脱炭素社会とカイコウオオソコエビ(Decarbonized society and Hirondellea gigas)

2021/01/21 ブログ

 最近、脱炭素社会が声高に叫ばれています。もちろん、温室効果ガスである二酸化炭素は地球温暖化の一因であることは間違いありません。昨今の平均気温の上昇や集中豪雨、竜巻などの激しい気象現象の増加は、地球温暖化の影響です。このまま地球温暖化が進めば、経済的な損失のみならず、多くの人命が失われる可能性が高いでしょう。そのため、日常生活において、排出する二酸化炭素を無くした社会を目指そうという機運が高まってきています。

 

電気自動車や水素自動車が低炭素社会を目指した車なのでしょうか?

 

 電気自動車は、電力を用いてモーターを駆動部として走ります。モーターはエネルギー変換効率が80%と言われています。これはガソリンエンジンの30%と比較して格段に高い数値です。非常に効率が良く、二酸化炭素を排出しない理想的な車と言えます。しかし、電力リソースから電気として車の二次電池に蓄電するまでをエネルギー換算するとどのような数値なるのでしょうか?現在、日本では火力発電が主に行われていて、そのエネルギー効率は約40%です。リチウムイオン電池のクーロン効率は95%なので、結局30%前後になります。つまり電気自動車の場合、排気ガスとして二酸化炭素の排出はしないけれど、同程度の二酸化炭素を発電所で排出していることになります。
脱炭素社会を実現する場合、電気自動車の充電は太陽光発電に切り替える必要があります。果たして、実現は可能なのでしょうか?現在、日産自動車が販売している電気自動車”リーフ”の電池容量は、62kWh(カタログデータより)です。一方、太陽光発電で得られる電力は3.3㎡(一坪)当たり年間380kWhです。また、車の保有台数トラックも含めて、7600万台前後です。もし、車の半数がリーフだった場合、3800万台が街を走行することになります。1週間に1回充電すると、必要な太陽光発電は次の通りです。

 

3800万台×62kWh/(380/52)×3.3㎡=約1000㎢

 

 約1200㎢の沖縄本島に匹敵する太陽光発電が、電気自動車のためだけに必要となります。これが現実的に可能かというと、かなり難しいと思います。太陽光発電は天候にも左右されます。社会インフラとして利用する場合、安定供給するため一定の蓄電が必要となります。その結果、さらにエネルギー効率は低下するでしょう。

 

 水素自動車は、まだ開発途上の車です。トヨタ自動車が”MIRAI”というモデルを発表しましたが、水素を供給する水素ステーションが非常に少なく、ほとんど走行していません。水素自動車の場合、水素の生産・供給と保存が問題になります。水素の生産は水の電気分解が考えられているようです。水素生産には様々な研究が行われていますが、1N㎥(リューベ)当たり4.5kWhの電力が必要です(1)。トヨタ自動車のMIRAIは、満タンで5kgの水素が貯蔵可能です。また、1kgの水素で約127km走行します。水素1kgは約11.4N㎥ですので、満タンにするためには約250kWhの電力が必要となります。電気自動車と同様に、太陽光発電で水の電気分解を行ったとすると、どのくらい必要になるでしょうか?ただし、電気自動車はフル充電で460km、水素自動車は満タンで635km走るので、10日に1回水素充てんを行うとして計算します。

3800万台×250kWh/(380/36)×3.3㎡=約3000㎢

実に、神奈川県よりも広い面積の太陽光発電が必要となります。さらに水素は非常に小さい分子なので、ステンレス製容器でも少しずつ透過します。ボンベなどの場合、つなぎ手やパッキンを通して、さらに漏れてしまうでしょう。その結果、一カ所で生産して水素ステーションに配るという方法は、漏れ等が多くなってシステム自体を考慮する必要が出てくると思います。水素自動車は課題が多く、さらに研究する必要があるでしょう。

 

水素を発酵法で作る

 

 これまで、再生可能エネルギーである太陽光発電で、水素生産を行うこと前提としてきました。実は水素は発酵でも生産が可能です。これまでも活性汚泥の処理で、水素やメタンガスが生産されてきました。水素は活性汚泥処理のメタンガス生産における副産物なので、あまり多くはありません。しかし、発酵法で水素生産が可能であることを示しています。水素を発酵生産する微生物は、特別な生物ではありません。大腸菌で生産が可能です。大腸菌は有名な人の腸内細菌の一種です。遺伝子工学で必ず用いられているため、安全性も高く、培養工学、生物工学ともに多くのデータが揃っています。そのため、水素生産に最適化した状態を簡単に保てるという長所があります。さらに規模を大きくすることも可能なので、水素の生産量を上げることが可能です。太陽光発電は、太陽からの光エネルギーが一定のため、反応効率の改善以外は、面積を拡大しかありません。日本は国土が狭いので、太陽光発電の面積拡大も限度があります。簡単な問題ですが、面積比例の太陽光発電由来水素生産と体積比例の発酵法では、断然発酵法の方が規模の拡大が容易です。

