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 現在ほど「カーボンニュートラル」への関心が高まる前から、水素(H2)は次世代のクリーンエネルギーとして注目されてきた。

 水素技術は百花繚乱(ひゃっかりょうらん)の様相を呈している()。再生可能エネルギーによる発電が盛んな国や地域では、水を電気分解して水素を製造する試みが始まっている。水素を貯蔵・運搬する技術も、圧縮水素や液化水素だけではない。運搬技術が確立しているアンモニア(NH3)は、水素の輸送媒体として注目されている。水素吸蔵合金は、高密度かつ安全に水素を貯蔵できるとして期待される。

表 水素に関連する技術や製品の例
水素サプライチェーンの各所でさまざまな技術や製品が登場している。2050年の主流がどれなのか現段階で予想はつかない。(出所:日経ものづくり)
表 水素に関連する技術や製品の例
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 しかし、水素社会に向けては2つの大きな壁が立ちはだかっている。まずは、安価な水素をどうやって製造して運んでくるか。そして、その一連の工程でいかに二酸化炭素(CO2)の排出を抑えるかである。

夢の次世代エネルギー?

 水素の身近な利用例に燃料電池自動車(FCV)がある。水素と酸素(O2)の化学反応で電力を生み出し、モーターを駆動する。最近では、ガソリンの代りに水素を燃焼させる水素エンジン自動車の試みも始まっている。どちらも走行時にCO2を排出しない。

 高炉を抱える鉄鋼業界では、石炭(コークス)の代りに水素で鉄鉱石(酸化鉄)を還元する「水素還元製鉄」に期待がかかる。水素還元なら発生するのはCO2ではなく、水(H2O)になる。同業界のCO2排出量は日本全体の14%弱を占める*1。実用化すれば、製造業の排出量は大きく減る。

*1 環境省と国立環境研究所が21年4月に公表した「2019年度(令和元年度)の温室効果ガス排出量(確報値)」から算出。電気・熱配分後の数値。

 火力発電の燃料としても期待される。発電所や製油所を含むエネルギー転換部門のCO2排出量は、日本全体の約40%を占める*2。天然ガスや石炭を水素で置き換えれば、単純にCO2を減らせるとして、重工各社は水素ガスタービンの開発に力を入れている。

*2 環境省と国立環境研究所が21年12月に公表した「2020年度(令和2年度)の温室効果ガス排出量(速報値)」より。電気・熱配分前の数値。

 夢のエネルギーのように見える水素だが、まずは価格の壁が立ちはだかる。現在、水素の船上引き渡し価格*3は約170円/Nm3。政府の試算によると、天然ガスなどの化石燃料と同等水準になるには、同20~30円/Nm3まで引き下げる必要がある*4

*3 船上引き渡し価格
水素を輸入した場合に、船が日本の港に到着するまでの費用を意味する。貨物の通関、荷下ろし、運送費用等は含まない。
*4 Nm3(ノルマル立方メートル)
0℃、1気圧の標準状態で換算した気体の体積単位。

 例としてFCVをみてみよう(図1)。現在、国内の水素ステーションにおける水素価格は1kgあたりおおむね1100円(税別)。これは同じ距離を走る電気自動車(EV)の電費と比べて2~3倍ほど高い。そもそもFCVが高価だ。トヨタ自動車のFCV「MIRAI」は710万円(税込み)から。20年度末におけるFCVの国内保有台数は約5200台に留まっている*5

図1 燃料電池自動車の関連費用の例
図1 燃料電池自動車の関連費用の例
費用の高さが水素の普及を阻む。図中の価格は政府や自治体の補助金を考慮していない。(写真a:トヨタ自動車、写真b・c:岩谷産業)
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*5 一般社団法人次世代自動車振興センターによる推定値。

問題は製造・輸送でのCO2

 インフラ整備のコストも課題だ。水素ステーションの建設費は1カ所あたり約4億円とされ、同約1億円といわれるガソリンスタンドの4倍にもなる。21年11月時点で稼働する水素ステーションは全国156カ所と、ガソリンスタンドの約2万9000カ所と比べるべくもない。

 現在、国内の水素供給量は年間約200万t。政府は50年に2000万tまで増やす目標を掲げているが、製造だけでなく供給や消費までを含めたサプライチェーン全体でコストダウンを実現しなければ、とても達成できないだろう。

 水素の製造や輸送の段階でのCO2排出も解決すべき課題だ。いくら発電や燃焼時にCO2が出ないといっても、製造・輸送に大量のCO2排出をともなうようでは、脱炭素のためのクリーンエネルギーとは言い難い。実際、水素の製造方法として現在主流の水蒸気改質法は、大量生産に向く一方で、熱源として天然ガスなどの化石燃料を使うため、製造時にCO2を排出する。

 輸送の際も、圧縮したり他の物質に変換したりして運ぶ必要があるが、当然、その工程での変換効率を高めたり、CO2の排出を抑えたりしなければ、水素を使う意味は薄れる。そこで、コストやCO2排出といった課題を解決すべく、表に示したようなさまざまな技術の開発が進められている。どの技術が将来の主流となるのか、現時点では予想できない。

 ただし、どれも最近になっていきなり登場した技術ではない。冒頭に述べたように世界的にカーボンニュートラルの動きが活発化する以前から、地道に研究が進められてきた。その1つが褐炭を使った水素の製造である。