の水素 - 千葉大学工学部都市環境システム学科佐藤研究室HP

Report
Green Hydrogen Research Center, Y.N.U.
グリーン水素社会への展望




エネルギーと環境
環境負荷係数
グリーン水素社会
燃料電池と新材料
横浜国立大学大学院工学研究院
グリーン水素研究センター
太田 健一郎
第5回市民の、市民による、市民のためのエネルギー講座
2014.07.26 千葉大学、千葉
3Es: 人類持続的成長の鍵
Energy
資源確保と紛争
(21世紀地球の課題)
Green Hydrogen Research Center, Y.N.U.
Economy
人口増大と経済成長
Environment
地球温暖化と環境破壊
二酸化炭素濃度の変遷
Green Hydrogen Research Center, Y.N.U.
濃度 (ppmV)
370
350
330
310
290
270
1000
1200
1400
1600
1800
2000
年
(日本経済新聞より)
化石燃料多消費によるCO2の近年の急速な増大
→
地球温暖化問題が深刻になる。
(IPCC 第5次報告書)
人類による化石燃料の消費
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火
の
発
見
-400,000
氷
河
期
終
了
-12,000 -10,000 -8,000
産
業
革
命
-6,000
-4,000
-2,000
年代
化石燃料は有限である
0
2,000
4,000
物質循環を考えた地球環境
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人類活動の廃熱生成
人類社会
地球は閉鎖系
物質循環
人類社会の資源
人類社会の廃物・廃熱
太陽エネルギー
地球環境
地球環境の
廃熱・廃物
Q: 1.2x1014kW
宇宙への放出 ΔS=5 x 1011 kJ/K・s
地球における炭素の循環
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大気
土
地
利
用
変
1.6 化 0.5
呼
吸
・
分
解
光
合
成
60
61.4
陸上
植物 610
土壌 1580
750 ( 360 ppm CO2) 年間増加量
海
面
か
ら
の
90 放
出
5.5
人類活動
化石燃料
12000
(7500可採)
海
面
へ
の
吸
収 92
海洋の表層水 1020
呼
吸
・
分
50 解
光
合
成 40
海洋生物
3
6
□は炭素貯蔵圏 Gt炭素
→は移動量 Gt炭素/年
3.2
溶存性
100
遺骸・糞 4
6
湧
昇
流
沈
降
流91.6
海洋の中・深層水
38100
0.2
有機炭素
海底堆積物
700
150
地球における水循環
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陸上大気 4.5
降
水
110.4
陸
水蒸気輸送
海上大気 11
43.8
蒸
発
66.6
植生 2
雪・氷 43,400
地表水 360
地下水 15,300
還元水
43.8
蒸
発
降
水
453.4
409.6
海
洋
1,400,000
□は水貯蔵圏 Tt水
→は移動量 Tt水/年
炭素と水の循環量
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炭素
水
全量
20Tt炭素
1,400,000Tt水
大気中存在量
750Gt炭素
12,900Gt水
大気からの年間
移動量
157Gt炭素
520,000Gt水
大気中の
平均滞留期間
5年
10日
・水の存在量は炭素の7万倍
・水の大気からの移動量は炭素の3300倍
水素エネルギーと化石エネルギーの環境負荷係数
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環境負荷係数
(炭素)
環境負荷係数
(水素)
地球
0.036
1/360
~0.0001
日本
0.86
1/150
0.006
東京都区部
35000
1/300000
0.12
再生可能エネルギーを使用したグリーン水素は
環境保存において格段に優れている。
環境負荷係数:人工生成物量/自然循環量
環境負荷係数(水素)
Environmental Impact Factor (EIF) of Hydrogen Energy
水素エネルギーシステムで生成する水量/自然の水の蒸発散量
都道府県の環境負荷係数
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100
炭素
10
環境負荷係数 [-]
1
0.1
0.01
北
海
道
高
知
県
石 佐
静
愛
熊 川 賀
岡
媛
岐本 県 県 県 県
阜県
県
茨
城 兵
県 庫
県
埼
愛
福 玉 知
岡 県 県
県
神
東
奈 大 京
川 阪 都
県 府
0.036
水素
0.001
0.0001
10
100
エネルギー消費密度 [MJ/m2]
1000
政令都市の環境負荷係数
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1000000
100000
10000
炭素
環境負荷係数 [-]
1000
100
10
1
0.1
神
戸
市
仙
台
市
広
島
市
札
幌
市
さ
福 い
岡 た
市 ま
市
千
葉
市
横
浜
市
川
崎
市
東
京
都
区
部
京
都
市
0.01
水素
0.036
0.001
100
エネルギー消費密度 [MJ/m2]
1000
水循環と水素エネルギー社会
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H2+1/2O2 → H2O:エネルギー供給
人類社会
水素輸送
水・廃熱
水素
再生可能エネルギー
地球環境
H2O→H2+1/2O2
水循環
地球環境の活動
宇宙へのエントロピー放出
これからの一次エネルギー
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化石燃料
シェールガスの行方?
