私たちはすでに水素経済に住んでいます:鉄鋼生産、発電機の冷却、溶接ガス

Mar 13, 2023

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。

水素の熱伝導率は、水素が一部の溶接ガスに使用される理由でもあり、特定の研究では、水素が低品質の鋼材でも溶接品質を向上させると主張しています。 単一メーカーである Linde HydroStar シールド ガスのさまざまなブレンドを見ると、これらは水素の割合が 2% ～ 35% の範囲のアルゴンと水素のブレンドです。 酸素雰囲気がない場合、シールドガスの一部として水素を使用する TIG 溶接は危険ではありませんが、アルゴン/CO2 やその他の混合ガスを使用する場合よりも常時換気の必要性がさらに重要になります。

激しい水素爆発の要件がすべて満たされない限り、結局のところ、それは完全に安全であり、特にステンレス鋼などの扱いにくい材料の溶接に関しては非常に有用なガスです。 これは、酸化鉄の還元といわゆる「グリーンスチール」の製造における、かなり新しく、現在も開発中の水素の利用に結びついています。

現代社会では鋼と同様に遍在していますが、鉄鉱石からのこの材料の生産は、高炉の発明によって最初に生産プロセスが促進され、商品になった 17 世紀からほとんど変わっていません。 当初、これらの高炉は炭素源として主に木炭を使用していましたが、後に産業革命が始まると、これはコークスに置き換えられました。 これは本質的に、現代の高炉で今日でも使用されているものです。

鉄鉱石は一般にマグネタイト (Fe2+Fe3+2O4) やヘマタイト (Fe2O3) などの酸化鉄の形で採掘され、高炉内で酸化鉄を炭素などの物質にさらすことによって還元されます。酸素は鉄よりも容易に結合します。 この酸化還元反応により、銑鉄が生成されます。銑鉄は、比較的高い割合 (通常 3.8 ～ 4.7%) の炭素とその他の不純物を含む鉄です。 鋼の炭素含有量は一般に 0.002% ～ 2.14% であり、さまざまなグレードの鋼を製造するには銑鉄のさらにいくつかの処理ステップが必要です。

水素が活躍するのはこの酸化還元ステップであり、炭素の代わりに水素を酸化還元剤として使用できます。 このプロセスは、Daniel Spreitzer と Johannes Schenk による Steel Research International の 2019 年の文献レビュー論文で詳しく説明されています。

酸化鉄の酸化還元反応に水素を使用する場合の興味深い点は、コークス燃料高炉の酸化還元剤である一酸化炭素 (CO) よりも拡散挙動が優れていることです。 これは、鉄鉱石の多孔性が悪くても、水素は鉱石内に容易に拡散できるため、酸素をより効果的に除去できるはずであることを意味します。 水素を理想的な冷却ガスにするのと同じ低い粘度が、ここでも役立ちます。

すべての大規模な生産プロセスと同様、悪魔は細部に宿ります。 CO と H2 は同じ分子ではなく、溶鉱炉の条件下では異なる挙動を示すため、酸化鉄との酸化還元剤として水素を使用すること、およびそれを使用して製造されるいわゆる「グリーン スチール」を使用することほど本質的に複雑なことはありません。コークスではなく水素は、数量は限られていますが、すでに市場で入手可能です。

肥料産業だけでなく鉄鋼産業やその他の産業からも水素の需要が急速に増加しているため、より多くの低炭素水素源が必要とされています。 ここでは、水素源の背後にある経済性が重要な要素になります。SMR による天然ガスからの水素のコストは 1 kg あたり約 1 ドルですが、再生可能エネルギーのみで稼働する電解槽からの水素のコストは 1 kg あたり 4.40 ドルをはるかに超えています。 核燃料源 (電気分解装置または熱分解装置) の場合、平準化コストは原子炉の種類に応じて 0.69 ドルから 4.80 ドルの範囲であり、これはメタン熱分解と並んで実行可能なグリーン水素の選択肢となります。

私たちが最終的にどの選択肢を選ぶにせよ、私たちの文明にとっての水素の重要性と、それをさらに多く生産する必要性を否定するのは困難です。 いつかそれを輸送や電子燃料の生産に使用できるほど大量に入手できるようになるかどうかはまだわかりませんが、現在、鉄鋼産業のコークスから（低炭素）水素への移行などの産業用途が検討されています。 。 ここでは、たとえばノルウェーのブラスターが地元の水力発電を利用したオンサイトの水素プラントを使用するフィンランドの新しい製鉄所に投資していることがわかります。

従来の鋼と競争したい場合、「グリーンスチール」を実現するには水素の価格を1kgあたり2ドル以下にする必要があるため、安価な水素の探索はその需要とともに激化するだろう。 このことを考えると、たとえそれが、派手なマーケティングパンフレットのものとはまったく異なっていたとしても、私たちは少なくとも1世紀にわたって水素経済に住んでいるように見えるのに、なぜ「水素経済への移行」という話があるのか​​不思議に思う人もいるだろう。