持続可能な開発目標

投稿日 : 09 October 2024

投稿者 : Shweta Singh

人工光合成は

増大する燃料需要を満たすか?

石油の需要は増え続けており、エネルギー需要の増加により、その消費量が減少することはほとんど見込まれていません。しかし、石油の需要が増加しているにもかかわらず、石油価格や石油汚染の増加など、さまざまな要因がその使用に影響を与えています。さらに、地政学的出来事も石油供給の混乱を引き起こしています。ロシアのウクライナ戦争は、石油需要の変化を引き起こした例の1つです。この石油需要を満たすため、代替ソリューションの使用が増加しています。そのため、近年、天然資源の枯渇が進んでいるため、従来の化石燃料への好みが高まっており、より多くの代替手段が研究されています。毎年、約870億の天然資源が枯渇しています。さまざまな代替手段の中で、人工光合成は最近研究されている新しい方法です。

人工光合成で石油はどうやって生産されるのか？

人工光合成を利用することで、科学者は水、二酸化炭素、太陽光を利用して石油を製造することに成功しました。研究者たちは、このプロセスをシミュレートすることで、これらの天然資源を利用して太陽エネルギーを化学エネルギーに変換し、燃料の結合部に蓄積するシステムを開発することができます。人工光合成は、メタノール（CH3OH）、ギ酸（HCOOH）、一酸化炭素（CO）、メタン（CH4）などの炭化水素、あるいは純粋な水素燃料など、様々な種類の燃料を生成できます。さらに、このプロセスで使用されるデバイスは、光電気化学セルまたは光起電力結合型電解装置です。

プロセスを詳細に理解する

• 1. 最初の主要なプロセスは、太陽光と光触媒の力を借りて水を炭化水素と酸素に分解することです。光触媒は実際に重要な役割を果たします。電気を使わずに、シート状の触媒を水中に沈め、そこに光を当てることで、水を水素と酸素に分解します。太陽エネルギーを利用するため、この方法は製造段階を通してCO2を排出しないという利点があります。
• 2. さらに、放出された水素と酸素の混合ガスから水素を分離するために、分離膜が使用されます。水素と酸素の2つのガスが混合すると爆発性があるため、水素と酸素を適切かつ安全に分離することが不可欠です。

燃料を生成して

人工光合成が利用できる

• 輸送 –最近、バッテリーで動く電気自動車の需要が高まっています。しかし、バッテリーの重量は燃料タンクよりもはるかに重く、大きなスペースを占有します。そのため、燃料を代替せず、地球温暖化にも影響を与えないソリューションが必要とされていました。そのため、人工光合成の研究が活発化しています。
• 電力生成 – 2010年から2021年の間に、世界中の電力需要は約380TWh増加しました。2022年上半期の需要は、 2021年の同時期の約13,000TWhから約13,390TWhに達しました。人工光合成で生成された水素は発電に利用できます。ただし、これは大規模なプロジェクトには使用できません。しかし、研究によると、これをさらに改善することで、近い将来、人々の電力需要も満たすことができる可能性があることが明らかになっています。さらに、人工光合成をプラスチック製造に利用する研究も行われています。合成プラスチックは、再生可能な特性を持つものに完全に置き換えられると予測されています。携帯電話、ノートパソコン、さまざまな医療機器など、プラスチックコーティングで構成されたさまざまなガジェットは、再生可能なプラスチックに置き換えられるでしょう。

ナチュラルとナチュラルの違い

光合成と人工光合成

太陽光、水、二酸化炭素からグルコースと酸素を生成する自然光合成とは対照的に、人工光合成は太陽エネルギーを太陽燃料の化学結合に保存する。したがって、人工光合成の3つの主要プロセスは、自然光合成のプロセスと同等である。すなわち、励起状態に達するための光吸収、発生、電荷分離、そして燃料を生成するための化学変換である。

どの地域でプレイが多いか

人工光合成に重点を置く？

アジア太平洋地域は石油需要が高く、その結果、化石燃料による汚染が蔓延しています。例えば、アジア太平洋地域の石油消費量は、2012年の1日あたり約3,000万バレルから2021年には1日あたり約3,600万バレルに増加しました。そのため、この地域では人工光合成の導入を促進するために、さまざまな取り組みが開始されています。2022年には、世界的に炭素排出量を削減する取り組みに革命をもたらすと期待される開発中の技術である人工光合成を使用する、別の主要な試験の枠組みを構築しました。この技術の試験を2030年に行うことを目的とした日本政府の資金提供による取り組みは、三菱ケミカルやトヨタ自動車などの企業や研究機関と共同で、東京大学によって実施される予定です。化学企業にこの技術の承認を得ることで、2040年までに商業化することを目指しています。さらに、2020年に米国エネルギー省（DOE）は、太陽光から燃料を生産するプロセスである人工光合成を強化することを目標に、2つの新たな助成金に今後5年間で1億ドルの資金を提供すると発表しました。

人工光合成市場の展望

人工光合成部門は、 2035年末までに2億5,800万米ドルという最大の収益を生み出すと見込まれています。この収益は2022年に約6,800万米ドルでした。この成長は、2023年から2035年の予測期間にわたって約17％のCAGRのペースで進むと見込まれています。

人工光合成のさらなる発展

現在使用されている人工光合成技術は、自然のプロセスに比べて効率がはるかに低いという事実を踏まえ、改良が進められています。人工光合成の分子ナノ粒子は、現在の太陽電池技術よりも安価で軽量であり、環境にも優しいという事実は、この技術のさらなる進歩を後押しする要因の一つです。現在のエネルギー源への依存を制限するために、人工光合成の利用は増加すると予想されています。また、この方法は二酸化炭素を吸収して酸素を生成するため、地球温暖化の影響を逆転させる可能性も秘めています。さらに、人工光合成で生成される水素は、改造された内燃機関やハイブリッド電気自動車の燃料電池の燃料として利用できる可能性があります。さらに、食料生産に不可欠なアンモニアを製造するための非化石化学原料としても利用できます。

結論

人工光合成はエネルギー需要を満たすことが期待されています。しかし、人口によるエネルギー需要は増加し続け、無限大です。したがって、この需要が継続的に増加した場合、エネルギー比率は毎年変化し、人工光合成ではその比率を満たすことができないため、このプロセスでは必要なエネルギーを供給できなくなる可能性があります。このプロセスは新しいものであり、現在も研究が進行中です。したがって、化石燃料への依存は変わらない可能性があり、他の代替手段の出現により、このプロセスは阻害されると予想されます。しかし、政府の取り組みは研究活動の促進に影響を与えるでしょう。さらに、技術と研究の進歩により、化学者によって既存のシステムと比較して10倍も効率的な人工光合成が開発されました。