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水素インフラとは、水素パイプライン輸送、水素製造拠点、水素燃料の配送と販売のための水素ステーションのインフラであり、[1]燃料電池技術の商業化を成功させるための重要な前提条件です。[2]
水素インフラは、主に産業用水素パイプライン輸送と水素設備を備えた充填ステーションから構成されます。水素パイプラインの近くにない水素ステーションは、水素タンク、圧縮水素チューブトレーラー、液体水素トレーラー、液体水素タンクローリー、または専用のオンサイト生産を介して供給されます。
パイプラインは、他の選択肢と比較して、水素を長距離輸送する最も安価な方法です。大規模な石油精製所では、水素は原油から燃料を水素化分解するのに使用されるため、水素ガスの配管は日常的に行われています。IEAは、既存の工業港を生産に、既存の天然ガスパイプラインを輸送に使用し、国際協力と海運を行うことを推奨しています。[3]
韓国と日本[4]は、2019年時点では国際電力連系線を欠いているが、水素経済に投資している。[5] 2020年3月には、世界最大の水素製造施設を標榜する福島水素エネルギー研究フィールドが日本でオープンした。[6]敷地の大部分は太陽光発電パネルで占められており、送電網からの電力は水の電気分解による水素燃料の製造にも使用されている。[7]
ネットワーク
水素ハイウェイ
水素ハイウェイとは、道路や高速道路沿いに水素を装備した充填ステーションやその他のインフラを整備し、水素自動車の走行を可能にするものです。
水素ステーション
水素パイプラインの近くにない水素ステーションには、水素タンク、圧縮水素チューブトレーラー、液化水素トレーラー、液化水素タンクローリー、または専用のオンサイト製造によって水素が供給されます。ITM Powerなどの一部の企業は、自宅で水素（車内用）を製造するソリューションも提供しています。[8]水素燃料インフラを拡大するための政府支援活動は、米国カリフォルニア州、一部の欧州連合加盟国（最も顕著なのはドイツ[2]）、そして特に日本で 進行中です。
水素パイプライン輸送
水素パイプライン輸送は、水素インフラの一部としてパイプを通じて水素を輸送することです。水素パイプライン輸送は、水素製造地点または水素配送地点を需要地点に接続するために使用され、パイプライン輸送コストはCNGと同程度です。[9]この技術は実証済みですが、[10]ほとんどの水素は需要地で生産され、50～100マイル（80～161 km）ごとに工業生産施設があります。[11] 2004年現在[アップデート]、米国には900マイル（1,448 km）、ヨーロッパには930マイル（1,497 km）の低圧水素パイプラインがあります。
2024年の調査報告によると、米国には1,600マイル（2,570キロメートル）の水素パイプラインがあり、世界の合計は2,800マイル（4,500キロメートル）です。[12]世界経済フォーラムは、2023年12月に、ヨーロッパには約1,600キロメートルの水素パイプラインがあると推定しました。[13]
水素脆化（吸収された水素による金属の延性の低下）は、水素ガスパイプラインでは問題になりません。水素脆化は「拡散性」水素、つまり原子またはイオンでのみ発生します。しかし、水素ガスは分子（H 2）であり、それを原子に分割するには非常に大きなエネルギー障壁があります。[14]
再生可能エネルギーのバッファー
国立再生可能エネルギー研究所は、米国の各郡が2002年に消費したガソリンよりも多くの燃料電池車用の再生可能水素を生産する可能性があると考えています。[15]
エネルギーバッファーとして、水電気分解によって生成された水素は、地下水素貯蔵やその他の大規模貯蔵技術と組み合わせることで、風力や太陽光発電などの変動性のある再生可能エネルギー源の導入に重要な役割を果たす可能性があります。[2]
水素製造プラント
水素製造の98%は水蒸気改質法を用いている。[16]水の電気分解などの方法も使用されている。[17]世界最大の電解水素燃料製造施設は、2020年3月7日に福島県浪江町に開設された10MW級の水素製造ユニットである福島水素エネルギー研究フィールド（FH2R）であると主張されている[18]。[19]この敷地は18万平方メートルの土地を占め、その大部分は太陽光発電パネルで占められているが、電力網からの電力は水の電気分解を行って水素燃料を製造するためにも使用されている。[18]
