原子力による水素製造とは何ですか？

原子力による水素製造は、大規模な水素製造方法として広く有望視されているが、その進展は遅々としているようだ。では、原子力による水素製造とは一体何なのだろうか？

原子力による水素製造、すなわち原子炉と高度な水素製造プロセスを組み合わせた水素大量生産。原子力エネルギーによる水素製造は、温室効果ガスを排出しない、原料が水である、高効率かつ大規模であるといった利点があり、将来の大規模水素供給にとって重要な解決策となる。IAEAの推定によると、小型の250MW原子炉は高温核反応を利用して1日あたり50トンの水素を生産できる。

原子力エネルギーによる水素製造の原理は、原子炉で発生する熱を水素製造のエネルギー源として利用し、適切な技術を選択することで効率的かつ大規模な水素製造を実現すること、そして温室効果ガスの排出量を削減、あるいは完全に排除することである。原子力エネルギーによる水素製造の概略図を図に示す。

原子力エネルギーを水素エネルギーに変換する方法は数多くあり、原料として水を電気分解する方法、熱化学サイクル、高温水蒸気電気分解による水素製造、硫化水素を原料として分解水素製造、天然ガス、石炭、バイオマスを原料として熱分解水素製造などがあります。原料として水を使用する場合、水素製造プロセス全体でCO₂が発生しないため、温室効果ガスの排出をほぼゼロにすることができます。他の供給源から水素を製造する場合は、炭素排出量を削減するだけです。さらに、原子力電気分解による水の使用は、原子力発電と従来の電気分解を単純に組み合わせたものであり、依然として原子力発電の分野に属し、一般的には真の原子力水素製造技術とはみなされていません。したがって、原料として水を使用する熱化学サイクル、原子力熱の全部または一部の利用、高温水蒸気電気分解は、原子力水素製造技術の将来の方向性を示すものと考えられています。

現在、原子力エネルギーを利用した水素製造には、主に2つの方法がある。電解水水素製造と熱化学水素製造である。原子炉は、上記の2つの水素製造方法それぞれに、電気エネルギーと熱エネルギーを供給する。

水の電気分解による水素製造は、原子力エネルギーで発電し、その後、水電解装置で水を分解して水素を生成する方法です。水の電気分解による水素製造は比較的直接的な水素製造方法ですが、この方法の水素製造効率（55%～60%）は低く、たとえ米国で最先端のSPE水電解技術を採用して電解効率を90%まで高めたとしても、現在のほとんどの原子力発電所は熱を電気に変換する効率が約35%であるため、原子力エネルギーによる水の電気分解による水素製造の最終的な総合効率はわずか30%にとどまります。

熱化学水素製造は、熱化学サイクルを基本としており、原子炉と熱化学サイクル水素製造装置を組み合わせ、原子炉から得られる高温を熱源として利用し、800℃～1000℃で水を触媒として熱分解させることで水素と酸素を生成する。電解水水素製造と比較して、熱化学水素製造は効率が高く、総合効率は50%以上に達すると予想され、コストも低い。