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May 18, 2023

ニューヨークのナインマイルポイント原子力発電所で冷却用の水素を製造することは理にかなっている

La centrale nucleare di Nine Mile Point, nello stato settentrionale, è stata inaugurata a febbraio

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2月、ニューヨーク州北部のナインマイルポイント原子力発電所が独自の水素製造を開始した。 通常であれば、ここで私が計算をして、なぜこれがひどいアイデアなのかを説明するところですが、この場合、彼らは正しく判断しました。

それで、彼らは何をしているのでしょうか?そしてなぜですか?

コンステレーション・エナジーが運営するナインマイルポイント原子炉は沸騰水型原子炉（BWR）であり、米国の原子炉で一般的な加圧水型原子炉（PWR）ではない。 644 MW を出力する非常に古くて小規模な発電機があり、1969 年に稼働し、2029 年に廃止予定です。次に、1,375 MW のより大きな発電機があり、1988 年に稼働し、2046 年に廃止予定です。彼らが退職するときの年齢は約60歳にする。これは原子炉を稼働させたい最大の年齢だ。 興味深いのは、同じ敷地内に全く別の所有・運営の813MWの原子力発電所が実際にあり、数年前に財政破綻から救われた後、補助金などで低迷していることだ。

ナインマイルポイント原子炉では、プロセスで冷却剤として水素を 1 日あたり約 560 kg 使用します。 それはすべての BWR に当てはまるかもしれませんし、そうでないかもしれません。 それはPWRにも当てはまるかもしれません。 私はテクノロジーに詳しくないので知りません。 いずれにせよ、問題の 2 つの原子炉についてはそれが当てはまります。

それは間違いなく天然ガスから作られた灰色の水素であり、上流のメタン漏洩と天然ガスプロセスの水蒸気改質によって約 10 kg CO2e が発生しました。 それは間違いなく非常に大型で加圧された重いタンクに入れられ、1kgあたりおそらく11ドルでトラック輸送されていた。

これは、水素の配送料として 1 日あたり約 6,200 ドル、または年間約 230 万ドルに相当します。 年間の CO2e 排出量は 2,000 トンの範囲にあり、これは十分に懸念すべきことです。

ある時点で、コンステレーションとエネルギー省が集まり、これについて何かをしようと言いました。 DOE は 580 万ドルを出資し、コンステレーションは 1,450 万ドルの費用を補うためにさらに 8.7 ドルを注ぎ込み、敷地内に比較的小規模な電解槽を設置しました。 両方の原子炉が稼働している場合、この施設は 1.25 MW、または施設の 1 日あたりの発電量 2 GW の約 0.06% を消費します。 これは、ポンプ、監視装置、電力管理装置などの稼働など、施設での別の補助電力消費として最もよく理解されます。 発電された電力から得られる追加の電力はごくわずかです。 すべての発電所には補助電力の供給がありますが、火力発電所には明らかな理由から風力や太陽光よりもはるかに大きな発電所があります。 これは地元で発電された電力のメーター使用量の背後にあるため、基本的な生産コストとなります。

米国の原子炉の運転および保守コスト、つまり発電コストは、MWh あたり約 38 ドルです。 1.25 MW の電解槽は 1 日あたり約 30 MWh を消費するため、コストは水の場合で 1 日あたり 1,200 ドル、または資本コストの減価償却を無視すると 1 kg あたり約 2.15 ドルの範囲になります。 ニューヨーク州の卸電力価格は MWh あたり 40 ドル前後で推移しているため、おそらく 1 日あたり 60 ドルの収入が見送られることになるが、これは四捨五入誤差である。

自社の電力で水素を製造すると、1 日あたり約 5,000 ドルまたは年間 180 万ドルを節約でき、1 日あたり約 60 ドルまたは年間 22,000 ドルの収入を節約できます。 つまり、1,450万ドルの投資から約8年間の収益が得られるということですが、これは特筆すべきことではありませんが、DOEの無料かつ明確な助成金により、収益は4.5年に短縮されます。

