一人当りの一次エネルギ 消費量 x10 9 J 人当りの一次エネルギー消費量 アメリカ人 先進国平均 日本人 旧ソ連東欧平均 世界 中国人 発展途上国平均 年 DOE-E

東北工業大学 橋本 功二

エネルギー安定供給と地球温暖化防止のために

グローバル二酸化炭素リサイクル

橋本功二

熊谷直和

泉屋宏一

加藤善大

東北工業大学環境情報工学科

アタカ大機株式会社

東北工業大学 橋本 功二

0

50

100

150

200

250

300

350

400

1980

1985

1990

1995

2000

2005

一

人

当

り

の

一

次

エ

ネ

ル

ギ

消

費

量

x10

9

J

年

DOE-EIA

１人当りの一次エネルギー消費量

アメリカ人

先進国平均

日本人

旧ソ連東欧平均

世界

発展途上国平均

中国人

10.14

5.26

1.36

2.07

4.23

6.23

1.00

一

次

エ

ネ

ル

ギ

消

費

量

に

対

す

る

比

2004

年

の

発

展

途

上

国

一

人

当

り

の

東北工業大学 橋本 功二

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

1980

1985

1990

1995

2000

2005

一

次

エ

ネ

ル

ギ

消

費

量

増

大

率

年

世界

世界：

1990-2004の14 年間に1.2854 倍増

毎年

1.0181倍増

DOE-EIA

一次エネルギー消費量

発展途上国

先進国

旧ソ連東欧

東北工業大学 橋本 功二

0

200

400

600

800

1000

1200

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060

一

次

エ

ネ

ル

ギ

消

費

量

10

_J

1990

年

に

対

す

る

比

Year

天然ガス消費量

2.8222 兆 m

23.2%

石炭消費量

60.99 億トン

25.6%

ウラン

消費量

78.0 キロトン

6.2%

石油消費量

301.47億バレル

37.5%

水力

その他

7.5%

2034 年

石油涸渇

1.277 兆バレル

2042年

天然ガス涸渇

198.155兆m

2040年

ウラン涸渇

4743 キロトン

2054年

石油消費量

1.001兆トン

石油

石炭

天然ガス

U

1990-2004の14 年間に1.2854 倍増

1990年以来毎年1.0181 倍増

世界が平和で

エネルギー

産出国は

井戸が涸れる

まで

世界に供給し

続ける

場合

東北工業大学 橋本 功二

戦略的売り惜しみ

井戸の老化

エネルギー産出国 実際には

エネルギー

非産出国

生存不可能

生き残るために

供給拒否

東北工業大学 橋本 功二

0

200

400

600

800

1000

1200

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060

世

界

の

一

次

エ

ネ

ル

ギ

消

費

量

10

J

1990

年

の

消

費

量

に

対

す

る

比

年

天然ガス消費量

2.8222 兆 m

23.2%

石炭消費量

60.99 億トン

25.6%

ウラン

消費量

78.0 キロトン

6.2%

石油消費量

301.47億バレル

37.5%

水力

その他

7.5%

2034 年

石油涸渇

1.277 兆バレル

2042年

天然ガス涸渇

198.155兆m

2054年

石炭涸渇

1.001兆トン

石油

U

1990-2004の14 年間に1.2854 倍増

1990年以来毎年1.0181 倍増

天然ガス

2040年

ウラン涸渇

4743 キロトン

石炭

天然ガス

石炭

太

陽

エ

ネ

ル

ギ

東北工業大学 橋本 功二

有効日射時間

日本で

_1000W/m

2

_{の太陽光が地上に届く時間}

1日 3.3時間

一戸建ての住宅で暖冷房以外の全ての

エネルギーを賄うのに必要な太陽電池の出力

10 kW=10,000W

太陽電池のエネルギー変換効率

_20％(200W/m

2)

