太陽燃料

太陽燃料は、太陽エネルギーを利用して、光化学的方法（光子による特定の化学反応の活性化）、光生物学的方法（人工光合成）、電気化学的方法（太陽電力を利用した水素電気分解などの内因性反応の駆動）^{[1] [2] [3] [4]}または熱化学的方法（太陽熱エネルギーを集中させて供給される太陽熱を利用して化学反応の駆動）によって生成される合成燃料である。^{[5] [6]}太陽光は主要なエネルギー源であり、その放射エネルギーは、典型的には陽子を水素に、または二酸化炭素を有機化合物に還元することによって、結合に蓄えられた化学エネルギーに変換される。

太陽燃料は、太陽光が利用できないときに使用するために製造および貯蔵することができ、化石燃料や電池の代替品となります。このような燃料の例としては、水素、アンモニア、ヒドラジンなどがあります。これらの反応を持続可能で環境に優しい方法で実行するために、さまざまな光触媒が開発されています。^[7]

世界が減少する化石燃料の埋蔵量に依存していることは、環境問題だけでなく地政学的問題も引き起こしています。^[8]太陽燃料、特に水素は、特に貯蔵が不可欠な場合に、化石燃料に代わる代替エネルギー源と見なされています。電気は太陽光発電によって太陽光から直接生成できますが、この形態のエネルギーは水素に比べて貯蔵効率がかなり悪いです。^[7]太陽燃料は、日光が利用できるときにどこでも生成でき、後で使用するために貯蔵および輸送できます。これにより、直射日光が利用できない状況でも使用できるため、はるかに便利になります。

最も広く研究されている太陽燃料は水素です。この燃料を使用した場合の唯一の生成物は水であり、光化学的二酸化炭素還元の生成物はメタンやプロパンなどのより一般的な燃料です。今後の研究では、アンモニアと関連物質（ヒドラジンなど）も取り上げられます。これらは、よりコンパクトで安全な水素貯蔵方法であるため、水素に伴う課題に対処できます。直接アンモニア燃料電池も研究されています。^[9]

太陽燃料は直接法または間接法で生産できます。直接法では、太陽光のエネルギーを利用して中間エネルギー変換なしで燃料を生産します。太陽熱化学では、太陽熱を直接利用して、熱化学プロセスが実行される太陽反応器に隣接する受熱器を加熱します。対照的に、間接法では、太陽エネルギーを最初に別の形態のエネルギー (バイオマスや電気など) に変換し、その後、燃料を生産するために使用します。間接法は実装が簡単ですが、直接法よりも効率が低いという欠点があります。したがって、直接法は効率の低い方法よりも興味深いものと見なされるべきです。したがって、新しい研究では、この直接変換だけでなく、電力網のバランスをとるためにすぐに使用できる燃料にも焦点が当てられています。^[7]

太陽光電気化学プロセスでは、電気分解によって水素を生成できます。このプロセスで太陽光を使用するには、光電気化学セルを使用します。光電気化学セルでは、光増感 電極が光を電流に変換し、それを水の分解に使用します。このようなタイプのセルの1つに、色素増感太陽電池があります。^[10]これは間接的なプロセスです。電気を生成し、その電気を使って水素を生成します。太陽光を使用するもう1つの間接的なプロセスは、光合成生物を使用してバイオマスをバイオ燃料に変換することです。ただし、光合成によって得られるエネルギーのほとんどは生命維持プロセスに使用されるため、エネルギーとして利用できません。^[7]

半導体も光増感剤として使用できます。半導体にバンドギャップよりも高いエネルギーを持つ光子が当たると、電子が伝導帯に励起され、価電子帯に正孔が生成されます。バンドの曲がりにより、電子と正孔は表面に移動し、そこでこれらの電荷が水分子を分解するために使用されます。さまざまな材料がテストされていますが、これまでのところ、実用化に必要な条件を満たしたものはありません。^[11]

光化学プロセスでは、太陽光を直接利用して水を水素と酸素に分解する。水の吸収スペクトルは太陽の発光スペクトルと重ならないため、水の直接分解は起こらず、光増感剤を使用する必要がある。このような触媒は概念実証としていくつか開発されているが、商業利用にはまだ拡大されていない。しかし、比較的単純なため、潜在的にコストが低く、エネルギー変換効率が向上するという利点がある。^{[7] [12]}そのような概念実証の1つが、ノセラと同僚が開発した「人工葉」である。金属酸化物ベースの触媒と半導体 太陽電池を組み合わせると、光が当たると水素が生成され、酸素が唯一の副産物となる。^[13]

