将来のエネルギーインフラは、私たちが現在依存しているインフラとは大きく異なるものになる可能性があります。国立原子力研究所の専門家チームによる研​​究は、原子力エネルギーを利用した水素製造が経済的に実行可能である可能性があることを示しています。

この研究は雑誌に掲載されました新エネルギーの開発と応用。

化学モデリング チーム マネージャーのマーク バンクヘッド氏は、研究の背景について次のように説明しています。「水素および水素由来の代替液体燃料は、英国が 2050 年までに実質ゼロ排出を達成するための重要な要素です。原子力発電は、さまざまな水素生成技術と組み合わせることができます。」2030 年代までにこれらのテクノロジーの価値を証明するための戦略を伝えるために、私たちはテクノロジーの経済的パフォーマンスについての洞察を提供するモデルを開発しました。

「熱化学には競争上の利点があります水素製造高温ガス冷却炉（HTGR）と組み合わせたものであり、これらの技術を最適化し、この技術の可能性を実現するためには、さらに多くの作業が必要であることを私たちは認識しています。」

効率とコストを決定する新しい方法

これらのテクノロジーの経済性を判断するための新しいアプローチでは、画期的な数学的モデル結合して構築されました原子力水素製造技術へ。このモデルでは、さまざまな水素製造技術を組み合わせることができ、さまざまなシナリオを比較できることになります。

モデルは 2 つの部分で構築されました。まず、物理的なことと、化学プロセスさまざまな水素製造技術がモデル化されました。これにより、モデルの出力を供給エネルギー単位当たりに生成される水素の単位として表すことにより、これらの工業プロセスの全体的な効率を決定する新しい方法が提供されました。モデルの 2 番目の部分では、この効率の尺度が経済モデルに入力されました。

NNL のプロセス モデラーである Kate Taylor は、経済モデル、「水素の販売価格を決定するために、このモデルでは、水素プラントの建設および運営のコストと、水素の供給に必要な電気および/または熱のコストを組み合わせます。

「また、水素製造技術がどのように改善されるか、また原子炉群を構築することで原子力発電所とこれらの技術を結びつける知識がどのように洗練されるかについての推定も含めました。私たちは、現在の技術知識に基づいて将来何が起こるかを予測しています」そして、この予測は非常に心強いものです。」

さまざまなシナリオをテストする

水素は、熱と電気の両方を必要とする高温水蒸気電気分解を使用して生成できます。熱のみを必要とする熱化学サイクルを使用して生成することもできます。モデル化では、両方のタイプの技術が、先進的なタイプの原子力である高温ガス炉に結合されました。

このモデルは、高温水蒸気電気分解が高温ガス反応器と組み合わせた場合、コスト効率の高い水素製造方法となり得ることを示し、コスト推定値は 1.24 ～ 2.14 £/kg であるのに対し、熱化学サイクルの場合は 0.89 ～ 2.14 £/kg です。2.88 £/kg。

水蒸気電解は、どの熱化学サイクルよりも開発された技術であるため、推定コストの変動が少ないだけでなく、より早く導入できる可能性があります。これらの結果は、水素製造プラントと組み合わせることもできる他の低炭素エネルギー生産技術と比較して、原子力エネルギー競争力がある。

このモデルは、テクノロジーを比較するための理想的な出発点です。NNL のプロセス モデラーであり、この研究の筆頭著者である Christopher Connolly は、物理的および化学的プロセスのモデルを開発しました。彼は、モデルは分子がどのように動き回り、水素の生成に使用される材料と相互作用するかを記述するデータに依存しているため、水素生成技術の開発によってモデルがどのように改善されるかを説明します。

コノリー氏は、「水素生成の効率を予測するには、水を分解するために使用される実際のプロセスをモデル化する必要があることを意味します。信頼できるデータ最先端の材料特性設計における一部のプロセスの反応速度論は課題となる場合があり、技術は常に改善されています。

「たとえば、高温水蒸気電解を検討する場合、電解質として固体酸化物を使用する電解セルのモデルを構築する必要がありました。固体酸化物は通常イットリア安定化ジルコニアでできていますが、この酸化物のバリエーションは次のとおりです。最終的に、電解液の性能はそれがどれだけうまく作られているかによって決まります。」

未来を予測する

コスト効率の高い水素の製造は、原子力技術の利点の 1 つにすぎません。この研究は化学物質の効率をモデル化しただけですが、物理的プロセス水素製造技術の場合、これらの技術を原子力発電と組み合わせることで、高い水素製造能力、ユーザーに寄り添った柔軟な対応、導入のスケールアップが可能など、他の利点もあります。原子力はまた、水素の緩衝貯蔵の必要性を軽減する、信頼性の高い非断続的な電源でもあります。

高温ガス炉はすでに開発中であり、2030年代には英国で実証機が計画されている。それまでの間、他の種類の核テクノロジーに結合することができます水素ネットゼロ目標の達成を支援する生産工場。

詳細情報:Christopher Connolly 他、原子力発電による熱支援水素製造の技術経済分析、新エネルギーの開発と応用（2024年）。DOI: 10.54963/neea.v3i1.234