グリーン水素導入のためのインフラ拡大

温室効果ガス削減の世界的な機運の高まりよって、特に再生可能エネルギー源で製造されるグリーン水素が注目されています。未だ黎明期にあるとは言え、水素経済には、より持続可能な物流、製造、および効率的なエネルギーの生産・貯蔵を実現できる可能性が秘められています。しかし、これらの恩恵を享受するには、水素製造後のインフラに関するいくつかの課題を克服する必要があります。

グリーン水素が広く普及するには、研究開発、製造や消費に関する企業間連携、強固な政策の枠組みへの継続的投資が必要です。

さらに、水素は材質が適合しないパイプラインや貯蔵インフラを脆弱にするだけでなく、燃焼時に炎がほとんど目視できないため、発火個所を特定するのが非常に困難であり、安全面のリスクがあります。水素ガスは最小の分子であるため、漏れやすいという特性があります。そのため、安全かつ効率的に輸送および貯蔵を行うには、特殊なシーリング材料とシーリング技法を使用する必要があります。さらに、水素は材質が適合していないパイプラインや槽インフラを脆化するだけでなく、燃焼時に炎がほとんど目視できないため、日中は発火個所を特定するのが非常に困難であり、安全性のリスクをもたらします。

貯蔵および輸送においても、物流の複雑さが問題となります。水素の体積当たりのエネルギー密度は天然ガスや液体化石燃料よりも小さいため、貯蔵タンクや輸送用タンクのように空間が限らる場合は、最大70 MPa（10,500 psi）での圧縮または-253°C（-423.4°F）以下の温度で液化する必要があります。いずれの場合も、水素のハンドリングには多大なエネルギーが必要なため、水素の長期間貯蔵や輸送には設備、エネルギー、コストに関する要件が増大します。

パイプラインの課題解決には、水素による脆弱化に耐性のある特殊素材への変更が必要となり、貯蔵や輸送に関する難問に対処するには、複雑なエネルギー効率の計算や多くの変数に基づいた意思決定が必要となります。

昨今、水素製造は、そのほとんどが水蒸気メタン改質法または自己熱改質法といったプロセスによる化石燃料からの抽出に依存しています。これらの非常にシンプルなプロセスで製造される水素はグレー水素と呼ばれています。グレー水素という名前は、製造プロセスで発生する二酸化炭素やその他の温室効果ガスが、水素がもたらす環境面でのメリットを帳消しにしてしまうことに由来しています。製造プロセスで排出されるガスを回収して製造する水素はブルー水素と呼ばれますが、排出ガスの回収、輸送、貯蔵のコストが高額になります。

グリーン水素の製造は、これらの問題の解決策となりますが、電解槽（一般的にはプロトン交換膜電解槽またはアルカリ電解槽）の容量、グリッドインフラ、およびその他のエコシステムへの投資が必要です。電気分解では、電気を使用して水の分子をその構成物質である水素と酸素に分離し、水素を回収、酸素は大気中に放出するか、他の用途向に活用します。風力、太陽光、水力などの再生可能エネルギーを使用した水素は、持続可能なグリーン水素と呼ばれます。

グリーン水素を使用して発電された電気をグリッドに供給するには、新しいエネルギーインフラの構築や、既存の給電システムへのシームレスな統合といった課題があります。この統合の必要性は急速に高まっています。再生可能エネルギーへの需要は高まっていますが、再生可能エネルギーの断続的な供給では必ずしも需要を満たせないため、スマートグリッドやエネルギー貯蔵ソリューション、およびインテリジェントなエネルギー管理システムに関心が注がれています。

エネルギー単位当たりのコストに関し、水素は従来の化石燃料に劣りますが、今後数十年の間に水素価格が下落することが期待されています。これには、製造や使用における技術の進歩、官民のインフラ投資、安全手順の標準化が必須事項です。

前述のような課題があるとは言え、ネットゼロ実現の可能性を持つグリーン水素社会の推進が期待されています。クリーンな製造手法に加え、水素の燃焼後の排出物が水蒸気であるため、水素はネットゼロ目標の達成と気候変動緩和のために重要な物質です。

