サステナブルなグリーン水素の製造

さまざまな水素製造方法の中でも、グリーン水素はサステナブルな方法です。太陽光、風力、水力などの再生可能エネルギー源のみで製造されるグリーン水素は、製造から燃焼までカーボンニュートラルな燃料です。 この点において、グリーン水素は化石燃料由来のグレー水素など他種の水素と一線を画しています。

電気を使用して水分子を構成要素の水素と酸素に分離する電気分解が、グリーン水素製造の基盤となります。しかし、容量、効率、およびコストの課題が、製造の急速な拡大を阻んでいます。

電気分解は、電解槽内で電気化学反応とイオン輸送を発生させるプロセスです。電解槽には、電解質を挟んで陽極と陰極の2つの電極が取り付けられています。電解質には溶液（アルカリ電解槽）または固体のメンブレン（PEM）が使用され、電子の流れを抑制しつつイオンの通過を促します。電解質はイオン移動度、化学的安定性、および電極の材質との親和性といった要素に基づいて慎重に選定する必要があります。

電解槽内の水に直流電流を印加すると、陽極と陰極の間に電位差が生じます。正電位の特性を持つ陽極では、水分子（H₂O) が酸化反応し、電子を失います。これによって酸素ガス（O₂）と水素の陽イオン（プロトン、H+）が発生し、電子が外部回路に放出されます。プロトン交換膜電解槽で発生するこの反応は、以下の化学式で表せます。

2 H₂O(l) → O₂(g) + 4 H+(aq) + 4 e−

H+（プロトン）は電位勾配により、電解質を通過して負に荷電した陰極に移動します。陰極は還元反応を促進します。還元反応では、プロトンが外部回路から電子を受け取って電荷を中和し、二原子の水素ガス（H₂）が形成されます。

2 H+(aq) + 2 e− → H₂(g)

電気分解反応で発生する陽極酸化と陰極還元は、以下のように表せます。

2 H₂O(l) → 2 H₂(g) + O₂(g)

このプロセスの効率性が、グリーン水素製造のコスト面での実用性を大きく左右します。以下のような要素が効率性に影響を与えます。

• システム内で維持される動作温度、圧力、および水の純度の正確な測定
• 希望する速度での反応促進に必要な過電圧
• 電解槽内のイオン輸送抵抗による抵抗損
• 電極表面の反応物質の可用性を左右するマストランスポートリミテーション

これらの変動要素を最適化するには、慎重な材質選定、電極アーキテクチャの設計、およびすべての関連パラメータの測定と制御が必要です。現在、さまざまな電解槽技術が開発されていますが、PEMとアルカリ電解槽が技術的に最も成熟しており、広く普及しています。

固体の高分子膜を電解質として使用するPEM電解槽は、エネルギー効率、印加される電力の変動に対する応答時間、コンパクトな設計など複数の点で、電解液を使用する技術よりも優れています。これらの特長によりPEM電解槽は、太陽光や風力などの電力出力が大きく変動する再生可能エネルギーとの統合に最適です。また、一般的にPEM電解槽は、最終用途で高い純度が求められるラボやその他の工程で使用されます。

電解液を使用するアルカリ電解槽は、PEM方式と比較すると効率面では劣りますが、コスト面では優れており、運用ライフサイクルが長く、純度がより低い水も使用できます。これらの特長により、アルカリ電解槽はコストと製造量を重視する大規模なグリーン水素製造施設で多く使用されています。

開発中の他の技術として、高温または固体酸化物形電解や、アニオン交換膜が挙げられます。いずれも、用途によっては競争力の高い水素製造技術となり得ます。

バリューチェーン全体のサステナブルな燃料として魅力があるグリーン水素ですが、その製造にはいくつかの課題が存在します。

まず、特にPEM電解槽を使用した製造は、水蒸気メタン改質法や自己熱改質法によるグレー水素やブルー水素の製造と比較するとコストが高額になります。さらに、水素は天然ガスやその他の化石燃料よりもエネルギー密度が低く、水素による発電プロセスのエネルギー単位当たりのコストが化石燃料による発電プロセスよりも高くなります。

スタックを利用した場合、電解槽の効率が約70％向上します。 この手法は、効率改善を目的とした固体酸化物形電解（SOEC）などの新しい技術で利用されています。しかし、他のシステムと同様、プラントの全体的な効率は使用する技術だけでなく、プラントにおける水素の冷却、乾燥、処理、および圧縮のバランスにも左右されます。また、電気分解の実用規模への拡大に必要な再生可能エネルギーの供給が不足しているため、インフラへの追加投資が必要です。

さらに、水素の輸送や貯蔵は複雑です。これは、可燃性が非常に高い水素を扱うために専用設計されたパイプラインや貯蔵タンクが必要になるためです。現在のインフラは主に天然ガス向けに設計されており、これを特有の特性を持つ水素向けにスムーズに転用することは、残念ながらできません。水素原子は最小の元素であるため、二原子水素ガスを輸送するには、漏れを防ぐための精巧なパイプライン、バルブ、およびガスケットシールが必要です。また、水素原子が格納容器の内部構造に付着することで、さまざまな金属が脆化するため、材質が適切でないと耐圧性が低下し、割れが進行します。

