水と水素の新しいモデル
中国は、山東省の沿岸都市である日照で、海水と産業廃熱を、低コストの淡水とグリーン水素という2つの戦略資源に変えるコンパクトだが野心的な施設を稼働させた。プロジェクト運営者は、同施設が淡水を1立方メートル当たり約2元（約28米セント）で生産しているとし、これは多くの都市の一般的な水道料金を下回る。また、副産物として高純度の水素を生産するとともに、海洋化学製品に利用できるミネラル分を含む高濃度塩水を濃縮する。この施設は3週間以上連続稼働しており、水とエネルギーを統合した新型システムの信頼性を実証する上で重要な節目となっている。
目次
この概念は説明するのは簡単だが、実現するのは難しい。海水という1つの原料から、3つの製品が得られる。毎年800トンの海水を処理する場合、産業用冷却や家庭用に適した超純水約450立方メートル、グリーン水素約19万2,000標準立方メートル、化学メーカーに販売できる塩水約350トンを生産する。水素の製造には、1標準立方メートル当たり約4.2キロワット時が必要とされており、現代の電解槽の性能に匹敵する。日照の取り組みの特徴は、近隣の製鉄所や石油化学工場から出る低品質の熱を活用して水の製造コストを下げている点だ。この熱は通常、空気や海に放散されている。
日照のシステムの仕組み
この施設は、安定した低温熱を生み出すエネルギー多消費型産業のすぐ隣に淡水生産設備を設置している。この熱を用いる分離工程により、海水を比較的低い熱的条件で非常にきれいな水に変える。この目的に適した手法には、膜蒸留や加湿・脱湿法があり、低温熱を有効に活用できる。生産された淡水の一部は利用者に供給され、残りは水を水素と酸素に分解する電解槽に送られる。残る高濃度塩水は、臭素、マグネシウム塩、工業用塩などの製品原料として利用でき、高濃度塩水を海に放流する必要性を減らす。
低品質熱が重要な理由
重工業からは大量の中低温熱が失われている。製鉄所や製油所はその代表例だ。この熱を回収して水の製造に利用すれば、海水淡水化のための追加の電力を消費せずに済む。沿岸工業団地では、海水、廃熱、一定の冷却需要がすべて十分に確保できる。大規模な熱源のそばに海水淡水化と電解設備を併設すれば、運営コストと炭素集約度をともに抑えられる。また、水の利用を都市の供給源から移すことで、地域の帯水層や河川への圧力も和らぐ。
エネルギー数値の意味
水素エネルギーは、キログラム当たりの電力量で論じられることが多い。1標準立方メートルの水素は約9分の1キログラムに相当する。1標準立方メートル当たり4.2キロワット時なら、水素1キログラム当たり約47キロワット時となる。これは現代のアルカリ電解槽や高分子電解膜電解槽の範囲内にある。日照の革新は、桁外れに高性能な電解槽ではなく、廃熱で稼働する海水ラインと電解槽を組み合わせることで、製造コストと水使用量を削減する点にある。製品をグリーン水素と呼ぶには、電力も依然として低炭素でなければならないが、熱面では廃熱を有効活用するため、大幅なコスト削減が可能になる。
水素を直接、海から得ることはできるか
海水を別途淡水化せず、海水を直接電解する技術は、現在も活発な研究開発が進んでいる。特に洋上では、風力発電設備や海洋プラットフォームで水素を製造し、パイプや船で陸上へ輸送できるため、その利点が大きい。課題は化学的な問題だ。海水には塩化物、硫酸塩、有機物が多く含まれる。一般的な電解セルでは、陽極で塩素発生反応が起きやすく、部品が腐食したり、不要な塩素が生成したりする。砂、生物付着、スケーリングも装置の寿命を短くする。このため、研究チームは、塩化物の攻撃に耐える新しい触媒、副反応を引き起こすイオンを遮断する多孔質分離膜、反応領域に塩素を入れない設計などを試験している。中国沿岸沖で行われている実証試験では、海水から原料を取り込みながら電解用のきれいな水層を隔離することで、膜式システムが荒海でも稼働できることをすでに示している。