光生物学的プロセスでは、光合成微生物（緑色微細藻類およびシアノバクテリア）を用いて光バイオリアクターで水素を生成する。これらの生物の中には、培養条件を切り替えることで水素を生成するものがあり、例えばクラミドモナス・ラインハルティは、硫黄欠乏下、つまり細胞をある成長培地から硫黄を含まない別の成長培地に移し、大気中の酸素に触れずに成長させたときに、嫌気的に水素を生成する。 [ ^{14]もう1つのアプローチは、}ジアゾ栄養性シアノバクテリアNostoc punctiformeの水素酸化（取り込み）ヒドロゲナーゼ 酵素の活性を廃止し、窒素固定条件下で窒素固定酵素によって自然に生成される水素を消費しないようにすることだった。^[15] このN. punctiforme変異体は、可視光を照射すると水素を生成できるようになった。

別の変異シアノバクテリア、シネコシスティスは、細菌ルブリビバックス・ゼラチノサスCBSの遺伝子を使って水素を生産している。CBS細菌は一酸化炭素の酸化によって水素を生産する。研究者たちは、これらの遺伝子をシネコシスティスに導入しようと取り組んでいる。これらの遺伝子を適用できれば、水素生産における酸素阻害の問題を克服するのにいくらかの努力が必要になるが、このプロセスは潜在的に10%もの太陽エネルギーを捕捉できると推定されている。このため、光生物学的研究は水素生産探究の非常に刺激的で有望な分野となっている。藻類による水素生産の短期的性質を克服するための問題はまだ多く、研究はまだ初期段階にある。しかし、この研究は、これらの再生可能で環境に優しいプロセスを産業化する実行可能な方法を提供している。^[16]

太陽熱化学^{[17]プロセスでは、高温太陽反応炉[18]}内で電気ではなく直接太陽熱を利用して水を水素と酸素に分解します。高温太陽反応炉は、高濃度の太陽光を反応炉に集中させる太陽熱放射装置から高濃度の太陽光束を受け取ります。

最も有望な2つの方法は、2段階酸化セリウムサイクルと銅塩素ハイブリッドサイクルです。酸化セリウムサイクルの最初のステップは、1400℃以上でCeO ₃をCe ₂ O _{3に剥離することです。金属酸化物を還元するための熱還元ステップの後、約800℃で加水分解により水素が生成されます。} ^{[19] [20]}塩化銅サイクルはより低い温度（約500℃）を必要とするため、このプロセスはより効率的ですが、サイクルにはより多くのステップがあり、酸化セリウムサイクルよりも複雑です。^[19]

水素製造には継続的なパフォーマンスが必要であるため、太陽熱化学プロセスには熱エネルギー貯蔵が含まれます。^{[21]別の熱化学的方法は、メタンの太陽改質を使用するもので、従来の}化石燃料改質プロセスを再現しますが、太陽熱を代替するプロセスです。^[22]

2021年11月にNature誌に発表された論文で、スイスの工科大学チューリッヒ校のアルド・スタインフェルドは、大気から吸収された二酸化炭素と水蒸気を、集光型太陽熱で加熱された酸化セリウム触媒に通して水素と一酸化炭素を生成する人工光合成について報告した。これらはフィッシャー・トロプシュ法によって複雑な炭化水素に変換され、液体燃料であるメタノールが形成される。 規模拡大により、2019年に使用された4140億リットル（4億1400万立方メートル）の航空燃料を、サハラ砂漠の0.5％に相当^する45,000 km 2 ^（ 17,000平方マイル）の面積で生産できる可能性がある。^{[23] [24] [25]著者の1人であるフィリップ・ファーラーは、2022年に}ケルン西部のユーリッヒ に太陽燃料生産施設を建設中の専門企業Synhelionを率いている。^[26]ルフトハンザグループの一員であるスイス航空は、2023年に最初の顧客となる予定です。^[26]

二酸化炭素（CO ₂ ）は、適切な光触媒を使用することで、一酸化炭素（CO）やメタンなどの還元度の高い化合物に還元できます。初期の例としては、トリス（ビピリジン）ルテニウム（II）塩化物（Ru（bipy）₃ Cl ₂）と塩化コバルト（CoCl ₂）を使用して、CO _{2 を}COに還元する方法があります。^[27]近年、CO _{2 を}COに還元する新しい触媒が数多く発見されており、その後、そのCOからフィッシャー・トロプシュ法などを使用して炭化水素を製造できます。太陽光発電によるCO ₂還元に最も有望なシステムは、太陽光発電セルと電気化学セル（PV+EC）の組み合わせです。^{[28] [29]}太陽光駆動プロセスを使用すると、CO _{2 を}ギ酸やアルコールなどの他の製品に変換することもできます。^{[30] [31]}

