自動車業界では、陸上輸送の将来は電気推進であるというコンセンサスが高まっています。しかし、e-モビリティがコンセプトとして再び登場すると（自動車時代の黎明期にはICEと電気自動車が共存していたことを忘れないでください）、電気モーターに電力を供給する方法について議論が巻き起こりました。 最初のオプションは、車に搭載されたバッテリー パックを使用することです。明らかに、最近ではこのオプションの方が人気があります。しかし、水素燃料電池には別の方法があります。
燃料電池とは何ですか?
現在のバッテリー技術のエネルギー含有量の低さに気づいて、別のアプローチを提案する人もいます。重くてかさばるバッテリーを必要とせずに、車に搭載された電力を生成します。この技術は実際には新しいものではなく、60年代にNASAによってジェミニとアポロの月へのミッションで発電するために初めて使用されました。燃料電池にはいくつかの異なる種類がありますが、自動車業界ではほぼ独占的に固体高分子型燃料電池 (PEMFC) が使用されています。
では、燃料電池ではどのようにして電気を生み出すのでしょうか?これは比較的簡単なプロセスです。燃料電池には 3 つの主要な部分があります。アノード、カソード、セパレータです。アノードでは、H2 がタンクから供給されます。 H2 は 2 つの電子と 2 つの陽子で構成されます。正に帯電したプロトンはセパレータを通過し、負に帯電した電子は外部回路を通過して電流を生成します。
カソードでは、大気中の酸素が、事前にセパレーターを通過した水素のプロトンおよび外部回路の電子と出会います。この組み合わせにより水が生成され、車のテールパイプから排出されます。飲めるテールパイプ！
水素製造
水素は宇宙で最も豊富な元素ですが、地球上では自由な形で入手できません。つまり、それを入手する方法を見つけなければなりません。現在、水素を生成するには 3+1 の方法があります。
いわゆる灰色水素は、天然ガスの水蒸気改質によって生成されます。天然ガスには、非常に高温で高圧の水蒸気が吹き込まれます。この反応により H2 と CO2 が生成されます。この水素の製造方法は最も環境に優しくありません。
青い水素は灰色の水素によく似ていますが、炭素回収・貯蔵 (CCS) システムが生産プロセスに統合されており、放出された CO₂ が大気中に到達するのを防ぎます。
3 番目の製造ルートは電気分解であり、緑色の水素を生成します。この方法は燃料電池とは逆に機能します。つまり、電流が水分子をその構成ガスである水素と酸素に分解します。
「+1」アプローチは、ターコイズ水素として知られています。この技術では、天然ガスが溶融金属の槽に送られ、水素と固体炭素が生成されます。このコンセプトは有望ですが、まだ商業規模での展開には至っていません。
既存の選択肢の中で、グリーン水素は、プロセスを駆動する電力が風力や太陽光発電などの再生可能資源から来ているという条件で、持続可能で環境への影響の少ない生産を実現する最も有望な選択肢です。
水素の状態
使用される水素には 2 つの可能な状態があります。気体と液体は形成されますが、どちらにも長所と短所があります。
水素は宇宙で最も密度の低い元素であるため、自動車で使用するには大幅に圧縮する必要があります。現在の用途では、水素は 700 bar まで圧縮されます。これには多大な圧力がかかり、そのためには特別で高価なタンクが必要になります。
もう一つの選択肢は液体です。しかし、水素を液化するには、絶対零度より 20℃高い、つまりマイナス 253℃まで冷却する必要があります。両方の形態の水素を実現するには、超高圧縮または冷却のいずれかにエネルギーを使用する必要があることは明らかです。
ただし、水素を使用する利点は非常に大きく、水素 1 kg で 33.3 kWh のエネルギーを運ぶことができます。これは、最新の現行バッテリー パックよりも 1 kg あたり 167 倍のエネルギーを運ぶことを意味します。
電池 vs 水素
では、最も好ましい方法は何でしょうか?電気を運びますか、それとも車上で発電しますか?自動車業界は現在、いくつかの理由からバッテリーパックを支持しているようです。
まず、PEMFCの効率は約60％です。天然ガスの水蒸気改質の効率は 70% であり、電気分解の効率は 75% です。水素の圧縮効率は約 89%、液化効率は約 66% です。次の表では、すべての損失がまとめられ、バッテリー パックと水素の間で比較されます。水素については、最も効率的なシナリオが使用されています。
| 効率比較 | 水素 | バッテリーパック |
|---|---|---|
| 電気分解 (%) | 75 | - |
| 水素圧縮 (%) | 89 | - |
| 燃料/グリッド輸送 (%) | 80 | 93 |
| 燃料電池(%) | 60 | 94 |
| 永久磁石モーター (%) | 94 | 94 |
| DC/AC変換(%) | 93 | 93 |
| 充電中 (%) | - | 94 |
| 透過率(%) | 95 | 95 |
| 総合効率(%) | 27 | 73 |
前の表から得られたデータは、燃料電池技術が内燃機関 (ICE) ガソリン車の効率プロファイルとほぼ同じ効率プロファイルを生み出すことを示しています。現在の状況を考慮すると、乗用車に燃料電池を搭載することには実用的な利点はほとんどありません。その結果、固有の制約にもかかわらず、大多数の自動車メーカーはバッテリーパックのアプローチを好みます。
また、同じ距離を移動すると、家庭で電気自動車を充電するよりも水素の燃料補給に 7 ～ 8 倍の費用がかかることも強調する価値があります。水素はその並外れたエネルギー密度により大型トラック輸送にニッチな分野を見つける可能性がありますが、この可能性は持続可能な製造方法の開発にかかっています。
