ファストピッチ発電／配電ARPA-E専門家が10年間で最もエキサイティングなエネルギー機会について語る

デンバー ARPA-E エネルギー・イノベーション・サミット 2022のパネル参加者である。ファストピッチ発電／配電」では、地上、地下、再利用、さらには星まで、エネルギー発電と配電のあらゆる段階について、それぞれの考えを披露した。パネリストには、ARPA-Eプログラム・ディレクターのスコット・シュー博士（核融合プログラム担当）、ARPA-Eプログラム・ディレクターのフィルソク（フィル）・キム博士、ARPA-Eプログラム・ディレクターのダグラス・ウィックス博士、ARPA-Eフェローのエミリー・イェディナク博士、ARPA-Eプログラム・ディレクターのジェニファー・シェーファー博士が名を連ねた。  

コスト効率と耐障害性に優れた地下発電の実現

キムはまず、送電線を地中化することで近隣をよりクリーンで魅力的な場所にし、停電の頻度を減らすという見識から始めた。彼は、電線地中化を手頃な価格で信頼性の高いものにする新技術について概説した。よくある誤解は、送電線を埋設するのは破壊的でコストがかかりすぎる、埋設後は問題の診断が難しくなる、というものだ。地下送電を実施しているヨーロッパ諸国のデータによれば、これは正反対である。

米国は遅れているが、ARPA-Eは、コスト削減と性能向上を実現する電線埋設方法を再考している。例えば、石油・ガス産業ですでに使用されている技術は、様々な地質条件下で、正確で、操縦可能で、高い貫通率で掘削することにより、地表を混乱させることなく地下建設を可能にする可能性を秘めている。 その場を掘削しながら保管庫を建設し、保管庫のサイズと数を最小化する。障害物の回避、設置やスプライシングのミス、故障の検出など、克服すべき課題はまだあるが、より弾力的で費用対効果の高い地下送電の可能性は現実のものとなり、進展している。

地中水素を利用して水素経済を拡大する

イエディナックは、将来の水素経済構築における白色（地質）水素の重要性について語った。「地球は巨大な惑星のジオリアクターです。何兆もの化学反応が絶え間なく起こり、私たちが知っているような生命の根幹をなす生物学的プロセスに燃料を供給し、山や大陸を形成し、私たちが何十億もかけて再現しようとしていることを無償で行っているのです。彼女は、化学的な は毎日毎日、二酸化炭素を糖に変換し、地球規模の炭素循環を支えている。彼女は、水が岩石と反応するときに起こる2つの最も重要な反応、すなわち放射線分解と蛇紋岩化について説明した。彼女は、地球のジオリアクターの副産物であるこの地質学的水素（白色水素）が、水素経済にとって重要な意味を持つことを提案する。

水素は、重要な化学原料であり、脱炭素経済のためのゼロ・カーボン・エネルギー・キャリアであるため、極めて重要である。現在、水素は主に化学精製とアンモニア製造に使用されているが、将来的には合成燃料製造、輸送、金属精錬、家庭用暖房、発電、送電網のバランサーなど、さまざまな産業で重要な役割を果たす可能性がある。水素は、脱炭素化が難しい産業において特に魅力的な選択肢である。

しかし、現在の水素の製造方法はクリーンではない。必要なのは、大規模な産業改革である。炭素回収や再生可能エネルギーの利用だけでは、気候変動に大きな悪影響を及ぼすことなく産業を拡大することはできないだろう。しかし、自然発生的あるいは人工的に刺激された水素の蓄積は、水素経済を成功裏に拡大させる役割を果たすことができると彼女は考えている。

錬金術で石を水素に変える

ウィックスは金水素と、"ジオリアクターは石を金水素に変える錬金術に取って代わることができるのか？"という問いに焦点を当てた。自然に存在する岩石であるケイ酸鉄（II）は、副産物として水素を生成する水を含む岩石間の反応によって生成される、自然の水素源である。鉄（Ⅱ）ケイ酸塩はカンラン石タイプの岩石（火山岩）に含まれ、地殻の40パーセントはカンラン石タイプの岩石で、そのうちの10パーセントが該当する鉄鉱物である。封筒を裏返した計算の結果、ウィックスは2.6×10×10.0珪酸鉄の生産が可能であると推定した。15 トンの潜在的な水素であり、数百万年分の水素需要を満たすのに十分である。

