カテゴリー: エネルギー生産技術

環境に優しいという評判に関しては、スウェーデン以上のものはありません。結局のところ、この国は、ランナーがゴミ袋を持ち歩き、ルート沿いのゴミを拾うフィットネスブームや、環境研究者が醸造所と協力してビールを製造した場所、つまり浄化された廃水で醸造されたビールを私たちにもたらした国なのです。 、リサイクルされた H2O の利点を消費者に納得してもらうために。そして、スウェーデン人はリサイクルに非常にこだわるため、実際に廃棄物発電所の燃料として使用するゴミが不足し、他国のゴミを輸入せざるを得ないという主張をインターネットで読んだことがあるだろう。 (後で説明するように、実際にはそうではありません。)

しかし誇大広告はさておき、スウェーデンは都市固形廃棄物、つまり家庭ゴミを埋め立て地にしないという点で非常に素晴らしい取り組みをしている。アメリカでは、私たちがゴミ箱に捨てたもののうち、最終的には埋められてしまいます。これに対し、スウェーデンは、最新の2016年に都市固形廃棄物470万トン（426万トン）のうち地中に捨てたのはわずか3万1000トン（2万8122トン）、1パーセントの10分の7未満だった。データが利用可能な年。これは、スウェーデンの公的および民間の廃棄物管理およびリサイクル部門を代表する団体である の報告書によると、

スウェーデンではリサイクルは重要なことであり、法律で義務付けられています。国の公式ウェブサイトによると、ほとんどの人は家庭ごみを律儀に分別し、拾うために道端に置くか、リサイクルステーションに捨てるかのいずれかを行っている。リサイクルステーションは通常、国内のすべての住宅地から 1,000 フィート (300 メートル) 以内にある。

「（ほぼ）あらゆるものをリサイクルすることは、スウェーデンでは今や社会規範となっています」と、 と のグローバル持続可能性アナリスト兼コミュニケーターであるオーウェン・ガフニー氏は電子メールで説明する。 「地方自治体がそれを簡単にしてくれます。これらの規範が思考の中に組み込まれてしまうと、他の国を訪れたときに実際に認知的に不快に感じ、簡単なリサイクル方法が見つからなくなります。私はリサイクル不安を感じます。」

Avfall Sverigeのレポートによると、スウェーデンの家庭廃棄物の半分強がリサイクル、堆肥化、または嫌気性消化によって処理されている。これは、アメリカ人がリサイクルまたは堆肥化している 34.6 パーセントよりもかなり優れています。

廃棄物をエネルギーに

スウェーデンの家庭ゴミの半分近くである残りは、国内にある33の廃棄物発電所（WTE）で燃やされている。 Avfall Sverige社のコミュニケーションディレクターによると、これらの施設はスウェーデンの120万世帯に熱を供給し、さらに80万世帯に電気を供給しているという。

「私たちは寒い国に住んでいるので、暖房が必要です」とグリップウォールさんはSkypeインタビューで説明した。

Euroheat & Power のこの記事のように、スウェーデンでは国の建物の半数が地域暖房に依存しており、独自のボイラーや炉を稼働させる代わりに共通の暖房プラントで暖められるため、ゴミを燃やすことで得られる熱を効果的に利用できます。と説明します。 C40.org の情報によると、スウェーデンの都市ヨーテボリでは、廃棄物の燃焼により市の 27% が熱を帯びています。

2018 年 2 月 27 日の The Conversation の記事が詳述しているように、WTE プラントは、有害物質の排出と二酸化炭素に対する懸念から、米国で論争の的になっています。 「ゴミを燃やすことはリサイクルの一形態ではありません」と、記事の著者であるニュースクールの環境政策および持続可能性管理プログラムの委員長であるアナ・バプティスタ氏は電子メールで書いている。

英国に本拠を置く環境コンサルタント会社ユーノミアとリソース・メディアによる2017年の調査では、廃棄物エネルギー変換もリサイクルとしてカウントしていなかったが、スウェーデンはリサイクル分野でオランダやルクセンブルクなどに次いで世界12位にすぎなかった。

しかしスウェーデンでは、環境活動家のガフニー氏はWTEにはもっと良い面があると見ている。 「それは完璧な解決策ではありません」と彼は説明します。 「厳しい規制により、有毒化学物質は現在非常に少なくなりました。しかし、二酸化炭素の排出が問題となっています。しかし、それらは化石燃料より悪いのでしょうか、それとも良いのでしょうか？いずれにしても、多くのバイオマス廃棄物は分解するにつれてすぐに温室効果ガスを放出します。これは自然現象の一部です」計算すると、廃棄物の燃焼による排出量は天然ガスと同じになります。」 （私もその結論に達しました。）

他国からの廃棄物

スウェーデンは他国からのゴミを燃やしているが、スウェーデン人は実際にそのサービスの対価としてお金をもらっているとグリップウォール氏は指摘する。 （スウェーデンのニュースサイトによると、2014年、同国は他国の廃棄物230万トン（208万トン）の処理に8億ドルを受け取ったと伝えられている。）あるいは、その廃棄物を他の物質で置き換えることもできると彼女は言う。スウェーデンはすでにハイテク焼却炉や地域暖房に投資しているため、「他国が廃棄物を我が国に輸出するのは容易だ」という。

しかし最終的には、スウェーデンはそもそも発生する廃棄物の量を削減したいと考えています。 2015 年、Avfall Sverige は、人々がより慎重に消費し、捨てる量を減らすことを奨励するために を立ち上げました。 「私たちは人々に消費量を減らすべきとは言いません。それは私たちの使命ではありませんし、人々も聞く耳を持たないからです」とグリップウォール氏は説明する。 「それで、私たちは持続可能な消費について話します。どのように消費するのか、何を買うのかを考えてください。長持ちするものを買いましょう。そして、あまり使わないアイテムを共有できるかもしれません。」

特に、この団体は食品廃棄物の環境への影響に焦点を当てるのではなく、消費者に多額の現金を無駄にしていることを思い出させることによって、食品廃棄物の削減に努めている。 「スウェーデンでは、買いすぎたり、間違った方法で保管したりするため、買い物袋を買ったら4、5袋ごとに捨てています」とグリップウォール氏は言う。 「そして、それは本当にお金の無駄です。それは人々が理解していることです。食料品店に行くときは、リストを作りましょう。買い物をする前に冷蔵庫を見て、何がすでにあるかを知ってください。それは非常に簡単にコミュニケーションできます」 。」

米国は 2007 年に日量平均 2,070 万バレルの石油を使用しましたが、これは他のどの国よりも多く、その半分以上が輸入されました。しかし、同国はそのシナリオを変えることを望んでおり、米国のエネルギー政策は、石油の輸入を減らし、より多くの再生可能燃料を使用するという明確なメッセージを送っている。このメッセージの背後にある最新の法律である 2007 年エネルギー独立安全保障法は、2022 年までに年間石油使用量 360 億ガロンを再生可能燃料に置き換えることを国に義務付けています 。

トウモロコシエタノールとセルロース系エタノールは、その違いを補う燃料として挙げられます。私たちはトウモロコシエタノールを知っています。新しいものは何ですか？しなやかなでんぷんではなく、丈夫な植物の茎、葉、幹から作られたお酒です。これまでのところ、世界中の製油所は実証規模でのみ生産できています。トウモロコシエタノールよりも製造が複雑です。もし今ポンプで売られたら、トウモロコシのエタノールやガソリンよりも高価になるだろう。

米国政府はセルロース系エタノールの研究と精製所に投資しており、その中にはエネルギー省が2009年に支出する13億ドルも含まれている。この資金により商業プラントが誕生し、早ければ2010年にも米国で稼働する可能性がある。