太陽光発電セルには高効率の GaInP/GaAs/Ge太陽電池が使用されていますが、CO2 還元反応を促進し、適切な生成物の流出量を得るために必要な電圧と電流密度を供給するために、他の多くの直列接続および/またはタンデム (多接合) PV アーキテクチャを採用することが_できます。^[32]太陽電池/パネルは電解装置と直接接触させて配置することができ、これによりシステムのコンパクトさと両方の技術の熱管理の点で利点が得られます。^[32 ]また、たとえば PV を屋外に出して日光に当て、EC システムを屋内で保護するなど、別々に配置することもできます。^[33]

現在最も性能の良い電気化学セルはガス拡散電極（GED）フローセルです。CO2が_Agナノ粒子と反応してCOを生成します。太陽光からCOへの変換効率は最大19％に達し、20時間後の活性低下は最小限に抑えられています。^[29]

マイクロ波プラズマ駆動によるCO ₂の分解により、触媒なしでもCOを生成することができます。このプロセスは比較的効率的で、電気からCOへの変換効率は最大50%ですが、変換率は約10%と低いです。COとCO _{2 を}大規模に効率的に分離することは難しいため、この低い変換率は理想的ではありません。このプロセスの大きな利点は、非常に迅速にオン/オフを切り替えることができ、希少な材料を使用しないことです。（弱く電離した）プラズマはマイクロ波を使用して生成され、これらのマイクロ波はプラズマ内の自由電子を加速することができます。これらの電子はCO _{2と相互作用してCO 2 を}振動励起し、これがCO ₂からCOへの分解につながります。励起と解離は十分に速く行われるため、エネルギーのほんの一部が熱に変換され、効率が高く保たれます。解離により酸素ラジカルも生成され、これがCO ₂と反応してCOとO ₂になります。^[34]

この場合も、微生物の利用が検討されている。遺伝子工学や合成生物学の技術を利用することで、バイオ燃料を生成する代謝経路の一部または全部を光合成生物に導入することができる。一例としては、クロストリジウム・アセトブチリカム、大腸菌、トレポネーマ・デンティコラ由来の酵素を用いて、シネココッカス・エロンガトゥスで1-ブタノールを生成することがあげられる。^[35]このタイプのバイオ燃料生成を研究している大規模研究施設の一例としては、オランダのワーゲニンゲン大学研究センターにあるAlgaePARCが挙げられる。

アンモニアやヒドラジンなどの水素を豊富に含む物質は、水素を貯蔵するのに最適です。これは、アンモニアのエネルギー密度が液体水素の少なくとも1.3倍であるためです。^[36]ヒドラジンは液体水素に比べてエネルギー密度がほぼ2倍ですが、直接ヒドラジン燃料電池の使用には希釈が必要であり、この燃料電池から得られる全体的な電力が低下するという欠点があります。高い体積密度に加えて、アンモニアと含水ヒドラジンは可燃性が低いため、貯蔵および輸送コストが低く、水素よりも優れています。^[37]

直接アンモニア 燃料電池はまさにこの理由で研究されており、新たな研究では、太陽光をベースとした新しい統合型アンモニア合成・燃料電池が発表された。太陽光ベースは、アンモニア合成に使用される余剰の太陽光エネルギーから得られる。これは、アンモニア電解セル（AEC）とプロトン交換膜（PEM）燃料電池を組み合わせて使用​​する。太陽光発電が低下すると、直接アンモニア燃料電池が作動し、不足しているエネルギーを供給します。この最近の研究（2020年）は、エネルギーの効率的な使用の明確な例であり、基本的にはアンモニアを一時的に貯蔵して燃料として使用することによって行われます。アンモニアでのエネルギー貯蔵は、バッテリーやフライホイールの場合のように時間の経過とともに劣化しません。これにより、長期的なエネルギー貯蔵が可能になります。このコンパクトなエネルギー形態には、余剰エネルギーを他の場所に簡単に輸送できるという追加の利点があります。^[9]アンモニアは人間にとって有毒であるため、これは高い安全対策を講じて行う必要があります。このシステムを風力発電や水力発電所と組み合わせ、電力供給の中断を抑えるハイブリッドシステムを構築するためのさらなる研究が必要です。提案されたシステムの経済的パフォーマンスについても調査する必要があります。一部の科学者は、石油産業とほぼ同じですが、無尽蔵の炭素フリー電力という大きな利点を備えた新しいアンモニア経済を構想しています。^[38]このいわゆるグリーンアンモニアは、超大型船の燃料として有望であると考えられています。韓国の造船会社DSMEは、2025年までにこれらの船を商業化する計画です。^[39]

