次世代エネルギー「水素」、そもそもどうやってつくる?

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使用してもCO2を排出しない次世代のエネルギーとして期待される水素(「『水素エネルギー』は何がどのようにすごいのか?」参照)。水はもちろん、石炭やガスなど多様な資源からつくることができる点も大きな特徴であり利点です。では、それらの資源からどうやって水素を製造するのでしょう?今回は、水素社会の実現のために重要な、“水素をつくる”方法についてご紹介しましょう。

水素には「グレー」「ブルー」「グリーン」がある?!

水素が大量につくられ、自動車など輸送の動力源として、あるいは発電のエネルギー源として、さまざまなところで利用される「水素社会」。この水素社会をつくっていくためには、「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』」でもご紹介したように、水素をつくったり運んだりする際にかかるコストを低減していくことが必要であり、そのためには以下の3つを実現していくことが求められます。

水素の低コスト化のための3条件
リストアイコン ①安価な原料を使って水素をつくる
リストアイコン ②水素の大量製造や大量輸送を可能にするサプライチェーンを構築する
リストアイコン ③燃料電池自動車(FCV)や発電、産業利用などで大量に水素を利用する

このうち①については、“多様な資源からつくることが可能”という水素の特徴を生かして、あまり使用されておらず安価な「褐炭」(低品位な石炭)や、未使用のガスなどを原料として使う研究が進められています。

このような、化石燃料をベースとしてつくられた水素は「グレー水素」と呼ばれます。また最近では、水素の製造工程で排出されたCO2について、回収して貯留したり利用したりする「CCS」「CCUS」技術(「知っておきたいエネルギーの基礎用語 ~CO2を集めて埋めて役立てる『CCUS』」参照)と組み合わせることで、排出量を削減する手法が研究されています。このような手法で製造工程のCO2排出をおさえた水素は「ブルー水素」と呼ばれます。

さらに、再生可能エネルギー(再エネ)などを使って、製造工程においてもCO2を排出せずにつくられた水素は、「グリーン水素」と呼ばれます。

ガスから水素をつくる「改質法」、水から水素をつくる「電解法」

グレー水素やブルー水素といった化石燃料をベースとした水素をつくる場合には、化石燃料を燃焼させてガスにし、そのガスの中から水素をとりだす「改質」と呼ばれる製造方法がとられています。メタンガスなどを改質して水素をつくる方法(水蒸気改質法)は、すでに工業分野で広く利用されています。

改質法はすでに確立されている技術ですから、これを大規模化し、褐炭などの安価な原料を使って水素の低コスト化を実現することができれば、水素の普及拡大や供給安定に役立つと見られています。ちなみに、みなさんの家にある、家庭用燃料電池(エネファーム)も、都市ガスから水素をとりだす「改質」をおこなっています。

一方、水を「電解」つまり電気で分解して水素をつくる製造方法もあります。ここで再エネ由来の電力を利用すれば、グリーン水素をつくることができます。ただ、水を電気で分解するには大規模な量の電力が必要となるため、できるかぎり安価な電力を使用することができれば、そのコストを抑えることが可能となります。また、電解をおこなう「水電解装置」の開発を進めることで、装置そのもののコストを低減することも重要です。

福島の研究成果も活かして、さまざまな水素製造技術を開発

スペシャルコンテンツでもこれまでご紹介してきた、2020年3月に福島県浪江町に開所した「福島水素エネルギー研究フィールド(FH2R)」は、世界有数の水電解装置をそなえており、再エネなどから水素を大規模に製造する実証プロジェクトが進められています。

また、電力市場での価格は変動するため、電力の需要量や供給量のデータなどをもとに、柔軟に水電解装置を稼働して水素の製造量を最適化する「エネルギーマネジメントシステム」の実証なども実施されています。

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福島水素エネルギー研究フィールド(FH2R)
(出典)東芝エネルギーシステムズ株式会社

さらに、福島水素エネルギー研究フィールドでの研究成果もふまえ、脱炭素化に取り組む企業などを支援する「グリーンイノベーション基金」を活用して、水電解装置のさらなる技術開発にも取り組む予定です。

具体的には、水電解装置の大型化や、すぐれた部材の装置への実装などを通じて、装置コストのいっそうの低減(現在の最大6分の1程度)をめざします。また、水電解装置の開発とあわせて、電化がむずかしい熱需要や、基礎化学品の製造プロセスをふくむ化学分野などの脱炭素化にむけた実証をおこないます。

なお、現在実用化されている水電解装置には、「水酸化カリウム」の強アルカリ溶液を使用する「アルカリ型水電解装置」と、純水を使用する「固体高分子(PEM)型水電解装置」の2種類があります。福島で実証が進められているのはアルカリ型で、固体高分子型については、山梨県甲府市で国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)による実証が進められています。現在、コストや稼働時間の観点からはアルカリ型のほうがすぐれており、発電量が気象に大きな影響を受ける再エネに対する柔軟性やコンパクト化の観点からは固体高分子型がすぐれているとみられています。また、研究段階のものとして、「固体酸化物型水電解(SOEC)装置」もあります。

「アルカリ型水電解装置」(左)と「固体高分子(PEM)型水電解装置」(右)のしくみ
アルカリ型水電解装置と固体高分子(PEM)型水電解装置のしくみを図であらわしています。

(出典)国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)  
「NEDO水素エネルギー白書」

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私たちの身近で広く水素が利用されているような水素社会をつくるためには、さまざまな技術の貢献による、水素の製造量拡大や低コスト化が必須です。これからも、世界に先がけた水素社会の実現に向けて、技術開発を促進していきます。

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