純粋なガソリンではなくセルロース系エタノールで走行することには環境上の利点があり、トウモロコシや石油の価格によっては、最終的には他の液体燃料よりも安くなる可能性があります。

この生まれたばかりの燃料が何を提供するのかを学びましょう。

セルロース系エタノールの製造

セルロース系エタノールはセルロース系バイオマスから始まります。農場廃棄物から刈り草やリサイクル新聞紙に至るまで、世界中のほぼすべての茎、葉、木の幹が対象となります 。農家はスイッチグラスや一部の樹木などのセルロース系バイオマス用のエネルギー作物を栽培することもできます。狭い面積に密生し、他に多くを必要としないため、エネルギー作物と呼ばれています。

生産の最初のステップは、植物を製油所に輸送することです。その後、製油所は生化学的または熱化学的にエタノールを製造します。

まず生化学的方法について説明します。私たちが米国中西部のトウモロコシ畑にいるとしましょう。収穫後、農家は畑に散らばる乾燥したトウモロコシの茎と穂軸を束ね、近くの製油所までトラックで運びます。破片は細かく粉砕されます。

ビットは前処理に送られ、そこで熱硫酸に浸されます。細胞壁と内容物が溶解します。酸はリグニンを邪魔しないように押し出してヘミセルロースを遊離させ、ヘミセルロースをキシロース、マンノース、アラビノース、ガラクトースの4つの糖に分解します。セルロースが解放されました。

科学者は次のステップをセルロース加水分解と呼んでいます。ここで酸が洗い流され、混合物はセルロースをグルコースに変えるセルラーゼと呼ばれる酵素の入ったタンクに送られます。

これで、ブドウ糖にヘミセルロースの 4 つの糖を加えた糖のスープができました。次の発酵タンクで使用されるそれらの濃度と微生物は、最初に使用した植物の種類によって異なります。

次に分離が起こります。蒸留残液（アルコール以外のものはすべて）はタンクの底に沈み、処理と再利用のために送られます。アルコールは上部に留まり、蒸留され、燃料グレードに精製されます 。

セルロース系エタノールの製造は熱化学的に利点をもたらします。熱化学的方法はリグニンを変換し、木材またはあらゆる植物から最大限のエタノールを取得します 。熱化学変換には、高価な触媒や洗浄が必要なタールの蓄積などの欠点もあります。

製油所では熱化学ステップの順序は異なりますが、まず植物を乾燥させることから始めます。次に、植物を燃焼させて、一酸化炭素 (CO) と水素 (H ₂ ) からなる合成ガス、つまり「シンガス」を生成します。ガス化により、エタノールの製造を妨げるタールと硫黄も生成されるため、ガスはタール改質装置に送られ、そこでこれらの障害物がより多くの合成ガスに化学的に変換されます。ガスは再び浄化されて純粋な CO と H ₂に近づき、圧縮されて金属触媒を通過します。触媒はガスを再構築して、エタノールまたはガソリンに似た炭化水素などの選択された分子に戻します。分離によりエタノールが除去されます 。

どちらの方法でも、エタノールはガソリンと混合するために特別なステーションにトラックで運ばれ、その後ガソリン スタンドに到着します。

セルロース系エタノールに関する懸念

「世の中には批判者がたくさんいる」とコロラド州ゴールデンにある国立再生可能エネルギー研究所でセルロース系エタノールの生産を研究するプロセスエンジニアのアンディ・アデンは言う。

一つの懸念は、生産コストです。現在、セルロース系エタノールはガロン単位で製造すると、ガソリンより高価なコーンエタノールよりもコストが高くなります。米国では、トウモロコシエタノールをガソリンと混合する事業体に対する0.51ドルの税額控除のおかげで、トウモロコシエタノールの価格が人為的に引き下げられており、これはセルロース系エタノールにも役立つだろう。批評家たちは、ほとんどのセルロース系エタノール精製所ができないこと、つまりガソリンスタンドに販売するのに十分な量のエタノールを生産できないことを指摘している。

楽観的な研究者らは、生産工程が見直されることで生産コストは下がるだろうと述べている。米国エネルギー省は、2012年までにセルロース系エタノールがガソリンと競争できるよう、生産コストを1ガロン当たり1.33ドルとするベンチマークを設定した。 「私たちはまだそれを達成しようとしているところです」とアデンは言う。今後4年間に米国で商業規模の製油所を開設する計画を立てている4社は、少なくともその試みで利益が得られると見込んでいる。

「非常に大規模にバイオマスからバイオ燃料を生産するつもりなら、それを栽培するための土地はどこから来るのでしょうか?」アデンはセルロース系エタノールに関する別の懸念を要約して尋ねた。一部のグループはスイッチグラスが雑草のように国中に広がることを想像し、エネルギー作物が食用作物と競合するだろうと主張している。トウモロコシが食物で茎がセルロース系バイオマスである場合、食物とセルロース系バイオマスは同じ植物に由来する可能性があります。 「都市緑地」、つまり庭の廃棄物を使用してエタノールを製造する場合、新たな土地は必要ありません。アデン氏によると、植栽のシナリオであっても、食用作物を育てるには小さすぎる土壌や劣化した土壌でもスイッチグラスは生育でき、そこで栄養分を回復することができるという。

熱帯雨林について考察する批評家もいます。先進国が石油の使用をセルロース系エタノールで補えば、セルロースの需要が大きな森林を持つ発展途上国に輸出されることになる。それらの国は皆伐によって最も早く金を稼ぐだろう。しかし、農業、森林火災の管理、製紙などの一般的な活動で廃棄物として扱われるセルロース系バイオマスが生成される場合、セルロースを得るために生の木を伐採する必要はありません。政府は熱帯雨林を栽培するかどうか、またその方法を規制することもできます。

燃費が低いこともエタノールの欠点です。たとえポンプのコストが安くても、E85 のタンクではガソリンよりも 25% 走行距離が少なくなる、とアデン氏は言います。

メリットとデメリットを比較検討する価値はありますが、セルロース系エタノールが近くのガソリンポンプに並ぶ前に、技術的および経済的なハードルをクリアする必要があります。

グリーン テクノロジーの未来へのリンクをさらにお読みください。

エーカー から ガロン

現在の技術を使用すると、製油所は畑の 1 エーカー (0.4 ヘクタール) のトウモロコシの茎を 240 ガロン (908 リットル) のエタノールに変換できます。農家がスイッチグラスの扱いに熟練すれば、1 エーカーから 900 ガロン (3,407 リットル) のエタノールが得られます。エネルギー独立確保法で義務付けられているセルロース系エタノール160億ガロン（606億リットル）を2022年に達成するには、6,700万エーカー（2,700万ヘクタール）のトウモロコシ茎が必要となるが、これはコロラド州の面積に相当し、1,800万ヘクタールに相当する。スイッチグラスのエーカー (730 万ヘクタール)、ウェストバージニア州よりも少し広い [出典: アデン』。

カーボン オフセットを購入したことがある方は、購入価格のほとんどまたはすべてが太陽光発電ではなく風力エ​​ネルギーに充てられることに気づいたかもしれません。大規模な代替エネルギーの世界では、風力が最も優位に君臨しています。その主な理由は、その方が安価であるという理由です。しかし、太陽エネルギー生産における最近の発展により、太陽光発電はより実現可能な選択肢になる可能性があります。

ほとんどの場合、直射日光は 2 つの方法のいずれかで電気に変換されます。1 つは光子を吸収して電子を放出する半導体材料を使用して太陽の光を電気に変換する太陽電池を使用することです。または、太陽熱を利用して蒸気を生成し、タービンを回転させて電気を生成する太陽熱タービンを使用します。大きな変化を迎えようとしているのは太陽熱発電所だ。

この記事では、ソーラーパネルが夜間に動作するかどうかについて答えていきます。次に、太陽の光の力を効率的に蓄えて、日没時に利用できるようにする方法を証明します。また、この技術を使用した最初の商用発電所を見て、システムがどのように機能するかを調べます。

あなたのソーラーパネルシステムは夜間でも動作しますか?