 

発酵法による基質生産は、カイコウオオソコエビの酵素が有利です。

 

後は、水素生産のための基質ですが、グルコース(ぶどう糖)が一番です。大腸菌は酸素濃度が低い環境では、グルコースからギ酸を発酵的に生産し、その後水素を生産します。バイオエタノールの場合、小麦やトウモロコシなどのでんぷんを分解してグルコースが作られて、発酵生産されました。その結果、穀物の価格が急騰してしまいました。そこでグルコースは、食べることができない穀物の実以外の部分や廃材などのセルロースを分解して作ることが求められてきました。しかし、天然のセルロースは結晶性が高く、酵素だけは分解できません。アルカリや熱処理を経て、強固な結晶構造を壊すことで、酵素が分解できるセルロースになります。またセルロースからグルコースまで分解するために、複数の酵素が必要です。さらに、細菌やカビ由来の酵素のため、反応温度が60℃程度となり、分解反応に加熱が必要です。これでは、エネルギーを使うことになります。一方、カイコウオオソコエビのセルラーゼは、一つの酵素で天然セルロースからグルコースに分解が可能です。さらに水温2℃の深海で生きてきたカイコウオオソコエビの酵素は、20℃でも反応します。酵素反応に加熱は必要ありません。発酵法による水素生産も水素社会実現のため、開発する必要があると思います。

 

ポストコロナは、脱炭素社会でしょう。

 

 現在、コロナウイルスのパンデミックのため、地球温暖化問題が取り上げられていません。しかし、問題が消えたわけでもなく、次世代産業のメインテーマは脱炭素社会であることは間違いないでしょう。今後、どのように日本企業が取り組んでいくのか注目したいと思います。20世紀の成功体験から、脱炭素社会への取り組みをおろそかにすると、負け組となってしまいます。一世を風靡したウォークマンがiPodに駆逐されたようなことが、自動車にも起きないとは限りません。なお、カイコウオオソコエビについて、話を聞きたいという方は、メールにてご連絡下さい。


引用文献
1. B. Bello etal. : Large Scale Electrolysers, Proceedings of 16th World, Hydrogen Energy Conference(2006)

#ポストコロナ #脱炭素社会 #水素生産 #カイコウオオソコエビ

Recently, a carbon-free society has been screaming loudly. Of course, there is no doubt that carbon dioxide, a greenhouse gas, contributes to global warming. The recent rise in average temperature and the increase in severe meteorological phenomena such as torrential rains and tornadoes are the effects of global warming. If global warming continues as it is, not only economic loss but also many lives are likely to be lost. Therefore, there is an increasing momentum to aim for a society that eliminates carbon dioxide emissions in daily life.

Are electric vehicles and hydrogen vehicles aimed at a low-carbon society?

Electric vehicles use electric power to run with a motor as a drive unit. The motor is said to have an energy conversion efficiency of 80%. This is a much higher number than 30% of gasoline engines. It is an ideal car that is extremely efficient and does not emit carbon dioxide. However, what is the value of energy conversion from power resources to electricity stored in the secondary battery of a car? Currently, thermal power generation is mainly used in Japan, and its energy efficiency is about 40%. The Coulomb efficiency of lithium-ion batteries is 95%, so it will be around 30% after all. In other words, in the case of an electric vehicle, carbon dioxide is not emitted as exhaust gas, but the same amount of carbon dioxide is emitted at the power plant.


In order to realize a carbon-free society, it is necessary to switch to solar power generation for charging electric vehicles. Is it really possible? Currently, the battery capacity of the electric vehicle "Leaf" sold by Nissan Motor is 62kWh (according to the catalog data). On the other hand, the electric power obtained from solar power generation is 380kWh per 3.3㎡ (1 tsubo) per year. In addition, the number of cars owned, including trucks, is around 76 million. If half of the cars were reefs, 38 million would be driving in the city. When charged once a week, the required solar power is as follows.

 

38 million units x 62kWh / (380/52) x 3.3㎡ = about 1000㎢

 

Solar power generation equivalent to the main island of Okinawa of about 1200 ㎢ is required only for electric vehicles. I think it is quite difficult to say that this is practically possible. Solar power also depends on the weather. When used as social infrastructure, a certain amount of electricity is required for stable supply. As a result, energy efficiency will be further reduced.

