CO2排出ゼロの強力なエネルギー水素とは?いつ社会に実装される?

原子番号1番、元素記号H2で表される水素。日本の研究者たちはこの水素の持つ強力なエネルギーと特別な性質について、長く研究を重ねて来ました。

水素エネルギーとは一体どのようなものなのでしょうか?水素エネルギーの社会実装を小学生の頃より夢見てきた筆者が、あなたを水素エネルギーの世界に案内します。

将来やってくる水素社会に備え、水素とそのエネルギー利用について理解を深めておきましょう!

この記事の監修者
阪口 竜也 フロムファーイースト株式会社 代表取締役 / 一般社団法人beyond SDGs japan代表理事
ナチュラルコスメブランド「みんなでみらいを」を運営。2009年 Entrepreneur of the year 2009のセミファイナリスト受賞。2014年よりカンボジアで持続型の植林「森の叡智プロジェクト」を開始。2015年パリ開催のCOP21で日本政府が森の叡智プロジェクトを発表。2017年には、日本ではじめて開催された『第一回SDGsビジネスアワード』で大賞を受賞した。著書に、「世界は自分一人から変えられる」(2017年 大和書房)

目次

水素とは

水素エネルギーについて知る前に、まずは水素とは何かを確認しましょう。

水素の性質

【水素原子と水素分子の構造】

水素は無色、無臭で宇宙に最も豊富にある元素です。太陽や夜空に輝く星たちのほとんどが水素の核融合反応によって光っています。

自然界で水素単体としてはほとんど存在しません。これは、水素が酸素と非常に結びつきやすい性質を持っているためです。

この性質から、地球上では水素はほかの物質と化合して、水・化石燃料・有機化合物※1などとして存在しています。そして燃えても炎が見えにくく、燃焼すると酸素と反応して水になります。

※1有機化合物:デンプン・糖類・メタン・エタン・メタノール・酢酸・乳酸・脂肪など

【物質としての水素】

※モル:単位記号はmol。物質量の単位で1molは原子または分子が6.0×1023個がある状態のこと。標準状態では水素1molの体積は22.4L、重さは2gです。*1)

水素の重さと発火点

水素は地球上で最も軽い気体です。空気を1とすると水素の比重は0.0695で、空気の約14分の1の重さです。

この軽い性質を利用して、水素は20世紀前半には飛行船や気球にも利用されていました。しかし1937年、アメリカの大型飛行船ヒルデンブルグ号の炎上事故から、水素は危険という考えが広がり、水素ガス飛行船は姿を消しました。

最近の研究では、この事故の原因は水素の爆発ではなく、引火性の高い塗料と燃料の油による火災だったという説が有力です。確かに水素は燃えやすい性質を持ちますが、発火点は570℃と自然発火はしにくい気体です。*1)

【空気より軽い水素】

ガソリンの2.7倍の威力

水素は酸素と合わせると爆発的な威力を発揮します。例えば、

  1. 水素のみが入ったシャボン玉
  2. 水素と酸素を合わせて入れたシャボン玉

の2つ条件で着火すると、①水素のみでは無音で燃えるだけですが、②水素と酸素を合わせたシャボン玉はパーンと音を立てます。

水素の威力はガソリンの2.7倍と強力で、実際に液化水素はロケットの燃料などにも利用されています。*1)

水素の液化

また、水素は-253℃の極低温まで冷却すると液化する性質を持ちます。液化した水素は気体の時と比較すると体積が800分の1になります。

これまで水素を運搬する際には、

  • 気体のままで運ぶ
  • パイプラインで水素を目的地に直接運ぶ

といった方法が取られていました。しかし最近は、長距離の運搬の際にはより多くの水素を運ぶために、液化水素を専用の運搬船で運ぶ技術の実証実験が行われています。*1)

【液化水素輸送船​】

水素の歴史

ここで簡単に水素の歴史について確認しておきましょう。

1799年、水素はイギリスの化学・物理学者のヘンリー・キャベンディシュ(Hennry Cavendish,1731年〜1810年)によって発見されました。それまでは「フロギストン」と呼ばれる未知の物質の存在によって、ものが燃えたり金属が酸化するとされていました。

ヘンリー・キャベンディシュは、水素発見の2年後には水素と酸素の燃焼により水が発生することも実証しています。

水素(Hydrogen)という名前はギリシャ語のhydro(水)genneo(生まれる)という言葉からフランスの化学者アントワーヌ ローラン・ド・ラヴォアジエ(Antoine-Laurent de Lavoisier,1743年〜1794年)が命名しました。*1)

ここまで水素の特徴を見てきましたが、さらに踏み込んで製造工程による区別について確認します。

水素はどのようにつくられるのか

【ブルネイの水素化プラント外観】

水素はH2のみの状態では不安定で、すぐに他の物質と化合してしまいます。そのため、H2という形では地球上で自然には得られません。この不安定さも、長年研究者や技術開発を悩ませてきた水素の性質の1つです。

つまり水素をエネルギーとして利用する場合、人工的に作り出す必要があるのです。あらゆる場所にあらゆる形で存在する水素は、その製造方法も多種多様です。現在行われている水素の製造方法を紹介します。

