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水素は燃焼してもCO2を排出しないため、クリーンなエネルギーと言われており次世代エネルギー源として注目されています。
水素エネルギーは、建設業界においても革新的な解決策として注目されています。特に大規模な建設プロジェクトにおいて、機械や重機の動力源として水素が利用され始めています。水素を利用することで従来の化石燃料に依存することなく、CO2排出量を大幅に削減することが可能です。
建設現場での水素利用は、クリーンな作業環境を実現し、環境保護規制に対応するための有効な手段となり得ます。しかし、水素エネルギーの導入には高額な初期投資や、安全管理の強化が必要となるため、それらの課題に対する解決策も併せて考慮することが重要です。
本記事では、水素エネルギーの基礎を解説すると共に、水素を使用するとどのようなメリットとデメリットがあるか説明しますので、是非参考にしてみてください。
目次
水素エネルギーとは？
水素は酸素と結びつくとエネルギーを放出します。この時得られるエネルギーを水素エネルギーと言います。
水素は現在、水の電気分解と化石燃料の水蒸気改質の大きく二つの方法から製造されています。その他にも汚泥や廃プラスチックから水素を取り出す方法なども開発されつつあります。
水素エネルギーの特徴は燃焼時にCO2を放出しないのでクリーンなエネルギーであると共に軽量なので、一度に大量の水素を燃料として搭載することが可能になります。これは次世代車両の一つとされている燃料電池車(FCV)では優位な点となり、一度の水素充填で長距離走行が可能になります。
このように、水素はCO2を排出しないクリーンなエネルギー源ですので脱炭素へ向けた次世代エネルギーとして注目されています。
水素社会とは？
「水素社会」は経済産業省などの省庁で明確に定義されていませんが、日常生活や経済活動などへ水素を使うことが浸透した社会のことです。
現在、日本国内ではエネルギーの大部分を化石燃料に依存しており、化石燃料の燃焼により大量のCO2を排出しています。このため、化石燃料の使用量を減らすことが脱炭素への取り組みを進める上での課題となっています。
この化石燃料の使用量を減らす取り組みの一環として、水素の利活用を推進する「水素基本戦略」が経済産業省により策定されました。この中では化石燃料の使用量を減らすために、社会全体で水素エネルギーを有効活用する「水素社会」の実現を目指すことが示されています。
水素エネルギーと脱炭素経営の関わり
水素エネルギーを脱炭素経営に利用する場合に重要となるのが、水素サプライチェーンの整備です。水素サプライチェーンとは水素を活用するための「製造」「運輸」「貯蔵」「使用」といった一連の流れを社会に実装して利活用できるインフラを整えることをいいます。
環境省では、さまざまな地域水素サプライチェーン構築の実証を行っており、国内の航空機メーカーでは、水素サプライチェーン全般にわたる技術開発に取り組んでいます。
脱炭素経営を行うためにはまずはCO2排出源である化石燃料の使用を減らし、化石燃料から水素への置き換えを進める必要があります。例えば、社有車をガソリン車から燃料電池車へと変えることや、製造においてこれまで熱源に使用してきた化石燃料を水素に置き換えることなどが挙げられます。火力発電においても化石燃料に水素を混ぜて発電することなども検討されています。
このように、化石燃料の代わりに水素を使用することで化石燃料の使用量を減らし、CO2排出量を減らすことが可能になります。
水素の性質
水素は酸素と結びやすい性質があり、地球上ではさまざまな場所でほかの物質と化合して存在しています。例えば水や化石燃料などに変化し、私たちの生活の一部として使用されています。そのほか、糖類・メタン・メタノール・酢酸・乳酸・脂肪といった有機化合物にも、水素が関係しています。
酸素との結びつきやすい性質から、水素だけで存在しているケースはほとんどありません。また、無色で無臭であるため、普段生活している時間で水素を意識することは少ないでしょう。その一方で水素は宇宙で最も多い元素であり、その存在は核融合反応によるほしの輝きから観測できます。
地球上に存在する水素原子は、ほぼ海水として存在してます。この水素を水素エネルギーとして使用する際には、水素分子を工業的に製造する過程が求められます。この過程では化石燃料が使われるケースが多いため、CO2が排出されてしまいます。