さらに、水素は短期貯蔵においては発電効率が劣る代わりに、蓄電池のようなエネルギー劣化を起こすことなく、さまざまな形態で長期貯蔵が可能であり、直接的な太陽光や風力による再生可能発電の断続性の問題に対処できます。貯蔵された水素は、グリッドの安定性と信頼性を高めるためのピーク需要時の発電や、車両または産業プロセスへの動力源に活用できます。再生可能エネルギーを柔軟に貯蔵および送電できる能力は、再生可能エネルギーによるパワーグリッドの運用を成功させる上で重要な要素です。

発電に加え、水素には大型車や産業プロセスの燃料から、住居やビルの暖房に至るまで、幅広い用途があります。輸送分野では、蓄電池を搭載した電動車両よりも格段に走行距離が長く、燃料補給も高速なため水素燃料電池自動車がディーゼルトラックやバスのゼロエミッション代替輸送手段となります。電動車両のバッテリ重量と充電時間の長さは、特に長距離トラック輸送では物流と経済性の面で障害となります。

産業分野では、水素はアンモニアや他の化学製品のクリーンな原料として使用でき、製鉄、セメント、および肥料製造といった分野では化石燃料ベースのプロセスへの依存を低減することが可能です。

各国政府は、水素の変革的な可能性を認知しており、導入を加速するための政策や奨励策を施行しています。例えば、研究開発費への直接的な助成、水素の製造および使用に対する税額控除、移行時の代替手段として使用できる場合は、既存の天然ガスネットワークへの水素混合の義務化が挙げられます。

例えば、欧州連合は2030年までに容量が40ギガワットの電解槽の設置を計画するなど、完全な水素バリューチェーン確立を目的とした水素戦略を発表しています 。また、日本と韓国の両国は、水素をエネルギー源とする社会へと移り変わる野心的な計画を発表しています 。規格や規制を調整し、国家間の水素貿易を容易にするための国際協力も始まっています。

水素社会の完全な実現のタイムラインは未だ不明確ですが、ほとんどの専門家が今後数十年で著しく成長すると予測しています。世界中の企業のCEOが主導するHydrogen Councilは、2050年までに世界のエネルギー需要の最大24％を水素で供給でき、市場規模は年間で2兆5000億ドルに上ると予想しています 。この成長は、水素の製造や貯蔵における技術の進歩、再生可能エネルギー価格の下落、政府による気候変動対策の強化といった複合的な要素によって促進する必要があります。

グリーン水素社会実現の可否は、再生可能エネルギー源の可用性、および効率的なインフラ開発によっても左右されます。現在のグリーン水素製造は政府の奨励策によって手厚く支援されていますが、技術の向上、スケールメリットの達成、水素の世界需要の増大によってコストは下落すると予想されています。例えば、米国政府はコストを2026年までに2米ドル/kg、2031年までに1米ドル/kgとすることを目標にしています 。

この20年間での蓄電池と太陽光パネルの進歩と同様に、近い将来、水素エネルギー技術は未だ見ぬ効率化と成長の機会を提供します。製造コストの低下とインフラの拡大により、水素は徐々に他の分野でも使用されるようになり、最終的にはエネルギーシステムからの二酸化炭素排出を低減することが期待されています。

水素エネルギー市場拡大の可否は、研究機関、政府、および産業界の利害関係者間の連携によって左右されます。投資を呼び込み、低炭素イノベーションを成長させるには、長期的な確実性が担保され、明確で一貫性のある政策の枠組みが不可欠である一方、世界的な規格や規制を策定し、国家間の水素貿易を容易にするための国際協力が重要です。

既存の化石燃料エネルギーと並行して水素を広く普及させるには、奨励金や補助金を活用した研究開発の取組みに加えて、電解槽の効率向上やコスト削減、よりエネルギー効率の高い水素加圧および液化技術の開発、新しいパイプラインの建設といった技術的な障壁を克服する必要があります。

最後に、水素の安全な製造、貯蔵、および取扱いに関する規格策定、政治的施策、教育を継続することが、不可欠な社会的信頼の形成に役立ち、水素のクリーンエネルギーとしての可能性に関する好意的な世論の醸成につながります。普及については大きな課題が残されていますが、水素経済の展望は開けています。インフラ制約の解消、技術開発の促進、および政府による支援策の実施により、グリーン水素は今後数十年間で二酸化炭素排出量削減の重要な役割を果たすことが可能です。