率直に言って、いいえ、ソーラー パネルは、太陽光が電気に変換される場合にのみ機能します。月明かりや星明かりが強い夜でも、これらの照明源は違いをもたらしません。住宅用に設置されるか商業用に設置されるかにかかわらず、ソーラーパネルは直射日光と間接太陽光のみを変換します。では、暗くなった後にエネルギーを蓄えるためにソーラーパネルをどのように装備すればよいでしょうか?

ソーラー パネルの効率の利点は、多くのモデルに蓄電池が搭載されており、太陽電池内に太陽光を蓄え、夜間にその電力を放出することです。このバッテリーストレージは電力を供給し、電気代のコスト削減につながり、二酸化炭素排出量を削減します。ただし、専門家はまだこの技術を完成させている段階です。

ソーラーパネルは限界がありすぎますか?

太陽光発電に関する大きな問題は、最も明らかな問題です。それは、太陽が常に輝いているわけではないということです。夜間や曇りの日には、太陽電池は十分な太陽エネルギーを利用できません。太陽光発電システムは 24 時間 365 日発電できないため、これによりコストが増加します。雲が頭上に漂い、プラントは突然エネルギーを停止し、何も生産しません。また、電力需要が最大となる夜間など、太陽光発電による電力が利用できなくなることもあります。

解決策は簡単です。太陽が利用できないときに使えるように、太陽のエネルギーを蓄えます。残念ながら、最近の画期的な進歩により太陽電池ストレージがエネルギー業界にとって現実的な選択肢になるまで、そのソリューションの実装には非常に問題がありました。そして、何だと思いますか？画期的な進歩を可能にする収納素材は、おそらく今あなたのキッチンにあるはずです。

太陽光を蓄えて変換するという課題

太陽エネルギーを貯蔵するという考えは新しいものではありません。太陽光発電が電力の選択肢として存在する限り、人々はこのプロセスを一時停止する方法、つまり太陽光エネルギーを電気に変換する前にしばらく保持する方法を考案しようとしてきました。しかし、これまでの試みはすべて法外な問題を抱えていました。

太陽のエネルギーを利用して水を上り坂に汲み上げ、水が下り坂に戻って放出されるまでエネルギーが留まるようにして、太陽エネルギーを蓄えようとする人もいます。空気を圧縮してから圧縮解除することも別のオプションです。しかし、これらの方法はどちらもエネルギーを無駄にしています。投入された太陽光発電の約 80 パーセントだけが反対側で回収されます 。

また、バッテリーはかなり効率が悪いため、大規模な保管の選択肢としては高価すぎます。コーヒー魔法瓶にはラップトップのバッテリーと同じくらいのエネルギーを蓄えることができますが、そのエネルギーは 10 倍のコストがかかります 。しかし、ここで画期的な発見があります。熱は蓄えられやすいのです。

過剰な太陽エネルギーを閉じ込める

コーヒーの熱を蓄える魔法瓶の役割を考えてみましょう。太陽熱発電所では熱が電気を生成するため、熱を蓄えることはプロセスを一時停止する方法です。太陽で何かを加熱し、日が暮れるまでその熱を保ち、その後その熱を使って蒸気を生成します。タービンを回す。

もちろん、熱を蓄えるのは比較的簡単ですが、太陽光発電用途に適した物質を見つける必要があります。太陽熱発電所を稼働させる極度の熱を蓄えるには、その物質が 400 度 (摂氏 750 度) の高温でも安定していなければなりません。そうしないと、蒸発と圧力の問題が発生します。変更。また、その物質が安価で容易に入手できる場合にも役立ちます。

太陽エネルギーシステム用の家庭用燃料

食器棚の中にある、スクランブルエッグやマルガリータグラス、枝豆の上に乗せているであろう白い結晶質のもの、それが「塩」です。塩は非常に高い温度でのみ溶け、非常に高い温度で蒸発し、実質的に無制限で低コストで供給されます。さらに、投入されたエネルギーの約 7 パーセントしか失われません 。

実は、最初の塩貯蔵設備を備えた太陽光発電所では食塩は使用されていません。肥料としてよく使われる別の塩混合物、つまり硝酸ナトリウムと硝酸カリウムを組み合わせたものを使用している。スペインのグレナダにあるアンダソル 1 発電所には、30,865 トン (28,000 トン) の燃料が詰め込まれています 。

アンダソル 1

スペインのアンダソル 1 発電所は 2008 年 11 月に発電を開始し、太陽が輝いている限り、他の太陽熱発電網とほぼ同様に稼働します。太陽光はある種の太陽集熱器（この場合は、油が満たされたチューブに焦点を合わせた放物面鏡のフィールド）に当たり、暖められます。その熱い油は水を沸騰させるために使用され、蒸気が発生してタービンを回転させます。

Andasol 1 の仕組み

蓄電システムが太陽光発電に影響を与えるのは、太陽が照っていないときだけです。アンダソル 1 のソーラー パネルのフィールドは、晴天時に工場が稼働するために必要な量のほぼ 2 倍の太陽光を集めるのに十分な大きさです。

まず、余分に加熱されたオイルが、溶融塩の巨大なバットの間を走る熱交換器に送られます。 1 つのバットには比較的低温の溶融塩 (約 500 度または 260 度) が入っています。その塩は熱交換器にポンプで送られ、そこでオイルから熱を受け取ります。より高温になった溶融塩 (華氏 752 度または摂氏 400 度) が 2 番目の槽に流れ込み、そこで太陽が雲に沈むまで待ちます。

その後、発電所が蓄えた熱を必要とするとき、より高温の溶融塩が熱交換器を通してポンプで戻されます。そこで熱が油に伝わり、蒸気が発生します。高温のオイルはパワーセンターに移動し、低温になった溶融塩は冷却タンクに戻ります。その後、プロセスが最初からやり直しになります。

先進的な太陽光発電システムの利点

塩を使用して太陽の熱を蓄えることで、この発電所は太陽光がなくても稼働でき、他の太陽光発電所のほぼ2倍の稼働期間を実現します。塩貯蔵装置により、Andasol 1 は塩貯蔵装置を使用しない場合に比べて 50% 多くのエネルギーを生成でき、その発電量は 178,000 メガワット時になります 。追加の発電能力により、プラントの全体的な電力コストが削減されます。最終的には天然ガス発電のコストに匹敵する可能性がある。

太陽エネルギーを貯蔵するために考案されたのは、このタイプの塩貯蔵だけではありません。一部の植物は、石油を使わない、より直接的なアプローチの使用を検討している。植物は太陽の熱を集めて塩に蓄えることになる。砂も蓄熱材料となる可能性があります。

別のグループは、光合成の分子効果を模倣して太陽光エネルギーを蓄えるシステムを開発した。このシステムは、太陽光を利用して水分子を水素と酸素に分解し、それらを燃料電池で元に戻す。

太陽光パネルを設置することに意味はあるのでしょうか？

もちろん！先進的な太陽光発電システムに関するこれだけの話題の中で、標準的な太陽光パネルは取り残されています。限られたものではありますが、平均的な太陽エネルギー システムは、家庭や企業のエネルギー自給率を高める方法で発電し、エネルギーを蓄えることができます。