限られた資源量:徹底した省エネルギー → しかし有限
環境問題: CO2削減→CO2分離貯蔵(CCS) → 貯蔵場所?
原子力エネルギー
地震対策、放射性廃棄物処理
安全対策:安全利用の科学が不充分
出来るだけ利用を減らす方向が必要
再生可能エネルギー
水力発電:大型は開発済み、小水力発電はこれから
太陽光発電:広い面積、コスト高
バイオマス:食糧資源との競合
地熱発電:井戸の規模小、寿命有り
風力発電:日本の賦存量小、だけど最も安価
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再生可能エネルギー賦存量の試算(1970年太田試算)
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エネルギー源
水力
小水力発電
地熱
極限開発可能量
/ 万kW
5000
備考
包蔵水力より
2000
太陽(直接利用)
光発電
1300
温水器
500
冷暖房
1200
人工衛星
0.1%の土地、効率20%
?
太陽(間接利用)
風力
500
全風力の0.1%を利用
光合成(植物)
130
0.1%の土地、効率2%
波力
200
全海岸の1%で実施
潮汐
100
有明海
海洋
海洋温度差
100000
黒潮の0.1℃を利用
各種発電のコスト
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内外風力発電のコスト
(NEDO再生エネルギー技術白書第2版より)
再生可能エネルギーからの電気の輸送と貯蔵
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電気の貯蔵(秒単位から季節単位での変動を吸収)
機械的貯蔵(気体圧力、フライホイール等)
超伝導貯蔵(SMES)
キャパシター
二次電池
水素:気体、液体水素、金属水素化物、有機水素化物
揚水ダム
再生可能エネルギーの輸送(特に海上輸送)
パイプライン(インフラ整備、海上輸送は困難)
電力系統線(長距離は不向き)
水素:気体、液体水素、有機水素化物
現状技術で大規模貯蔵、長距離輸送を考えると化学物質しかない。
再生可能エネルギー
水素
電気
水電解
有機水素化物(トルエン/MCH系:石油インフラが利用可)
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これまでの大規模電力貯蔵の例
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苫前の風力発電所とレッドクス電池(6 MW)
やんばる海水揚水発電所(3万kW)
参考書
「再生可能エネルギーと大規模電力貯蔵」
日刊工業新聞社 (2012.3.30)
二又風力発電所とNAS電池(34 MW)
(日本風力発電(株)資料より)
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Green Hydrogen Research Center, Y.N.U.
Ref:岡田、安井、化学工学、77(1)、46(2013)
グリーン水素エネルギーシステム
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化石燃料
再生可能エネルギー
核エネルギー
電気エネルギー
燃料電池
グリーン水素
水電解
熱エネルギー
動力
グリーン水素:再生可能エネルギーを利用する水素
エネルギー基本計画(平成26年4月)の水素-1
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第2章 エネルギーの需給に関する施策についての基本的な方針
第2節 各エネルギー源の位置付けと政策の時間軸
2.二次エネルギー構造の在り方
“水素社会”についての包括的な検討を進めるべき
第3章 エネルギーの需給に関する長期的、総合的かつ計画的に講ず
べき施策
第8節 安定供給と地球温暖化対策に貢献する
水素等の新たな二次エネルギー構造への変革
2.環境整備の促進:燃料電池自動車については、規制見直しや水
素ステーションの整備
3.“水素社会”の実現に向けた取組の加速
水素は将来の二次エネルギーの中心的役割を担うことが期待される。
エネルギー基本計画(平成26年4月)の水素-2
Green Hydrogen Research Center, Y.N.U.