水素は何から作られるのか

【水素の材料】

水素を製造する方法の代表的な例を挙げると、

  • 石油・石炭・天然ガスなどの化石燃料から改質
  • 製鉄所・化学工場などからの副産物
  • バイオマス資源から発生したメタノールやメタンガスを改質
  • 自然エネルギーで発電した電気で水を分解

などで、さらに開発中の技術として、

  • 光触媒に太陽光が当たることで水から直接水素を取り出す技術
  • 他の化学反応との組み合わせにより、1,000℃以下の熱で水から水素を直接分解する方法(通常は4,000℃以上の超高温が必要) 

といった研究も進められています。*3)

【水素の製造方法】

水素製造の改質法と電解法

水素の製造方法は大きく分けると化石燃料を燃焼させたガスから水素を作る「改質法」と、水を電気分解して水素を作り出す「電解法」があります。大量生産・大量消費・大量廃棄の時代に確立された水素の製造施設のほとんどが、化石燃料(主に天然ガス)からの改質法によるものです。*3)

【水素の改質・電解・他工程での副生】

改質法

【水素製造改質法の反応】

化石燃料などを燃焼させガスにして、※触媒を用いることで水素を取り出すのが「改質法」です。改質法の中にもいくつかの種類があり、代表的なものとして

  • 「外熱供給式」
  • 「内熱供給式」
  • 「その場熱供給式」

などが挙げられます。

以下の図は、この3つの方法が解説されています。

(※少し難しい内容なので、「なんとなくこのように作られているんだ」程度の認識で読み進めていただければと思います。)

触媒とは

特定の化学反応の速度を速める物質で、それ自体は反応前後で変化しません。

触媒という存在の発見にも水素が関わっています。1823年、ドイツの化学者ヨハン・テーベライナーがプラチナに水素を吹き付けると点火することを発見したのが始まりです。*3)

【改質法の例:3つの合成ガス製造技術の概要】

電解法

【水の電気分解】

電気を使って水から水素と酸素を取り出す方法が「電解法」です。電解法は、再生可能エネルギーで発電した電気を利用することにより、CO2を排出せずに水素を製造できます。*3)

再生可能エネルギーとは

太陽光・風力・地熱・水力・バイオマスといった、温室効果ガスを排出しないエネルギーのこと。

「改質法」と「電解法」は、どちらも開発・拡大に向けて着実に進んでいます。今後の進歩に期待しましょう!

水素は3種類色分けされている?

水素はその製造工程の違いにより3種類に区別され、それぞれグレー水素・ブルー水素・グリーン水素と呼ばれています。各製造工程を見てみましょう。

グレー水素

水素を生産する際にCO2の排出が多い場合、「グレー水素」に区別されます。天然ガスや石炭などから水素を取り出し、大気中にCO2を排出するため、地球温暖化の原因になります。

現在、日本で利用されている約135万tの水素のうち、苛性ソーダ(NaOH)などの製造過程で副生成物として得られる水素以外では、ほとんどがCO2を発生する方法で製造されています。*2)

ブルー水素

【北海道・苫小牧市のCCS実証実験】

ブルー水素は、グレー水素と同様に化石資源などから水素を取り出しますが、その際に発生するCO2を回収・貯留、さらには再利用するなどして、その大部分を大気中に放出しない場合です。このCO2を回収・貯留・再利用をする技術をCCS(回収・貯留)CCU(回収・有効利用)CCUS(回収・貯留・有効利用)と呼びます。

これらは以下の単語の頭文字の組み合わせです。

  • CO2…二酸化炭素
  • Capture…回収
  • Utilization…有効利用
  • Storage…貯留

ブルー水素の利用は、

  • CO2の回収技術の開発
  • 水素エネルギーの普及推進

の両方の面で重要な役割を持ちます。

既に確立されている水素製造施設へ、これらの技術を投入し、CO2を大気中へ放出する量を抑えることで、環境負荷の少ないエネルギーが生産されます。*2)

グリーン水素

【外洋での水素製造のイメージ】

グリーン水素は、再生可能エネルギーで発電された電気を使って水を分解するなどの、CO2を発生させない製造工程で作られた水素です。日本が目指す水素社会のエネルギーは、将来的に100%グリーン水素でまかなうことを目標にしています。

グリーン水素の製造は、すでに日本各地で実証事業が展開されています。今後は社会実装に向けて、製造・運搬・貯蔵・利用の全ての範囲にわたってシステムの合理化コストの最小化が進められるでしょう。*2)

【水素の色分け】

状況に応じた活用が脱炭素・水素社会実現のカギ

グレー水素では環境に負荷をかけてしまいますが、水素エネルギー利用のインフラ整備など、将来の水素社会実現のための足掛かりとしての利用はやむを得ないという見解も多くあります。また、ブルー水素であっても原料である化石資源は無限ではありません。

理想はグリーン水素100%の社会ですが、そこに到達するまでの道のりで、グレー水素、ブルー水素を上手く活用して、脱炭素社会・水素社会実現を近づけることが重要です。

水素エネルギーとは

【フランスの燃料電池列車】

水素という物質の基本的な性質を確認したところで、次はエネルギーとしての水素に焦点を当ててみましょう。現在、水素エネルギーはどこまで利用が進んでいるのでしょうか?