バッテリーシステムの完成には長い道のりがありますが、ソーラーパネルは十分な太陽光電力を変換し、堅実な投資として維持できます。太陽光発電システムの所有者にコストの利点について尋ねれば、「ソーラーパネルはより多くのエネルギーを生成し、設置するたびに住宅所有者はより多くのお金を節約できる」と答えるでしょう。

重要なポイント

最も有望で注目を集めている代替エネルギーのいくつかは、革新的なアイデアではありません。私たちは何世紀にもわたって存在している風車や水車について知っています。現在、革新的なタービン設計を含むさまざまな改良により、これらの古代の機械は、各国のエネルギー需要を満たすのに役立つ最先端の技術に変わりつつあります。

もう一つの古いプロセスがあり、おそらくあまり知られていないかもしれませんが、これは人気を集めており、クリーンな再生可能エネルギーの殿堂で風力や水力発電に加わる可能性があります。このプロセスはガス化として知られており、限られた酸素を使用して炭素含有原料を合成ガスまたはシンガスに変換する一連の化学反応です。

燃焼しているように聞こえますが、そうではありません。燃焼では大量の酸素が使用され、燃焼によって熱と光が生成されます。ガス化では微量の酸素のみが使用され、酸素が蒸気と結合して強い圧力下で調理されます。これにより一連の反応が開始され、主に一酸化炭素と水素から構成されるガス状混合物が生成されます。この合成ガスは直接燃焼することも、肥料、純粋な水素、メタン、または液体輸送燃料を製造するための出発点として使用することもできます。

信じられないかもしれませんが、ガス化は何十年も前から存在していました。スコットランドのエンジニアであるウィリアム・マードックが、基本プロセスの開発で功績を認められました。 1790 年代後半、石炭を原料として使用して、自宅の照明に十分な量の合成ガスを生産しました。最終的に、ヨーロッパとアメリカの都市は、市街路や住宅の照明に合成ガス (当時は「都市ガス」として知られていました) を使用し始めました。最終的には、都市ガスに代わって、天然ガスと石炭火力発電所から生成される電気が熱と光の好ましい供給源となりました。

今日、世界的な気候危機が目前に迫り、電力に飢えた国々が代替エネルギー源を模索している中、ガス化が復活しつつあります。ガス化技術評議会は、世界のガス化能力が 2015 年までに 70% 以上増加すると予想しています。その成長の多くは、中国とインドの急速な発展によってアジアで発生すると考えられます。しかし、米国も同様にガス化を受け入れている。

このプロセスがどのように機能するかを詳しく見てみましょう。プロセスの最も一般的な形式である石炭ガス化から始めます。

石炭ガス化

石炭火力発電所の心臓部はボイラーであり、石炭が燃焼して水を蒸気に変えるボイラーです。次の方程式は、石炭の燃焼が化学的にどのようになるかを示しています: C + O ₂ –> CO ₂ 。石炭は純粋な炭素からできているのではなく、他の多くの元素と結合した炭素からできています。それでも、石炭の炭素含有量は高く、燃焼中に炭素が酸素と結合して二酸化炭素が生成され、地球温暖化の主な原因となります。石炭燃焼の他の副産物には、硫黄酸化物、窒素酸化物、水銀、天然に存在する放射性物質などがあります。

ガス化を組み込んだ発電所の心臓部はボイラーではなく、高さ約 40 フィート (12 メートル)、直径 13 フィート (4 メートル) の円筒形の圧力容器であるガス化装置です。原料は上部からガス化炉に入り、蒸気と酸素は下部から入ります。あらゆる種類の炭素含有物質を原料にできますが、石炭のガス化には当然石炭が必要です。典型的なガス化プラントでは、茶色がかった種類の石炭である褐炭を毎日 16,000 トン (14,515 トン) 使用できます。

ガス化炉は石炭ボイラーよりも高い温度と圧力、それぞれ華氏約 2,600 度 (摂氏 1,427 度) と平方インチあたり 1,000 ポンド (6,895 キロパスカル) で動作します。これにより、石炭にさまざまな化学反応が起こります。まず、石炭の炭素が部分的に酸化されると熱が放出され、これがガス化反応を促進します。その 1 つ目は熱分解です。これは、石炭の揮発性物質がいくつかのガスに分解されるときに発生し、木炭のような物質であるチャーが残ります。次に、還元反応により、チャーに残っている炭素が合成ガスとして知られるガス状混合物に変換されます。

一酸化炭素と水素は、合成ガスの 2 つの主要成分です。ガスクリーンアップとして知られるプロセス中、生の合成ガスはさまざまな成分を分離するために使用できる冷却チャンバーを通過します。洗浄により、硫黄、水銀、未変換の炭素などの有害な不純物を除去できます。二酸化炭素さえもガスから取り出して地下に貯蔵したり、アンモニアやメタノールの製造に使用したりすることができます。

これにより純粋な水素と一酸化炭素が残り、ガスタービンできれいに燃焼して電気を生成することができます。あるいは、一部の発電所では、浄化されたガスをニッケル触媒に通すことで合成ガスを天然ガスに変換し、一酸化炭素および二酸化炭素を遊離水素と反応させてメタンを形成します。この「代替天然ガス」は通常の天然ガスと同様に動作し、家庭や企業の発電や暖房に使用できます。

しかし、石炭が入手できない場合でも、ガス化は可能です。必要なのは木材だけです。

木材のガス化

石炭のガス化は、毒素や二酸化炭素を大気中に排出することなく発電できるため、「クリーンコール」と呼ばれることもあります。しかし、それは依然として再生不可能な化石燃料に基づいています。そして、地球に傷を与え、それ自体の有毒廃棄物を残す採掘作業が依然として必要です。木材のガス化 (より技術的に正確に言えば、バイオマスガス化) は、実行可能な代替手段となる可能性があります。バイオマスは、木、作物、さらにはゴミなどの有機材料から作られるため、再生可能エネルギー源とみなされます。

バイオマスのガス化は石炭のガス化と同じように機能します。原料がガス化装置に入り、低酸素環境で炭素含有材料が加熱されて合成ガスが生成されます。原料は通常、次の 4 つのカテゴリのいずれかに分類されます。

原料の選択によってガス化装置の設計が決まります。バイオマスガス化では、上昇気流、下降気流、横気流という 3 つの設計が一般的です。上昇気流ガス化装置では、木材が上からガス化室に入り、火格子の上に落ちて燃料の山を形成します。空気は火格子の下から入り、燃料の山を通って上に流れます。バイオマス界では生成ガスとしても知られる合成ガスは、チャンバーの上部から排出されます。ダウンドラフトまたはクロスドラフトのガス化装置では、空気と合成ガスが異なる場所に出入りする場合があります。

燃料とガス化装置の設計の選択は、合成ガス中の化合物の相対的な割合に影響します。たとえば、ダウンドラフトガス化装置に小麦ストローを入れると、次のような物質が生成されます。

しかし、下降気流ガス化装置に木炭を入れると、次のような物質が生成されます。

[出典:ラージヴァンシ]。

これで、独自の木材ガス化装置を作成する準備が整いました。クリックし続けて方法を確認してください。

自家製ガス化

ガス化の魅力的な性質の 1 つは、その拡張性です。タンパのすぐ南東にあるポーク発電所は、4,300 エーカー (1,740 ヘクタール) の面積を誇るガス化プラントです。これは、1 時間あたり 100 トン (90.7 トン) の石炭を、約 60,000 の家庭や企業向けの 2 億 5,000 万ワットの電力に変換します [出典: ]。

