アンモニアがエネルギーゲームをどのように変えるか

30/11/2022

世界は、需要と供給のバランス、コスト、環境への影響など、エネルギー ニーズの課題に直面しています。この問題に対する潜在的な解決策の XNUMX つが水素です。 

水素は、内燃機関や燃料電池の燃料源として、また天然ガス暖房の代替として有望です。 その燃焼の唯一の残骸は水であり、炭素排出の脅威なしにガスを生成するいくつかの方法があります.

ただし、純粋な水素ガスは、従来の化石燃料と比較して、持続的に生産するにはコストがかかり、貯蔵と輸送にはさらにコストがかかります。 エネルギー研究者は、天然ガスや石油化学製品と真の競争相手になるために、水素を調達するための最良の方法と、水素を輸送するための最も実用的な方法を見つけようと試みてきました。 この問題に対処するにはいくつかの方法があります。詳細については、以下をご覧ください。

水素は現在、ガソリンよりも高価ですが、適切なインフラストラクチャにより、同等のレベルまで下げることができます。
水素は現在、ガソリンよりも高価ですが、適切なインフラストラクチャにより、同等のレベルまで下げることができます。

水素の限界 

すべての用途において、純粋な二原子水素には限界があり、大規模なスケールでは実用的ではありません。 水素燃料の生産は厳密に温室効果ガスを含まないわけではなく、持続可能と持続不可能の両方があります。 生産方法 これは考慮に入れる必要があります。 現在最も有望なのは水の電解分解(再生可能エネルギーを使用)で、結果として水素ガスと酸素ガスが生成されます。

生産の問題が解決されると、効率の問題が具体化します。周囲の圧力と温度では、水素ガスの単位体積あたりのエネルギーが、化石燃料に匹敵する手段を提供するのに十分ではありません. あたりの水素ガスのエネルギー密度 キログラム 従来の燃料のほぼ XNUMX 倍ですが、XNUMX 人当たりの現実的なエネルギー能力は リットル 桁違いに小さいです。 

水素ガスは高圧下で圧縮できますが、これには専用の装置とさらに多くのエネルギーが必要であり、単位重量あたり約 5% の水素しか達成できません (残りの 95% は加圧容器の重量です)。 )。 液化水素についても同様で、-253℃以下の温度が必要なため、冷却設備や追加の電力が必要になります。 

潜在的なソリューション 

科学者が発見した水素の効率的な使用と輸送のための最良の解決策は、実際には純粋な水素ではありません。 多くの可能性を秘めた代替手段、すなわち化学的貯蔵と物理的貯蔵があります。

化学貯蔵は、水素原子が化学結合によって分子内に貯蔵され、化学反応が起こった後にのみ放出される場所です。 金属水素化物や有機分子(アルコール、炭水化物など)など、水素の化学担体には多くの潜在的なオプションがあります。

最も効果的であるためには、材料の水素容量が少なくとも 7 重量% で、動作温度が 0 ~ 100°C である必要があります。 多くの金属水素化物は、水素を放出するために少なくとも 200°C の温度を必要とします。 有機炭化水素は同様の立場にあり、CO を排出するという追加の欠点があります。2 反応生成物として。

多孔質材料は体積比で非常に大きな表面積を持ち、水素などの原子や分子を細孔内に吸着できます。
多孔質材料は体積比で非常に大きな表面積を持ち、水素などの原子や分子を細孔内に吸着できます。

物理的な貯蔵オプションを使用すると、ガスをそのままにしておくよりもはるかに多くの量の水素を材料の表面に吸着させることができます。 これらの中で最も一般的なのは、活性炭や有機金属フレームワーク (MOF) などの非常に多孔性のスポンジ状の材料です。 2020 年に報告された MOF は、14 重量% という優れた水素容量を達成することがわかりました。 ただし、多くの MOF の制限は、非常に低い温度 (多くは -200°C 前後) で吸着が最適に実行され、温度が上昇するにつれて効果が失われることです。

アンモニアの役割 

アンモニアはすでに肥料の重要な成分として名を馳せており、200 年には世界の年間生産量が 2021 億トンを超えています。アンモニアは、化学的水素貯蔵の方法としてもインスピレーションを与えています。

現在のアンモニア製造方法は環境に優しい方法ではありません。ハーバー プロセスでは、窒素ガスと水素ガスを高温高圧で反応させる必要があります。問題の水素は化石燃料から得られることが最も多いのです。 しかし、エネルギー科学者は、燃料電池や膜反応器などの代替生産方法で進歩を遂げており、燃料や肥料などの環境に優しいフットプリントをアンモニアに与えることができます.

アンモニアの主な産業用途は、窒素源としての肥料です。
アンモニアの主な産業用途は、窒素源としての肥料です。

アンモニアは、253 つの窒素原子と 77 つの水素原子で構成される無機分子です。 この水素密度は、純粋な液体水素を輸送する代替手段として、エネルギー目的の水素の魅力的な化学担体になります。 アンモニアは、-10°C 未満の温度を必要とするのではなく、大気圧でわずか -XNUMX°C、またはわずかに高圧下で -XNUMX°C の液体です。 さらに、アンモニアは炭素を含まないため、カーボン ニュートラルな燃料源として大きな可能性を秘めています。 それは逆燃料電池で水素と窒素ガスに分割でき、二原子窒素は環境に害を及ぼすことなく大気に簡単に再結合できます。

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