_でも

南面

_50m

2

_{の屋根必要}

仙台で一戸建ての住宅の暖房を含む全ての

エネルギーを賄うのに必要な太陽電池の出力

30 〜 40kW

太陽電池の変換効率

_20％でも

南面

_{150 〜 200m}

2

_{の屋根必要}

東北工業大学 橋本 功二

市民生活用エネルギー

屋根上の太陽電池では

不足

産業・運輸・営業用エネルギー

市民生活用エネルギーの一部

砂漠・海洋の

再生可能エネルギーで

東北工業大学 橋本 功二

全人類へ電力供給に必要な砂漠の面積

1000W/m

2

_{の太陽光日射時間：}

_1日8時間

発電効率：

_15％

2004年の世界の一次エネルギー消費量

471.023 x 10

15

_kJ

この量の電力を作るのに必要な砂漠の面積

2.987 x 10

5

_km

2

_{= 2,987万ha}

地球の主な砂漠の面積：

_1.6138ｘ10

7

_km

2

アラビア半島の主な砂漠の12.1％

世界の主な砂漠の面積の1.85％

東北工業大学 橋本 功二

水素

海水の電気分解

砂漠の太陽電池発電の電力利用

燃焼装置がない

新エネルギーの共通の欠点

使いなれた燃料でないと

全世界では使って貰えない

輸送方法がない

東北工業大学 橋本 功二

二酸化炭素と水素からメタンができる

二酸化炭素+水素→メタン+水

CO2 + 4H2

CH4 + 2H2O

天然ガスと同じ使い慣れた燃料

メタン

東北工業大学 橋本 功二

燃焼施設

二酸化炭素

回収

二酸化炭素

メタン

太陽電池発電

二酸化炭素

と水素から

メタン製造

海水電解

水素製造

グローバル二酸化炭素リサイクル

東北工業大学 橋本 功二

グローバル二酸化炭素リサイクル

のキーマテリアルズ

海水の電気分解のための陰極

海水の電気分解のための陽極

二酸化炭素と水素からメタンを造る触媒

東北工業大学 橋本 功二

海水 の電気分解のための陽 極

塩素を発生しな い

×

2Cl

-

→

Cl

₂

+ 2e

-酸素のみを 高速 に発生

◎

2H

₂

O → O

₂

+ 4H

+

+ 4e

東北工業大学 橋本 功二

80

85

90

95

100

0

5

10

15

20

マンガン-モリブデン酸化物中の

モリブデンの％

酸

素

発

生

効

率

％

MnO

₂

9-14％モリブデンは

100％酸素発生

塩

素

発

生

酸

素

発

生

Mn

_1-x

Mo

_x

O

_2+x

0.5 M NaCl

at 30°C &1000 Am

-2

東北工業大学 橋本 功二

2H

₂

O → O

₂

+ 4H

+

_{+ 4e}

-塩素を発生しない海水電解

陽極上の反応

強酸に耐える陽極

電極触媒：

Mn-基複酸化物

有効添加元素：

_{Mo,W, Fe, Sn}

アノード室出口での

_{pHは約1に低下}

東北工業大学 橋本 功二 SS S

90

92

94

96

98

100

0

500

1000

1500 2000

2500 3000

3500

電解時間

/ h

酸

素

発

生

効

率

％

0.5 M NaCl, pH 1

0.2 M Mn

2+

-pH -0.1, 90°C

電解条件

0.006 M Sn

4+

0.004

M Sn

4+

0.005 M Sn

4+

0.003 M Sn

4+

0.007 M Sn

4+

0.008 M Sn

4+

Mn-Mo-Sn- 複酸化物電極上での酸素発生

陽極析出条件

0.003 M Mo

6+

-x M Sn

4+

1000 A m

-2

東北工業大学 橋本 功二

0

20

40

60

80

100

100

200

300

選

択

率

％

温度

/°C

Fe-9Zr

CO

CH

C

H

C

H

C

H

0

20

40

60

80

100

選

択

率

％

CH

C

H

Ni-40Zr

10

-8

10

-7

10

-6

10

-5

10

-4

100 150 200 250 300 350

触

媒

1m

2

1

秒

間

当

た

り

の

二

酸

化

炭

素

変

換

(モル)

温度 /℃

Ni-10Zr

Ni-40Zr

Co-15Zr

Co-45Zr

Fe-9Zr

Fe-70Zr

アモルファス合金

触媒

東北工業大学 橋本 功二

希土類元素添加：活性増大

_:

0

20

40

60

80

100

50

100

150

200

250

300

350

CO

₂

転

換

率

％

温度／℃

Ni-35Zr-5Sm

Ni-35Zr-5Ce

Ni-35Zr-5Y

Ni-40Zr

東北工業大学 橋本 功二

60

65

70

75

80

85

90

95

100

150

200

250

300

350

CO

₂

の

転

換

率

%

温度

_°C

一段リアクター 触媒

(0.4g)