しかし、ガス化の実験を行うのに巨大な公益事業者である必要はありません。家の周りにある材料を使って、シンプルで小型のガス化装置を構築できます。 YouTube では、これらの自家製ユニットのビデオをいくつか紹介しています。たとえば、あるビデオでは、塗料缶がガス化反応が起こる圧力容器の役割を果たしていることが示されています。合成ガスは密封された缶の内部で生成されるため、いくつかの簡単な配管継手を通ってバーナー缶に移動し、そこでガスが点火されます。

別の写真では、米国連邦緊急事態管理庁 (FEMA) とオークリッジ国立研究所が作成した計画に基づいて、小規模なチームが木材ガス化装置を組み立て、運転している様子を示しています。 FEMA は 1989 年に、石油緊急事態の際の小規模ガス化に特化したこれらの計画を策定しました。同庁の報告書には、下降気流バイオマスガス化装置の製造、設置、運転に関する詳細な図解入りの説明書が含まれている。 (レポートへのリンクは、次のページの「Lafontaine」の下のソース リストに含まれています。) このユニットには、亜鉛メッキ金属のゴミ箱、小さな金属ドラム、共通の配管継手、ステンレス鋼のミキシング ボウルが必要で、次の場所に取り付けることができます。内燃用の合成ガスを供給する車両。ガス化装置を設置すると、木チップなどのバイオマスを燃料として車両を確実に走行させることができます。

ガス化に興味はあるが、自分で組み立てるタイプではない場合は、メーカーからガス化ユニットを購入することを検討するとよいでしょう。たとえば、New Horizo​​n Corporation は、家庭環境に設置できるガス化システムを販売しています。これらのバイオマスガス化ボイラーは、住宅、ガレージ、その他の建物を加熱でき、味付けした木材、トウモロコシの穂軸、おがくず、木材チップ、あらゆる種類のペレットなど、さまざまな燃料を使用できます。

いずれにせよ、ガス化は今後数十年間で最も重要なエネルギー代替手段の 1 つとして浮上する可能性があります。これは石炭を使用する最もクリーンな方法であるだけでなく、バ​​イオマスなどの再生可能エネルギー源と効率的に連携することもできます。また、ガス化の主な生成物の 1 つは水素であるため、このプロセスは燃料電池やよりクリーンな燃料用の大量の水素を製造するための足がかりとなります。

エネルギーとグリーンテクノロジーの未来へのリンクをさらにお読みください。

私たちのほとんどは、電気がどこから来ているかについてあまり考えず、それが利用可能で豊富にあることだけを考えています。石炭、石油、天然ガスなどの化石燃料を燃やして発電された電気は、二酸化炭素、窒素酸化物、硫黄酸化物を排出します。これらのガスは科学者が気候変動の一因と考えています。太陽熱（熱）エネルギーは、石炭やガスなどの化石燃料を使用して生成する電力に代わる、炭素を含まない再生可能な代替エネルギーです。これも未来の話ではありません。 1984 年から 1991 年にかけて、米国はカリフォルニアのモハーベ砂漠にそのような発電所を 9 か所建設し、現在でも合計年間 354 メガワットの発電量を供給し続けており、カリフォルニアの 50 万世帯で使用される電力に相当します。

それ以来、テクノロジーはどこに行ったのか気になりますか? 1990 年代に天然ガスの価格が下落すると、太陽熱発電への関心も高まりました。しかし今日、このテクノロジーは復活の準備が整っています。米国国立再生可能エネルギー研究所によると、太陽熱発電は米国の需要の 10% 以上に相当する数百ギガワットの電力を供給できると推定されています [出典: ]。

ソーラーパネルのイメージを頭から払拭しましょう。そのような需要には発電所が必要になります。太陽からエネルギーを生成するには主に 2 つの方法があります。太陽光発電( PV ) および集光太陽熱( CST ) は、集光型太陽光発電 (CSP) 技術としても知られています。

PVは太陽光を直接電気に変換します。これらの太陽電池は通常、時計、サングラス、バックパックなどの機器に電力を供給したり、遠隔地に電力を供給したりするために使用されています。

それに比べて太陽熱技術は大規模です。太陽光発電との大きな違いは、太陽熱発電所が間接的に発電することです。太陽光線からの熱が収集され、流体の加熱に使用されます。加熱された流体から生成された蒸気は、電気を生成する発電機に動力を供給します。これは、化石燃料の燃焼ではなく、収集された熱によって蒸気が生成されることを除いて、化石燃料を燃焼させる発電所の動作方法に似ています。

太陽熱システム

太陽熱システムには、パッシブとアクティブの 2 つのタイプがあります。パッシブシステムは、車を太陽の下に駐車したままにしたときに車内に熱が蓄積するような機器を必要としません。アクティブなシステムには、太陽放射を吸収して収集し、貯蔵する何らかの方法が必要です。

太陽熱発電所はアクティブ システムであり、いくつかの種類がありますが、基本的な類似点がいくつかあります。ミラーは太陽光を反射して集中させ、レシーバーはその太陽エネルギーを収集して熱エネルギーに変換します。発電機を使用して、この熱エネルギーから電気を生成できます。

カリフォルニアのモハーベ砂漠にある太陽熱発電所を含む最も一般的なタイプの太陽熱発電所は、太陽放射を集めるために放物線状のトラフ設計を使用しています。これらの集電装置は線形集光装置システムとして知られており、最大のものでは 80 メガワットの電力を生成できます。高温の流体は蒸気の生成に使用され、蒸気はタービンを回転させて発電機に電力を供給し、電気を作ります。

パラボラトラフ設計は太陽エネルギープラントとしてフルパワーで稼働できますが、バックアップとして化石燃料機能を追加する、太陽光と化石燃料のハイブリッドとして使用されることが多くなります。

太陽光発電タワーシステムも太陽熱システムの一種です。送電塔は、太陽放射をタワーに取り付けられた 1 つの受信機に集中させ、大きくて平らな太陽追尾鏡である何千ものヘリオスタットに依存しています。パラボラトラフと同様に、伝熱流体または水/蒸気はレシーバー内で加熱され（ただし、発電塔は太陽エネルギーを1,500倍も集中させることができます）、最終的に蒸気に変換され、タービンで発電するために使用されます。ジェネレータ。

送電塔の設計はまだ開発中ですが、いつか送電網に接続され、1 つの塔あたり約 200 メガワットの電力を生産する発電所として実現される可能性があります。

3 番目のシステムはソーラー ディッシュ/エンジンです。パラボラトラフや送電塔と比較すると、ディッシュシステムは小規模な発電量（約 3 ～ 25 キロワット）です。太陽集光器 (皿) と電力変換ユニット (エンジン/発電機) の 2 つの主要コンポーネントがあります。皿は太陽に向けられ、太陽を追跡し、太陽エネルギーを収集します。そのエネルギーを約2,000倍に集中させることができます。冷却液（水素やヘリウムなど）が満たされた一連のチューブであるサーマルレシーバーが、ディッシュとエンジンの間に設置されています。皿から集中した太陽エネルギーを吸収し、熱に変換し、その熱をエンジンに送り、そこで電気になります。

太陽熱

太陽熱システムは、有望な再生可能エネルギー ソリューションです。太陽は豊富な資源です。夜間の場合を除いて。または、太陽が雲に覆われている場合。熱エネルギー貯蔵( TES )システムは、植物が数時間分の潜在的な電力を蓄えることを可能にする太陽熱システムと併用される高圧液体貯蔵タンクです。オフピーク時の蓄電は、太陽熱発電所の有効性にとって重要な要素です。

