CO2を出さない究極のクリーンエネルギー｜水素社会は実現するのか
水素とは、元素のなかでもっとも軽い気体で、地球上では水などの化合物として多く存在しています。
水素はさまざまな資源から製造が可能で、燃焼してもCO2を排出しません。再生可能エネルギーの余剰電力を利用して水素を製造すれば、製造から使用までCO2を排出しない究極のクリーンエネルギーとなる可能性があります。
さらに水素は安定した国内製造が可能になることで、エネルギー自給率の低さなどの日本特有のエネルギー問題の解決にもつながります。
この記事では、高いポテンシャルを持つ水素が私たちの生活に身近なエネルギーとなることができるのか、その可能性について紹介します。
※この記事は、寄稿記事です。
目次
水素エネルギーがクリーンな理由
水素エネルギーとは
水素の元素記号はH、地球上でもっとも軽く、無味無臭で燃える性質のある気体です。一般的に水素は、原子2つが結びつき、H2という水素分子の形で存在しています。宇宙でもっとも多い元素と言われており、たとえば水も水素の化合物の一つです。
水素は水以外にも化石燃料や製鉄所で発生するコークス炉ガス、食品廃棄物や下水汚泥といったバイオマスなどのさまざまな物質に含まれています。このように多様な資源から製造することができるのも、水素の特徴です（図1）。*1
画像参照：図1 水素の製造方法｜山口県（PDF）p.3
水素は酸素を反応させて発電させたり、燃やしてロケットなどの燃料として使うことができます。*2
水素はCO2を排出しない？
水（H2O）に電気を流すと水素（H2）と酸素（O2）に分解でき、水素として取り出すことができます。反対に、水素と空気中の酸素を反応させると、電気と熱が発生します。（図2）。*3
画像参照：図2 水素エネルギー利用の原理｜資源エネルギー庁
図2の化学反応を利用したものが、エネファームや燃料電池自動車（FCV）などで使用されている燃料電池です。
水素の化学反応によって発生するのは水のみで、CO2は排出されません。このように、水素は利用する際のCO2排出量がゼロであることから、究極のクリーンエネルギーとも呼ばれています。*2
しかし、水素はさまざまなものに含まれているものの、水素単体としては自然界に存在していません。そのため、あくまでも水素は二次エネルギーであり、「水素を取り出す」という加工が必要になります。
水素を取り出す方法はさまざまで、製造工程でCO2を排出するものをグレー水素、排出したCO2を回収・貯留するものをブルー水素、CO2を排出しないものをグリーン水素と分類しています。（図3）。*4
画像参照：図3 グレー水素・ブルー水素・グリーン水素｜資源エネルギー庁
つまり水素は製造方法によっては、CO2を排出しないわけではなく、化石燃料への依存も解消されません。水素エネルギーによって脱炭素社会を実現するには、再生可能エネルギーによるグリーン水素製造を推進していくことが鍵となります。
水素活用によって解決する日本のエネルギー問題
水素エネルギーの利用によって、エネルギー自給率の低さや災害リスクなどの日本特有のエネルギー問題の解決にも貢献します。石油・石炭・天然ガスなどの資源に乏しい日本は、世界各国と比較してエネルギー自給率が低い国です（図4）。*5
画像参照：図4 主要国の一次エネルギー自給率比較（2019年）｜資源エネルギー庁
さらに日本は地震や豪雨災害などの自然災害が多く、近年は気候変動によって激甚化しているため、大規模停電のリスクも高まっています。
化石燃料に依存しないグリーン水素の大量生産が可能になれば、日本のエネルギー自給率の向上にもつながります。エネルギー資源を輸入に頼ることもなくなるため、国際情勢の悪化によって、安定供給を脅かされることもありません。
さらに、水素は貯蔵・輸送ができるという特徴があるため、災害に強いというメリットがあります。水素は大量に長期間貯蔵することができるため、夏季の日照時間が長い時期に太陽光発電でつくられた電気を、災害に備えて貯めておくことができます（図5）。*6
水素社会実現の可能性とは
水素エネルギー普及における課題
水素社会の実現に向けて、課題となっているのはコストの低減とインフラの整備です。2017年に策定された水素基本戦略においては、1Nm3（1ノルマルリューベ＝気体の標準状態での1m3）あたり100円のコストを2030年には30円/Nm3、2050年までには20円/Nm3にまで減らすことを目標としています。
コストの低減のためには、安価な水素の調達、大量製造・大量輸送が可能な水素サプライチェーンの構築が条件となります。そして水素の大量利用が進み、スケールメリットが生まれれば、さらなるコストダウンが期待できます。*7