エネルギーとしての水素

水素をエネルギーとして利用する際の大きな特徴の1つに、燃焼してもCO2を排出しないことが挙げられます。水素は燃焼すると酸素と結びついて水になるので、とても環境に優しいエネルギーと言えます。

【水素のエネルギー利用】

さらに、先述したように水素は酸素と反応すると強い威力を発揮します。水素をエネルギー利用すれば、化石燃料を直接燃やすよりも高熱を発生させることが可能です。そのため、産業・運輸・発電部門では、これから一層の活躍が期待できます。これらの部門は現状、CO2排出量の多い部門であるため、エネルギーが水素に変わることにより、大きなCO2削減効果も得られるでしょう。*4)

【CO2排出の多い部門の水素活用】

では、もう少し踏み込んでどのように活用されるのかを紹介します。

直接燃料として利用

産業分野では、電化による脱炭素化が進められています。しかし、電化の難しい産業分野もあります。例をあげると、

  • 高火力が必要な産業分野(鉄鋼業・セメント業など)
  • タービンを使った火力発電
  • 長距離を走るトラックのエンジン

などで、これらの分野では水素を直接燃料として利用できます。また、これらの分野は同時にCO2排出量の多い分野で、水素エネルギーへの移行により、CO2の排出も大幅に削減できます

具体的には、長距離を走る大型トラックをEV(電気自動車)にすると、充電池が非常に大きくなってしまい、充電にも非常に長い時間がかかるため実用的でないとされています。しかし、水素エンジンなら重い車体に対するパワーの面でも問題なく、移動途中での水素の補給にかかる時間もガソリンと同じほど短時間で済みます。

合成燃料として利用

合成燃料とは、水素とCO2を合成して製造する燃料です。原料となるCO2は、発電所や工場などから排出されたCO2を直接回収して再利用されます。

このような方法で、気体合成燃料のメタン、液体合成燃料のメタノールなどが製造できます。メタノールはエネルギー密度が高いことから、電化や水素化が難しい製品や交通手段・移動手段などの面で、ガソリンに変わる燃料として期待されているのです。

合成燃料について

合成燃料はCO2を資源として利用できるため、「脱炭素燃料」とみなされています。

【メタン・メタノールの合成】

同じく水素を利用してアンモニアを製造することも可能です。アンモニアは水素よりも輸送のしやすさやコスト面などで優れた特徴を持ちます。現在、水素と並行してそれぞれの場面に適した利用が計画されています。*4)

【燃料アンモニアの製造方法】

燃料電池として利用

これからあらゆる分野での電化が進むにあたって、燃料電池は重要な役割を担うと考えられています。水素を利用した燃料電池が発電する仕組みを見てみましょう。

【燃料電池の仕組み】

燃料電池の仕組みは、水素製造の「電解法」を逆にしたものです。

  • 「電解法」
    水に電流を通して水素と酸素を発生させる
  • 燃料電池
    電解質を挟んで一方の電極に水素、もう一方の電極に酸素を送り、化学反応を起こして水と電気を発生させます。

【水の電気分解と燃料電池の化学反応】

燃料電池の※エネルギー変換効率は83%と高く、ガソリンエンジンの最高効率が40%程なのと比較しても、とても効率的です。

エネルギー変換効率とは

あるエネルギーを別のエネルギーに変換した際の、エネルギーとして利用できる量の割合です。エネルギーは変換する際に様々な種類のエネルギーに分散されてしまうため、変換効率は100%にはなりません。

【エネファームと業務・産業用燃料電池】

燃料電池は自動車(FCV※)だけでなく、家庭用燃料電池(エネファーム)業務・産業用燃料電池としてすでに実用化されています。このような自家発電設備は水素だけでなく都市ガスなど複数の気体燃料を使って発電が可能な機種もあり、災害や電気系統のトラブル時の予備電源としても活躍できます。*4)

※「Fuel Cell(燃料電池) Vehicle(車両)」の略。

【水素ステーションの仕組み】

水素エネルギーは産業分野では既に広く取り入れられていますが、今後は社会の脱炭素化に向けて積極的に技術開発・導入が進められます。2021年8月時点で日本にはFCVなどに水素を供給する水素ステーションが全国に154か所あり、水素ステーションの数は世界一です。*4)

水素社会の実現に向けた動き

【水素サプライチェーンのイメージ】

数年前までは「夢のエネルギー」と呼ばれていた水素。しかし、水素エネルギーは既に現実のもので、日本は水素社会実現へと着実に向かっています。

ここからは水素社会実現に向けての現在の動きとともに、将来の水素社会への計画を見ていきましょう。

産業分野で既に活躍する水素エネルギー

水素は現在、製油所・化学プラント・製鉄所・食品工場など広い分野で利用されています。具体的な例をいくつか挙げてみましょう。

  • 石油精製
    有害な硫黄を除去するプロセスで利用
  • 石油化学製品
    エチレンを製造する工程でのベンゼンなどの合成
  • 製鉄
    ステンレスなど鋼製品を表面処理する還元剤(酸化物から酸素を取り除く)
  • 光ファイバーなどのガラス製造
  • 半導体・LEDの製造
  • マーガリンの製造
    原料油脂を固める硬化剤