Hydrogen vehicles are still under development. Toyota Motor announced a model called "MIRAI", but there are very few hydrogen stations that supply hydrogen, and it is hardly running. In the case of hydrogen vehicles, the problem is the production, supply and storage of hydrogen. It seems that the electrolysis of water is considered for the production of hydrogen. Various studies have been conducted on hydrogen production, but 4.5kWh of electricity is required per 1Nm3 (Lube) (1). Toyota Motor's MIRAI can store 5 kg of hydrogen when it is full. In addition, it runs about 127km with 1kg of hydrogen. Since 1 kg of hydrogen is about 11.4 Nm3, about 250kWh of electricity is required to fill it up. How much would it be necessary to electrolyze water with solar power, as with an electric vehicle? However, since the electric vehicle runs 460km on a full charge and the hydrogen vehicle runs 635km on a full tank, it is calculated as hydrogen filling once every 10 days.

 

38 million units x 250kWh / (380/36) x 3.3㎡ = about 3000㎢

 

In fact, it requires a larger area of solar power generation than Kanagawa Prefecture. Furthermore, since hydrogen is a very small molecule, it gradually permeates even in a stainless steel container. In the case of cylinders, etc., it will leak further through the binder and packing. As a result, the method of producing in one place and distributing it to hydrogen stations will cause more leaks, and I think it will be necessary to consider the system itself. Hydrogen vehicles have many challenges and will need further research.

 

Make hydrogen by fermentation

 

Until now, it has been assumed that hydrogen production will be carried out using photovoltaic power generation, which is a renewable energy source. In fact, hydrogen can also be produced by fermentation. Until now, hydrogen and methane gas have been produced by the treatment of activated sludge. Hydrogen is a by-product of the production of methane gas in activated sludge treatment, so it is not very common. However, it shows that hydrogen production is possible by the fermentation method. Microorganisms that ferment and produce hydrogen are not special organisms. It can be produced in E. coli. Escherichia coli is a type of intestinal bacterium of a famous person. Since it is always used in genetic engineering, it is highly safe and has a lot of data for both culture engineering and biotechnology. Therefore, it has the advantage that it can be easily maintained in an optimized state for hydrogen production. Since it is possible to increase the scale further, it is possible to increase the production of hydrogen. Since the light energy from the sun is constant in photovoltaic power generation, there is no choice but to expand the area except for improving the reaction efficiency. Since Japan has a small land area, there is a limit to the expansion of the area of solar power generation. Although it is a simple problem, it is far easier to expand the scale of hydrogen production derived from photovoltaic power generation in proportion to the area and fermentation method in proportion to the volume.

 

For substrate production by fermentation, the enzyme of Hirondellea gigas is advantageous.

 

The rest is a substrate for hydrogen production, but glucose (glucose) is the best. E. coli fermentatively produces formic acid from glucose in low oxygen environments, and then produces hydrogen. In the case of bioethanol, glucose is produced by decomposing starch such as wheat and corn, and it is fermented and produced. As a result, grain prices have skyrocketed. Therefore, glucose has been required to be produced by decomposing cellulose such as inedible grains and waste materials. However, natural cellulose is highly crystalline and cannot be decomposed by enzymes alone. By breaking the strong crystal structure through alkali and heat treatment, it becomes cellulose that can be decomposed by enzymes. It also requires multiple enzymes to break down from cellulose to glucose. Furthermore, because it is an enzyme derived from bacteria and mold, the reaction temperature is about 60 ° C, and heating is required for the decomposition reaction. This will use energy. On the other hand, cellulase of Hirondellea gigas can decompose natural cellulose into glucose with one enzyme. Furthermore, the enzyme of Hirondellea gigas, which has lived in the deep sea at a water temperature of 2 ° C, reacts even at 20 ° C. No heating is required for the enzymatic reaction. I think it is necessary to develop hydrogen production by fermentation in order to realize a hydrogen society.

 

Post-corona will be a decarbonized society.

 

Currently, due to the coronavirus pandemic, the issue of global warming is not being addressed. However, the problem has not disappeared, and there is no doubt that the main theme of next-generation industries is a carbon-free society. I would like to pay attention to how Japanese companies will work in the future. If you neglect to tackle a carbon-free society from the successful experience of the 20th century, you will lose. The fact that the predominant Walkman was driven out by the iPod does not mean that it will not happen in the car. If you would like to hear about Hirondellea gigas, please contact us by email.


Citations
1. B. Bello et al .: Large Scale Electrolysers, Proceedings of 16th World, Hydrogen Energy Conference (2006)

#Post-corona #Decarbonized society #Hydrogen production #Hirondelellea gigas