最初の太陽熱発電所が建設された 1980 年代以来、2 タンク直接システム、2 タンク間接システム、および 1 タンク熱躍層システムという 3 つの主要な TES 技術がテストされてきました。

2 タンク直接システムでは、太陽熱エネルギーは、それを収集したのと同じ熱伝達流体に直接保存されます。液体は 2 つのタンクに分かれており、一方のタンクには低温で保管され、もう一方のタンクには高温で保管されます。低温タンクに保管された液体は発電所の太陽熱収集器を通過し、そこで再加熱されて高温タンクに送られます。高温で保管された流体は熱交換器を通って送られ、蒸気が生成され、その蒸気が発電機での発電に使用されます。そして、流体は熱交換器を通過した後、低温タンクに戻ります。

2 タンク間接システムは、異なるタイプの熱伝達流体 (通常は高価であるか、貯蔵流体としての使用を目的としていないもの) で動作することを除いて、基本的には直接システムと同じように機能します。これを克服するために、間接システムは追加の熱交換器に低温流体を通過させます。

2 タンク システムとは異なり、 1 タンク熱躍層システムは熱エネルギーを固体 (通常は珪砂) として蓄えます。単一のタンク内では、固体の一部が流体の流れに応じた温度勾配で低温から高温に保たれます。貯蔵目的では、高温の熱伝達流体がタンクの上部に流れ込み、下方に移動するにつれて冷却され、低温の液体として排出されます。蒸気を発生させて電気を発生させるには、このプロセスを逆に行います。

熱伝達媒体として鉱油または溶融塩を使用する太陽熱システムは、TES に最適ですが、残念ながらさらなる研究がなければ、水/蒸気で動作するシステムは熱エネルギーを蓄えることができません。熱伝達流体のその他の進歩には、貯蔵コストを削減し、性能と効率を向上させるための相変化材料と新しい蓄熱コンセプトを使用した代替流体の研究が含まれます。

太陽熱温室

太陽エネルギーを貯蔵するためにサーマルマス材料（熱を蓄える能力のある材料）を使用するというアイデアは、大規模な太陽熱発電所や貯蔵施設だけに適用できるものではありません。このアイデアは、温室のようなありふれたものでも機能します。

すべての温室は日中の太陽エネルギーを捕らえますが、通常は南向きに配置し、太陽光への露出を最大限に高めるために傾斜した屋根を設置します。しかし、太陽が沈んだら、栽培者は何をすればよいでしょうか?太陽熱温室はその熱を保持し、夜間に温室を暖めるためにそれを使用することができます。

石、セメント、水、または水を満たした樽はすべて、単純な受動的熱質量材料 (ヒートシンク) として使用でき、日中に太陽の熱を捕らえ、夜間に放射します。

より大きな願望?太陽熱発電所で使用されているのと同じアイデアを (はるかに小規模なレベルではありますが) 適用すれば、年間を通じて成長することができます。アクティブ太陽熱温室とも呼ばれる太陽熱温室には、他の太陽熱システムと同じ基本要素が必要です。太陽熱収集器、貯水タンク、配管または配管 (床に埋められている)、熱伝達媒体を移動させるポンプ (太陽熱集熱器内の空気または水）を貯蔵庫に供給し、ポンプに電力を供給するために電気（または別の電源）を供給します。

あるシナリオでは、温室の屋根の頂上に集まった空気がパイプを通って床の下に引き込まれます。日中はこの空気が熱く、地面を温めます。夜になると、冷たい空気がパイプ内に引き込まれます。暖かい地面が冷たい空気を温め、その空気が温室を温めます。あるいは、熱伝達媒体として水が使用されることもあります。水は外部の貯蔵タンクに集められ、太陽熱で加熱され、パイプを通してポンプで送られて温室を暖めます。

太陽熱煙突

太陽熱温室が太陽熱技術を日常のニーズに応用する方法であるのと同様に、太陽熱煙突または熱煙突も熱質量材料を利用します。熱煙突は受動的な太陽熱換気システムであり、機械的ではないことを意味します。機械換気の例には、ファンやダクトを使用して古い空気を排出し、新鮮な空気を供給する家全体の換気が含まれます。対流冷却原理により、熱煙突は冷たい空気を取り込みながら、熱い空気を内側から外側に押し出します。熱い空気は上昇するという事実に基づいて設計されており、日中の不要な熱を軽減し、室内（暖かい）空気を室外（涼しい）空気に交換します。

熱煙突は通常、上部に熱風を排出するための開口部を備えた黒い中空の熱塊でできています。吸気口は排気口よりも小さく、室内の低から中程度の高さに配置されます。熱気が上昇すると、屋外の排気口から屋外、または開いた階段室やアトリアに逃げます。これが起こると、上昇気流が入口から冷たい空気を吸い込みます。

地球温暖化、燃料費の高騰、エネルギー需要の増大に直面して、エネルギー需要は、主に電力用として、日量 3 億 3,500 万バレルに相当する量で増加すると予想されています [出典: ]。規模が大きいか小さいか、送電網内かオフかに関係なく、太陽熱発電の素晴らしい点の 1 つは、待つ必要がなく、すぐに存在することです。反射材で太陽エネルギーを集中させ、それを電力に変換することにより、現代の太陽熱発電所がエネルギー生成の不可欠な部分として今日採用されれば、今後 20 年間で 1 億人以上に電力を供給できる可能性があります [出典:ブラックマン]。すべては太陽という 1 つの大きな再生可能資源から来ています。

北カリフォルニアの住民に尋ねてみてください。地球の熱から電気を作ることができます。彼らの電気は自然の地熱エネルギー、または熱水エネルギーから来ており、その仕組みは次のとおりです。それは、地下 6,562 ～ 13,123 フィート (2 ～ 4 キロメートル) の穴や岩の亀裂に閉じ込められた水から始まります。水と岩石は、地球の熱いマントルや岩石中の放射性鉱物によって加熱されます。エネルギー会社は岩盤に井戸を掘削し、熱水や蒸気を汲み上げます。蒸気は発電機のタービンを駆動し、住民の家に電気を送ります。

自然が熱い岩石、つながった穴や亀裂、そして水を提供したので、それは自然の地熱エネルギーとみなされます。対照的に、強化または工学的に設計された地熱システム( EGS ) は、完全なセットアップを待ちません。彼らは熱い岩から始めて、水や亀裂や接続、あるいはそのすべてを加えます。つまり、すべての地熱電気は熱い岩石内部の熱水から得られます。自然地熱では、自然がシステムを作ります。人工地熱では、エンジニアがその一部を作ります。

自然が無料で与えてくれるのなら、なぜわざわざそのシステムを構築する必要があるでしょうか?ある意味、これは完璧な地熱システムを設計するチャンスです。もう、広大な貯水池よりも冷たい水や水たまりなど、自然が提供するものにこだわる必要はありません。自然源を探す必要はなく、自然源が存在する世界の地域に限定されることもありません。費用を支払えば、どこにでも地熱システムを設計できます。そして、それを自然が提供するものよりも効率的にすることができます。

この記事では、EGS を活用した将来の利点、限界、約束について探っていきます。まずはEGS発電所を見学します。

人工地熱システム発電所の内部

人工地熱システム (EGS) がどのように機能するかを理解するには、システムがどのように構築されるかから始めることが役立ちます。それらは、地下、堆積岩、または火山岩など、熱くて深い岩石の中に組み込まれています。開発者は、従来の石油ドリルを使用して、岩盤に 3 ～ 10 キロメートル (1.9 ～ 6.2 マイル) の深さの井戸を掘削します。地下の温度は約 160 °F ～ 600 °F (71 °C ～ 315 °C) になります。深さは自然の地熱系よりも深いですが、温度はほぼ同じです。

