[論文レビュー] A Review on Hydrogen Production Technologies and Its Future Demand

Mohammad Abubakr, Shadma Shahid+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2024

Hybrid Renewable Energy Systems被引用数 4

ひとこと要約

本レビューでは、蒸留メタン改質法、電解法、バイオマスガス化を含む現在および新興の水素生産技術を評価し、その効率性、応用分野、環境的影響を強調している。電解法および再生可能エネルギーを活用する方法がエネルギーシステムの脱炭素化に不可欠であるとされ、2022年の世界の水素生産額は1553.5億米ドルに達し、産業、輸送、電力セクターで需要が拡大している。

ABSTRACT

Hydrogen production is a vital process in the quest for decarbonization and a sustainable future. This conversation explores the various technologies used in hydrogen production, such as steam methane reforming, electrolysis, and biomass gasification. These methods have different applications and efficiencies, but all contribute to the production of hydrogen gas. The future of hydrogen production looks promising, as it offers a clean and versatile energy source that can be used in various sectors, including transportation, industry, and power generation. The increasing demand for hydrogen in these sectors, coupled with the global push for decarbonization, highlights the importance of advancing hydrogen production technologies and infrastructure. This paper focuses broadly on different methods of hydrogen production like steam methane reforming, electrolysis, and biomass gasification. Steam methane reforming is currently the most common method, accounting for about 95% of global hydrogen production. Electrolysis is another method that uses electricity to split water into hydrogen and oxygen. Biomass gasification involves converting organic materials into hydrogen gas through a thermochemical process. The renewable energy sources considered are water and biomass and the methods considered are Electrolysis (grid), thermolysis, thermochemical water splitting, photoelectrochemical water splitting, and gasification. Electrolysis of water to produce hydrogen accounts for about 5% of the total hydrogen production. Statistically, global hydrogen production reached about USD 155.35 billion in 2022, with the majority of it being used in the petroleum refining and ammonia production industries. As for applications, hydrogen can be used as a fuel for fuel cell vehicles, as a feedstock for chemical processes, and as a storage medium for renewable energy.

研究の動機と目的

• 主な水素生産技術の現状と将来の可能性を評価すること。
• 再生可能エネルギーを活用する水素生産が、世界的な脱炭素化目標達成に果たす役割を評価すること。
• 世界の水素需要を牽引する市場規模および産業的応用を分析すること。
• 異なる水素生産プロセスの効率性、スケーラビリティ、環境的影響を比較すること。
• 低炭素水素技術の拡大に伴う主な課題と機会を特定すること。

提案手法

• 蒸留メタン改質法（SMR）、電解法、バイオマスガス化を含む水素生産技術の体系的レビュー。
• 特に水の電解および熱化学的プロセスに関して、熱力学的原則を用いたエネルギー入出力の分析。
• 2022年の世界の水素生産データ（市場価値およびセクター別分布）の評価。
• 原料（天然ガス、水、バイオマス）およびエネルギー源（化石燃料、再生可能エネルギー）に基づく水素生産方法の分類。
• 生産量および技術的成熟度の比較に図表および統計データの活用。
• International Conference on Advances in Chemical and Applied Sciences for Sustainable Development (ACASSD-2024) の研究結果を統合。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在、世界的に主流となっている水素生産技術は何か。また、それらは世界の水素生産の何パーセントを占めているか。
• RQ2 電解法および再生可能エネルギーを活用する水素生産方法は、効率性およびスケーラビリティにおいてどのように比較されるか。
• RQ3 現在の世界の水素需要を牽引する主な産業的応用は何か。
• RQ4 水素が輸送、産業、電力供給の脱炭素化において果たす将来の役割は何か。
• RQ5 低炭素水素生産の拡大を妨げる主な技術的およびインfraストラクチャ的障壁は何か。

主な発見

• 蒸留メタン改質法は、世界の水素生産の約95％を占めており、現在の主要な方法である。
• 電解法は、世界総水素生産量の約5％を占め、再生可能電力の統合に伴い、今後の可能性が高まっている。
• 2022年の世界の水素生産額は155.35億米ドルに達し、主に石油精製およびアンモニア生産によって牽引された。
• 水素は、燃料電池車両、産業用原料、再生可能エネルギーの貯蔵手段として、多様なエネルギーキャリアとして注目されている。
• バイオマスガス化およびその他の熱化学的プロセスは、低炭素水素の代替的ルートを提供するが、まだ広く採用されていない。
• 再生可能エネルギーの拡大に伴い、電解によるグリーン水素への移行は、長期的な脱炭素化にとって不可欠である。