2つの手法、1つの目標
海洋と水素を結び付ける主な方法は2つある。1つは海水を淡水化した後、通常の電解槽で製造する方法だ。もう1つは、電解槽を海水、あるいはその場で十分にきれいにした水で稼働できるよう改良する方法である。日照の取り組みは前者の縮小版と見られるが、工夫がある。水の工程で大規模な電動ポンプや高圧逆浸透膜を使うのではなく、隣接施設の熱を利用する。洋上や遠隔地の風力発電所では、スペースとメンテナンスの制約から後者が有利になる可能性がある。一方、沿岸工業団地では、廃熱が利用でき、工業が吸収できる水と水素を両方得られるため、前者が適している。研究室やパイロットプラントでは、耐食性触媒、新しい膜、膜を用いない方式などが、それぞれのアプローチを前進させている。
パイロットから産業化へのコストと規模
淡水を1立方メートル当たり2元と価格設定するのは、注目を集める要素だ。この価格は多くの都市の水道料金を下回るうえ、多くの産業利用者が別途行う必要がある高度な浄化も一定範囲で含まれている。水のコストが下がると、電解槽を保護するために通常は非常にきれいな水が必要となる水素製造は、水不足の深刻な省でより魅力的になる。水と水素を同時に生産することで資本コストを2つの製品に分散できるほか、塩水由来の化学品による収入で運用費の一部を補填できる。
水素の電力コストは電源によって決まる。水素1キログラム当たり約47キロワット時として、電力単価が1キロワット時当たり3～5米セントなら、電力費は約1.40～2.35ドルとなる。装置、保守、資金調達の費用も加わり、これらの費用は大きく異なる。日照は小規模な施設だが、中国の沿岸部で拡大可能なモデルを示している。中国には廃熱が豊富な工業地帯が広がる。そのため、山東、河北、江蘇の製鉄集積地などは、より大規模な設備でこの概念を再現する候補地として適している。
電力供給も改善している。超高圧送電路が、西部各省の大規模な風力・太陽光発電所と東部の電力需要地を結んでいる。新たに稼働した送電線は、甘粛省の新規発電能力を山東へ電力を供給する系統に接続している。安定した再生可能エネルギー電力を活用できれば、将来の日照では電解槽の規模を拡大し、廃熱だけでは負荷を賄えない時間帯でも水素を低炭素に保てる。
水不足地域にとっての意味
水が不足している場合、水素は水を大量に必要とする物質だ。水素1キログラムを製造するには、通常約9リットルのきれいな水が必要となる。分析筋は、今後10年以内に新たな水素需要で数十億立方メートルの淡水が必要になると予測している。需要の急増が乾燥地域で起きれば、海水や排水を活用しない限り、水の供給に圧力がかかる。研究では、海水淡水化と電解を組み合わせ、燃料電池や電解槽の廃熱を回収することで、総エネルギー費用を数パーセント削減できると示されている。水の供給源を沿岸部に移し、放散されていた熱を活用すれば、内陸部の水を農業や都市のために確保しつつ、限界的なエネルギー投入を削減できる。
環境面の設計も依然として重要だ。塩水は、注意せずに放流すれば海洋生態系に害を与える可能性がある。日照のモデルでは、塩水を化学品生産向けに販売することで海洋への放流を抑え、このリスクを低減している。海水取水でも、海洋生物への影響を避けるため、慎重なエンジニアリングが必要だ。最良の手法は、低速で細かいスクリーンを通して水を取り入れ、魚や幼生が少ない場所に取水口を設置することである。これらは後から考えればよい問題ではない。海水淡水化と電解の組み合わせを目指す沿岸工業団地が増える中、許認可や地域社会の支持を得るために不可欠な要件である。