二段リアクター 触媒

_{(0.2g + 0.2g)}

触媒前駆体

アモルファス

Ni-30Zr-10Sm

合金

13.5 lg

-1

h

-1

第

1

リ

ア

ク

タ

ー

CO

₂

+ 4H

₂

CH

₄

H

₂

O

H

₂

O

CH

₄

CO

₂

+ 4H

₂

第

2

リ

ア

ク

タ

ー

CO

₂

の

_CH

₄

への転換

東北工業大学 橋本 功二

Ni / (Zr-Sm 複酸化物)

大量生産用粉末触媒

30

40

50

60

70

80

90

100

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

CO

₂

転

換

率

％

Ni 分率

Ni-(Zr

_0.833

Sm

_0.167

)O

_1.92

(Zr/Sm=5)

アモルファス

Ni

x

Zr

0.95-x

Sm

0.05

82.6% 転換

92.3% 転換

東北工業大学 橋本 功二

東北大学金属材料研究所

₁₉₉₅

東北工業大学 橋本 功二

2003年

海水電解

_CO

₂

メタン化

4H

₂

O

4H

₂

+ 2O

₂

CO

₂

+

4H

₂

CH

₄

+ 2H

₂

O

パイロットプラント

東北工業大学

東北工業大学 橋本 功二

アメリカ内務省

Minerals Management Service (MMS)

広報

_{, March 20, 2007}

Outer Continental Shelf (OCS)

Alternative

Energy

and Alternate Use

Programmatic Environmental Impact Statement (EIS)

海洋波エネルギー

海流エネルギー

沖合風エネルギー

沖合太陽エネルギー

エネルギー貯蔵輸送のために水素使用

海洋再生可能エネルギー資源

東北工業大学 橋本 功二

エネルギー貯蔵輸送のために水素使用

４つ全ての代替エネルギー源

_:

(

波、海流、風、太陽

)

発電可能

電解

_{: ４つ全ての代替エネルギー源のいずれからも}

水素を製造できる最も実行可能な方法

沖合エネルギーの水素としての輸送と貯蔵

アメリカ内務省

東北工業大学 橋本 功二

脱塩海水の固体電解質電解

白金電極

大量エネルギー生産には不適

脱塩海水の高温濃厚

KOH電解質電解

洋上での安全性は保証できずグリーンテクノロジーではない

直接海水電解

海水から少量の割合の水を貰う

危険な塩素発生せず

有毒な化学薬品を洋上に持ち込まない

世界にないグリーングリーンテクノロジー

海水電気による水素製造

東北工業大学 橋本 功二

沖合エネルギーの水素としての輸送と貯蔵

圧縮水素

パイプライン、船、タンカー

水素の透過と漏洩を防止する材料と技術の改善必要

水素脆化防止

水素液化

容器輸送、パイプライン使用不能

液化水素の使用は高価で複雑なため魅力なし

水素キャリアー

アンモニア

_(片道)

液化炭化水素

_(往復)

金属水素化物

(往復)

アメリカ内務省

東北工業大学 橋本 功二

アンモニア

_(片道)

水素輸送と燃焼のインフラの開発と普及必要

陸上で水素を分離

合成

_{: 200 atm., 500°C}

洋上のグリーンテクノロジーではありえず

金属水素化物

(往復)

燃焼のインフラの開発と普及必要

３０年の研究後の今も大きさと重量で

水素ボンベに勝てていない

水素キャリアー

アンモニア

_(片道)

液化炭化水素

_(往復)

金属水素化物

(往復)

東北工業大学 橋本 功二

水素キャリアー

液化炭化水素

_(往復)

沖合の発電場所へ二酸化炭素輸送

メタン合成

:

種々の炭化水素の中で最も単純な装置で

最も安く、最も容易

メタン：

_{LNGとして最も有効な輸送と燃焼の}

施設が存在する唯一の炭化水素

沖合エネルギーの水素としての輸送と貯蔵

最良の水素キャリアー：メタン

他の炭化水素の合成には発電場所に巨大な施設必要

東北工業大学 橋本 功二

National Renewable Energy Laboratory Report

September 2004 NREL/MP-560-36734

Summary of Electrolytic Hydrogen Production:

最大で

年間 500 代以上の車に水素供給

再生可能エネルギーを全ての目的に使用

産業、輸送、営業、市民生活

世界の持続可能な発展のためには

輸送と燃焼のインフラが存在している燃料

メタン

水素キャリアーという思想

小規模な水素供給

陸上での輸送と燃焼のための

インフラに対する配慮なし

東北工業大学 橋本 功二

日本経済新聞

6月22日