人工光合成の画期的成果、太陽光からの燃料製造でEU賞を受賞
堂免一成教授率いる日本の研究チームが、太陽光と水をグリーン燃料に変換する拡張可能な人工光合成システムの開発により、EUの500万ユーロ賞を受賞した。この革新は、気候中立的な形で車両や産業に動力を供給する可能性がある。
地球に降り注ぐ太陽光はそのエネルギー需要全体を満たすのに十分であり、車両、機械、重工業に動力を供給する安価な燃料の可能性を約束している。
東京大学が率いる研究チームが今月、太陽光から豊富で安価な燃料を製造する新規な方法を考案したことで、欧州連合の500万ユーロ賞を受賞した。
In the scramble to find alternatives to fossil fuels, the EU competition aimed to accelerate development of one of the most promising new technologies – artificial photosynthesis – in a spirit of fostering international collaboration over the most promising clean-energy pathsBig potential
この技術は、植物が太陽光線を用いて水を酸素に、二酸化炭素をグルコースの形の化学エネルギーに変換する自然光合成を模倣している。
人工光合成は太陽光を用いて水を酸素と水素に分解する。酸素は大気中に放出され、水素は燃料として利用できる。
「人工光合成は、大量のグリーン燃料を供給する可能性を秘めています」と、受賞チームのコーディネーターである堂免一成教授は、欧州委員会が12月5日にブリュッセルで受賞を発表した後のインタビューで述べた。
東京大学と日本のエネルギー企業INPEXの科学者から構成されるこのチームは、Fuel from the Sun賞に応募した22チームの一つであり、最終候補3チームに残り、勝利を収めた。次点の2チームはフランスと英国からであった。
このコンテストは、24か国を結集し、クリーンエネルギーを世界中で利用可能かつ手頃なものにするために研究活動と投資を促しているMission Innovationと呼ばれる世界的イニシアチブの枠組みで実施された。
「この賞は、高度な専門的エンジニアリングと統合性が評価され、受賞チームに授与された」と欧州委員会は述べた。
人工光合成が十分安価に実現できれば、再生可能電力だけでは動力を供給できない化学製品を含む、あらゆる種類の車両、機械、産業において石油、天然ガス、石炭を代替しうる。
太陽光は豊富で無料であるが、それを燃料に変換する多くの方法は、化石燃料と競合するには高コストすぎる、あるいは拡張が難しすぎる。
エンジン試験
受賞チームのプロトタイプは、安価で容易に拡張可能である可能性を秘めている。
参加者は、人工光合成を用いて小型エンジンを動かすのに十分な燃料を生成する装置を開発しなければならなかった。装置は屋外で運転され、生成した燃料の量、その組成、およびエンジンを動かす能力について試験された。
受賞システムは、純水と接触する光触媒を使用した。
光触媒は、太陽エネルギーを吸収し、水の分解を引き起こす超微粒子である。生じた水素はその後二酸化炭素と結合してメタンを生成し、それがエンジンの運転に使用された。
光触媒は太陽光を化学エネルギーに変換する簡便な方法であるため、低コストのグリーン水素を製造する希望をもたらすと、東京大学および信州大学の教授である堂免教授は述べた。
グリーン水素
コンテストの課題は、使用可能な合成燃料を製造できる人工光合成ベースのシステムの完全に機能するプロトタイプを構築することであった。
「私たちのプロジェクトはこれまで水素の製造を目標としてきましたが、このコンテストのおかげで、貯蔵と輸送により適したメタンなどのグリーン燃料の合成に関する重要な知見を得ました」と堂免教授は述べた。
受賞システムで製造された水素はグリーンと見なすことができる、と彼は述べた。
国際エネルギー機関（IEA）によると、現在、太陽光や風力を含む再生可能エネルギーで製造されるグリーン水素は、生産される水素全体の1%未満を占めている。
堂免教授によると、現在のグリーン水素の製造コストは非常に高く、政府の支援なしでは採算が合わない。
彼のチームの現在の優先事項は、より効果的な光触媒を見つけることである。
受賞装置は約0.6%の効率を達成した。つまり、エネルギーの約99%が失われたことになる。このような燃料を商業的に成立させるには、触媒が少なくとも5%の効率を発揮する必要があると堂免教授は述べた。
「私たちはすでに、5%あるいは10%の効率を達成できるいくつかの候補材料を見つけています」と彼は述べた。「ですから、近い将来それを実現できると信じています」
市場の障壁
成功すれば、チームは産業パートナーと協力して、商業化への残る障壁を数十年ではなく数年以内に克服できるはずだと彼は述べた。
堂免教授が克服に自信を持っている障壁の一つは規制である。
水素と酸素の組み合わせは「爆発性」であるが、「私たちはその混合物を安全に取り扱う方法を知っています」と彼は述べた。
もう一つの障害は、安価な反応器の開発と、混合物からの水素分離の改善である。
成功すれば、最終的な生産プラントは、太陽光に晒される水と光触媒の非常に薄い容器で構成されるだろう。
堂免教授によると、2050年までに世界のエネルギー需要の3分の1を満たすには、それぞれ25平方キロメートルを占める約1万のプラントを建設する必要がある。
収益の見通し
「多くの業界関係者が、儲かるのであれば1万のプラントも不可能ではないと言いました」と彼は述べた。「本当に、彼らが儲けられるかどうか次第です」
一方、彼のチームがより効果的な光触媒の発見を急ぐ中、堂免教授は、Fuel from the Sun賞がこの方法への懐疑論者を支持者に変える助けになると述べている。
「ほとんどの人は光触媒が機能するとは信じていない」と彼は述べた。
Originally published in Horizon Magazine.Image credit: tawatchai07 / Freepik.Tags: artificial photosynthesis, Fuel from the Sun prize, green hydrogen, photocatalyst innovation, Kazunari Domen, University of Tokyo, INPEX, solar fuel, Mission Innovation, renewable energy fuel