水素エネルギーによる発電の仕組み

水素を利用した発電は主に2つの方法で行われます。すなわち、燃料電池と水素使用向けに改造された燃焼タービンです。燃料電池技術は電気化学的プロセスによって電力を生成するものであり、排熱回収システムと組み合わせることで、効率は約60％に達します。もともと天然ガス用に設計された多くの既存の燃焼タービンは、現在では水素混合ガス、あるいは純水素さえも扱えるようになっており、送電網の運営者にとって電力供給の安定化に必要な柔軟性を提供しています。グリーン水素の製造は、風力や太陽光などの再生可能エネルギーを使って、電解というプロセスにより水分子を分解することによって行われます。このグリーン水素は、再生可能エネルギーの供給が減少した際に再び電気に変換できるよう、必要になるまで貯蔵されます。例えばドイツでは、複数の洋上風力発電設備がすでにグリーン水素を生産しています。こうしたプロジェクトは、特定の実証地域において石炭火力発電所への依存度を約40％削減することに成功していますが、結果は地域の条件や導入の詳細によって異なります。

既存の電力網への水素の統合

水素は、電力網を安定させたままクリーンにするのに役立ちます。再生可能エネルギーが過剰になる際、水素はそのエネルギーを蓄え、需要が高まったときに再び供給します。デンマークの事例では、パイロットプロジェクトにより、塩穴に水素を貯蔵することで、年間15〜20％程度のエネルギー損失を削減できることが分かっています。太陽光発電所と電解装置が連携するこのようなハイブリッド構成が登場していますが、双方向にエネルギーが流れるシステムにおいてすべてを円滑に連携させるには、非常に高度なエネルギーマネジメントが必要です。カリフォルニア州が進めているRenewable Hydrogen Backboneプロジェクトを見てみましょう。ここでは、近年頻発する酷暑による通常運転の乱れに対応して、実際に水素を使って電力網の安定運用を維持しています。

ケーススタディ：ドイツおよび日本における水素駆動プラント

ドイツのエネルギーパーク・マインツは、6メガワットの電解装置を風力エネルギー源と組み合わせ、毎年約200トンの水素を生成しています。この設備は、1.4MWの燃料電池システムを通じて停電時に約2,000世帯に電力を供給できる能力を持っています。太平洋を越えて、日本はより大規模な施設である福島水素エネルギー研究フィールド（通称FH2R）を開発しました。10MWの出力を備え、これは世界最大のグリーン水素プラントです。東京の一部への電力供給に貢献するだけでなく、研究者たちは海洋を越えた水素輸送の実験にもこれを活用しています。これらのプロジェクトが際立っているのは、約95%という優れた効率性にあります。これらは、電力網のその時々の需要に応じて水素生産量を調整することで、高い性能を実現しています。

基幹電源としての水素の大規模化における課題

基幹電源において水素の役割を制限する主な障壁は3つあります：

• 費用 電解槽の資本コストは、天然ガスタービンのそれと比べて依然として約3倍高いままです。
• 効率損失 電気を水素に変換し、再び電気に戻す往復プロセスでは、30～35％のエネルギー損失が生じます。
• インフラストラクチャ 世界のガスパイプラインの15％未満しか、20％を超える水素混合ガスを安全に輸送できません。

2021年の業界レビューでは、燃料電池の耐久性やパイプラインの脆化が重要な研究開発課題であると指摘し、2040年までに1.2兆ドルのインフラ更新投資が必要になると推定しています。水素は再生可能エネルギーを補完しますが、現時点では広範なベースロード電源としてのコスト競争力には欠けています。