【水素が利用されているもの】

鉄鋼・石油精製・石油化学・ソーダ製造・アンモニア製造などの製造過程では、目的のものとは別の副生成物として水素が得られ、多くの場合が熱源などとして同じ工場内で利用されています。このような、現在は工業過程で目的外のものとして生成されている水素は、将来的に他の場所への水素の供給源としての活用も検討されています。*5) 

水素サプライチェーンの構築

水素エネルギーを社会の広い範囲で利用するためには、水素サプライチェーンの構築が不可欠です。水素サプライチェーンとは、水素がエネルギーとして製造されてから利用されるまでの一連の流れのことです。

今、この水素サプライチェーンの構築が急がれています。具体的にはどんな取り組みが進んでいるのでしょうか。

【水素の製造から利用までの流れ】

水素を利用する需要側では、既に燃料電池トラックなどの商用車、水素燃料船などが次第に市場に出回るようになっています。供給側では、2030年ごろにはオーストラリアやブルネイなどの外国と日本の間で大規模な国際的水素サプライチェーンが商用化され、大量の水素が輸入される計画が進行中です。

この2030年頃から、大量の水素を使う発電部門でも水素100%での発電システムが各地で実装され、大規模で本格的な水素の社会実装が始まります。*5) 

【水素の部門別供給・利用目標】

このように、2030年ごろの大規模な実装に向けて、大量の水素を供給する手段を確保する必要があります。次項からは、大量の水素を供給するために国内・国外で進められている事例を紹介します。

福島水素エネルギー研究フィールド

2018年から福島県浪江町で建設が進められてきた「福島水素エネルギー研究フィールド」が2020年2月に完成し、稼働が始まりました。この施設は再生可能エネルギーを利用した世界最大級(10MW)の水素製造装置を備えています。

浪江町は東日本大震災で津波の被害を受け、さらに東京電力福島第一原子力発電所の事故により、町内全域が避難指示を出されるなど苦難を経験しました。この浪江町に大規模な水素製造施設を建設することで、災害からの復興を図ると同時に、日本の水素関連技術が世界をリードする新たなエネルギー拠点としての活躍が期待されています。

【福島水素エネルギー研究フィールド】

再生可能エネルギーを利用して水素を作る

福島水素エネルギー研究フィールドでは、再生可能エネルギーを利用して水素を作り、貯蔵・輸送・供給・利用までのサプライチェーン構築モデル実証事業が行われています。東京ドーム5個分にあたる22万m2の敷地の8割に太陽光パネルが設置されており、これで発電した電気を利用しているのも特徴です。

世界最大級のグリーン水素製造量

福島水素エネルギー研究フィールドでは、毎時1,200Nm3(定格運転時)、1日約3万m3もの水素を製造する能力を持ちます。この1日で製造する水素の量で発電できる電気の量は、約150世帯が1ヶ月間に使用する電気の量に相当します。*5) 

【福島水素エネルギー研究フィールドの実証システム】

海外の未利用資源で水素を作り、海外から水素を運ぶ

水素は多様なエネルギーから製造できるものの、大規模社会実装計画に必要な量は、まだ国内の生産量では追いつかず、海外で製造されたものを利用する必要があるとされています。

そこで、世界各地に存在している未利用の資源への注目が集まっています。例えばオーストラリアのビクトリア州に大量に存在する「褐炭」と呼ばれる化石資源もそのひとつです。

【オーストラリア・ビクトリア州の褐炭採掘場】

未利用資源を活用

オーストラリアのビクトリア州には、広大な面積に褐炭と呼ばれる化石資源が大量にあるとされています。その量は推測で日本の発電量の240年分とも言われていますが、現段階では未利用の資源です。

褐炭は、

  • 輸送効率や燃料としての効率も低い
  • 乾燥すると自然発火の可能性もある

というように、利用方法が限られた資源です。採掘しても近くでしか利用できないなどの理由から、国際取引もされていません。

その中で2015年、川崎重工株式会社、岩谷産業株式会社、シェルジャパン株式会社が褐炭に着目。この未利用の資源で水素を製造し日本に輸入するため、オーストラリア連邦政府・ビクトリア州政府との協力により、「技術研究組合CO2フリー水素サプライチェーン推進機構(HySTRA)」の実証事業が開始しました。

