水素は万能で、さまざまな用途に活用できます。 5710>
- 水素を原料として使用する。
- エネルギー転換を可能にするエネルギー ベクトルとしての水素。 この文脈での水素の利用はすでに始まっており、徐々に増加しています。 今後、この分野は劇的に成長するでしょう。 水素の汎用性と多様な利用が、水素が既存の経済の脱炭素化に貢献できる理由である。 脱炭素化における水素の役割は、以下のグラフのようにまとめることができます：
長年にわたる利用 – 原料としての水素（材料系利用）
現在、水素はいくつかの工業プロセスで利用されています。 中でも、化学工業における原料としての利用や、冶金工業における還元剤としての利用は重要なポイントです。 水素は、アンモニアや肥料、ポリマーの原料であるメタノールなどの製造に欠かせない物質である。 また、石油の中間生成物の処理に使われる精製所でも、水素が利用されている。 このように、世界中で生産される水素の約55%がアンモニア合成に、25%が製油所に、約10%がメタノール製造に使われている。
アンモニア – 肥料
最も重要な水素-窒素化合物はアンモニア（NH3）であり、アザンとしても知られています。 技術的には、アンモニアはハーバーボッシュ法で大規模に得られる。 このプロセスは、水素と窒素を合成によって直接結合させるものである。 そのためには、まず出発物質である窒素と水素を得なければならない。 窒素の場合、これは空気の低温分離によって達成され、水素は今日、天然ガスの水蒸気改質から得られる。
アンモニアのほぼ90%は肥料生産に使用される。 この目的のために、アンモニアの大部分は固体肥料塩に、あるいは触媒酸化の後、硝酸（HNO3）とその塩（硝酸塩）に変換される。 また、アンモニアは蒸発エネルギーが大きいため、環境にやさしく安価に製造できる冷媒として冷凍機にも使用されており、その技術的名称はR-717である。
工業分野
水素は、金属加工（主に合金化）、板ガラス製造（不活性ガスまたは保護ガスとして使用）、電子産業（保護およびキャリアガスとして、蒸着プロセス、洗浄、エッチング、還元プロセスなどに使用）など、さまざまな工業用途で使用されています。
鉄鉱石の直接還元（水素と合成ガスを用いて鉄鉱石から酸素を分離すること）は、従来の高炉法では大量の炭素が放出されるため、鉄鋼製造の重要な工業プロセスとして発展する可能性があります。 天然ガスによる直接還元は現在鉄鋼生産において確立されているが（世界鉄鋼協会2015）、水素に基づく対応する生産方法は今のところパイロット規模でしか存在しない。
燃料生産
水素は、原油をガソリンやディーゼルなどの精油に加工し、これらの燃料から硫黄などの汚染物質を除去するために使用されている。
(i) ディーゼル燃料の低硫黄化を求める厳しい規制、
(ii) 精製に多くの水素を必要とする低品質の「重」原油の消費増加、
(iii) 中国やインドなどの発展途上国における石油消費増加、などの理由から、製油所における水素の使用量が近年増加している。
現在、石油精製所によって世界中で消費されている水素の約 75% は、天然ガスやその他の炭化水素燃料から水素を生成する大規模な水素プラントによって供給されている
水素は、メタノール (CH 3 OH) を製造するための重要な基本物質でもある。 メタノールの製造（メタノール合成）は、一酸化炭素の触媒的水素化によって行われる。
メタノールは、内燃機関の燃料として直接使用することができる。 また、メタノール直接燃料電池や、改質後のPEM燃料電池にも使用される。 メタノールから燃料添加剤が製造され、植物油をエステル交換し、メチルエステル（バイオディーゼル）を形成するために使用されます。
使用開始 – エネルギーベースの使用
エネルギー分野では、ほとんどの水素が燃料電池（FC）を通して使用されています。 燃料電池は、水素と酸素を組み合わせて電気を作り、副産物として水と熱を得る電気化学装置である。 燃料電池は、陽極と陰極の2つの電極とその間の電解質から構成されている。 アノードでは、水素が触媒と反応し、プラスに帯電したイオンとマイナスに帯電した電子が生成される。 陽子は電解質を通過し、電子は回路を通過して電流を発生させる。
輸送における水素
水素燃料は、電気分解のプロセスを通じて再生可能なエネルギー源を生産する場合、道路輸送部門の脱炭素化に貢献する良い候補と考えられている。 この場合、燃料電池電気自動車の主な利点は、CO2や汚染物質の排出がゼロであること（テールパイプでの排出は水のみ）、内燃エンジンと比較して燃料電池の効率が高いことである。 乗用車や都市バス、物流機器など、さまざまな乗り物で利用されています。
モビリティのための燃料としての水素のアプリケーションオプションは、第一に水素の化学形態または結合によって、第二に水素に蓄積されたエネルギーが利用できるようにするエネルギー変換手段によって区別することができる。 この場合、水素は内燃機関でも燃料電池（燃料電池システム）でも使用できる。