3.“水素社会”の実現に向けた取組の加速
(1)定置用燃料電池:2020年:140万台、2030年:530万台。
(2)燃料電池自動車の導入加速に向けた環境の整備
・四大都市圏に2015年内に100ヶ所程度の水素ステーションの整備
・燃料電池バスや燃料電池フォークリフト等の早期の実用化が重要、
・2020年東京オリンピック・パラリンピックでのデモ
(3)水素発電等の新たな技術の実現
(4)水素の製造、貯蔵・輸送技術の開発の推進
・国内外の再生可能エネルギーからの水素製造、
・有機ハイドライド、アンモニア等の化学物質や液化水素への変換
(5)“水素社会”の実現に向けたロードマップの策定
水素エネルギーロードマップ(2014.06.24、経産省)
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ヒンデンブルグ号の爆発炎上
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水素を用いたドイツ超大型豪華飛行船ヒンデンブルグ号(全長245m、直径41m)が193
7年5月3日18時21分 米国ニュージャージー州レイクハーストに着陸寸前の爆発炎上
し、乗員61名、乗客36人中35名が死亡した。
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福島第1原子力発電所
No.1 : 460 MWe, BWR
No.2: 784
No.3 : 784
No.4 : 784
No. 5 : 784
No. 6 : 1100
福島原発での水素爆発( No.3, 3.14,2011)
水素の基本的性質
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・軽い
・沸点が低い(-250℃):通常は気体、極低温で液体
• 爆発限界が広い
• 着火エネルギーが小さい
• 燃焼速度が速い
• 拡散が早い
• 体積当たり燃焼エネルギーは都市ガスより小
○ 水素を安全に使う技術はある
金属水素化物利用の二次電池
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ニッケル水素二次電池 (MH電池)
構成
MmNi5 / KOHaq/ NiOOH
Mm with Mn, Al, Co
二次電池で多くの生産個数
重負荷用
ハイブリッド車、移動用電源
水素エネルギー実用化第1号
26
水素の製造法
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水からの水素
・水電解:再生可能エネルギーの電気を利用
アルカリ水電解(唯一の工業プロセス)
固体高分子、高温水蒸気電解
・熱化学法:多段化学反応サイクル
高温熱利用(FBR, HTGR, 太陽炉)
・直接熱分解:4000℃以上の高温で分解
高温での分離が課題
・光分解:光化学反応
可視光での水の完全分解が課題(新たな触媒)
水電解の原理
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電流
酸
素
水
素
外部回路
電子
隔
電
極
ア
ノ
|
ド
膜
酸
化
反
応
→
←
イ オン
還
元
反
応
電
極
カ
ソ
|
ド
電解質
電気エネルギー=【電圧】×【電気量】
電圧効率(電圧損失:反応抵抗、液抵抗)
電流効率:実際は電流損失は少ない。
スイス IHTのアルカリ水電解槽
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3.8 kWh/m3H2 のアルカリ水電解槽を開発中
IHT (Industry for High Technology Ltd)
Monthey Switzerland
食塩電解技術を水電解に
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2NaCl + 2H2O → Cl2 + H2 + 2NaOH
H2 生産量(日本): 1.2×109 Nm3/y
食塩電解槽
 最大の水溶液電解産業
 イオン交換膜法の確立
DSA(アノード)
イオン交換膜
活性陰極(カソード)
1000Nm3/h/系列 程度
 我が国の技術が世界制覇
安価なアルカリ水電解技術の向上へ
アイスランド水素計画
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◎豊富な水力・地熱→水素利用
・2020年に脱化石燃料、水素社会実現
・バス、乗用車、漁船への利用
・必要水素量:8~9万t/年(4~5TWh)
・アイスランドで経済的に発電可能な
再生可能エネルギーの10%
アイスランドのエネルギー状況
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化石燃料
28%
水力発電
20%
漁船
41%
地熱発電
52%
a)一次エネルギー構成
陸上交通機関
44%
その他
15%
b)
化石燃料の使用先
(2004年5月4日在日アイスランド大使講演(三重県)資料より)
拡大するアイスランド
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Green Hydrogen Research Center, Y.N.U.