水素パイプライン輸送
水素パイプライン輸送は、水素インフラの一部として パイプを通じて水素を輸送することです。
歴史
- 1938年 -ライン＝ルール地方通常の鋼管で作られた最初の240km（150マイル）の水素パイプ。圧縮水素圧力は210～20バール（21,000～2,000kPa）、直径は250～300ミリメートル（9.8～11.8インチ）。現在も稼働中。[20] [21]
- 1973年 –フランスのイスベルグに30km（19マイル）のパイプラインを建設。[22]
- 1985年 – イスベルグからゼーブルッヘまでのパイプラインの延長
- 1997年 –ロッテルダムへのパイプラインの接続
- 1997年～2000年：テキサス州コーパスクリスティ近郊とフリーポートとテキサスシティ間の2つの水素ネットワークを開発。
- 2009年 -プラケミンからシャルメットまでのパイプラインの150マイル（240 km）延長。[23]
経済
水素パイプライン輸送は、水素を生産地点または配送地点から需要地点まで輸送するために使用されます。水素パイプライン輸送は技術的に成熟しており[24] [25] 、輸送コストはCNGと同程度ですが[26]、ほとんどの水素は需要地で生産されており、50～100マイル（80～161 km）ごとに工業生産施設があります[27]。
配管
最大7,000psi（48MPa）の圧力でプロセス金属配管に使用される場合、最大硬度80HRBの高純度ステンレス鋼配管が推奨されます。[28]これは、硬度が高くなると破壊靭性が低下するため、強度が高く硬度の高い鋼は安全性が低くなるためです。
複合パイプは次のように評価されます。
- グラスファイバーオーバーレイを施したカーボンファイバー構造[1] 2016年3月4日にWayback Machineでアーカイブ。
- パーフルオロアルコキシ（PFA、MFA）。
- ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)
- フッ素化エチレンプロピレン（FEP）[2]。
- 炭素繊維強化ポリマー（FRP）
繊維強化ポリマーパイプライン（FRPパイプライン）と強化熱可塑性パイプが研究されている。[29] [30] [31] [32]
鋼鉄パイプライン（グレード：API5L-X42およびX52、最大1,000psi/7,000kPa、定圧/低圧サイクル）で水素を輸送しても、水素脆化は起こりません。[33]水素は通常、問題なく鋼鉄シリンダーに貯蔵されます。石炭ガス（都市ガスとも呼ばれる）は50％の水素を含み、半世紀にわたって鋳鉄パイプで輸送されてきましたが、脆化の問題はありませんでした。
インフラストラクチャー
- 2024年：米国 – 1,600マイル（2,600 km）の低圧水素パイプライン[12]
- 2024年：ヨーロッパ - 低圧水素パイプライン1,600km（990マイル）。[13]
水素ハイウェイ
水素ハイウェイとは、道路や高速道路沿いに水素を装備した公共の充填ステーションをチェーン状に設け、水素自動車の走行を可能にするものである。[34] ウィリアム・クレイ・フォード・ジュニアは、インフラが燃料電池自動車の市場性を阻む3つの要因（コストや大量生産の可能性も含む）の1つであると述べた。[3]
供給問題、コスト、汚染
水素燃料ステーションは通常、水素供給業者からタンクローリーで水素を受け取ります。[35]水素供給施設で停電が発生すると、複数の水素燃料ステーションが停止する可能性があります。[36]水素燃料ステーションの建設には100万ドルから400万ドルの費用がかかります。[37]
2019年現在、水素の98%は二酸化炭素を排出する水蒸気メタン改質法によって生産されている。 [16]また、水素の大部分はトラックで輸送されるため、輸送中に汚染物質が排出される。[35]
水素ステーション
水素ステーションは、水素燃料の貯蔵または充填ステーションです。[38]水素は重量で分配されます。[39] [40]一般的に使用されている充填圧力は、H70または700バールと、古い標準のH35または350バールの2つです。 [41] 2021年現在、世界中で約550の充填ステーションが利用可能です。[41] Ludwig-Bölkow-Systemtechnik（LBST）のH2stations.orgによると、2023年末の時点で、世界には921の水素燃料補給ステーションがありましたが、[42]この数字はAFDCが発表した数字とは明らかに矛盾しています。[43]これらのステーションの分布は非常に不均一で、東アジア、特に中国、日本、韓国、および米国の中央ヨーロッパとカリフォルニアに集中しています。他の地域では、水素燃料補給ステーションはほとんどありません。[42] [43][アップデート]
