水素はクリーンで豊富なエネルギー源として大きな可能性を秘めています。ただし、従来のテクノロジーや手法を使用してそれを大規模に活用することは簡単ではありません。 ABB の製品マネージャー、温度および圧力の Jon Davison 氏は、測定技術の最近の発展がどのように関連する課題の解決に役立ち、新たな水素革命をもたらす可能性があるかを説明します。

水素は宇宙で最も豊富な化学物質であり、すべての通常の物質の約 75 パーセントを構成しています。無色、無臭、無味、無毒であり、非常に可燃性です。これらすべての要因が組み合わさって、水素が安全かつ持続的に生産できれば、クリーン エネルギーの生産において大きな変革をもたらす可能性があります。

化石燃料経済から再生可能エネルギー経済への移行には、間違いなく課題が伴います。さらに、一夜にしてゼロ炭素社会を実現できる「特効薬」はありません。しかし、現在すでに確立されている技術を活用することで、水素はより持続可能な未来への道を急速に前進させることができるでしょう。

何が水素への移行を推進しているのでしょうか?
パリ協定で定められた期限内に社会がネットゼロに到達するには、エネルギーの生産方法を大きく変える必要がある。風力や太陽光などの再生可能エネルギー源は、将来のエネルギーミックスの重要な部分ですが、これらのエネルギー源はその性質上断続的です。これは、洗練されたグリッド設計と適切な冗長性によってある程度まで軽減できますが、依然、頼れるエネルギー源を常に確保しておくことが賢明です。伝統的に、これは石炭、原子力、天然ガスを意味していました。しかし、これら 3 つはすべて、ネット・ゼロの文脈では少なくともある程度は問題があると考えられています。

一方、水素は豊富にあり、比較的入手しやすく、場合によっては既存のインフラを利用します。気候変動の影響がより目に見えて被害が大きくなるにつれて、クリーンで低炭素エネルギーへの移行を加速するための新しいソリューションがますます必要とされています。エネルギー価格の上昇と地政学的な変動の中で多くの国が自給自足を強化しようとしているため、エネルギー安全保障もより持続可能なエネルギーへの移行を促す主要な要因です。

元素としての水素自体は目に見えません。しかし、エネルギー源として利用する場合、その製造方法によって分類され、それぞれに色が異なります。命名規則は地域によって異なりますが、水素は製造方法に応じて、灰色、青、緑、黒、茶色、ピンク、黄色、またはターコイズになります。

スケールの一番下には、環境に最も有害な黒と茶色の水素があります。これらのプロセスでは、CO₂ また、水素製造過程で発生する一酸化炭素は回収されません。灰色水素は現在最も一般的な水素の形態であり、水蒸気改質と呼ばれるプロセスを通じて天然ガスまたはメタンから生成されます。

ブルー水素はこれをさらに一歩進め、水蒸気改質プロセス中に生成された炭素を捕捉し、一般に炭素回収・貯蔵（CCS）として知られるプロセスで地下に貯蔵します。この方法は、環境への影響という点で、黒色、茶色、灰色の水素を大幅に改善します。ただし、プロセス中に生成される炭素をすべて回収できるわけではないため、完全に炭素フリーの燃料源とは言えません。さらに、炭素を地中に貯蔵することは本質的に持続不可能です。

グリーン水素は水素製造の聖杯です。ここは、水を水素と酸素に分解する電気分解によって水素が生成される場所です。電力は再生可能資源から供給されており、二酸化炭素の排出はほとんど、あるいはまったくありません。グリーン水素はクリーンな燃焼燃料であり、副生成物として水のみを生成します。グリーン水素は小規模では実証されていますが、大規模な生産を促進するための技術とプロセスはまだ開発されていません。

踏み台アプローチ
グリーン水素を広く生産するための技術とインフラが整うまでは、ブルー水素が次善の策となります。そのために、ブルー水素はそれ自体は不完全な解決策ですが、カーボンフリー エネルギーへの重要な促進技術または足掛かりとなります。現代の技術進歩はパラダイムシフトではなく段階的に起こっており、まずブルー水素の生成を習得しない限り、大規模なグリーン水素の生成は達成できないと広く考えられています。

したがって、CCS は、ゼロエミッションのエネルギー生産に向けた取り組みの重要な部分でもあります。 CCS は物議を醸す人もいますが、ネットゼロに対する一朝一夕の解決策ではないし、そう考えるべきではないことを覚えておくことが重要です。むしろ、これはグリーン水素と排出ガスのないエネルギー生成への広範な移行への足掛かりとなります。理想的な世界では、私たちは直ちに二酸化炭素を排出しない生活に移行することになりますが、これは重大な社会的混乱がなければ現実的ではありません。経済は適応するのに時間がかかり、テクノロジーは進化するのに時間がかかり、インフラストラクチャプロジェクトは実現するまでに時間と投資が必要です。ブルー水素、ひいてはCCSは、将来のグリーン水素生産の費用対効果の高い急速な拡大への道を開くことができます。