Geyser:
間欠泉の語源
低落差、大量の
水力エネルギー
レイキャビクへ
電力と熱の同時輸送
カナリア諸島における風力ー水素開発
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ラスパルマス
スペイン
モロッコ
グランカナリア島
Pozo Izquierdo
ITC
カナリア諸島
ITC (Instituto Technologico de Canarias)
地方政府(カナリア諸島)所属の研究所
現状 150MWから 2.5 GWの風力開発計画
電力、海水淡水化、水素
ITCにおける風力ー水素開発
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海水取水口
風車(Vestas 225kW)
海水淡水化(RO)
水電解(アルカリ55kW)
燃料電池(5kW PEFCx6)
パタゴニアの水素
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Chubut
Pampa del Castillo
○ピコトルンカド
Santa Cruz
○カラファテ
ペリトモレノ氷河
プンタトンボ
パタゴニアの風を日本に
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日本
水素にして
日本に輸送
パタゴニア
38.
協定文書の調印
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パタゴニアの風車
サンタクルス州
ピコトルンカドの風車
(エネルゴン600kW)
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チュブット州ローソンの風車
チュブット州El Tordilloのタワーに超音波風速計 (2013.5 - )
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平均風速(10分平均値)分布
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観測期間: 2010/09/27 - 2011/03/31
Appearance ratio .%
Appearance ratio .%
10
42.
8
Ultrasonic wave type
CUP type
Total
6
4
2
0
12
10
0
2
4
6
Monthly
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Mean wind speed / ms-1
2010/10
2010/11
2010/12
2011/01
2011/03
8
6
4
2
0
0
2
4
6
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
Mean wind speed / ms-1
パタゴニアの風向
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青山高原, 三重県1)
Patagonia
NNW
NW
N
30
NNE
20
WNW
10
W
Longitude: 136o 18’ 50’’
Latitude : 34o 42’ 06’’
at 70 m
-1
>= 30 ms
25NE
- 30
20 - 25
15 - 20
ENE
10 - 15
5 - 10
0-5 E
N
> 10 ms
5 - 10
0-5
W
WSW
E
ESE
SW
SE
SSW
S
SSE
S
Fig. Flow velocity in Patagonia from 2010.10.03 to
2011.03.25.
1) 局所風況マップ by NEDO: http://app2.infoc.nedo.go.jp/nedo/webgis
-1
パタゴニア潜在風力エネルギー
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莫大な賦存量
開発可能風力エネルギー
発電出力: 23億 kW
風力エネルギー: 9.7 兆 kWh/年:日本の発電総量の10倍)
可能水素生産量
22,000 億Nm3/年
1.9 億t/年-燃料電池車 15 億台分 (全世界の車は9億)
良好な風況:平均風速大、効率大、最高風速小
少ない環境問題:低周波問題小、渡り鳥問題小、雷が少ない
アルゼンチンは昔から親日国
問題点
超長距離輸送(日本から最も遠い国)
インフラが未整備
パリクラブ問題(アルゼンチンは国として破産した)
44
パタゴニア風力水素開発ロードマップ
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2009~
:風況測定
Sクラス(IEC)風車の設計、試運転
強風に耐える材料開発
風力/水電解技術の開発
2025~
:600MWのWind Farm
水素輸送技術開発
超長距離、大規模
先進の有機ハイドライド法
2035~
:大規模開発へ、水素を日本に輸出
日本を環境制約、資源制約から解放できる。
グリーン水素エネルギー社会と技術課題
Green Hydrogen Research Center, Y.N.U.
風力
水素エネルギー対応の風車設計
系統電力網
グリーン水素製造のための水電解技術
太陽光
FCコジェネ
電力
熱
水素の大量・長距離輸送
脱水素
水素添加
燃料電池用
産業用
FC自動車
火力発電用
有機ハイドライド法
バイオ
液化水素
水素ステーション
CO2分離回収
グリーン水素輸送技術
安心のグリーン水素へ

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