そのため現在の技術水準では、海水の水素を使ってCO2の排出量をゼロにして水素エネルギーを確保するのは難しいと考えられるでしょう。一方で、関連する研究は進んでいるため、将来的にはCO2を排出せずに水素エネルギーを大量生産できると期待されています。
国内でも水素を製造する実験が進んでいるため、今後の展開に注目が集まっています。
水素の種類
水素は1種類だけでなく、さまざまな特徴を持つ複数の種類に分けられています。使用する水素や製造過程が変わると、その種類ごとの特徴を持つ水素エネルギーが造られます。そのため水素エネルギーを有効活用するには、種類ごとの特徴を把握することが求められます。
水素エネルギーの種類
水素エネルギーはさまざまな資源から生成できますが、水素を生成する際に使用するエネルギー源によって3種類に分類されます。
引用：次世代エネルギー「水素」、そもそもどうやってつくる？｜資源エネルギー庁
水素は燃焼してもCO2を放出しないためクリーンなエネルギーですが、一方で水素製造時にCO2を放出していたら意味がありません。このため、下の表の通り水素の製造方法ごとに色付けされています。
【水素の種類】
| 水素の種類 | 生成時に使用するエネルギー源 |
| グレー水素 | 化石燃料 |
| ブルー水素 | 化石燃料
※製造により排出されるCO2を捕集 |
| グリーン水素 | 再生可能エネルギー |
グレー水素は化石燃料を原料にして製造された水素です。この水素を製造する際にはCO2が排出されていますので、グレー水素と呼ばれています。
ブルー水素は化石燃料を原料としていますが、製造時に排出されるCO2を捕集し地中などに埋めてしまうため、製造時のCO2排出量がその分少なくなっています。このため、よりグリーンに近いブルー水素と呼ばれています。
グリーン水素は再生可能エネルギーを利用して作られた水素で水の電気分解により製造されます。再生可能エネルギーを利用して発電していますのでCO2排出はほぼゼロとなっており、グリーン水素と呼ばれています。
水素社会において、グレー水素を使用すると水素を使用した分CO2が排出されていますので脱炭素になりません。このため、脱炭素経営を行う場合にはグレー水素ではなくグリーン水素の使用が望まれます。
グレー水素
グレー水素は先の解説通り、石油や石炭といった化石燃料を原料に使って製造する水素のことです。具体的には化石燃料を燃焼させた際に発生する燃焼ガスを利用し、水蒸気改質を使って取り出します。
水素製造過程で化石燃料が使用されるため、CO2の発生を防げません。そのためクリーンエネルギーとしては課題がありますが、その利用のしやすさから工業分野などを中心に幅広く活用されています。
しかし、CO2を排出するため、どうしても地球温暖化の原因の一因となっている点が問題視されています。
将来的にはグレース水素から脱却し、別の水素エネルギーを中心とした社会基盤の構築が望まれるでしょう。一方で、現在生産されている水素の95%以上がグレー水素と言われているため、完全な脱却にはまだ時間がかかると予想されます。
ブルー水素
ブルー水素も、先の解説通り化石燃料を使って製造される水素エネルギーの種類です。グレー水素と同じ特性を持ちますが、製造過程の製造手法で発生するCO2は回収および貯留されるため、大気中に排出することがありません。回収したCO2はその後、地中に埋めて処理したり、再利用したりする措置が取られます。
ブルー水素で用いられる回収と貯留の技術は、「CCS（回収・貯留）」「CCU（回収・有効利用）」「CCUS（回収・貯留・有効利用）」と呼ばれます。これらの技術は注目度が高く、今後さらに進化して広く活用されると予想されています。
具体的にはCO2の回収技術の向上や、水素エネルギーの供給方法および活用機会の増加が進めば、ブルー水素の価値は高まると考えられるでしょう。今後もブルー水素の技術発展が順調であれば、CO2をこれまでのように大気中に放出せずに、再利用して資源とする環境にやさしい水素エネルギーとして知名度を高めると予想されます。
グリーン水素
グリーン水素とは、先の解説通り再生可能エネルギーによって製造される水素エネルギーです。例えば再生可能エネルギーで発電した電気を活用し、水を分解して水素エネルギーを製造できれば、いずれの過程でもCO2を発生させずに済みます。