オーストラリアから水素を運ぶには

【日豪褐炭水素サプライチェーン】

技術研究組合CO2フリー水素サプライチェーン推進機構の実証事業は、将来構築されるオーストラリア・日本間の水素サプライチェーンのうち、以下の部分です。

  • 褐炭から水素を含むガスを作る
  • 水素を精製・液化し大量に輸送する
  • 液化した水素を港で船から上げ下ろしする

将来的には水素を製造する際に排出されるCO2は、CCS技術導入により、オーストラリア政府・ビクトリア州政府により回収され、地中に貯留される予定です

液化水素運搬船の開発

【すいそふろんてぃあ進水式】

水素はその不安定な性質と強い威力から、輸送・貯蔵・利用の際に高度な技術が必要です。技術研究組合CO2フリー水素サプライチェーン推進機構の実証事業では、マイナス235℃の水素を液化水素運搬船「すいそふろんてぃあ」が、2021年にオーストラリアから日本まで16日間かけて運ぶ予定です。*5) 

このように、水素社会の実装に向けてさまざまな取り組みが進められていますが、課題が残されていることも事実です。

水素エネルギーの課題

近年では水素関連の技術は研究開発が急速に進展して社会実装が近づくにつれ、課題も刻々と変化しています。そのなかで、水素社会の実現に向けて特に重要な、

  • 課題1:製造時のCO2排出と技術開発
  • 課題2:インフラ整備
  • 課題3:コストが高い

の3つの課題をピックアップしました。

課題1:製造時のCO2排出と技術開発

クリーンな水素と言えど、

  • 改質法での製造過程
  • 電解法で利用する電力の発電時

にCO2を排出してしまえば、環境に負荷がかかってしまいます。そこで近年では、研究・技術開発が進み、CCS・CCUなどの技術で水素製造時のCO2排出量を抑える、または全く排出しない方法の実証・導入が進んでいます。*6) 

【苫小牧CCS実証試験センターの設備】

課題2:インフラ整備

水素エネルギーはそれぞれ開発が進み、産業分野以外の技術でもほとんどが実用化のスタートラインに立っています。しかし、それぞれの開発が進んでも、製造・貯蔵・輸送・供給・利用の連携が整備されなければ、エネルギーとして普及しません。*6) 

【水素の社会実装に向けた好循環の創出】

課題3:コストが高い

インフラ整備に並んで大きな課題となっているのがコストの問題です。

【水素とアンモニアのコスト比較】

図からもわかるように、新エネルギーとして直接利用も可能なアンモニアと比較してみても、現在の水素エネルギー利用に係るコストは非常に高いことがわかります。

例えば、現在の水素の価格は東京都内の水素ステーションで1,100円/kgで、およそ現在(2021年6月)のハイオクガソリンと同等の値段です。※水素基本戦略では、この値段を2030年には3分の1まで下げる方針です。

水素基本戦略とは

将来目指すべき水素社会のビジョンを示したもの。経済産業省・国土交通省・環境省・文部科学省・内閣府などが連携して、規制改革・技術革新・インフラ整備などの政策が、同じ目標のもとに統合されています。

燃料電池を製造する際にも、高価な金属であるプラチナが必要など、コストの面で課題がありました。この課題に対しても、2021年10月に東京工業大学の難波江裕太助教、早川晃鏡教授らの研究グループが、熊本大学の大山順也准教授、静岡大学の守谷誠講師、旭化成株式会社との共同開発により、プラチナの代わりに鉄を加工した「十四員環鉄錯体」を燃料電池の媒体に利用する研究開発に成功しました。これにより、今後の燃料電池の低コスト化に大きな期待が寄せられています。*6) 

【十四員環鉄錯体研究の概念図と、作製した触媒粉末】

大きな課題も多い水素エネルギーの利用ですが、政府間をはじめ、研究機関、開発企業などの提携・協力が盛んになり、その進歩はどんどん加速しています。燃料電池のプラチナに代替できる素材の開発成功で、私たちの生活の中にエネファームやFCVが普及する未来が、ぐっと早まるかもしれません。

水素エネルギーが身近になると私たちの生活はどう変わるのか

実際に水素エネルギーによって私たちの生活がどう変わるのでしょうか?「水素社会実現に向けた動き」を思い出しながら、もうすぐ先の未来の、私たちの生活の中の水素エネルギーを見てみましょう。

水素で日本のエネルギー自給率が上がる

【世界の一次エネルギー自給率の変化】

日本は化石燃料に乏しい国です。上のグラフから、2017年時点で日本のエネルギー自給率は9.6%と、世界の主要各国と比較してもとても低い水準であることがわかります。

その後、再生可能エネルギーの導入が進んだことなどによって、2019年にはエネルギー自給率は12.2%まで上がりました(下のグラフ参照)。

しかし近年の異常気象や気候変動等による将来の不確実性を考えても、この自給率の低さは日本のエネルギーセキュリティ(災害などの緊急時にエネルギー確保できるか)において大きな問題です。

【一次エネルギー国内供給構成及び自給率の推移】

水素は水をはじめ、化石燃料以外でも農業・林業・漁業で発生する商品にならない部分や食品廃棄物・下水汚泥・家畜の糞尿・廃プラスチックなど、とても多様なものを資源として作ることができます。資源の乏しい日本にとって、水素はエネルギー自給率を上げる鍵でもあるのです。

【横浜市風力発電所のハマウィング】

さらに、水素はとても柔軟なエネルギーです。例えば太陽光・風力発電などで気象状況によって余剰に発電した場合、水素に変換することで貯蔵・利用が可能です。再生可能エネルギーの課題でもある発電量の制御が難しい点を、水素を利用することにより補うことができ、再生可能エネルギーの導入がさらに加速します。*7) 