中国が水素技術のエコシステムを構築
日照のようなプロジェクトの背景には、拡大する製造基盤とパートナーのネットワークがある。天津では、欧州企業が完全子会社化した大規模な電解槽工場が、毎年数百メガワットのアルカリ式モジュールを供給している。同工場は自動化と品質管理システムを更新し、稼働中の大規模水素プロジェクトの一部にすでに装置を納入している。完全子会社化により、設計変更、物流、世界規模の受注に対する品質保証をより迅速かつ強化できる。
HygenProの最高経営責任者（CEO）であるヤールレ・ドラグビク氏は、この変化について、極めて大規模なプロジェクトからの需要に生産能力を合わせるための手段だと説明した。
運営を効率化し、大規模プロジェクトに備えたコスト効率の高い体制を確実に整えることだ。
外資系企業と中国国内企業は、海水淡水化、再生可能エネルギー、水素の各分野での連携を強化している。世界的な水・エネルギー開発会社は上海にイノベーションセンターを開設し、大学や研究機関と、太陽光発電、風力発電、蓄電、グリーン水素、海水淡水化に取り組んでいる。中国企業も技術を海外に展開している。ある企業はエジプトで、風力・太陽光発電と連携し、アンモニア輸出を目指すグリーン水素プロジェクトを建設している。別の企業はサウジアラビアで、大規模な水素からアンモニアへの転換プラントを設計する事業に参画している。こうした動きは、国内外のプロジェクトに装置、サービス、運営ノウハウを提供できるサプライチェーンの存在を示している。
今後の展開
日照や同種の施設にとって次の試練は、時間の経過だ。技術者は、熱を活用する膜の汚損、配管のスケーリング、廃熱の供給状況に合わせて起動・停止する電解槽の安定性を注視する。稼働時間が長くなるほど、実際の保守需要や最適な運営時間帯が明らかになる。事業面では、水、水素、塩水由来化学品という3つの製品ラインを統合することで、収益変動を緩和し、融資を受ける際の信頼性を高められる。
2つの技術路線の選択もより明確になるだろう。海水の直接電解は、装置の簡素さとコンパクトさが重視される洋上、風力や波力発電と組み合わせた用途で活路を見出す可能性がある。低品質熱が多く、非常にきれいな工業用プロセス水への安定した需要がある場所では、海水淡水化後に電解する方式が有利になるかもしれない。最終目標は同じだ。希少な淡水資源に頼らず、競争力のあるコストでグリーン水素を供給することである。日照のパイロット事業は、産業界が現在廃棄している熱を役立つものに変えながら、その目標に向けた実用的な道筋を示している。
要点
- 山東省日照の沿岸施設は、産業廃熱を活用して海水から淡水とグリーン水素を生産している。
- 報告されている水の価格は1立方メートル当たり約2元で、水素のエネルギー消費は1標準立方メートル当たり約4.2キロワット時。
- 海水800トン当たりの年間生産量には、超純水450立方メートル、水素19万2,000標準立方メートル、海洋化学製品向け塩水350トンが含まれる。
- 低品質熱を海水淡水化に利用することで、電力需要を抑え、都市の水供給への圧力も緩和される。
- 海水の直接電解は進展しているが、材料面の課題が残るため、多くのプロジェクトは依然として海水淡水化後に電解する方式を選んでいる。
- 中国の超高圧送電網は、新しい風力・太陽光発電を山東に届け、より大規模な電解槽の導入を支えている。
- 天津の製造能力と上海の新たなイノベーション拠点は、水素と海水淡水化のエコシステム拡大を示している。
- エジプトとサウジアラビアでの輸出プロジェクトは、中国の水素・海水淡水化技術の世界的な展開を示している。
- 沿岸プロジェクトが拡大する中で、海洋生物を守るためには、慎重な取水設計と塩水管理が不可欠である。