配送方法
水素燃料ステーションは、水素をトラックやパイプラインで輸送するオフサイトステーションと、車両用の水素を製造・圧縮するオンサイトステーションに分けられます。[44] [45]
充電ステーションの種類
家庭用水素燃料ステーション
家庭用水素燃料ステーションは消費者向けに販売されている。[46] 1日あたり12キログラムの水素を生産できるモデルは325,000ドルで販売されている。[47]
太陽光発電による水電解水素家庭用ステーションは、太陽電池、電力変換器、浄水器、電解装置、配管、水素精製器[48] 、酸素精製器、 [49]、コンプレッサー、[49]、圧力容器[50]、水素出口[51]で構成されています。
デメリット
ボラティリティ
水素燃料は、着火エネルギーが低く、燃焼エネルギーが高く、タンクから漏れやすいため危険である。[52]水素充填ステーションでの爆発が報告されている。[53]
供給
水素ステーションは通常、水素供給業者からトラックで水素を配送される。水素供給施設で水素供給が中断すると、水素供給が中断し、複数の水素ステーションが停止する可能性がある。[54]
費用
水素ステーションの数はガソリンスタンドよりもはるかに少なく、米国だけで2004年にはガソリンスタンドの数は168,000ヶ所でした。[55]米国のガソリンインフラを水素燃料インフラに置き換えるには、5,000億ドルの費用がかかると推定されています。 [56]水素燃料ステーションの建設には100万〜400万ドルの費用がかかります。[57]比較すると、バッテリー式電気自動車は自宅や公共の充電器で充電できます。2023年現在、米国には6万以上の公共充電ステーションがあり、コンセントは16万以上あります。[43]米国の公共充電器の大部分を占めるレベル2の公共充電器は約2,000ドルの費用がかかり、米国には3万台以上あるDC急速充電器は[43] 、一般的に100,000ドルから250,000ドルの費用がかかるが、[58]テスラのスーパーチャージャーは約43,000ドルの費用がかかると推定されている。[59]
ノズルの凍結
燃料補給中、冷たい水素の流れによりディスペンサーのノズルに霜が付着し、燃料補給中の車両にノズルが凍結してしまうことがある。[60]
場所
コンサルティング会社Ludwig-Bölkow-Systemtechnikは、世界中の水素ステーションを追跡し、地図を公開しています。[61]
アジア
2019年には、178の公営水素燃料ステーションが稼働していた。[62]
2023年5月現在[アップデート]、日本には167の公衆水素燃料ステーションが稼働している。[63] [64] 2012年には17の水素ステーションがあり、[65] 2021年には日本に137の公衆水素燃料ステーションがあった。[41]
2023年末までに、中国は354の水素燃料補給ステーションを建設した。[66]
2019年、韓国では33の公営水素燃料ステーションが稼働していた。[62] [67]しかし、2023年11月には水素供給の問題やステーションの故障により、韓国のほとんどの燃料ステーションでは水素が提供されなくなった。[68]国内の159の水素ステーションのうち41が営業中とされており、そのうちのいくつかは水素の供給を制限していた。[69]
ヨーロッパ
2019年には、ヨーロッパに177の水素ステーションがありました。[62] [70] [71] Ludwig-Bölkow-Systemtechnik（LBST）のH2stations.orgによると、2023年末までにヨーロッパには265の水素燃料補給ステーションがありました。[42]