水素でバスが走る

【東京都の燃料電池バス】

現在、水素エネルギーを利用した燃料電池車両は、通常の車両と比較すると高価です。しかし、水素社会の実現に向けて、着実に導入とコストダウンが進んでいます。上の写真は東京都が2018年に導入を開始した量産型の燃料電池バスです。

燃料電池バスの乗り心地は、まるで乗用車のように静かで快適と好判です。東京都はこの燃料電池バスの普及を推進し、2021年9月には災害避難所の非常用電源として都交通局の燃料電池バスを利用できる体制を整えました。

また、このバスに利用されている水素は、先ほどの「福島水素エネルギー研究フィールド」で製造されています。ここからも、少しずつ水素エネルギーのサプライチェーンが構築されている様子が見えます。*7) 

【令和3年9月18日の東京都知事記者会見資料】

水素で乗用車が走る

【燃料電池自動車 TOYOTA MIRAI】

トヨタ自動車株式会社は早くから水素エネルギーの開発を手掛けてきた企業の1つです。トヨタはFCV(燃料電池自動車)のミライの他にも、水素を直接燃やして走る水素エンジン自動車の開発も進めています。

水素エンジンはガソリン自動車のエンジンを応用できることから、これまでの自動車関連部品などを製造していた企業を守ることもできます。環境への負担を減らしながら、誰も見捨てることなく成長していく、SDGsの目標にも合致した企業戦略です。

【TOYOTA 水素エンジンカローラ】

トヨタはさらに、川崎重工株式会社、株式会社SUBARU、マツダ自動車株式会社、ヤマハ発動機株式会社と共同でカーボンニュートラルに向けた水素エンジン(内燃機関)と水素サプライチェーンの構築のための開発に挑戦することを発表しました。

「スーパー耐久シリーズ」に参戦するトヨタの水素エンジン車両には、代表取締役社長である豊田章男氏がドライバー「モリゾウ」としてレースに参戦しています。社長自ら厳しいレースの車両に乗り込むことで、より多くの人に水素エンジンの安全性を知ってほしいという強い思いがあります。*7) 

水素で火力発電からの排出がCO2からH2O(水)になる

水素発電の分野では、三菱重工業株式会社が2018年に天然ガスに30%の水素を混合して発電する予混合式燃焼式ガスタービンの実用化に成功しています。さらに、2025年には、既に実証段階にある100%水素を燃料にして発電する水素然焼ガスタービンの実用化が予定されています。

【水素燃焼ガスタービン】

日本が「水素基本戦略」を策定したのは2017年。EUやドイツ、フランスなどが水素戦略を策定したのは2020年のことです。そのほかアメリカなど多くの国が脱炭素が難しい運輸・産業・発電などにおいて水素エネルギーの利用のための技術開発に取り組んでいます。

アメリカのユタ州で計画されている大型水素発電プロジェクトの例を見てみると、2025年ごろに水素30%を混合した燃料での発電2045年ごろに水素100%での発電を目指しています。

三菱重工が既に30%水素混合燃料での発電に成功しており、2025年には水素100%での発電実証事業を完了する計画であることと比較してもわかるように、日本はこの技術で世界をリードしています。*7) 

【アメリカ政府による燃料電池の多様性】

バイオマス資源を活用して水素を作る

【北海道鹿追町環境保全センター】

【家畜のふん尿から水素を作る仕組み】

水素製造の改質法を用いて家畜のふん尿から水素を作る実証事業も行われています。

バイオマス資源の1つ、家畜のふん尿は乳牛1頭当たり1年で23tも排出されます。この乳牛のふん尿1年分の量で、自家用のFCV(燃料電池自動車)が1年に走る平均的な走行距離をまかなうことができる水素が製造できます。

バイオマスとは

動植物などを由来とする生物資源。

バイオマスは水素製造の他にも固体燃料・バイオエタノール・水素以外のバイオガスなどさまざまな燃料の資源となるほか、燃料製造時などに発生する熱も、周辺の施設・農業・家庭などに利用されています。*7) 

【バイオマスの熱利用例:チョウザメの飼育・マンゴー栽培】

工場からCO2排出がなくなる

産業部門では電化による脱炭素化が難しい事業もありますが、先ほどの水素エンジン自動車の例と同じように、既存の設備の燃料を水素に転換することで、そのような分野のCO2削減が期待されます。また、水素から製造されるアンモニアやその他の合成燃料も、それぞれの特性に合わせて活用できます。*7) 

【水素の供給と需要】

家庭・オフィスのガス管から水素

家庭やオフィスなどへも、既存のガス管を利用した水素供給インフラの整備が検討されており、段階的に社会全体が水素社会へと移行していきます。

現在商用化されている家庭用・業務用燃料電池の一部は、水素・バイオガス・都市ガスなど、複数の種類のガスを同時に燃料として利用可能です。これらの導入拡大により、いつ水素が供給されても対応可能な準備が進められています。*7) 

