発電、ものづくり、研究分析まで、脱炭素社会の切り札「水素」の現在地

近年、「水素社会」という言葉を耳にすることが多くなりましたが、実際に水素がどこで、どのように使われ始めているのか？という具体的なイメージが沸かないのではないでしょうか。
水素は単なる”未来の燃料”に留まらず、すでに重工業、ものづくり、研究分析といった日本の産業の根幹を支え、変革し始めています。本記事では、水素がカーボンニュートラルの鍵とされる理由から、水素発電や水素ガス利用での実装状況について触れてみたいと思います。

目次

• エネルギーの安定供給とカーボンニュートラルへの期待
• 水素の生産方法と水素の分類
• 水素発電の実装状況
• 水素ガス利用の実装状況
• 水素の課題と将来性

エネルギーの安定供給とカーボンニュートラルへの期待

現在、世界中でカーボンニュートラルへの取り組みが加速しています。
すでに太陽光発電や風力発電へのシフトが進行していますが、天候に左右される供給の不安定さや蓄電システム、環境アセスメントなど、様々な課題を抱えています。そこで注目されているのが「水素」です。
水素が次世代の基幹エネルギーとして注目される理由は3つの優位性にあります。

環境負荷の低さ(CO2排出ゼロ)

水素は燃焼しても酸素と結びついて水に変わるだけです。二酸化炭素を一切排出しない究極のクリーンエネルギーです。

得やすい資源と貯蔵による安定供給

水素は水や多様な資源から製造できるため、日本にとっては特定の国からの輸入に依存するリスクを低減できます。また、水素は貯蔵や運搬ができるため非常用の備蓄にも最適です。

コントロール可能な安全性

水素は爆発しやすい、というイメージが先行しがちですが、実は極めて軽いため漏洩しても大気中に急速に拡散する性質があります。適切な換気構造と安全装置、そして低圧運用などを組み合わせることで、安全にコントロールすることが可能です。

水素の生産方法と水素の分類

水素の生産方法は主に2つです。

改質

天然ガスや石炭から発生させたガスから水素を取り出す方法です。
その際に発生するCO2を、大気に排出する場合はグレー水素、CO2を回収・貯蔵処理をする場合はブルー水素と呼ばれています。
すでに工業分野で利用されており、家庭用燃料電池(エネファーム)も都市ガスから作られた水素を利用しています。

水電解

水を電気で分解して水素を生産する方法は水電解方式と呼ばれ、中でも分解時の電気を太陽光などの再エネで賄ったものがグリーン水素と呼ばれています。

改質や水電解で生産された水素は主に、
・タービンや燃料電池による発電利用
・製鉄炉などでの大規模な熱源利用
・バーナーや研究分析装置などのガス利用
などでの活用が促進されており、現在利用されている水素の多くをグレー水素が占めています。

水素発電の実装状況

水素ガス発電、特に大型の水素発電においては、主に以下の2つのアプローチでの運用・開発が進んでいます。

水素タービン発電(大規模・集中型)

水素を燃焼させたガスや蒸気でタービンを回して発電するシステムです。
天然ガスなどに水素を混ぜて燃焼させる「混焼」が大阪関西万博などでも試験運用されました。化石燃料を削減できるためCO2排出量の削減できますが、現在は重工業大手が主導し、水素100%でタービンを回す「専焼」へのシフトが進められています。

燃料電池発電(分散型・高効率)

水素と酸素を化学反応させて直接電気を取り出すシステムです。
燃焼を伴わないため発電効率が高い特徴があります。福島県に世界最大級の水素生産施設が建設され、生産した水素を運搬して、工場や商業施設、燃料電池バスなど、生産地以外で「分散型電源」として利用するなど、社会実装が進んでいます。

水素ガス利用の実装状況

水素の価値は発電用途だけではありません。熱需要の高い産業や、精密な現場において「ガスそのもの」としての利用も定着しています。

重工業分野での熱利用

鉄鋼業ではコークスの代わりに水素を使って鉄鉱石から鉄を精錬する水素還元製鉄の開発や、すでに石油コンビナートでは原油から硫黄分を取り除く脱硫に利用されるなど、重工業での開発・利用が進んでいます。

ものづくり分野での利用

水素バーナーは化石燃料に比べて燃焼速度が速く、短時間で局所的に高温に達するため、金属の接合(ろう付)やガラス加工などに適しており、煤(すす)が出ないため、石英ガラスの加工などの品質向上にも寄与します。他にも半導体洗浄用の水素水にも利用されています。

研究・分析分野での利用

分析化学の現場ではガスクロマトグラフにおけるFID(水素炎イオン化検出器)の燃料ガスや代替キャリアガス、ICP発光分光・質量分析用の衝突ガス、医療分野では吸入療法にも利用されるなど、高純度水素ガスは不可欠となっています。

水素の課題と将来性

期待の大きい水素ですが、社会全体へ完全に普及するためには、乗り越えるべき課題も存在します。

コスト

環境負荷が低いブルー水素やグリーン水素は高コストのため、CO2を出さずに(最小限に)いかに大量の水素を作るか、大規模化による効率化や複数企業による競争がカギとなります。

供給インフラ

水素は軽くて体積が大きい気体であるため、大量の輸送や貯蔵には超低温液化や高圧圧縮などの処理が必要となることや、燃料電池車用の水素ステーションの整備など、サプライチェーンの要となるインフラが圧倒的に不足しています。

運用・規制

水素は危険物としての法規制を受けるため、取り扱い有資格者の配置、設置場所の制限、高価な安全設備などが求められ、中小企業や一般の事業所への普及を難しくしています。

まとめ

ここまでお読みの方は、水素の生産に化石燃料を使用したり電力を必要とすることに、カーボンニュートラルへの矛盾を感じる方もいらっしゃると思います。
確かに現時点では、化石燃料や自然エネルギーを水素に変換して貯蔵・運搬するという役割が大きいように感じます。
いずれにしても本当の意味での水素エネルギーの本格実装はまだまだ初期段階で、自然エネルギーの構成比が大半を占める時に花を咲かせる準備とも言えるのではないでしょうか。

そのため日本政府も「水素基本戦略」のもと15兆円の投資を行い、ブルー水素やグリーン水素を大規模に社会実装するための官民プロジェクトや環境整備を進めています。
また、長距離の輸送インフラを必要とせず、使用場所で水から水素を自給自足する「オンサイト型」の導入が民間企業を中心に進められています。

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オリオン機械 水素ガス発生装置/PGH05A

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