水素製造における正確な測定
青色と緑色の水素の生産、特に大規模な生産には課題がないわけではありません。水素ガス最終製品の最大の生産性、効率、純度を達成しながら、効果的かつ安全な操作を確保するには、プロセスを高度な精度で制御する必要があります。これらの変数を効果的に制御するには、効果的な測定が必要です。

ある場所から別の場所に大量の水素を移動する場合、特に請求や課税の目的で、移動にどのくらいの量の製品が含まれるかを正確に知る必要があります。これは通常、流量測定によって実現されます。圧力測定は、パイプやその他のインフラストラクチャーが破裂したり、プロセスの完全性が損なわれたりしないことを確認するためにも重要です。

水素ガスを圧縮または減圧すると、熱が発生または失われます。発生量が多すぎると発火しすぎる可能性があるため、安全のために温度も測定する必要があります。品質も重要です。市場で販売されているほとんどの水素は、窒素などの添加物が少量添加されている場合があるため、100% 純粋な水素ではありません。したがって、買い手と売り手の両方が、価格を決定し、より広範な市場に透明性を提供するために、純水素と添加剤の比率を知る必要があります。

水素の測定には、それ自体に特有の課題が生じる可能性があります。たとえば、浸透は圧力機器特有の問題です。これらの内部には薄い膜があり、ガス、蒸気、流体がそこを通過できます。時間が経つと、最終的には校正のずれが発生し、重要な測定が中断される危険がある場合、深刻な問題になる可能性があります。プロセスが常に効果的で安全であることを保証するには、適切なアプリケーションに適切な測定テクノロジーを選択することが重要です。

重要なのは、特定の段階では一部の測定が他の測定よりも重要である一方で、流量、圧力、温度、品質の測定はすべて、少なくともある程度は必要であるということです。そうすることで、企業は生産、流通、輸送の各段階で何が起こっているかを完全に把握できるようになります。

ネットゼロを達成するには、必然的に世界中で石油・ガスの探査と操業を大幅に縮小する必要がある。しかし、石油・ガスは非常に成熟した産業であり、多くの経済は依然として収入、貿易、エネルギー安全保障を石油・ガスに大きく依存しています。したがって、これは気候目標の進捗に対する大きな障壁となる可能性があります。

水素は、この移行をスムーズにするのに役立つ可能性があります。取引可能な商品として従来の化石燃料に取って代わるだけでなく、大規模な水素製造に必要なインフラ、技術、専門知識の多くはすでに石油・ガス産業向けに開発され、完成されています。 CCS は、既存の油井に炭素を注入して収量を向上させることで、石油・ガスプロセスに短期的に利益をもたらすことができる技術の一例です。

水素の未来に向けて次の一歩を踏み出す
水素製造は石油やガスに比べて比較的新しい産業であるため、それを取り巻く規制の枠組みはそれほど洗練されていません。水素インフラの同時拡大に確実に対応できるように、この枠組みを拡大するには早急な進展が必要です。たとえば、石油・ガス用途のガスメーター、変換装置、ソフトウェアに適用される多くの規格は、水素には適用されません。これは変える必要があり、水素業界全体の主要な利害関係者が団結して、より広範な業界で実行可能な基準を確立し、調和させる必要があります。

ABB は化石燃料と再生可能エネルギー生産の両方の測定ソリューションの主要サプライヤーであり、現在これらの議論に積極的に参加しています。また、水素産業に特化した一連の新しいソリューションも開発しました。これらには、従来の金メッキに代わる優れたコスト効率の高い代替品として圧力、レベル、流量測定製品に使用され、水素透過に対して非常に高い耐性を提供する「H シールド」が含まれます。

ABB はまた、石油およびガス測定技術における同社の豊富な経験に基づいて、従来のサーモウェルに代わる一連の非侵襲的ソリューションを開発しました。デジタル ツールは、デバイスが常に正確でエラーがないことを確認するオペレーターをサポートし、予知保全やリモート操作への移行を促進します。

ABB の測定および分析水素ポートフォリオの詳細については、以下をご覧ください。 https://new.abb.com/products/measurement-products/hydrogen

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• 情報源： https://envirotecmagazine.com/2024/02/09/why-hydrogen-is-the-key-to-a-low-carbon-future/