【三菱パワー社の業務用燃料電池】

将来やってくる水素社会の様子が想像できたでしょうか?このように、将来は水素を中心として適正に応じてアンモニア、バイオエタノールなどさまざまなクリーンエネルギーが私たちの社会を支えるようになります

水素基本戦略で予定されている水素の大規模導入は2030年。各分野、その目標に向かって熱意のこもった研究開発が行われています。

【補足】SDGsとの関係

最後に、水素エネルギーとSDGsの関係について確認しましょう。まずは、SDGsのおさらいです。

SDGsとは

SDGsはSustainable(持続可能な) Development(開発) Goals(目標・ゴール)の略称です。2015年、国際連合で採択された2030年までの国際目標です。

誰一人取り残さない持続可能な社会の実現に向けて、世界が手を取り合って取り組むべき17の目標・169のターゲットが設定されています。*8)

【SDGs17の目標】

水素エネルギーで達成できるSDGs目標

水素エネルギーが社会に実装されることにより、複数のSDGs目標に貢献できます。特に大きく貢献ができる目標は以下の通りです。

  • 7.エネルギーをみんなに そしてクリーンに
  • 8.働きがいも 経済成長も
  • 9.産業と技術革新の基盤を作ろう

ブルー水素・グリーン水素で環境に負担をかけないエネルギーが実現します。また、水素製造・水素エネルギー利用技術を普及させることにより、太陽光・風力などの再生可能エネルギーの弱点を補い、災害などのトラブルに強いまちづくりに貢献します。

水素エネルギーの利用には、日本の高度な鉄鋼技術なども応用でき、これまで培ってきた産業の基盤を守りながら、脱炭素のニーズに応えることが可能です。さらに水素エネルギーは、水素ステーションの技士など雇用の創出と同時に、世界に日本の高度な技術を輸出することによる経済成長も期待できます。

  • 11.住み続けられる街づくりを
  • 12.つくる責任 つかう責任
  • 13.気候変動に具体的な対策を

CO2を排出しない水素は、身近であらゆる資源から作ることができ、地域の特性を活かしたバイオマスの利用大規模発電所の電力供給に依存しない地域・まちづくりなどに貢献します。また下水汚泥や廃プラスチック、合成燃料製造のためのCO2活用など、未利用の資源の活用やごみの削減にも貢献できるでしょう。

  • 17.パートナーシップで目標を達成しよう

水素で大規模火力発電を行うには、海外で製造した安価で大量の水素を輸入する必要があります。この水素サプライチェーン構築に向かって、諸外国との政府・企業の枠を超えたパートナーシップで開発を進めることが大切です。また、日本の高度な技術の輸出などによりグローバルな脱炭素社会への移行にも貢献できます。

水素社会への移行はもうしばらく時間がかかりますが、サプライチェーンやインフラが整い、設備や燃料コストが下がれば、産業革命以降から近年まで環境に与えてきた問題の多くが革命的に解決されます。また、水素主力エネルギー化のための国際・国内での政府・企業・地域などの連携により、世界全体とのつながりの強化や、さらなる開発の加速・経済の発展も期待できます。

【国連のインターナショナルフラグ】

まとめ

水素エネルギーの社会が以前より鮮明に想像できたでしょうか?

世界が脱炭素化のためのエネルギー転換に取り組む中で、水素関連の技術・製品は世界的に市場の拡大が予想できます。日本の水素分野での優れた技術や製品は、日本の経済成長や雇用の維持につながるだけでなく、世界の脱炭素化にも貢献できるのです。

【水素社会のイメージ】

SDGsが採択されたことにより、世界は共通の目標に向けて、大きく動き出しています。水素の技術ではまだ世界をリードしている日本ですが、すでに多国間・企業間での協力がすすんでおり、以前は「競争」であった開発が「協創」に変わってきています。

このようなフェアで透明性を求める「協創」の世界なら、きっと多くの課題を手を取り合って解決し、地球の正常な循環を取り戻すことができるでしょう。2030年までの期間は、そのために全力を尽くして取り組む、非常に重要な期間です。

水素が世界の脱炭素に貢献できるのは間違いありません。そして日本が水素社会へと生まれ変わるのは、近い未来なのです。*9)

