エネルギーを運ぶ：エネルギーキャリアとして水素？

再生可能エネルギーの利用を進める上でのハードルは？

再生可能エネルギーを積極的に使っていく -これは、世界的な潮流ですよね。ではどんどん太陽光発電や風力発電を設置すればよいかというと、そういう訳でもありません！再生可能エネルギーを利用できる場所・時間（エネルギー供給地）と、我々がエネルギーを使う場所（エネルギー需要地）は異なります。需要・供給のずれというのは大きな問題で、発電分が需要を上回る場合、せっかく発電したものを使うことができません。実際に、太陽光発電を積極的に導入している九州では、太陽光発電量が需要を上回っているため、太陽光発電の出力抑制がなされています^[1]。

上手に再生可能エネルギーを利活用するため、エネルギーキャリアの導入が検討されています（再生可能エネルギーの利用にまつわる問題点参照）。再生可能エネルギーで発電した電力をエネルギーキャリアへ変換し、貯蔵する、もしくは需要地へ輸送するという考えです。エネルギーキャリアは、「より少ない体積、より小さい重量」で、「より多くのエネルギー」を保有できることが好ましいです。

水素が持っているエネルギーはどの程度？

エネルギーキャリアに適した物質はなんでしょう？「元素」に注目して考えると、一番軽いものは、周期表の一番左上に位置する水素ですね。実際、重量当たりのエネルギーで言えば、水素分子はかなり大きいです。

どの程度か、少し計算してみましょう！

エネルギーとして使うとき、我々は酸化反応を用います。酸化反応に伴う発熱分を、我々は利用します（化石燃料から取り出せるエネルギー量は？参照）。水素の燃焼反応は、以下であらわされます。
H₂ + 1/2 O₂ --> H₂O (l) …(1)
※(l)は、H₂Oの相が液体である（つまり、氷や蒸気ではなく、水である）ことを意味します。

この反応に伴うエネルギー変化は、285.8 [kJ mol^-1]と計算できます。水素分子は、モル質量が2 [g mol^-1]なので、水素分子を1 [g]燃やすときに得られるエネルギーは142.9 [kJ]（= 285.8 [kJ mol^-1] / 2 [g mol^-1] * 1 [g]）です。4.2 [J]が1 [cal]なので、水素分子1 [g]は34.0 [kcal]に相当することが分かります。

34キロカロリー…これはどの程度でしょうか？

車の燃料でもあるガソリンは、1 [L]あたり7970 [kcal]の発熱量^[2]を有し、またその密度は約0.75 [g mL^-1]です^[2]。重量当たりに換算すると6.0 [kcal g^-1] （=7970 [kcal L^-1] * 0.75 [g mL^-1] / 1000）と分かります。ですので、水素はガソリンの5.7倍もの重量エネルギー密度になります。ちなみに、ごはん普通盛り（140 [g]）は、235キロカロリーあるそうです^[3]。ということで、水素は重量当たりのエネルギーで言えばかなり大きいことが分かったかと思います。

しかし、水素は我々が生活する条件下では、一般に気体状態です。体積がかなり大きいため、そのままは運びにくい。その体積エネルギー密度をどう小さくするか、ということが課題となります。その解決策として、他のエネルギーキャリアへ転換する、というものがあります。そこで、アンモニアやメチルシクロヘキサン、水素吸蔵合金などが出てきますね。これらについては別のポストで記述します。

参考文献

1. 九州電力送配電株式会社, “再エネ出力制御について知りたい”, https://www.kyuden.co.jp/td_renewable-energy_purchase_control.html (accessed on 2021/11/01)
2. 石油連盟, “換算係数一覧”, https://www.paj.gr.jp/statis/kansan/ (accessed on 2021/10/07)
3. 株式会社 タニタ , “接種カロリー早見表”, https://www.tanita.co.jp/content/calorism/table/index2.html (accessed on 2022/02/03)