窒素肥料であると同時に持続可能な水素担体でもあり、安定、無毒、環境にも無害で貯蔵が容易です。

 

合成燃料

水素も二酸化炭素と反応することで、メタノール、メタン、ギ酸、ホルムアルデヒドなどの単純な炭素化合物を作ることができます。これらの化合物は液化することで貯蔵が容易になり、輸送が容易になり、エネルギー密度が高く、爆発しにくく、液体燃料として実質的にゼロカーボンを達成できるため、送電以外の再生可能エネルギーの貯蔵・輸送に適したモデルです。

 

水素還元剤

鉄の制錬プロセスでは、コークスを使用して鉄鉱石の還元剤として、大量の炭素の排出やさまざまな有害ガスが発生します。鉄鋼冶金は中国の第二の炭素排出源として、脱炭素プロセスを早急に発展させなければなりません。コークスの代わりに水素を還元剤として、反応産物を水にすることで、炭素排出量を大幅に削減でき、クリーンな冶金モデルへの転換が促進されます。

現在、国内の一部の鉄鋼企業も水素冶金計画を発表し、モデルプロジェクトを建設し、生産を開始しており、「双炭素」目標の背景の下で、水素エネルギーによる鉄鋼製造の発展は目前に迫っています。実際の生産の中で、最も適して鋼を作るのは緑の水素で、もし緑の水素の生産コストを下げることができるならば、緑色の冶金の推進を加速することができて、最終的に得た環境効果はその余分なコストをカバーします。水素エネルギーを利用して鉄鋼冶金を行うことは、鉄鋼業界が深い脱炭素目標を実現するための必ず行くべき道です。

 

水素エネルギー開発における6つの課題

現在、世界の水素産業は全体的に発展の初期段階にあり、末端エネルギー消費量に占める割合は依然として非常に低いです。水素エネルギー産業の配置を展開している国の合計経済総量はすでに全世界の75%を占めているにもかかわらず、多方面の制約要因を受けて、水素エネルギー産業はまだ全産業チェーンと力を形成しておらず、生産生活の進歩を全面的に推進できていない。その原因は主に次の通りです。

①水素エネルギーのキー材料及び設備部品は要求が厳しく、プロセスが複雑で、コストが高く、また異なる国、異なる部門間の技術格差が明らかです。特に我が国の場合、一部の重要技術は依然として海外に独占されています。

②水を電解して水素を作る技術はグリーン水素の大量生産を実現する最も有望な方法ですが、そのコストが高すぎて、主に電気料金が原因で、短期的には炭素排出量の多い化石燃料から水素を作るのを完全に代替することはできません。

③中国の再生可能エネルギー資源の分布状況に限られて、水素を製造する側と水素を使用する側に大きな時間と空間のずれがあり、まだ完全な水素の貯蔵と輸送のネットワークが形成されていません。

④石油化学エネルギー産業に比べ、水素エネルギーは新興エネルギーであり、インフラ全体の配置が不足しています。このため、現在の水素エネルギーの全産業チェーンシステムは上下流の効果的な連動が形成しにくく、まだ健全ではありません。

⑤当面の水素エンド需要の注目方向はあまりにも単純で、主に水素燃料電池とその交通載具の方面に集中しており、現在の成熟度は低く、規模は大きくなく、需要はまだ全面的に開発されていません。

⑥水素エネルギーの技術標準は不完全です。水素の品質、貯蔵輸送、水素ステーションと安全などに関する技術標準が少ないので、健全な国際、国家あるいは業界標準が至急必要です。これによって、水素エネルギー業界市場の健全な発展を規範化します。

 

水素エネルギーの3大未来像

現在の天然ガス工業の構築と同様に、中国は水素製造、水素貯蔵、水素運搬、水素添加、水素使用などの水素エネルギー工業システムを構築しています。水素エネルギー業界の技術、経済性及び立地計画上の課題に対して、産業チェーンの各リンクと結合して、水素エネルギーの未来発展には主に以下の3つの大きなトレンドがあります。

水素を生成し

電力コストと設備コストの相乗効果で、グリーン水素の経済性を実現することができます。日本、韓国などの国と比較して、中国は、広大な砂漠、ゴビ砂漠、砂漠、草原や海域資源を持って、豊富な太陽エネルギー、風力エネルギー、潮力エネルギーなどの再生可能エネルギー資源を提供することができますグリーン水素の開発の面で先天的な優位性を加速することができます"水素エネルギー中国"戦略。

水素製造産業には三つの成熟した技術路線があります。一つは石炭、天然ガスを代表とする化石エネルギーを再構成して水素を製造することです。二はコークス炉のガス、塩素とアルカリの排気ガス、プロパンの脱水素を代表とする工業の副産水素で、三は水を電解して水素を作るのです。現在、中国の水素供給構造のうち約80%近くは石炭制水素またはコークス炉ガス副産水素に由来し、電解水などの清浄水素源の割合は比較的低いです。

水素を貯蔵したり運搬したりしてい

水素の長距離貯蔵輸送は、天然ガスパイプラインでの水素混入や新たに建設される純水素パイプラインでの水素輸送が主となり、中短距離はアンモニアなどの様々な貯蔵輸送技術を組み合わせ、地域の状況に応じて発展させていくことになります。水素を製造する技術のブレークスルーによって、水素を輸送するネットワークを連結して、工業、交通、建築などの水素エネルギーの下流の分野で大規模に普及して、グリーンの「水素経済」の概念が現実になります。

水素エネルギーの全産業チェーンの中で、水素の貯蔵と輸送は中国の水素エネルギー産業の発展を制約する難しさであり、水素の安全かつ経済的応用を保証する鍵でもあります。その主な理由は、水素の特殊な物理・化学的性能のため、貯蔵・輸送が難しく、コストが高く、安全性が低いからです。水素の貯蔵方法は、その存在状態によって大きく3つに分けることができます。気体水素、液体水素、固体水素です。

水素の応用

業界の注目度や技術発展に伴い、期待が高まっているのが水素燃料電池で、交通分野への応用変革をけん引しています。石油精製、合成アンモニア、メタノール生産及び製鋼業界のような水素化学工業分野では、グリーン水素は徐々に灰水素に取って代わるでしょう。他の多くの伝統的なエネルギー集約型産業では、水素エネルギーも化石エネルギーの代わりにエネルギー担体として供給しています。

建築分野では、グリーン水素エネルギーの分散冷熱電連携供給システムを採用して、省エネと排出削減の重要な方式です。同時に、より多くの水素エネルギーの応用シーンがますます開発されるだろう。水素エネルギーの有効利用は、炭素排出の削減や化石エネルギーへの依存度の低下など、交通、電力、建築の4つの分野で活用シーンが豊富です。2050年には、交通分野の水素需要は4000万トンに迫り、工業分野の水素需要は3500万トンを超え、建設分野の水素需要は2000万トンに迫ると予想されています。

 

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