〈参考・引用文献〉
*1) 水素とは
JHFC『水素のあれこれQ&A』
JHFC『正しく知りたい、水素の”安全性”』
NEDO『水素とは』p.3
資源エネルギー庁『水素エネルギーとは?』
資源エネルギー庁『どう考える?これからの日本のエネルギー 弘前大学』
資源エネルギー庁『水素の製造、輸送・貯蔵について』p.21
*2) 水素は3色に色分けされている?
資源エネルギー庁『次世代エネルギー「水素」、そもそもどうやってつくる?』
日本経済新聞『水素とは 燃やしても水になるだけの「夢の燃料」』
日経XTECH『グレー水素でまずは地ならし、次を狙い水分解装置に日本企業続々』
*3) 水素はどのようにつくられるのか
NEDO『水素とはなにか 水素の製造』p.5
JHFC『水素のつくりかた』
環境省『水素って?』
資源エネルギー庁『今後の水素政策の検討の進め方について』
*4) 水素エネルギーとは
東京スイソミル『水素エネルギーとは?』
資源エネルギー庁『なぜ“水素”なのか』
資源エネルギー庁『カーボンフリーな水素社会の構築を目指す「水素基本戦略」』
資源エネルギー庁『エンジン車でも脱炭素?グリーンな液体燃料「合成燃料」とは』
JHFC『燃料電池(FC)とは』
資源エネルギー庁『ようこそ!水素社会へ』
資源エネルギー庁『今後の水素ステーション政策の方向性について 2021年8月27日』p.4,p.5
*5) 水素社会実現に向けた動き
資源エネルギー庁『水素・燃料電池に関する 経済産業省の取組について 令和元年5月』p.17
資源エネルギー庁『大規模水素サプライチェーンの構築』
資源エネルギー庁『今後の水素政策の課題と対応の方向性 中間整理(案) 2021年3月22日』p.17,p.19
資源エネルギー庁『次世代エネルギー「水素」、そもそもどうやってつくる?
朝日新聞デジタル『水素製造施設1年 再生可能エネルギーの活用探る』(2021年1月)
資源エネルギー庁『福島生まれの水素をオリンピックで活用!浪江町の「再エネ由来水素プロジェクト」』(2018年8月)
資源エネルギー庁『石炭が水素を生む!?「褐炭水素プロジェクト」』
資源エネルギー庁『2020年、水素エネルギーのいま~少しずつ見えてきた「水素社会」の姿』
日本経済新聞『水素資源獲得、世界競争へ 2030年に需要2倍超
資源エネルギー庁『今後の水素政策の検討の進め方について 2020年11月』p.10
*6) 水素エネルギーの課題
資源エネルギー庁『今後の水素政策の課題と対応の方向性 中間整理(案) 2021年3月22日』p.16,p.17
資源エネルギー庁『CO2を回収して埋める「CCS」、実証試験を経て、いよいよ実現も間近に(前編)』
資源エネルギー庁『今後の水素政策の課題と対応の方向性 中間整理(案)2021年3月22日』p.69
資源エネルギー庁『令和3年版 エネルギー白書 燃料アンモニアの背景・概要』
TOYOTA『トヨタイムズ 水素の疑問に答えます』
東京工業大学『燃料電池の非白金化に繋がる新物質を開発 酸性電解質中でも安定な十四員環鉄錯体による代替触媒を実現』
JHFC『水素とプラチナの不思議』
*7) 水素エネルギーが身近になると私たちの生活はどう変わるのか
資源エネルギー庁『グラフで見る世界のエネルギーと「3E+S」安定供給①~各国の自給率のいま』
資源エネルギー庁『エネルギー白書2021 エネルギー需給の概要』
環境省『京浜臨海部での燃料電池フォークリフト導入とクリーン水素活用モデル構築実証 』
資源エネルギー庁『水素エネルギーとは?』
東京都交通局『量産型燃料電池バスが導入されました』
日本経済新聞『燃料電池バス「SORA」、静岡市で試験走行』
日本経済新聞『東京都、FCV普及策を加速 バスを災害時の電源に』
日本経済新聞『米ランカスターと水素活用で連携、製造拠点立地の浪江町』
東京都『燃料電池バスによる避難所等への給電支援 2021年9月17日 知事記者会見』
TOYOTA『MIRAI』
TOYOTA『【MIRAI】TVCM「青いほうのトヨタ」篇 30秒』
TOYOTA『水素エンジンカローラ、「https://youtu.be/6nmGLAxSoaIスーパー耐久シリーズ2021 鈴鹿大会」参戦を通じて水素を「はこぶ」に挑戦』
TOYOTA『川崎重工、SUBARU、トヨタ、マツダ、ヤマハ発動機、カーボンニュートラル実現に向け、燃料を「つくる」「はこぶ」「つかう」選択肢を広げる取り組みに挑戦』
日経XTECH『三菱重工、「水素発電」「CO2回収」の2本柱で炭素中立市場に即応』
三菱重工技報『技術論文 CO2 フリー社会の実現に向けた水素燃焼ガスタービン』
資源エネルギー庁『水素社会実現に向けた経済産業省の取組』p.5
US Department of Energy 『Hydrogen Program Plan』p.27
資源エネルギー庁『再生可能エネルギーとは  バイオマス熱利用』
環境省『低炭素な水素社会実現を目指して』
資源エネルギー庁『再生可能エネルギーとは  バイオマス熱利用』
資源エネルギー庁『今後の水素政策の課題と対応の方向性 中間整理(案)2021年3月22日』p.7
資源エネルギー庁『今後の水素政策の課題と対応の方向性 中間整理(案)2021年3月22日』p.19,p.20
TOYOTA『【FCV】HOPE~水素社会と、これからのエネルギーのはなし~』
*8) 【補足】SDGsとの関係
資源エネルギー庁『SDGs』
*9) まとめ
環境省『水素」ってどんなエネルギー?』
資源エネルギー庁『今後の水素政策の課題と対応の方向性 中間整理(案)2021年3月22日』p.10