私たちはすでに水素経済の中に生きています: 鉄鋼生産、発電機の冷却、溶接ガス

一般に水素は輸送とエネルギー貯蔵の文脈でのみ言及されますが、最も有用な用途は、化学産業、鉄鋼の製造、メタノールや肥料の製造などの工業用途にあります。 これは、現在生産されている水素のほとんどがこれらの産業用途やターボ発電機の冷却などの用途に使用されており、これらの用途での水素の需要が急速に増加していることからもわかります。

現在製造されているほぼすべての水素は、水蒸気メタン改質 (SMR) を介して天然ガスから得られており、メタンの熱分解により天然ガス由来の水素が低炭素源になる可能性があります。 水素の残りは石炭のガス化から得られ、少量は水の電気分解から得られます。 水素は多くの場合、特に工業プラントや火力発電所などの現場で製造されます。 したがって、脱炭素化の取り組みとは別に、水素には多くの用途がありますが、一般には一般には知られていないようです。

これは、やや物議を醸している水素のはしごにつながります。

私たちの中には、ミヒャエル・リーブライヒが広めたクリーンな水素のはしごをすでに知っている人もいるかもしれません。 これは、最も重要で最も経済的な水素アプリケーションを捕捉しようとするという点で、クリーン水素ピラミッドに似ています。 たとえば、主要な産業用途を強調すると、次のことがわかります。

この水素のはしごの物議を醸している部分は主に、マイケル・バーナードと化学プロセスエンジニアのポールによるクリーンテクニカ記事シリーズ（パート1、パート2）による「長期貯蔵」や「オフロード車」などのカテゴリーの配置に由来しています。 Martin はここである程度詳しく説明します。 水素を使用した長期エネルギー貯蔵に関する限り、これはエネルギー貯蔵システムに関する以前の記事と、より実用的なグリッドレベルの貯蔵技術に関する記事で取り上げたトピックです。

この画像で強調表示されている「A」線と「B」線のカテゴリに注目する場合、これらのカテゴリには、前述したような数とともに、現在の水素利用の主要な形態が基本的にすべて含まれていることを覚えておくことが重要です。冷却剤としての使用も可能ですが、この画像ではカバーされていません。 しかし、これまでのところ水素の最大の用途は、アンモニア (NH3) の生成です。 アンモニアは溶剤、家庭用洗浄剤、防腐剤、冷媒 (R717)、亜酸化硫酸 (SO2) および亜酸化窒素 (NOx) スクラバーとして使用されますが、おそらく最も本質的には肥料の製造に使用されます。

より物議を醸しているアンモニアの用途は、Juan D. Gonzalez らによる最近の研究で指摘されているように、酸素を含む雰囲気での NH3 の燃焼により N2O (亜酸化窒素) を含むさまざまな汚染物質が生成されるため、燃料としての用途です。 （2017）およびS.マシュルクら。 （2021年）。 笑気ガスとしても知られる亜酸化窒素は強力な温室効果ガスであり、NMDA 受容体拮抗薬であるため神経毒性があります。 このような問題のため、代替燃料が存在する場合でも、燃料としてのアンモニアが重要に使用される可能性は低いです。

ガス状冷却材の中でも水素は、他のガスに比べて熱伝導率が著しく高く、比熱容量が高く、密度が低いため、発電機などの重要な用途では摩擦が非常に低いため、一般的な選択肢です。 このため、タービン発電機は通常、水素ガスで冷却され、加熱されたガスは再循環される前にガスから水への熱交換器を通過します。 これらの水素冷却ターボ発電機のメンテナンスは、水素の最も魅力的な特徴の 1 つである、水素濃度 4% ～ 74% の空気中で燃焼する能力にもつながります。

水素の自動発火点が 571 °C であることと組み合わせると、発電機への空気の漏れ、またはその逆の防止が不可欠になります。 タービン発電機のメンテナンスを行う前に水素をパージする必要があるため、効率の向上とメンテナンスの容易さの間でトレードオフが生じます。 そして、前述したように、ほとんどの発電所には、必要に応じて代替水素を生成するための電解装置が設置されています。