暖房用の水素：産業および家庭用システムの脱炭素化

加熱システムの脱炭素化における水素エネルギーの役割

国際エネルギー機関（IEA）の昨年のデータによると、世界のエネルギー消費に由来するCO2排出量の約40％は暖房によるものであり、そのため多くの専門家が水素を産業用炉や家庭用ボイラーにおける化石燃料の代替として真のゲームチェンジャーと見なしている。水素は燃焼時にほぼ2800度Cという高温を発生するため、鉄鋼生産などの重工業に特に適している。燃料電池式マイクロコージェネレーションシステムに関するいくつかの試験でも、地域熱供給ネットワークに使用した場合に約90％の効率を達成するなど、印象的な結果が得られている。興味深いことに、現在のガスパイプラインの約20％では、インフラに何の変更も加えることなく水素をそのまま使用できるため、この技術がさまざまな分野で迅速に導入される可能性がある。

パイプライン内の天然ガスへの水素混合

既存のガスネットワークへの水素ブレンドは、移行期における現実的な道筋を提供する：

欧州での試験では、20％の混合により年間600万トンの排出削減が可能であることが示されており、安全な運転を維持できる。ただし、水素は体積当たりのエネルギー密度が低いため、混合率が高い場合、流量を15～25％増加させる必要がある。

英国およびオランダでのパイロットプロジェクトにおいて、家庭用暖房への水素利用

英国のHyDeployプログラムでは、約300世帯に対して水素を20％程度混合したガス供給に成功し、多くの人々が満足しているようです。参加者の約8割が満足していると報告しています。オランダではさらに興味深いH2Stad実験が行われ、1,500世帯を完全に水素ボイラーに切り替えました。その結果も非常に印象的で、従来の天然ガスシステムと比較して、暖房関連の排出量がほぼ90％削減されました。こうした試験プログラムは水素が大規模に利用可能であることを示していますが、いくつか懸念点もあります。材料に関する試験によると、パイプラインが常時純水素を輸送する場合、耐用年数が12％から18％程度短くなる可能性があります。決して良い知らせではありませんが、適切な計画により対応可能でしょう。

水素ベースの暖房における効率性と安全性の懸念

水素ボイラーの効率は約85〜90％程度で、天然ガスの約94％と比べてやや低い。しかし水素の特徴は発火エネルギーが非常に小さく、メタンの0.3 mJに対してわずか0.02 mJしか必要としないため、着火しやすい点にある。このため、わずか1％濃度といった極めて微量な漏れを検出できる高精度な漏れ検知システムが不可欠となる。DNVによる2023年の最近の研究によると、水素はポリエチレン管を通常のガスよりも約30倍速く透過する傾向がある。この問題のため、多くの古い配管ネットワークでは、いずれ特別な複合素材ライナーの追加施工が必要になるだろう。また、適切な換気対策も忘れてはならない。建物が正しく改修され、換気が適切に行われれば、爆発の危険性を最大で約92％低減できる。

輸送分野における水素：燃料電池から航空まで

クリーン輸送手段としての水素燃料電池車

燃料電池電気自動車は、セル内部の化学反応によって電力を生成し、排気として基本的に水蒸気を放出するだけです。大きな利点は、給油に5分もかからないことと、再充填が必要になるまで500キロメートル以上走行できることです。長距離トラックや貨物船などの用途では、よりコンパクトなスペースに多くのエネルギーを詰め込めるため、通常のバッテリーよりも優れており、荷物を積む空間を大きく犠牲にすることはありません。トヨタやヒュンダイなどの企業は最近、大型輸送手段向けに水素技術に本格的に投資を始めています。

カリフォルニア州および韓国における水素バス・トラックの導入

カリフォルニア州のH2フロンティアプロジェクトは、2023年以降12の交通圏に50台以上の水素駆動バスを導入し、年間1,200トンの排出量削減を実現しています。韓国では、蔚山（ウルサン）水素ポートで120台の燃料電池トラックがコンテナ輸送に使用されており、近くの洋上風力発電による電解装置がこれを支援しています。

ドイツとフランスにおける水素駆動列車

ドイツのコラディア・イーリント列車は2023年に22万キロメートルの排出ゼロ走行を達成した。フランスのTERオクシタニー線では、15両のディーゼル機関車を水素ハイブリッド列車に置き換えており、屋根に搭載された燃料電池により、非電化路線での航続距離を延長している。

