Loading article…
太陽光水素パネルは、太陽光と水から光水素を生成する人工光合成装置です。このパネルは電気化学的な水分解を利用しており、太陽光パネルから得られたエネルギーで水の電気分解を行い、水素と酸素を生成します。生成された酸素は大気中に放出され、水素は回収・貯蔵されます。太陽光水素パネルは、太陽エネルギーを有効活用し、産業用途や輸送用途に利用できるグリーン水素を生成する方法を提供します。
太陽光水素パネルは、光起電力電気化学（PV-EC）による水の分解によって動作し、光起電力セルと電気化学セル（または電解槽）の2つのコンポーネントで構成されています。光起電力セルは太陽エネルギーを利用して電気を生成し、それを電気化学セルに送ります。この電気化学セルは電気分解によって水の電解質を分解し、陰極で水素（H 2）を、陽極で酸素（O 2）を生成します。[ 1 ]
太陽電池と電気分解装置の開発により、太陽光水素パネルの効率は10%以上に最適化されています。[ 2 ]太陽電池部分では、ショックレー・クイサー限界が太陽電池の効率を制限します。[ 1 ]電気分解部分の効率は選択された触媒に依存し、効率は59～70%の範囲です。[ 1 ]
太陽光水素生成のもう1つの方法は、光電気化学セル（PEC）であり、これは水電解質に浸された半導体によって太陽エネルギーが捕捉される。光電気化学セルは、構造が単純でコストが低いことから好まれているが、PV-ECよりも効率が低く、パネル内に収めることができない。[ 3 ]
1970年、南アフリカの電気化学者ジョン・ボックリスは、水素を燃料源として、水と太陽エネルギーの化学反応によって供給できると主張した。1975年の著書『エネルギー、太陽水素代替案』の中で、ボックリスは、水素を理論的に太陽エネルギーから抽出できるプロセスを正式に説明した。この本の中で、ボックリスは、水素をエネルギー媒体として使用すること、および太陽を利用して水素を合成する可能性についての提案を含めた。[ 4 ]
世界初の太陽光発電式水素製造プラントは、1990年にドイツ南部の町ノインブルクフォルムヴァルトで稼働を開始した。[ 1 ] [ 5 ]
2019年、東京大学と東京都立大学の化学者と物理学者は、水を分解する太陽光パネルの材料構造と効率を改善し、太陽光照射面積1平方メートルで太陽光から水素への変換効率が0.4%であることを示しました。この研究は、拡張可能で安価な再生可能な太陽光水素製造に実現可能であると主張しています。[ 6 ]
また、2019年には、ベルギーのルーヴェンにあるルーヴェン・カトリック大学の表面化学・触媒センターの科学者たちが、太陽光から水素への変換効率が15%の太陽光水素パネルを開発しました。これは、10年前の最大効率0.1%から飛躍的な進歩です。[ 1 ] [ 7 ]この15%の効率は、太陽光水素パネルの現在の世界記録でもあります。[ 7 ]
ミシガン大学は2023年に、水から水素への変換効率が9%のパネルを開発したと報告した。[ 8 ]
太陽光水素パネルは現在、一般向けに販売できるほど高度な技術を備えていませんが、太陽光水素パネルの生産において市場をリードする企業は複数存在します。SunHydrogenは、2009年から高効率太陽光水素パネルの開発に取り組んでいる上場企業です。[ 9 ] 2021年2月19日、世界記録のパネルを発表してからちょうど2年後、ルーヴェン・カトリック大学は、自社のパネルを商業的に利用可能にするための取り組みであるSolhydプロジェクトを開始しました。[ 10 ]
現在年間5,000万トン生産されている水素のうち、25%以上がハーバー・ボッシュ法によってアンモニア、硝酸塩、尿素などの窒素系肥料の生産に直接使用されています。[ 11 ] [ 12 ]アンモニアについては、2020年に生産された1億7,500万トンの80%以上が肥料や農業用原料として使用されました。[ 12 ]人口増加のニーズを満たすために窒素系肥料の生産は増加し続けるため、太陽光水素パネル技術のさらなる発展は、アンモニア生産の水素需要の増加に役立つ可能性があります。[ 11 ]
太陽光水素パネル技術は宇宙産業に有益である。液体水素は、ブルーオリジンのニューシェパード準軌道打ち上げロケットのBE-3PMエンジンなどのロケットエンジンの燃料として利用されている。軌道打ち上げロケットの場合、打ち上げに必要な燃料と酸化剤の質量が大きいため、帰還ミッションのために宇宙空間で燃料を生産する必要がある。[ 11 ]太陽光水素パネルの使用は、水素とメタンの両方を燃料とするロケットエンジンの燃料を生産するための軽量な選択肢を提供する可能性がある。[ 11 ]
太陽光水素パネル技術は分散型アプローチで配置することができ、水素製造の場所はエネルギー製造の場所とは独立しています。[ 11 ]既存の電力網を使用して太陽光水素パネルから水素製造プラントへの電力輸送を駆動できるため、水素輸送の必要性を回避できます。[ 11 ]電力コストが低い日射量が多い期間に水素を製造および貯蔵することで、システムは非常にコスト効率とエネルギー効率に優れています。[ 11 ]水素は、電力コストが高い日射量が少ない期間に使用するために貯蔵できます。[ 11 ]ただし、この方法では、 DC-DCコンバータやAC-DCインバータなどの電力輸送用の電子機器が必要となり、システムの効率がさらに低下します。[ 11 ] [ 13 ]グリッド電解技術のコストを削減し、電力輸送の効率を高めるためのさらなる進歩により、このシステムをより大規模に実現可能になります。[ 13 ]
この技術の開発と大規模な導入を阻害する課題は、主にパネル製造の高額な費用に関連しています。[ 3 ]具体的には、太陽電池の製造は依然として高価であり、太陽光を利用した水素製造のコストは化石燃料からの水素製造よりも高くなっています。[ 1 ]
これらのセルを製造するプロセスによる環境への影響には、大量のCO2とSO2の生成が含まれ、地球温暖化と海洋酸性化の一因となっている。これらの影響は、この技術によって実現される環境上の利点を相殺する可能性がある。[ 1 ]
水素貯蔵および輸送のためのインフラの不足も障害となっている。水素は体積エネルギー密度が低く可燃性が高いため[ 1 ]、安全かつ広範囲にわたる水素の製造と利用を可能にするには、特殊な容器とパイプラインのネットワークが必要となる[ 3 ] 。
もう1つの注目すべき課題は、この技術が動作するために太陽光に依存している点です。太陽エネルギーは日中しか生成できないため、システムは毎日起動と停止のシーケンスを繰り返すことになり、時間の経過とともに変換プロセスの耐久性と効率が低下します。[ 1 ]科学者たちは、頻繁なオン/オフサイクルなどの外乱に対して十分な耐久性を持つ電解槽材料をまだ見つけていません。[ 14 ]
。