水素はどのように製造されるのでしょうか？

気候変動に対する世界的な取組みにおいて、産業界が持続可能なエネルギー源を使用するようになり、化石燃料の代替物としてクリーンかつ多用途な水素が脚光を浴びるようになりました。しかし、この燃料の可能性を現実のものとするには、効率、コストパフォーマンス、環境負荷の点で課題を解決できる製造方法の開発・展開が不可欠です。 

水素の最大のデメリットである、従来の化石燃料とは比べ物にならないほど高額な発電単価が普及の足かせとなっています。結果として、水素の製造および利用に関連したオフセットコストを援助する課税優遇装置 や、その他の政府による奨励策 が、水素経済の発展を大きく左右します。 

水素の製造方法は多岐にわたりますが、いずれも実現可能性において技術面、経済面、環境面で課題があります。このページでは、一般的な製造方法、および現在開発中の試験的方法についてご紹介します。 

水素にはエネルギーキャリアとして、以下のようなさまざまな技術的メリットがあります。

• 従来の燃料よりも単位質量当たりのエネルギー含有量が多い 
• 燃料電池で消費される場合、使用時点での二酸化炭素排出量がゼロ 
• 長期貯蔵時のエネルギー劣化がなく、バッテリと比較した場合に大きなメリットとなる 
• 輸送やエネルギー貯蔵を含む、さまざまなアプリケーションにおいて多くの用途がある

しかし、産業への普及には利用可能なインフラやコストの問題など、多くの課題が残されています。

無鉛ガソリンと比較すると、水素は質量当たりのエネルギー密度は勝りますが、体積当たりのエネルギー密度では劣っています。質量当たりでは、水素はエネルギー密度がガソリンの約3倍であり、重量が課題となる長距離移動などのアプリケーションにとっては魅力的です。

しかし、体積当たりのエネルギー密度が低いため、貯蔵に関しては気体水素の圧縮や、極低温技術による液化などを検討する必要があります。これらの方法によって密度を増加させることは可能ですが、運用が複雑で、水素を取り扱いしやすい状態に変化させて維持するにはエネルギーを消費するため、特殊なインフラが必要になります。さらに、水素の可燃性や、分子サイズが小さいために漏れやすいという特性により、バリューチェーン全体に対する厳格な安全基準が求められます。 

現在、産業界で最も広く使用されているグレー水素は、水蒸気メタン改質法（SMR）と自己熱改質用（ATR）のいずれかの熱化学プロセスによって生成されています。

SMRとATRのいずれも、炭化水素を原料とします。一般的に炭化水素原料はメタンを主成分とする天然ガスです。 SMRでは、メタンが改質容器内で予熱され、触媒によって高温の水蒸気（H2O）と結合します。ATRでは、改質容器内で水蒸気と一定量の酸素ガス（O2）が発生し、燃焼が起こります。ATRはSMRとは異なり、メタン改質プロセスに外部からの熱は不要です。 

いずれのプロセスでも、改質容器内において極高温下で、触媒がメタンと水分子の解離を促進し、化学結合を切断します。この熱分解プロセスにより、目的の水素と副産物としての一酸化炭素および微量の二酸化炭素を含む製品ガスが生成されます。炭素ガスは通常、改質容器の直後の吸着床で捕獲され、水素はチャンバまで流れます。水素はチャンバに貯蔵され、需要に応じて使用されます。 

二酸化炭素が大気に放出される場合は、生成される水素は「グレー水素」と呼ばれます。CO₂が隔離される場合、生成される水素は「ブルー水素」となります。

ATRでは外部からの熱が不要なため、SMRよりもエネルギー効率が優れています。さらに、改質容器内に酸素を一定量投与することで、一酸化炭素の生成量を大幅に削減し、SMRよりも純度の高い二酸化炭素を生成させることができます。これにより、理想的なブルー水素製造が実現します。しかし、ATRは特に安全性が問題となる燃焼プロセスに関して、監視や制御がより複雑になります。 

ブルー水素の環境面における実現可能性として、CCSの効果とスケールアップの技術に改善の余地があり開発の鍵です。

ターコイズ水素はメタン熱分解によって生成されます。このプロセスでは900 °C（1652 °F）以上の超高温まで天然ガスを直接加熱し、水素ガスと固体炭素に分離します。副産物である炭素は固体であるため、気体よりも簡単に回収できます。

熱分解に必要な熱を太陽光や地熱のような再生可能なエネルギー源から生成されると、ターコイズ水素はよりクリーンになります。この製造方法は有望ですが未だ初期段階であり、その実現可能性を実証し、回収した炭素を永久的に貯留できるかを検証する大規模な実地試験を行う必要があります。