つまり、2028 年以降、水素はコストを回避し、収益性をごくわずかに増加させるだけです。 子猫に毎年180万ドル追加されるのは朗報だが、小型原子炉は来年廃止されるため、水素需要は1日あたり3分の1減少する可能性が高い。 この低炭素電力で水素を生成することにより、年間約 2,000 トンの CO2e が削減され、これも大きなメリットとなります。

これは核水素の良い使用例です。 高炭素水素をトラック輸送するのではなく、低炭素電力を使用して需要時に水素を製造することは理にかなっています。 これは、将来の水素経済の良い例です。つまり、工業プロセスで使用される灰色と黒色の水素を、安定した低炭素電力を使用して適切に規模を調整した電解槽で需要時に電気分解した水素に置き換えることになります。

原子力発電を使用して現場で水素を製造し、他の場所に輸送することは意味があるのでしょうか? いいえ、まったくそうではありません。 灰色の水素の製造コストは 1 kg あたり 0.70 ～ 1.60 ドルですが、米国でトラックで配送される水素はバルクで 1 kg あたり 11 ドルです。 水素は、貯蔵、圧縮、流通に非常に高価です。 漏れが大好きなので、あらゆる段階で複雑さと課題が追加されます。 水素は質量ではエネルギー密度が高いですが、体積では非常にエネルギーが拡散するため、大量に圧縮するか、摂氏 -253 度で液化する必要があります。

保管や流通のために圧縮すると大量の熱が放出されるため、複数の段階で冷却する必要があり、コストがかかります。 液化では、液化水素に含まれるエネルギーの約 3 分の 1 が使用されます。 LNGの代替品として宣伝されているように、これを海上で輸送すると、配送されるエネルギー単位あたりのコストが少なくとも5倍になる。 存在しない水素のパイプラインは、圧縮に天然ガスのパイプラインの 3 倍のエネルギーを必要とし、数十億ドルのコストが増加します。 また、原子炉は水素ポートに転用できる LNG ポートにはなく、施設内にパイプラインも引かれていない。 コストが大幅に増加し、配布のステップも増えます。

減圧して使用する場合には逆の問題があり、ガスを減圧するとさらに冷たくなります。 水素は酸素の存在下で燃えやすい気体であるため、温める必要があり、慎重に行う必要があります。 天然ガスよりもはるかに広い範囲の酸素比(5%～15%と比較して4%～75%)で点火し、はるかに低い火花温度で点火します。 その結果、燃料電池車の水素ノズルは常に凍結し、燃料電池車の革新者たちは、何をすべきか、何をすべきではないかについてのハウツー ガイダンスをウェブ上に大量に公開しています。 （やってはいけないこと：水をかける、ライターを使う、電熱器を当てる、揺らす、力づく、ノズルやノズル付近の車の金属に素肌を置く。） 数分間待つそしてさらに試みる。）

これはすべて技術的に実行可能であり、毎日実行されますが、複雑でコストがかかるため、絶対に必要な場合にのみ実行されます。

原子力施設のより大規模な電解プラントでは、上記の結果として、はるかに多くのコンポーネントが必要になります。 1 kg あたり 2.15 ドルの生産コストは必ずしも上昇するわけではありませんが、本格的な工業用電解プラントは、プラント冷却用の水素の目的に適した 1.25 MW 電解槽の 1,450 万ドルよりもはるかに高い資本コストを伴う大規模な操業です。 回収期間はさらに長くなるでしょう。

著者による 2100 年までの水素需要予測

そして、原子力発電所に十分に近く、水素を価値のある産業に消費している企業はどこにあるのでしょうか? 現在の水素の最大の消費者は化石燃料精製所で、年間約 5,000 万トンが水素です。 彼らは主に原油の脱硫にそれを使用します。 原子力発電所は通常、製油所の隣に建設されることはなく、おそらくこの 10 年間の後半に石油需要のピークが到来すると、高硫黄原油が最初に市場に出されることになるでしょう。精製する方が安くなります。

次に大きな需要地は肥料生産で、年間約 3,000 万トンです。 繰り返しになりますが、通常は原子力発電所の隣ではありません。 その後、電力量は減少しており、再び、はるかに安価な送電配電システムを介して需要センターまで数十マイルから数百マイル送電するために建設された原子力発電所の近くには通常はありません。