2023年6月現在、[アップデート]ドイツには105の水素燃料ステーションがあり、[42] 2023年6月現在、[アップデート]フランスには5つの公営水素燃料ステーションがあり、[70]アイスランドには3つの公営水素燃料ステーションがあり、[70]イタリアには1つの公営水素燃料ステーションがあり、[70]オランダには4つの公営水素燃料ステーションがあり、[70]ベルギーには2つの公営水素燃料ステーションがあり、[70]スウェーデンには4つの公営水素燃料ステーションがあり、 [ 70]スイスには3つの公営水素燃料ステーションがあり、 [70]デンマークには6つの公営水素燃料ステーションがあります。[70]デンマークで唯一の水素ステーション運営者であるエバーフューエルは、2023年に国内の公営水素ステーションをすべて閉鎖すると発表した。[72] [73]
2021年6月現在、[アップデート]ノルウェーにはオスロ地域に2つの公営水素燃料ステーションがある。[74] 2019年6月にサンドビカの水素充填ステーションで爆発が発生して以来、ノルウェーでの水素自動車の販売は停止している。[75] 2023年、エバーフューエルはノルウェーの2つの公営水素ステーションの閉鎖を発表し、3つ目の開設をキャンセルした。[72] 2024年、シェルはノルウェーでの水素燃料プロジェクトを中止した。[76]
2020年6月現在、[アップデート]英国には公に利用可能な水素燃料ステーションが11か所あったが[70] 、 2023年現在ではその数は5か所に減少した。[77] 2022年、シェルは英国内の3か所の水素ステーションを閉鎖した。[78]
北米
カナダ
2023 年 7 月現在、カナダには 10 か所の給油所があり、そのうち 9 か所が一般に公開されています。
- ブリティッシュコロンビア州：バンクーバー大都市圏とバンクーバー島に5つのステーションがあり、ケロウナに1つのステーションがあります。6つのステーションはすべてHTEC（シェルとエッソとの共同ブランド）によって運営されています。[79]
- オンタリオ州：ミシサガにある1つのステーションはハイドロジェニクス・コーポレーションによって運営されている。このステーションは特定の商業顧客のみが利用できる。[80]
- ケベック州：モントリオール大都市圏の3つのガソリンスタンドはシェルが運営しており、ケベックシティの1つのガソリンスタンドはハルノワ・エネルジー（エッソとの共同ブランド）が運営している。[80]
アメリカ合衆国
2024年7月現在[アップデート]、米国には公的にアクセス可能な水素燃料補給ステーションが54か所あり、そのうち53か所はカリフォルニア州に、1か所はハワイ州に位置している。[43]
- カリフォルニア州: 2024年3月時点で、[アップデート]小売ステーションは53か所ありました。[43]水素燃料補給ステーションに対する州の継続的な資金提供は不確実です。 [81] 2023年9月、シェルは州内の水素ステーションを閉鎖し、さらにステーションを建設する計画を中止したと発表しました。[82] 2024年には、水素不足とステーションのパフォーマンスの信頼性の低さにより、「南カリフォルニアの水素ステーションの大部分がオフラインになっているか、営業時間が短縮されている」と報告されました。[83]
- ハワイは2009年にヒッカムに最初の水素ステーションを開設した。[84] [85] 2012年にはアロハモーターカンパニーがホノルルに水素ステーションを開設した。[86]しかし、2023年4月現在、[アップデート]ハワイで稼働している一般公開されているステーションは1つだけである。[43]
- ミシガン州：2000年、フォード・モーター社とエアプロダクツ・アンド・ケミカルズ社は、ミシガン州ディアボーン市に北米初の水素ステーションを開設した。[87] 2023年11月現在、[アップデート]ミシガン州では一般公開されているステーションは稼働していない。[43]
オセアニア
2021年には、 ActewAGLが運営するオーストラリア初の一般向け水素燃料ステーションがキャンベラにオープンした。[88]
水素タンク
水素タンク（別名カートリッジまたはキャニスター）は水素の貯蔵に使用されます。[89] [90] [91] 700バール（70 MPa、10,000 psi）の圧縮水素用の最初のタイプIV水素タンクは2001年に実証されました。タイプIVタンクを搭載した最初の道路上の燃料電池車は、トヨタFCHV、メルセデスベンツFセル、GM HydroGen4です。
低圧タンク
様々な用途により、異なる水素貯蔵シナリオの開発が可能になりました。最近、Hy-Can [92]コンソーシアムは、1リットル、10バール（1.0 MPa、150 psi）の小型フォーマットを導入しました。Horizon Fuel Cellsは現在、HydroStikと呼ばれる消費者向けの詰め替え可能な3メガパスカル（30バール、440 psi）金属水素化物フォームファクタを販売しています。[93]