グリーン水素は太陽光、風力、または水力などの再生可能エネルギーを水電解に使用して生成される、持続可能な水素のゴールドスタンダードとして認識されています。

電解は、電気エネルギーを使用して水分子（H₂O）を水素（H₂）と酸素（O₂）に分解するプロセスです。電解槽は陽極と陰極の2つの電極と、電極間のイオンの流れを円滑化する導電性溶液である電解液で構成されています。 

システム内に直流電気が流れると、電極で還元が発生し、電荷します。これにより、陰極に引き寄せされた電子の隙間を埋めるため、電解液の負に荷電した陰イオンが引き寄せられます。陽極では酸化が起こり、電子が失われ、電解液の正に荷電した陽イオンが陽極に移動します。 

陰極では、正に荷電した水素（H+）原子が電子を獲得して水素ガスが発生し、陽極では水分子が電子を失って酸素ガスを放出するとともに、陰極方向に移動して水素イオンを補填します。 

最終的に、水が水素および酸素ガス分子に分離されます。このグリーン水素は貯蔵され、酸素は無害なため大気中に放出することができます。 

余剰な再生可能エネルギーが存在する場合、余剰エネルギーを無駄にせず、後に必要になった際にグリッドに供給する持続可能な方法をグリーン水素によって実現できます。バッテリに貯留される電力とは異なり、貯留される水素エネルギーは経年劣化しないため、季節を問わず長期的な貯留に適しています。

しかし、熱力学の法則により、水素製造の電解に必要なエネルギーは生成物から得られるエネルギーよりも大きくなります。国立再生可能エネルギー研究所の現在の推定では、電解の効率は約70～80％です。これは、このプロセスを実行するために投入される再生可能エネルギーの一部は、生成される水素内で位置エネルギーとなることを意味しています。

さらに、電解槽インフラは未だ開発途上であり、広く普及させるにはさらなる開発と効率改善が必要です。 

あまり一般的ではないその他の水素製造の方法として、原子力を使用するものや、光触媒によって水を分解するもの、微生物や生化学を利用するものなどがあります。

原子力を使用した水素製造
原子力を使用した電解は、大規模かつ炭素ゼロの水素生成の有力な方法であり、生成される水素は「ピンク水素」と呼ばれますが、この方法はまだ開発が始まったばかりです。原子力発電所は連続運転されるため、水素製造用のエネルギーを安定して供給でき、再生可能エネルギーの非連続性の問題を解決できます。しかし、原子力の安全性、核廃棄物、および核拡散の可能性に関する市民感情が、導入の障害となっています。

光触媒による水分解
太陽エネルギーを直接利用する光触媒による水分解では、電力を使用せずに、光を吸収して水分子を水素と酸素に分離する半導体物質を使用します。光子が当たった光触媒半導体は電子を励起し、植物の光合成のように、化学反応を促進するエネルギーを供給します。

この方法は普及にはほど遠く、コストパフォーマンスに優れた光触媒物質を開発するためには、さらなる研究が必要です。しかし、初期段階のテストでは、この方法は電力を使用した電解よりも格段に効率が良いことが示されています。 

微生物および生化学を利用した水素製造
将来性のあるニッチな製造方法として、バイオ光分解が挙げられます。この方法は自然界に存在する藻類やシアノバクテリアの光合成を活用して、水から水素を生成します。さらに、酵素反応もバイオマスや水からの水素生成を促進できる可能性があります。 

これらの方法は、現在はまだ実験段階ですが、産業由来の温室効果ガスを削減するための効率および実現可能性の基準として水素製造の限界と可能性を探ることは、水素経済の成長にとって重要です。 

水素の効果的製造および使用の実現には、意思決定をするための経済、技術、環境における課題を検討する必要があります。さまざまな水素製造方法の改善および増強により、多様なアプリケーションでの水素の可能性が向上します。 

現在、最も普及しているのはSMRやATRを使用したグレー水素製造ですが、政府の税制優遇策により、環境負荷を緩和する二酸化炭素回収技術によるブルー水素製造が増加しています。再生可能エネルギーによる電解によって生成されるグリーン水素は、より持続可能なソリューションですが、拡張性やコストパフォーマンスの面で、さらなる技術革新が必要です。 

メタン熱分解や光触媒による水分解などの新しい方法は有望な代替方法ですが、まだ初期段階にあり、さらなる研究開発が必要です。持続可能なエネルギーとして水素の可能性を向上させるには、多様な製造方法を取り入れた多面的なアプローチ、政府の支援策や継続的な技術革新が不可欠です。