これらの問題に対処するには、戦略的なプランニング、公的機関や個人投資家からの経済的支援、および継続的な技術革新が必要です。コスト面での問題はありますが、電解槽の設置は加速し始めています。2022年の年末までに、水素製造用電解槽の出力容量は約11 GWに達し、2030年までには170～365 GW規模に達すると期待されています。

また、電解槽を最適化する取組みにより、向こう数十年間のうちに規模の効率性、研究、および効率改善によってコストが低下すると予想されています。この取組みには、再生エネルギーからのより多くのエネルギー回収や、運用中に発生するエネルギー損失の回収が含まれます。水の電気分解の逆の原理を利用した水素燃料電池などの類似技術も大きく進歩することが期待されるため、ノウハウが蓄積されると考えられます。

水素の製造のみならず、水素専用のインフラも重要になります。代替動力源としての水素の可能性の実現は、水素の輸送および利用可能な状態への変換に必要な仕組みをスケールアップできるかにかかっています。

水素のエネルギーキャリアとしての多様性と、排出削減が困難な産業分野における二酸化炭素排出量削減の可能性により、水素の世界需要は今後20～30年間は成長が予想されています。特に輸送および発電分野は、化石燃料のクリーンな代替エネルギーとしてグリーン水素の導入に前向きです。

輸送分野では、グリーン水素を使用した燃料電池が、カーボンニュートラルなトラック、バス、そして航空機での商業輸送に対する有望なソリューションとなっています。このソリューションは特に、蓄電池を使用する電気自動車において航続距離、発電、および重量の点で制約を受ける長距離輸送に適しています。

産業分野では、製鉄、セメント、およびアンモニア製造といった大量のエネルギーを消費するプロセスにおいて化石燃料の代わりに水素を使用することで、カーボンフットプリントの削減が可能になります。さらに発電分野では、太陽光発電や風力発電の間欠性の問題や、蓄電池のエネルギー密度および劣化の問題の解決策として、拡大する再生可能エネルギーインフラからのエネルギーを貯蔵するためにグリーン水素が大規模に活用されることが予想されます。

天然ガス供給システムに水素を混合し、大気中への二酸化炭素排出を削減する試みも行われています。ガスを燃焼させるストーブ、暖房システム、衣類乾燥機などの機器では、水素を最大20％混合した天然ガスを燃焼させることが可能です。しかし多くの場合、水素の混合割合の上限値はガスのインフラによる制約です。最新設計のガスタービンやガスエンジンを使用した場合、発電所では燃料源として天然ガスに水素を最大50%混合できます。また、小型のタービンでは天然ガスを混合せず、純度100％の水素を燃焼できるものもあります。

スペインの先駆的な多国籍公益企業であるIberdrola社は、世界中で60以上のグリーン水素プロジェクトを立ち上げており、水素経済での自信を示しています。 これらのプロジェクトは肥料製造からグリーンアンモニア合成、重貨物輸送にいたるまで幅広い分野に及んでおり、クリーンエネルギーソリューションとしてのグリーン水素の多様性を示しています。

特に、Iberdrola社はヨーロッパ最大のグリーン水素プラントを建設しており、ここで製造された水素は主に肥料向けアンモニアの製造に使用される予定です。これによって、二酸化炭素排出量の多いアンモニア製造分野による環境への影響を軽減することが期待されています。このランドマークとも言えるプロジェクトの大きな特長は、二酸化炭素排出量の削減が最も困難な産業分野においても排出量を削減できる、グリーン水素の可能性にあります。

政府によるイニシアチブも、グリーン水素の普及を加速するために重要な役割を果たします。米国エネルギー省（DOE）によるHyBlendイニシアチブ は、どうすれば水素と天然ガスを安全に混合でき、既存のパイプラインで輸送できるかを研究することで、グリーン水素の普及を推進しています。グリーン水素の供給をより低価格かつ大規模に行うことを目標に、パイプラインの互換性、材質の安全性、およびコスト削減に焦点を当てた研究が行われています。

グリーン水素はクリーンエネルギー革命において基礎を成すものであり、技術の進歩と共に重要性がさらに増しています。しかし、グリーン水素の恩恵を享受するには、製造、貯蔵、輸送、およびインフラに関する現状の課題を克服する必要があり、研究開発へのさらなる投資、官民の戦略的な協力、および政府による支援策が求められます。

再生可能エネルギーや水素インフラの拡大、電解槽効率の向上、および政策の充実に伴い、グリーン水素製造のコストは低減し、普及を阻むコストの問題が解決されます。野心的なプロジェクトや革新的なソリューションによる水素経済を実現し、よりサステナブルな未来のために二酸化炭素排出量を削減するには、より未来志向の企業とより積極的なイニシアチブが求められます。