タイプI
- 金属タンク（スチール/アルミニウム）
- 最大圧力のおおよその値: アルミニウム 175 バール (17.5 MPa、2,540 psi)、スチール 200 バール (20 MPa、2,900 psi)。
タイプ II
- 金属シリンダーの周囲にガラス繊維、アラミド繊維、炭素繊維などのフィラメントを巻き付けたアルミニウムタンク。 [94]複合材で包まれた圧力容器を参照。
- 最大圧力のおおよその値: アルミニウム/ガラス 263 バール (26.3 MPa、3,810 psi)、スチール/カーボンまたはアラミド 300 バール (30 MPa、4,400 psi)。
タイプIII
- 金属ライナー（アルミニウムまたはスチール）付きの複合材料、グラスファイバー/アラミドまたはカーボンファイバーで作られたタンク。
- 最大圧力のおおよその値: アルミニウム/ガラス 305 バール (30.5 MPa; 4,420 psi)、アルミニウム/アラミド 438 バール (43.8 MPa; 6,350 psi)、アルミニウム/カーボン 700 バール (70 MPa; 10,000 psi)。
タイプIV
- カーボンファイバーとポリマーライナー（熱可塑性）などの複合タンク。回転成形と繊維強化プラスチックを参照してください。
- 最大圧力は約700バール（70MPa; 10,000psi）。[95]
タイプV
- オールコンポジット、ライナーレスタンク。コンポジットテクノロジーデベロップメント社（米国コロラド州）は、2010年に衛星用途のプロトタイプタンクを製作したが、動作圧力はわずか200psiで、アルゴンを貯蔵するために使用された。[96]
- 最大圧力の概算: 1,000 バール (100 MPa、15,000 psi)。
タンクテストと安全性の考慮
ISO/TS 15869（改訂版）に準拠:
- 破裂試験: タンクが破裂する圧力。通常は動作圧力の 2 倍以上です。
- 保証圧力: テストが実行される圧力。通常は動作圧力以上です。
- リークテストまたは浸透テスト、[97] NmL/hr/L（通常のH2リットル/時間/タンク容量）
- 疲労テスト、通常は充電/放電を数千サイクル行います。
- タンクを直火にさらす焚き火テスト。
- 実弾を戦車に向けて発射する弾丸テスト。
この仕様は ISO 13985:2006 に置き換えられ、液体水素タンクにのみ適用されます。
実際の規格 EC 79/2009
- 米国エネルギー省は、タンクや配管に関する多くの情報を掲載した水素安全ベストプラクティスサイトを運営している。[98] 彼らは「水素は非常に小さな分子で粘度が低いため、漏れやすい」と冷ややかに述べている。[99]
金属水素化物貯蔵タンク
水素化マグネシウム
マグネシウム[100]を水素貯蔵に使用。これは安全だが重い可逆貯蔵技術である。通常、圧力要件は10バール（1.0 MPa; 150 psi）に制限されています。充電プロセスでは熱が発生しますが、放電プロセスでは貯蔵材料に含まれるH2を放出するためにいくらかの熱が必要になります。これらのタイプの水素化物を活性化するには、現在の開発段階では約300°C（572°F）に達する必要があります。 [101] [102] [103]
その他の水素化物
研究
- 2008年 - 日本、CFRPのプリプレグの間に挟まれた粘土ベースのフィルム。[104]
参照
参考文献
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出典
- 水素の未来。国際エネルギー機関。2019年。
外部リンク
- 水素脆化グループ
- カリフォルニア水素ハイウェイ
- 水素ハイウェイ、ノルウェーからドイツへ
- ヨーロッパと世界中の水素ステーションのインタラクティブマップ
- ヨーロッパおよび世界中の水素ステーションのインタラクティブマップ（非公開ステーションを含む）
- H2Map.com 英国の水素燃料補給ステーションの地図
- H2stations.org 世界中の水素燃料補給ステーションの地図 (GIS)
- カリフォルニア燃料電池パートナーシップマップ カリフォルニアの水素燃料ステーションの地図とリアルタイムの状況レポート
- EUハイフィス
- ISO-TC197 国際標準化機構