エネルギーを貯蔵するもう一つの方法は、ヒドラジンを使用することです。この分子はアンモニアに関連しており、アンモニアと同様に有用である可能性があります。アンモニアと過酸化水素から、または塩素ベースの酸化によって生成できます。^[40]これにより、さらに密度の高いエネルギー貯蔵燃料になります。ヒドラジンの欠点は、非常に有毒であり、酸素と非常に激しく反応することです。そのため、宇宙などの酸素の少ない場所では理想的な燃料です。最近打ち上げられたイリジウムNEXT衛星は、ヒドラジンをエネルギー源としています。^[41]毒性はありますが、安全対策を十分に強化してヒドラジンを安全に輸送し、水素とアンモニアに戻すことができるため、この燃料には大きな可能性があります。研究者は、可視光領域全体で機能する光触媒システムを使用してヒドラジンを分解する方法を発見しました。これは、太陽光を使用してヒドラジンを生成できるだけでなく、この燃料から水素を生成することもできることを意味します。ヒドラジンの分解は、n 型半導体である「バッキーボール」としても知られるフラーレン(C ₆₀ )と、p 型半導体である亜鉛フタロシアニン (ZnPc) からなる pn 二重層で行われ、有機光触媒システムを形成します。このシステムでは、可視光照射を使用して n 型半導体に電子を励起し、電流を生成します。p 型半導体に生成された正孔は、デバイスのいわゆるナフィオン部分の方向に押し出され、ヒドラジンを窒素ガスと溶解した水素イオンに酸化します。これは、燃料電池の最初のコンパートメントで行われました。水素イオンは塩橋を通って別のコンパートメントに移動し、光との相互作用によって最初のコンパートメントから得られた電子によって水素ガスに還元されます。こうして、燃料電池で使用できる水素が生成されます。^{[42]この有望な研究は、ヒドラジンが}エネルギー転換で非常に有用になる可能性を秘めた太陽燃料であることを示しています。

ヒドラジンに対する別のアプローチは、直接燃料電池です。これらのセルの概念は 1960 年代から開発されてきました。^{[43] [44]}最近の研究では、例えば酸化剤として過酸化水素を使用するなど、はるかに優れた直接ヒドラジン燃料電池が提供されています。アノードを塩基性にし、カソード を酸性にすると、電力密度が大幅に増加し、摂氏 80 度の温度で約 1 W/cm ^{2の高いピークを示しました。前述のように、直接ヒドラジン燃料電池の主な弱点は、ヒドラジンとその誘導体の毒性が高いことです。 [37]}しかし、水のような液体である含水ヒドラジンは、高い水素密度を維持し、既存の燃料インフラストラクチャを使用して安全に保管および輸送できます。^[45]研究者は、ヒドラジンを含む自己発電型燃料電池も目指しています。これらの燃料電池は、ヒドラジンを直接燃料電池の燃料として、および分解ターゲットとして 2 つの方法で使用します。つまり、この燃料電池で水素を生成するにはヒドラジンだけが必要であり、外部電源は不要です。これは鉄をドープした硫化コバルトナノシートを使用して行われます。鉄をドープすると、水素吸着とヒドラジン脱水素の自由エネルギー変化が減少します。この方法は20時間の安定性と98％のファラデー効率を誇り、自己発電型水素生成セルの最高の報告に匹敵します。^[46]

• アルカリ電解装置、PEM電解装置、SOEC電解装置を使用した太陽光発電と組み合わせた水の電気分解による水素製造。 ^[47]太陽光で発電した電力を水に水素と酸素に分離するこの基本的な方法は、例えば水蒸気改質による水素回収よりも少しだけ効率的であることが証明されている。アルカリ水素製造技術は低コストで、成熟していると考えられている。この結果、単位時間あたりの収量はPEM技術を使用する場合よりも大幅に高くなる。しかし、PEM技術には腐食の問題がなく、より効率的であるのに対し、アルカリ製造技術には腐食と効率の悪さという欠点がある。^[48]それに加えて、PEM技術は起動が速く、メンテナンスが簡単である。しかし、大量生産ではアルカリ水素製造技術の方が優れている。^[49]
• ヘリオジェンは、太陽光を塔に導くために使用される太陽ヘリオスタットの使用に成功し、水素製造において1000°Cを超える温度に達すると主張している。^[50] 2500°Cを超える温度では、電気を使わずに水を熱化学的に水素と酸素に分解することができる。これは、原子力発電所の熱を使用するか、太陽光をこれらの熱化学プロセスに必要な高温に達するようにリダイレクトする適応型太陽ミラーフィールドによって行うことができる。しかし、この水素製造方法はまだ初期段階であり、他の成熟した技術と競合する必要があるため、この水素製造が収益性と効率性を持つことはまだ証明されていない。^{[19] [51]}

• カーボンニュートラル燃料
• 光触媒による水の分解
• 再生可能エネルギー
• 太陽化学
• 太陽エネルギーと水素エネルギーの循環