グリーン水素はCO2の排出量ゼロを実現できるため、世界的に普及が目標とされる水素エネルギーとなっています。基本的にグリーン水素の製造過程では、太陽光発電や風力発電などの自然発電が使用されます。こういった再生可能エネルギーを使える環境は、まだまだ十分に整っていると言えません。
そのためグリーン水素を普及させるには、まず太陽光発電や風力発電が行える環境整備が必要になるでしょう。グリーン水素の製造についても、日本国内で研究と実現が進められています。将来的には本格的に社会に根付かせるために、製造と運搬、貯蔵から利用までの流れをシステム化することが目標になり得ます。
システム化に成功すれば、グリーン水素をスムーズに活用できる基盤がつくられ、コストを最小限に抑えつつCO2の排出量を抑えられるでしょう。一方で、グリーン水素の運搬や利用時にCO2が発生しないように、既存のシステムを大きく改変する必要があるため、まだまだ課題は多いと言えます。
イエロー水素
イエロー水素とは、原子力発電によって発電した電力を使って水を電気分解し、製造される水素エネルギーのことを指します。イエロー水素という名前は、原子炉のウラン燃料の原料である「イエローケーキ」が由来となっています。
また、イエロー水素はグリーン水素のなかで、太陽光発電で製造されたものを指す場合に使用されることもあります。定義が複数あるため、どの意味で使用されているのか確認する必要があるでしょう。イエロー水素は、原子力発電の電力を使って水素ガス生成をする工程を指して、「パープル水素」と呼ばれることもあります。
そのほか、バイオマスを活用して発生するメタンガスから生成される水素ガスが対象になるケースもあります。
水素エネルギーの活用方法
水素エネルギーの活用方法にはどういった種類があるのか、以下で3つ紹介します。
直接燃料
産業によっては再生可能エネルギーの導入が難しい分野もあり、そのような分野では水素エネルギーを直接的に燃料として使用します。火力発電を使った産業、トラックのエンジンなどに水素エネルギーがそのまま使用される仕組みです。
合成燃料
水素とCO2を合成して作成した燃料が、合成燃料です。産業活動などで排出されたCO2を再利用して合成燃料を作成します。気体合成燃料であるメタン、液体合成燃料メタノールなどが、この手法で製造可能です。
燃料電池
電解質の両側に水素・酵素を送り、化学反応によって水と電気を発生させるのが、燃料電池です。再生可能エネルギーとして注目されている燃料電池ですが、コストがかかるのがデメリットであり今後の課題といわれています。
水素エネルギーの活用事例
水素エネルギーは、日本国内でもさまざまなシーンで活用されています。以下でその活用事例をそれぞれ紹介します。
水素発電｜山梨県での取り組み
「火力発電に使用する天然ガスと水素を混焼させると、排出されるCO2量の削減が可能となる。他の燃料ガスとの混焼や水素のみでの発電、太陽光発電との組み合わせなども含め、従来の発電所に成り代わる水素発電所の運用も実証実験中。」
引用：水素エネルギーとは？活用の意義・課題・山梨県での取り組みを解説｜山梨県
燃料電池自動車｜トヨタ自動車株式会社での取り組み
「トヨタは、カーボンニュートラルの実現を目指してCO2排出量の削減を進める中で、水素を重要な燃料と位置づけています。水素利活用の促進による「水素社会」の実現に貢献するために、乗用・商用のトラックやバスを含めた燃料電池自動車（FCEV）だけではなく、FC定置式発電機の開発・実証運転などFC製品の普及に向けて、水素を「つくる／はこぶ／ためる／つかう」の各領域において、様々な業界のパートナーの方々との取り組みを進めています。」
引用：水素（FCEV、水素エンジン） | BEYOND ZERO | モビリティ | トヨタ自動車株式会社
水素エネルギーシステムの構築｜福島水素エネルギー研究フィールド
「本プロジェクトは、福島県浪江町を実証エリアとして１万kW級の水素製造装置を備えた水素エネルギーシステムを構築し、2020年度中に実証運用を行います。
再生可能エネルギーの導入拡大を見据えた電力系統の需給バランス調整（ディマンドリスポンス）のための水素活用事業モデルおよび水素販売事業モデルを確立させること
で、新たな付加価値を有する大規模水素エネルギーシステムの開発・実用化を目指します。本システムは、市場における水素需要を予測する水素需要予測システムと電力
