水素は、H2という化学式で表される、地球上で一番軽い気体です。昨今、水素をエネルギーとして活用するために様々な取り組みが実施されています。水素がエネルギーになる、といわれてもピンと来ないかもしれません。しかし、そのポテンシャルは非常に高く、地球温暖化や大気汚染などの環境問題と、化石燃料にまつわる資源エネルギー問題を同時に解決できる可能性を秘めているのです。
どうして水素が次世代エネルギーの筆頭といわれるほど、期待されているのでしょうか。業界の垣根を超えて研究および実験が進められている水素について、詳しく解説していきたいと思います。
水素エネルギーとはどんなエネルギー？
一般的に、水に電気を流すと電気分解によって、水素（H2）と酸素（O2）が発生しますよね。その化学反応を利用して、逆に水素と酸素を反応させると、電気と水が作られます。この方法で電気を製造する装置を燃料電池といい、モビリティや機械に搭載することで、化石燃料が無くとも使用することが可能になるわけです。
水素エネルギーには、次のようなメリットがあります。
●使用時にCO2を出さない
●様々な資源から作ることができる
●再生可能エネルギーを溜めておける
石油や石炭を燃焼すると二酸化炭素（CO2）を排出しますが、水素をエネルギーとして使用する際にはCO2を出しません。そのため、世界全体の問題となっている地球温暖化問題を食い止める手段として、あらゆる場面での活用が期待されています。また、水素は燃焼して熱エネルギーとして利用する場合でもCO2を排出せず、化石燃料の代替エネルギーになるといわれているのです。
化石燃料は、地球上において限られた資源です。もし世界中で使用し続ければ、そう遠くない未来に枯渇するとの予測も指摘されています。対照的に、水素は水や化合物の状態で地球上に無限に存在しており、製造方法も多様です。日本は資源に乏しい国ですが、水素の活用によってエネルギー資源の多様化と自給率の向上が見込めます。
もう一つ、水素のメリットとして重要なのが、再生可能エネルギーなどから作られた電気を貯蔵しておけることです。いくら蓄電池を用いても大容量の電気を長時間保管するのは難しく、送電ロスも避けられません。水素は、専用のタンクに貯蔵でき、必要な時に燃料電池を通じてエネルギーに変えることができます。
冒頭で水素は地球上で一番軽い気体と説明したので、水素エネルギーがどれくらいのパワーなのか疑問に感じるかもしれません。実は、水素の単位重量当たりの発熱量はガソリンの約2.7倍です。宇宙航空研究開発機構 (JAXA) と三菱重工業が共同開発するロケット「H3」も、液体水素をエンジンとして搭載した機体です。身近なところに限らず、航空機やロケットなど大容量のエネルギーを必要とするモビリティにも、水素が活用できるのです。
水素エネルギーの将来性について解説
水素協議会によると、2030年の世界年間需要は約1億4000万トンと予測されています。これは、2020年から約1.5倍増加する数値です。2040年には需要が4億トン前後に上昇すると推測され、特に中国が大きな割合を占める見込みです。欧州と米国が次に多く、日本の需要は他の先進国と比較すると少ないです。理由として、水素サプライチェーンがまだまだ充分に整備されておらず、水素の安定供給を実現するには時間がかかりそうです。
東京都内では、水素で動く燃料電池自動車やバスが走行を開始するなど、水素を積極的に活用する動きが見られます。他にも日本の川崎重工業が、マイナス253℃に冷却された液体水素を長距離海上輸送する液化水素運搬船を開発しました。低品質な石炭である“褐炭”から水素を生成して、オーストラリアから日本に水素を輸送する計画です。
水素は貯蔵できるエネルギーだと前述しましたが、金属を侵食する働きがあり、貯蔵は簡単ではありません。気体の状態だと体積が非常に大きく、大容量のタンクを多数建造する必要があります。液体水素にすれば800分の1まで小さくなりますが、-253℃の超低温状態を維持するコストが気がかりです。
清水建設は、水素に変えて貯蔵するシステム「Hydro Q-BiC」を開発し、注目を集めています。再生可能エネルギーの余剰電力を水素に変えて水素吸蔵合金に蓄えて、必要に応じて水素を取り出して発電できるものです。100℃程度の比較的低温で加熱すると水素を放出でき、燃料電池などに利用します。
このように、水素エネルギーが普及するには、水素の製造、貯蔵、運搬、供給という、サプライチェーンの構築が必要不可欠です。政府および多くの企業が連携しなければ実現は難しいのは間違いありません。
水素の作り方をトヨタから学ぶ
では、具体的にどのような仕組みで水素を製造するのでしょうか。作り方によって3つの名称に分類されるので、まずはそれを説明します。
①グレー水素
石炭や天然ガスなどの化石燃料を水蒸気と反応させ、高温で分解・改質して生成する水素を指します。化石燃料を用いるため、生成過程でCO2が発生することになります。2024年時点で、生産されている水素の90%以上はグレー水素です。将来、グレー水素の比率を下げていくことが求められます。
②ブルー水素
製造工程はグレー水素と同じですが、発生したCO2を回収あるいは地中に貯留して実質的な排出量を減らした水素を表します。「CCS(Carbon dioxide Capture and Storage)」や「CCUS(Carbon dioxide Capture, Utilization and Storage)」という技術を用いて、CO2排出量を削減するのです。
③グリーン水素
太陽光発電や風力発電など再生可能エネルギーで作られた電力を活用して水を電気分解し、それによって水素を製造する方法です。CO2を一切排出せず、化石燃料を消費しません。水を電気分解するにあたって、真水は電気を通さないため、水酸化カリウムなどの電解質を混ぜるのが一般的です。国内の自動車業界最大手のトヨタ自動車は、「MIRAI」という燃料電池自動車を生産販売しており、この技術を活用して大規模な水電解装置を開発中です。
同社の水電解装置の仕組みを簡潔に説明すると、水を純水製造装置に通して純水にした状態で水電解用セルスタックに送ります。チタンを採用したセパレーターの酸素極から純水が入り込み、電気分解します。スタックにある電解質膜は、水素イオンのみを通す性質を有しており、水素極側から水素を取り出します。同時に生成された酸素は反対側の酸素極から取り出すのです。
トヨタ自動車の水電解装置は耐久性の向上を追求し、約8万時間稼働させても性能を維持できる水準を目指して開発中です。同社は、水電解装置で製造したクリーンな水素を工場で自家消費する“水素地産地消”モデルを構築していきます。
まとめ
水素エネルギーの中でも、再生可能エネルギーにより発電した電力で水を電気分解するグリーン水素は、世界各国で量産計画が進行中です。CO2をまったく排出することなく、大容量のエネルギーを生成できるとなれば、エネルギー業界に大変革が起きるでしょう。ただし、水素を普及させるためには、多くの企業が連携して、サプライチェーンを作り上げないと、一般社会に浸透していきません。私たちが日常生活で水素を当たり前のように使用する時代が、必ずやってくるのです。