航空
民間航空では、水素を動力とする燃料電池は、以前から宇宙旅行でそうであったように、航空機の潜在的エネルギー供給源としてみなされている。 したがって、燃料電池モジュールは、非常用発電機セットまたは補助電源ユニットとして航空機電気システムに電気を供給することができる。 より高度なコンセプトとしては、民間航空機による飛行場移動のためのメインエンジンとノーズホイールドライブの始動があります。
Maritime Applications
航空と同様に、燃料電池もオンボード電源用のエネルギー供給者として現在テストされています。 対照的に、水素を動力源とする燃料電池の船舶推進への使用は、まだ初期の設計または試験段階であり、小型の客船、フェリー、レクリエーション船への適用が考えられています。 低温・高温型燃料電池（PEMFC）と固体酸化物型燃料電池（SOFC）は、船舶への応用に最も有望な燃料電池と考えられている（EMSA 2017）。 5710>
電車
電気機関車では、静止した電流導体（架線、導体レール）と車両上の集電体を介して動力を供給しています。 しかし、技術的、経済的、その他の理由から、すべての鉄道路線を電化できるわけではない。 特に輸送量の少ない路線では、電化に必要な高額な先行投資が必ずしも正当化されない。 また、荷物の運搬にクレーンを使っている場合、架線は迂回路として使えない。 一方、地下採鉱では、牽引車は大気汚染物質なしで運転しなければならない。
エネルギー貯蔵とエネルギー源として水素を使用する鉄道車両は、さらなる代替手段を提供できる。 燃料電池で動く鉄道車両は、無公害運転の利点と、ディーゼル運転と同等の低いインフラコストの利点を兼ね備えています。
Material Handling Vehicles
フォークリフトや牽引トラック（空港）などの燃料電池産業トラックは、地域汚染物質排出がなく、低い騒音排出のみなので、特に屋内での運転に適しています。 燃料電池車は、燃料補給の点でもバッテリー駆動の産業用トラックより優れている。 バッテリーを交換する代わりに、トラックは2～3分で燃料を補給することができ、
場所も取らず、維持や修理も安く済みます。 燃料電池産業用トラックは途切れることなく使用できるため、マテリアルハンドリングにおけるマルチシフトのフリート運用に特に適している（FCTO 2014b）。
Buses
道路輸送に関しては、公共交通網のバスは、水素と燃料電池のアプリケーションの最も徹底的にテストされた分野である。 1990年代初頭から、主に北米、ヨーロッパ、そして最近ではアジアでも、世界中で数百台のバスが水素で運行されています。
最初は内燃機関のバスで水素がまだ使われていましたが、バス開発者は現在、ほぼ全面的に燃料電池電気バス（FCEB）に集中しています。 都市部では、技術開発や大気浄化政策に貢献する方法として、小規模なFCEBの利用が推進されている。
燃料電池バスは、まだ連続生産されていないものの、現在は技術的に高い成熟度に達している。 燃料電池バスは、まだ量産されてはいないが、技術的に高いレベルに達しており、数が少ないこともあって、25万ユーロ程度の標準的なディーゼルバスに比べると、これまで100万ユーロ程度と、かなり高価であった。 しかし、メンテナンス費用は大幅に削減され、信頼性の高い運転時間は長くなった（Hua et al. 12mバスの生産コストは、2020年には約45万ユーロ（100台購入）、2030年には約35万ユーロに低下し、ディーゼルハイブリッドバスに手が届くようになると予測されている。
最新の燃料電池バスは、それぞれ出力約100kWの燃料電池スタック2基からエネルギーを得ている。 また、比較的小型のトラクションバッテリーを備え、ブレーキエネルギーを回収することができる。 さらに、約30～50kgの圧縮水素を350barの圧力タンクに貯蔵している。 一方、一部のバッテリー式電気バスは、大型のトラクションバッテリーと小型の燃料電池スタックのみを搭載し、航続距離の延長として使用されています
燃料電池バスは現在、300～450kmの航続距離を持ち、日常的な運用ではディーゼルバスとほぼ同じ柔軟性を備えています。 古い市営バスの中には、100kmあたり20kg以上の水素（40リットルのディーゼルではなく）を消費するものもあるが、新しい燃料電池バスは100kmあたり8～9kgしか消費しないため、FCEBはディーゼルバスと比較して約40%のエネルギー効率上の利点がある。 市場開拓のため、大規模な車両を長期的に使用する実証プロジェクトが計画されている。
乗用車