海事および航空分野における新興用途

海事分野では、北海水域で4隻の貨物船が水素由来のアンモニアを燃料として使用しており、重油と比較してCO2排出量を85％削減している。航空分野では、液体水素燃焼で駆動されるゼロエミッション地域航空機が2035年までに就航する予定であり、現在のプロトタイプは750kmの試験飛行を完了している。

水素充填ネットワークにおけるインフラ課題

世界中にある水素ステーションは1,000か所未満であり、その42％がヨーロッパ、38％がアジアに集中している。高圧貯蔵コストは依然として高く、2024年時点で1kgあたり1,800米ドルであるほか、パイプライン材料の脆化問題が大規模な供給網構築の障壁となっている。

グリーン水素の生産：持続可能な方法の進展

グレー水素対ブルー水素対グリーン水素：環境および経済的トレードオフ

水素を製造する方法にはいくつかの異なる方式があり、それぞれに独自の環境影響とコストがあります。グレー水素はメタンの改質（SMR）によって生成され、1kgの水素を製造する際に9〜12kgのCO2を排出します。そのコストは、2023年の国際エネルギー機関（IEA）によると、1kgあたり約1.50〜2.80ドルです。次にブルー水素は、基本的に同じSMRプロセスを使用しつつ、炭素回収技術（CCS）を追加したものです。これにより排出量は約80〜90％削減されますが、コストは1kgあたり約2.50〜4ドルと高くなります。そして最後にグリーン水素は、再生可能エネルギー由来の電気で電解装置を動かして生成されるもので、直接的な排出物が一切ありません。現在のコストは1kgあたり3〜5ドルで、数年前の4〜6ドルからかなり低下しています。

電解技術の進歩によりグリーン水素エネルギー出力が向上

プロトン交換膜（PEM）電解装置の効率は現在75～83％に達しており、2010年の60％から向上しています。アルカリ電解装置は65～70％の効率で運転され、寿命は60,000時間以上です。固体酸化物電解装置（SOEC）は700～900°Cで運転され、試験では85％の効率を達成しており、産業規模でのグリーン水素生産の可能性を示しています（ScienceDirect 2024）。

再生可能エネルギー駆動の水素生産におけるコスト動向とスケーラビリティ

太陽光発電による電解水素の生産コストは2015年以降大幅に下落し、約62%安くなっています。2024年には、価格がキログラムあたり3ドルから4.50ドルの間で推移しています。オーストラリアでは、風力発電所が毎年1,000トン以上のグリーン水素をキログラムあたり約3.80ドルで生産しています。一方、中国では大規模な電解装置の設置が進み、毎年生産コストをさらに下げており、年間で約18%のコスト削減が実現しています。先を見据えると、BloombergNEFは再生可能エネルギーの急速な拡大が続き、世界の新規発電設備のほぼ85％を占めると予想される中で、2030年までにグリーン水素がキログラムあたりわずか1.50ドルに達する可能性があるとしています。

よくある質問

水素を利用した発電の主な方法は何ですか？ 主な方法は、燃料電池と水素対応に改造された燃焼タービンによるものです。
水素は電力系統の安定性にどのように貢献しますか？ 水素は再生可能エネルギーの余剰電力を蓄え、需要が急増する際にそのエネルギーを放出することで、送電網の安定性を確保します。
ベースロード電源として水素を使用することには、現在どのような課題がありますか？ 高コスト、エネルギー変換時の効率損失、インフラの制約が主要な課題です。
水素は暖房システムでどのように使用されますか？ 水素は産業用および家庭用の暖房システムにおいて化石燃料に代わる持続可能な代替手段を提供します。
グリーン水素の生産において、どのような進展がありましたか？ 電解技術の進歩や大規模設備の導入により、コストが大幅に削減され、効率が向上しました。