岩石には特別な歴史があるはずです。他の岩石と同様に、これらの岩石もずっと前に応力を受けて、ひび割れが生じています。時間の経過とともに、亀裂は鉱物の殻で再び塞がりましたが、それはすべて計画の一部です。次のステップは、高圧ポンプを使用して水を岩の中に押し込むことです。

ここで、この岩の歴史のもう一つの部分が登場します。岩はまだ応力を受けているため、古い亀裂に沿って壊れそうな痛みを感じています。水を無理に押し込むとうまくいき、亀裂に沿って滑り落ちます。岩の粗いエッジがそれを支えています。

さて、電気について話す準備ができました。地表の発電所には、注入井と生産井というペアの井があります。冷水は注入井にポンプで送り込まれます。熱い岩石の亀裂を通って浸透すると、加熱されます。十分に熱くなると、それ自体の熱または生産井に流入する水からの圧力によって上昇します。残りは通常どおり地熱です。熱水は蒸気を生成し、タービンを駆動します。冷却塔またはパイプは水を冷却し、注入井にリサイクルして戻します。

熱い岩石はどこにでもあるため、ほとんどすべての場所で EGS を構築できます。しかし、最良の場所は、高温の岩石に最もストレスがかかり、表面に最も近い場所に発生します。開発者は、温度井戸を掘削し、地表の応力を調べて現場を評価できます。米国を含むいくつかの国では、政府の測量官が体系的な地図を作成しています。

次に、地下への介入のリスクについて検討します。

EGS加熱

人工地熱システムの井戸から湧き出る熱水は、電気を生成するだけでなく、建物を直接加熱することもできます。

人工地熱エネルギーの利点

すべての地熱発電には、自然発電か人工発電かにかかわらず、信頼性などの経済的および環境的利点があります。地球は常に熱く、予想通り熱を放射しているため、ノンストップで電力を供給することができます。風力や太陽光発電についても、風が止み、日が沈むため、同じことは言えません。

人工地熱は、天然地熱と同様に再生可能であり、地球の熱を枯渇させません。だからといって、サイトが消耗しないというわけではありません。そうです。 「岩石中の放射性鉱物や地球を通る伝導によって熱が再供給されるよりも早く、この局所的な地域から地下で熱が採掘されるのです」と、MITのEGS専門家ジェファーソン・テスターは言う。最終的には、注入井と生産井の間の岩石が冷えます。しかし、輪作と同様に、岩石がこれまでと同じくらい熱い場所の近くで新しい井戸を掘削することができます。数組の井戸をローテーションすることで、お湯を出し続けることができます。全体として、このプロセスでは、大きな岩石の熱のほんの一部と、笑えるほど少量の地球の熱が抽出されます。どのシステムも地球を冷却することを夢見ることはできませんでした。

人工地熱と天然地熱は同じ発電所を使用しており、非常にクリーンです。最もクリーンな設計であるバイナリー プラントは、環境中にガスを排出せず、水蒸気雲さえも排出しません。循環する水はパイプ内に留まり、別の流体を沸騰させてプラントのタービンを回転させます。うねる蒸気雲を吐き出すスチームプラントとフラッシュプラントは、自然に二酸化硫黄、窒素酸化物、二酸化炭素をほとんど排出せず、硫化水素をほとんど逃がさないスクラバーを備えています。

さらに、地熱発電所はそれほど多くの土地を占有しません。1 メガワットあたり 7,460 平方メートル (80,299 平方フィート) です。他のエネルギー源を比較してみましょう。

• ソーラーパネルは宇宙空間で最も悪く、理想的な条件下では電力 1 メガワットあたり 710,418 平方フィート (66,000 平方メートル) 以上に広がります。
• 石炭火力発電所とその採掘場は、メガワットあたり 430,556 平方フィート (40,000 平方メートル) を占めています。
• 原子力発電所は 1 メガワットあたり 107,639 平方フィート (10,000 平方メートル) を占めます。

[ソース： ]

地熱発電は国のエネルギー安全保障も提供します。この資源は自国の土壌にあり、あらゆる目的に無制限に使用できるため、輸入コストを心配する必要はありません。また、原子力発電とは異なり、地熱の副産物は兵器に使用できません。

天然地熱に対する人工地熱の大きな利点は、ほぼどこでも機能することです。人工地熱には熱い岩石だけが必要です。ユタ大学の EGS 専門家、ピーター・ローズ氏は、「どこでも十分に深く掘削すれば、熱い岩にぶつかるでしょう」と言う。

次に、人工地熱の予想価格を見ていきます。

最も賢いエネルギー源が、豊富で安価でクリーンなものであるなら、植物は人間よりもはるかに賢いことになります。彼らは何十億年にもわたって、おそらく世界で最も効率的な電力供給である光合成を開発しました。光合成はどのように行われるのでしょうか?これは太陽光、二酸化炭素、水を使用可能な燃料に変換し、その過程で有用な酸素を排出します。

エネルギー入力として太陽光のみを使用して、植物は大規模なエネルギー変換を実行し、毎年 1 兆 1,020 億トン (1 兆トン) の CO ₂を有機物、つまり食物の形で動物のエネルギーに変換します [出典: Hunter] 。そして、それは地球に到達する太陽​​光のわずか 3% を使用しているだけです [出典: Boyd]。

植物 (および藻類や一部の細菌) の場合、「使用可能な燃料」は炭水化物、タンパク質、脂肪です。一方、人類は自動車に動力を供給するための液体燃料や冷蔵庫を動かすための電気を探しています。しかし、それは、汚くて高価で減少するエネルギーの問題を解決するために光合成に目を向けることができないという意味ではありません。科学者たちは何年もの間、植物と同じエネルギーシステムを、最終出力を変えて使用する方法を考え出そうと努力してきました。

この記事では、人工光合成に注目し、それがどこまで進歩しているかを見ていきます。このシステムで何ができる必要があるのか​​を調べ、人工光合成を実現する現在の方法をいくつか調べて、他のエネルギー変換システムほど設計が簡単ではない理由を見ていきます。

光合成の仕組み

光合成は、緑色植物や藻類が二酸化炭素と光エネルギーを化学エネルギーに変換できるようにする注目すべきプロセスです。この複雑な生化学プロセスは、酸素と食物連鎖の基盤を提供することで、地球上の生命の維持に重要な役割を果たしています。

光依存性反応

光依存反応は、捕らえられた太陽エネルギーが化学エネルギーに変わる段階です。

このプロセスは、植物細胞の葉緑体にあるクロロフィル分子が太陽からの光エネルギーを吸収するときに始まります。これにより、水分子 (H ₂ O) が酸素 (O ₂ )、水素イオン (H+) および電子 (e-) に分解されます。

吸収された光からのエネルギーは、アデノシン三リン酸 (ATP) とニコチンアミドアデニン ジヌクレオチド リン酸 (NADPH) の 2 つを生成するために使用されます。これらの分子は、光合成の次の段階である光に依存しない反応に必要なエネルギーを貯蔵し、輸送します。

カルビンサイクル

カルビン サイクルとしても知られる光に依存しない反応では、ATP と NADPH に蓄えられた化学エネルギーが二酸化炭素 (CO ₂ ) を有機化合物に固定するために使用されます。炭素固定では、6 分子の二酸化炭素 (CO ₂ ) が大気から捕捉され、5 炭糖分子 (RuBP) と結合して 3 炭素化合物 (3-PGA) が形成されます。