バッテリー電気自動車と並んで、水素で動く燃料電池乗用車は、自動車による個人輸送において唯一のゼロ・エミッション代替駆動オプションとなっています。 最初の燃料電池乗用車は、1960 年代に実証プロジェクトとしてテストされました。 1990年代に入ると、燃料電池の開発に新たな弾みがついた。 燃料電池のテスト車両は、元々内燃機関を搭載していた車を改造したものがほとんどでした。 しかし、当時はまだ、技術的にも経済的にも競争力のあるモデルではなかった。 また、10年ほど前までは、ガソリンエンジンの試作車に、代替エネルギーや低排出ガス燃料として水素を搭載する実験も行われていた。 これらは、ガソリンと水素の両方で走行可能な二価エンジンを改良した車両であった。 水素は優れた物理化学的特性を持つクリーンな燃料であるが、自動車による道路輸送の燃料として受け入れられるには至っていない。
現在、燃料電池プロトタイプの乗用車に関する豊富な実用的経験が利用可能である。 多くの大手自動車メーカーが初期の量産車を提供し始めており、機能面では従来の内燃機関自動車と遜色ないレベルになってきている。 今後、燃料電池自動車の生産台数は、数百台から数千台になると予想されています。 現在、ほぼすべての燃料電池乗用車は、PEM燃料電池を搭載しており、直列型と並列型の両方があります。 燃料電池を搭載した中型車の価格は、内燃機関を搭載した乗用車の価格を大きく上回り、約60,000ユーロ/米ドルとなっています。 FCEVの量産開始により、車両コストと価格の大幅な低下が期待される。
最新の燃料電池モデルの燃料電池スタックは、100kW以上の出力を持っている。 バッテリー式電気自動車に比べ、航続距離は約400〜500kmと長く、車体重量も軽く、燃料補給時間も3〜5分と非常に短くなっています。
Read more about refueling stations
Stationary Energy Applications
定置型燃料電池は、非電化地域での分散型電源として使用することができます。 バックアップ電源アプリケーション（BUP）の市場はますます重要性を増している。 バックアップ・アプリケーションには、第一に非常用電源、第二に無停電電源装置（UPS）が含まれる。
非常用発電機セットは、長時間の停電の際に運転を維持するために使用される。 このような場合、主電源からの切り替えは通常（短時間）中断されます。
一方、無停電電源装置は、主電源の変動や短期の停電から非常に繊細な技術システムを保護し、継続的な動作を保証するために使用されます。
従来の火力発電所と比較して、燃料電池は小型の発電所でも60％という高い電気効率を有している。
継続的な運用では、燃料電池のバックアップは、長い自立運転とサービス寿命、可動部品がないことによる低いメンテナンスコスト、静かで（局所的に）排出のない発電という利点を特徴とする。 低ワット数の電気出力を持つ燃料電池は、しばしば携帯用燃料電池となり、充電式電池や発電機よりも重量面で有利である。 定置用燃料電池にはさまざまなタイプのものがあり、場合によっては冷却用にも使用されている。 燃料は水素のほか、メタノール、天然ガス、液化石油ガスなどが使われている。
家庭用エネルギー
発電した電気に加えて、発生した熱も利用する場合は、熱電併給と呼ばれる。 そのようなプラントが家庭用暖房部門で使用される場合、出力が小さいため、マイクロCHPまたはミニCHPプラントとも呼ばれます。
CHP プラントは2つの戦略で運用できます。 プラントは、電力需要または熱需要のほとんどをカバーする。 電力価格が高い場合は、電力主導の運転モードが適切である。
熱電併給の副産物として生産された熱は、建物の熱需要の一部をカバーするために使用される。 ほとんどが電力主導の運転モードであるため、燃料電池暖房システムの熱出力は低くなっている。 建物の残りの熱需要は、コンデンシングボイラーなどの追加の暖房システムでカバーされる。 そのため、燃料電池は、低エネルギー建築物やほぼゼロエネルギー建築物など、暖房の必要量が少ない建築物に特に適している。 また、暖房需要の高い建物では、燃料電池とピーク時の暖房需要をカバーする凝縮ボイラーからなるハイブリッド燃料電池暖房システムが使用されている。 住宅や集合住宅での一般的なCHP出力範囲は0.7〜5kWeである。 天然ガスを燃料とする燃料電池システムの場合、既存の天然ガスインフラを利用することが可能である。 ただし、燃料を改質する必要がある。 PEM燃料電池の場合、改質は外部で行われる。 SO燃料電池は温度が高いため、内部で改質することができる。
火力発電プロセスに対する燃料電池の最大の利点は、電気と熱の生成時に直接電気化学的に変換し、電気効率が高くなることであると思われる。 電気と熱の複合モードでは、燃料電池は最大95%の効率を達成することができる。 電気効率は最大で45%です。 さらに、燃料電池システムは、すべての負荷ポイントで高効率であり、静かでメンテナンスコストが低く、（局所的に）排出ガスを出さないという特徴を持っている
。