課題は残っている。岩に到達しなければならないnその場。 この反応は非常に地中深くでゆっくりと起こると考えられており、化学者は誰もこの反応を加速させようと試みていない。また、極端な条件下でも起こる。また、地下には水素を必要とするものがたくさんある。例えばバクテリアの燃料源だ。この構想を実現するには、地中深くに埋蔵されている鉱床を見つけて到達し、鉱物の反応を触媒し、寄生的な水素反応を排除する必要がある。しかし、これらすべてが達成できれば、無尽蔵に近いクリーンな水素源を利用することができるだろう。 

新型原子炉の動力源として核廃棄物を再利用する

シェイファーのプレゼンテーションは、すでに地上にあるものをどのように有効利用するかについて議論した。原子力エネルギーは、クリーンエネルギーへの移行においてますます重要な役割を果たすだろうが、廃棄物の処理・管理方法については未解決の問題がある。明白な選択肢は、廃棄物をリサイクルし、先進的な原子炉に戻し、実際に発生する廃棄物の量を制限することである。現在、軽水炉の核分裂プロセスで消費されるエネルギーはわずか5％程度であり、残された燃料の95％はクリーンエネルギーの生産に再利用できる。「取り残された燃料は廃棄物ではなく、その代わりにチャンスなのです」。 

未使用の燃料は、核医学、原子力電池、非放射性ニーズに使用することができる。UNFと遷移金属だけの本質的価値は、燃料を考慮しなくても、$600億のオーダーになる。原材料の採掘という点では、「米国には今、実際に地表に十分な材料があり、現在すでに採掘され、利用可能な材料で、先進原子炉群に電力を供給することができる。

コストや保障措置など、いくつかの課題が残っている。このためARPA-Eは、UNF放射性同位元素をエネルギーに変換し、再処理施設を建設し、物質の計量、観察、運用コストを改善する方法を決定するC.U.R.I.E.プログラムを開始した。ビジョンは、9万トンの物質を取り出し、クリーンエネルギーの未来の燃料として利用することである。 

核融合エネルギー：前途は明るい10年

シューは、核融合の今後の大胆な10年間について概説し、セッションを締めくくった。彼は最近、DOEのリード・フュージョン・コーディネーターとして、核融合の商業化の機運を高めるために官民パートナーシップの先頭に立っていることを明らかにした。 

今年3月、ホワイトハウスの核融合サミットが開催され、次のような提携の意向が示された。 民間部門は、10年単位で少なくとも1つの商業的な核融合パイロットプラントを実現する。このイベントの参加者は、超党派の持続的な支援のおかげで、核融合における数十年の進展と主要な技術的成果を祝った。彼らはまた、核融合がクリーンエネルギー技術として差別化するユニークな機会を持つことを、物理学の利用方法だけでなく、"エネルギー正義を支援し、アメリカ全土のように見え、恩恵を受ける多様な労働力を構築するために、すぐにでも社会に働きかけることができる "とシューは述べた。 

野心的な核融合民間部門からの数名の出席者は、重要な時間スケールで、世界的にスケーラブルでカーボンフリーのエネルギー源として核融合を開発し、提供する計画を詳述した。ARPA-Eの核融合プログラムは現在、40以上のプロジェクト、4つのプログラム、そして探索的なトピックに及んでおり、これらすべてが革新的な核融合コンセプトの可能性を変えるものである。「ARPA-Eの核融合プログラムは、核融合の民間部門とともに、より高い技術的リスクを取り、顧客と市場を見つける核融合システムの開発に研究開発を集中させるという新たな視点と緊急性をもたらしました。我々はまた、核融合への的を絞った公共投資が、民間投資の大幅な拡大につながることを証明した。「現在までに、ARPA-Eによる約1億ドルの核融合投資は、6億ドル以上の民間投資につながっている。

大胆な10カ年ビジョンは、民間部門と緊密に協力し、少なくとも1つの商業的な核融合パイロットプラントを実現するために、残された重要な研究開発課題を解決することを目指す。目標は、2030年代に商業展開を開始し、2040年代に積極的な商業展開を可能にすることである。「これは非常に野心的であり、困難であろう。しかし、核融合のようなゲームチェンジャー的イノベーションは、21世紀以降も米国がエネルギー安全保障と技術的リーダーシップを維持できるようにする一方で、世界がグローバル・ネットゼロに到達するための最良のチャンスであるため、これはやる価値がある。