これらの 3 つの炭素化合物は、酵素によって促進される一連の化学反応を起こし、その過程で ATP と NADPH を消費します。これにより、糖分子グリセルアルデヒド-3-リン酸（G3P）が形成されます。

G3P 分子の一部はグルコースやその他の炭水化物を生成し、植物のエネルギー源として機能し、成長と生殖に不可欠です。カルビン回路を維持するために、G3P 分子の一部は RuBP を再生します。このステップにより、さらなる炭素固定のための 3 炭素化合物の継続的な供給が保証されます。

資源としての太陽

太陽光で利用できるエネルギーは、私たちが実際に把握し始めたばかりの未開発の資源です。現在の太陽電池技術、通常は半導体ベースのシステムは高価で、あまり効率的ではなく、太陽光から電気への変換は瞬時に行われるだけで、出力されたエネルギーは雨の日のために蓄えられるわけではありません（ただし、状況は変わりつつある可能性があります。参照）夜に太陽エネルギーを得る方法はありますか?」)。

しかし、植物で起こっていることを模倣した人工光合成システムや光電気化学電池は、私たちの生活に必要なすべてのきれいな「ガス」と電気を、しかも貯蔵可能な形で無限に比較的安価に供給できる可能性がある。

人工光合成のアプローチ

植物が完成させた光合成を再現するには、エネルギー変換システムが 2 つの重要なこと (おそらく構造「葉」として機能するある種のナノチューブの内部で) を実行できなければなりません。それは、太陽光を収集することと、水分子を分割することです。

植物は、太陽光を捉えるクロロフィルと、その太陽光を利用して H ₂ O 分子を水素、電子、酸素 (プロトン) に分解するタンパク質と酵素の集合体を使用して、これらのタスクを実行します。電子と水素は CO _{2 を}炭水化物に変えるために使用され、酸素は排出されます。

人工システムが人間のニーズに合わせて機能するには、出力が変化する必要があります。

反応の最後に酸素だけを放出するのではなく、液体水素 (またはおそらくメタノール) も放出する必要があります。その水素は液体燃料として直接使用することも、燃料電池に送り込むこともできます。水素はすでに水分子の中に含まれているため、水素を生成するプロセスに問題はありません。そして、太陽光を捉えることは問題ではありません。現在の太陽光発電システムはそれを実現します。

難しい部分は、水素を生成する化学プロセスを促進するために必要な電子を得るために水分子を分割することです。

水を分解するには、約 2.5 ボルトのエネルギー入力が必要です [出典: Hunter]。これは、プロセスには触媒、つまり全体を動かすための何かが必要であることを意味します。触媒は太陽の光子と反応して化学反応を開始します。

この分野では過去 5 年または 10 年で重要な進歩が見られました。より成功した触媒としては、次のようなものがあります。

これらのシステムが完成すれば、世界に電力を供給する方法が変わる可能性があります。

人工光合成の応用

化石燃料は不足しており、汚染と地球温暖化の一因となっています。石炭は豊富に存在しますが、人体と環境の両方に非常に汚染されています。風力タービンは美しい景観を損ない、トウモロコシには広大な農地が必要で、現在の太陽電池技術は高価で非効率的です。人工光合成は、私たちのエネルギーの苦境から抜け出す、おそらく理想的な新しい方法を提供する可能性があります。

貯蔵できる燃料

まず、今日のソーラーパネルに搭載されている太陽電池よりも優れた利点があります。太陽電池で太陽光が電気に直接変換されるため、太陽光発電は天候や時間に依存するエネルギーとなり、その有用性が低下し、価格が上昇します。一方、人工光合成は貯蔵可能な燃料を生成する可能性がある。

複数の出力オプション

また、代替エネルギーを生成するほとんどの方法とは異なり、人工光合成は複数の種類の燃料を生成する可能性があります。光合成プロセスは、光、CO _{2 、}および H ₂ O の間の反応により最終的に液体水素が生成されるように微調整することができます。

液体水素は、水素燃料エンジンでガソリンと同様に使用できます。また、それを燃料電池のセットアップに注ぎ込むこともでき、これにより光合成プロセスが効果的に逆転し、水素と酸素が水に結合して電気が生成されます。水素燃料電池は、送電網から得られるものと同じように電気を生成できるので、それを使ってエアコンや給湯器を稼働させることになります。

大規模な水素エネルギーに関する現在の問題の 1 つは、液体水素を効率よく、そしてクリーンに生成する方法の問題です。人工光合成が解決策になるかもしれない。

メタノールも考えられる出力です。光合成プロセスで純粋な水素を放出する代わりに、光電気化学電池はメタノール燃料 (CH ₃ OH) を生成できます。

メタノールまたはメチルアルコールは通常、天然ガス中のメタンに由来し、よりきれいに燃焼させるために市販のガソリンに添加されることがよくあります。一部の車はメタノールだけでも走行できます。

有害な副産物を避ける

温室効果ガスなどの有害な副産物を生成せずにクリーンな燃料を生産できるため、人工光合成は環境にとって理想的なエネルギー源となります。採掘、栽培、掘削は必要ありません。そして、現在水も二酸化炭素も不足していないため、無限の供給源となり、長期的には他のエネルギー形態よりも安価になる可能性があります。

実際、このタイプの光電気化学反応は、燃料の製造過程で空気から大量の有害な CO _{2 を}除去することさえ可能です。それは双方にとって有利な状況です。

しかし、まだそこには達していません。人工光合成を大規模に利用するにはいくつかの障害があります。

人工光合成の実現における課題

人工光合成は研究室では機能しますが、大量消費できる状態ではありません。緑色の植物で自然に起こっていることを再現するのは簡単な作業ではありません。

エネルギー生産においては効率が非常に重要です。植物は、効率的に機能する光合成プロセスを開発するのに何十億年もかかりました。それを合成システムで再現するには、多くの試行錯誤が必要です。

植物内で触媒として機能するマンガンは、人工の環境ではあまりうまく機能しません。その主な理由は、マンガンがやや不安定であるためです。マンガンはあまり長く持続せず、水に溶けないため、マンガンベースのシステムはやや非効率的で非実用的です。

もう 1 つの大きな障害は、植物の分子構造が非常に複雑かつ正確であることです。人工のセットアップのほとんどでは、そのレベルの複雑さを再現することができません。

多くの潜在的な光合成システムでは安定性が問題となります。有機触媒は多くの場合劣化したり、細胞の働きに損傷を与える可能性のある追加の反応を引き起こしたりします。無機金属酸化物触媒の可能性は十分にありますが、システムに注がれる光子を効率的に利用するには十分な速度で機能する必要があります。

このような触媒速度はなかなか得られません。そして、速度を備えた金属酸化物の中には、別の領域、つまり豊富さが不足しているものもあります。

現在の最先端の色素増感セルでは、問題は触媒ではありません。代わりに、分割された水分子からプロトンを吸収するのは電解質溶液です。これはセルの重要な部分ですが、システム内の他のコンポーネントを侵食する可能性がある揮発性溶媒でできています。

ここ数年の進歩により、これらの問題に対処し始めています。酸化コバルトは、安定、高速、豊富に存在する金属酸化物です。色素増感細胞の研究者は、腐食性物質に代わる非溶媒ベースの解決策を考案しました。

人工光合成の研究は勢いを増しているが、すぐに研究室から消えることはない。このタイプのシステムが現実になるまでには少なくとも 10 年はかかるでしょう [出典: Boyd]。そして、これはかなり希望を持った予測です。それが本当に起こるかどうかわからない人もいます。それでも、本物のように振る舞う人工植物を期待せずにはいられない人がいるだろうか？