そして、配送される 1 kg あたり 11 ドル、またはおそらくはるかに大量の場合は 1 kg あたり 6 ～ 8 ドルということは、エネルギー市場向けの水素市場から水素の価格を引き上げることになります。 私の予測では、水素需要の成長市場となるのは鉄鋼だけであり、米国だけで300万マイルに及ぶ化石燃料パイプラインのようなものを廃棄し、それらを電気製鋼ミニミルに供給するプロジェクトほど大きくはない。将来的には新しい鋼がさらに多くなります。

新しい原子力発電所を新しい産業用水素施設と併せて建設すると、2 つの技術的増強のリスクが倍増するため、不測の事態が発生した場合に解決できる可能性は低いです。 だからといって、原子力と水素エネルギーの重複するタイプがこの組み合わせを主張するのを止めることはできない。

念のために言っておきますが、オックスフォード大学とコペンハーゲンの IT スクールの教授であり、世界的にコンサルティングを受けているメガプロジェクトの専門家であり、『How Big Things Get Done』の著者でもあるベント・フライビャク氏のメガプロジェクトに関する研究では、通常規模の原子力発電建設プロジェクトには多くのファットテールリスクがあり、プロジェクトが後退することを意味します。平均値ではなくテール値であり、風力や太陽光よりもはるかに頻繁に予算を大幅に超過します。 彼の16,000以上の巨大プロジェクトのデータベースでは、原子力発電建設は最悪から3番目にランクされており、これを上回るのはオリンピックと核貯蔵プロジェクトのみである。 一方、予算内で完了するプロジェクト カテゴリのリストでは、太陽光、風力、送電プロジェクトが 1 位、2 位、4 位にランクされています。 最近議論したように、世界のエネルギーの脱炭素化に必要な 4 つの主要技術のうち 3 つが低リスクであることは非常に良いニュースです。

電解槽プラントはほとんど存在しないため、初めてのプラントであるため、リスクも高くなります。 そして、小型モジュール式原子炉もまた、初めての種類であり、経済的に実証されておらず、原子力コミュニティが期待しているコストとスケジュールの利点を達成する可能性は低く、それが実際に実現するとしても、それはこの10年や来年ではなく、2040年代になるだろう。重要な貢献者になるには遅すぎます。

意味があるのは、主に新しい風力発電と太陽光発電によって送電網を脱炭素化し、電力を安価に供給するために必要に応じてHVDC送電を追加し、残りの弱点を埋めるために閉ループ揚水水力のような送電網貯蔵を追加することである。 次に、脱炭素化された電力を、アンモニア肥料製造プラントなどの消費地点にある、適切に規模を調整して設計された電解槽で使用します。 ほとんどの場合、価格は依然として水素を各地に配達するよりも低くなります。

言い換えれば、ナインマイルポイント原子力発電所における水素電解の導入は、何をすべきかについての良い例ではあるが、原子力からのパープル水素が水素の脱炭素化の重要な部分を占めるという意味ではなく、もちろん脱炭素化への道筋でもない。エネルギーとしての水素。

電気航空スタートアップ FLIMAX の諮問委員会のメンバーであり、TFIE Strategy のチーフ ストラテジストであり、distnc technology の共同創設者です。 彼は、受賞歴のある Redefining Energy チームの一員として、「Redefining Energy - Tech」ポッドキャスト (https://shorturl.at/tuEF5) を主催しています。 彼は、40 ～ 80 年後の脱炭素化のシナリオを予測し、経営陣、取締役会、投資家が今日賢明な選択をできるよう支援することに時間を費やしています。 航空燃料補給、電力系統貯蔵、車両間電力供給、または水素需要のいずれであっても、彼の仕事は物理学、経済学、人間性の基礎に基づいており、脱炭素化の要件と複数の領域の革新によって情報を得ています。 北米、アジア、ラテンアメリカにおける彼の指導的地位は、彼の世界的な視点を強化しました。 彼は、イノベーション、ビジネス、テクノロジー、政策に関する複数の媒体で定期的に出版しています。取締役会、戦略アドバイザー、講演活動などにも利用できます。

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