次の図6で示すように、発電容量が増えれば増えるほど、コストが低減していくという好循環が実現します。*8
インフラ整備に関しても同様で、水素ステーションの普及には事業性確保の観点から、水素を利用する燃料電池自動車の増加が鍵となります。
しかし全国各地で水素ステーションの整備が進まなければ、そもそも燃料電池自動車を選択する人は増えないでしょう。水素普及のためのインフラ整備に関しては「鶏が先か、卵が先か」という因果性のジレンマが存在していると言えるかもしれません。
また、CO2を排出しないグリーン水素の製造には再生可能エネルギーによる余剰電力が必要です。しかし、現状として日本は欧州などと比較して再生可能エネルギーの導入が進んでおらず、水素製造ができるほどの余剰電力は発生していません。
再生可能エネルギーの導入が進んでいない理由として、日照条件や風況などの自然条件に恵まれていないことや発電コストの高さなどが考えられます。*9
水素社会を目指した取り組み
水素社会の実現に向けて、国内の企業や自治体などでさまざまな取り組みがおこなわれています。
「水素先進県」を目指している山口県は、 生産工程で副次的に水素が生成される石油精製工場やソーダ工場などのコンビナートが集まっていることから、全国の約9.3%の水素を製造しています（図7）。*10
山口県では全国有数の水素生産量を活かして、水素社会実現に向けた基盤づくりも進めています。水素利用ポテンシャルの高い商業団地や工業団地が集中している山口県周南市では、2015年（平成27年）に中国・四国地方初の水素ステーションが開業しています。*10
コンビナートでの水素製造を起点として、水素ステーションでの貯蔵・供給、そして燃料電池自動車やフォークリフトによる利用までの地産地消型のサプライチェーンを構築しています（図8）。*10
福島県浪江町では、再生可能エネルギーを活用してグリーン水素を製造する「福島水素エネルギー研究フィールド」の実証運用を2020年から開始しています。
世界最大級の水素製造施設を有する福島水素エネルギー研究フィールドでは、1日に約150世帯の電力量、あるいは燃料電池自動車約560台の燃料となる水素を製造可能です（図9）。*11
このプロジェクトでは将来的な再生可能エネルギー導入拡大を見据えた、需給調整システムを導入しています。発電量が季節や天候によって左右される再生可能エネルギーの調整力として水素を活用することで、再生可能エネルギーの利用拡大を目指しています。
まとめ
水素は地球上のいたるところに存在しているため、化石燃料に代わって日本のエネルギーの主力の一つとなる可能性を秘めています。
一方で、水素社会の実現には、技術面やコスト面においてさまざまな課題があります。コストダウンやインフラ整備が進まなければ、消費者に選ばれるエネルギーになることは難しいでしょう。
水素エネルギーを主力電源とする水素社会の実現には、まだ時間がかかるかもしれません。しかし東日本大震災をはじめとした自然災害による電力供給危機を度々経験している日本では、エネルギーのベストミックスを模索し、一つでも多くの選択肢をもつことが重要です。
水素エネルギーはCO2を排出しないだけではなく、災害にも強く、さらに調整力として再生可能エネルギーの導入拡大にも貢献します。気候変動や自然災害に対してレジリエンスを強化したエネルギーシステムを構築するためには、水素エネルギーの活用は重要な要素の一つとなるでしょう。
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参考サイト：
- *1 水素社会の実現に向けて～地域の資源を活かす～｜山口県（PDF）p.3
- *2 知る・学ぶ 水素エネルギー｜NEDO
- *3 あらためて知る「燃料電池」～私にもできるカーボンニュートラルへの貢献（前編）｜資源エネルギー庁
- *4 次世代エネルギー「水素」、そもそもどうやってつくる？｜資源エネルギー庁
- *5 2021−日本が抱えているエネルギー問題（前編）｜資源エネルギー庁
- *6 災害時のエネルギー源としての水素利活用｜気候変動適応情報プラットフォーム
- *7 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
- *8 水素社会の実現に向けた戦略と課題｜中国経済産業局（PDF）p.10
- *9 資源エネルギー庁がお答えします！～再エネについてよくある3つの質問」｜資源エネルギー庁
- *10 「水素先進県」の実現を目指した山口県の取組｜山口県商工労働部新産業振興課（PDF）p.5, p.15, p.17
- *11 福島水素エネルギー研究フィールド｜福島県浪江町（PDF）p.1