系統の需給バランスを監視制御する電力系統側制御システムからの情報をもとに、水素エネルギー運用システムが水素製造装置等を含めた最適運用を行うことで、再生可能エネルギーの利用拡大を実現します。」
水素エネルギーのメリット
グリーン水素をエネルギーとして活用する場合には大きく二つのメリットがあります。
【メリット】
- 二酸化炭素を出さない
- エネルギー自給率向上が期待できる
上記2つのメリットについて紹介します。
二酸化炭素を出さない
ここまで解説したように水素は燃焼時にCO2を排出しないクリーンなエネルギーですが、水素の製造時にCO2を排出させないことも大切です。このため、再生可能エネルギーを利用したグリーン水素の製造方法に注目が集まっています。
特に、太陽光発電の余剰電力を利用して水を電気分解して水素を製造し、必要な時に使用するために蓄えておくことなどが検討されています。将来的にはグリーン水素の製造量の増加に伴い、CO2排出量が減少していくと期待されています。
エネルギー自給率向上が期待できる
水素は水を電気分解して作ることが出来ます。日本には水は豊富にありますので、電気さえあれば水素を作り出すことが可能です。しかし、水素を作る際にCO2を排出してはいけません。そのため、再生可能エネルギーを使用して発電された電気で水素を作ることが望ましいです。
日本では固定価格買取制度(FIT)もあり、太陽光パネルの普及が進みました。その結果、日本の電源に占める太陽光発電の割合が高くなっています。太陽光発電は日本国内で行えるため、この割合の増加は日本のエネルギー自給率が向上していることを示しています。
この太陽光を使用して水素を製造しエネルギーとして使用することでエネルギー自給率も向上します。
水素エネルギーのデメリット
水素エネルギーの活用は途上段階にありますが、普及の壁となっているデメリットが存在します。
【デメリット】
- 従来エネルギーよりコストが割高
- 開発に時間と技術を要する
- インフラ整備が必要
従来エネルギーよりコストが割高
水素エネルギーは従来使用されてきたエネルギーと比較して、コストが割高になりやすい点がデメリットになります。国内ではまだ水素を生成して保管するための環境が整備されていないため、設備投資に莫大な費用がかかります。そのため現時点では、従来の発電方法の方がコスト面がよくなってしまいます。
今後は国や自治体の積極的な支援などによって、水素を確保しやすい環境の整備が求められるでしょう。
開発に時間と技術を要する
水素エネルギーを有効活用するためには、環境開発などに時間と技術が必要です。水素エネルギーを生産できても、それを活用するための環境や技術がそろっていないため、十分な成果を得られない可能性が高いと考えられています。個々の企業が水素エネルギーを有効活用できない現状は、デメリットになると言えるでしょう。
インフラ整備が必要
水素エネルギーを現在の社会で使用するには、インフラ整備が欠かせません。そのため従来のインフラ環境を全体的に見直し、水素エネルギーをどの家庭でも使える社会を実現することが求められます。インフラ環境の整備にも時間がかかるため、すぐに水素エネルギーに社会の中心的な役割を与えるのは難しいです。
また、インフラ環境を変えたことで発生する問題やデメリットも考慮し、適切な対応ができるように備える必要もあります。水素エネルギーへの転換時には、各家庭や企業によってさまざまな問題に見舞われる可能性が懸念されます。そういった問題を事前に把握し、早急に対応できる状況を作るのもインフラ整備の一環です。
水素エネルギーの利用自体は、すでに広い業界で始まっています。しかし、先の通り貯蔵・輸送・供給・利用といった流れが確立されなければ、普及が頓挫する可能性があるでしょう。だからこそインフラ整備という問題に対処し、早急に必要な環境を構築する努力が求められます。
インフラ整備には多くの業界の力が必要になり、特に建設業の役割は重要視されるでしょう。水素エネルギーを有効活用できる社会の実現に向けて、建設業界全体でどのように貢献できるのか考えてみるのもポイントです。
水素社会実現に向けた国内の取り組みと今後の課題
水素社会に向け、日本ではさまざまな取り組みが行われています。水素エネルギーは開発段階ですが、運輸、産業、発電などの分野で将来的な活用が期待されています。
以下では水素エネルギーに関する近年の取り組み、今後の課題について説明します。
水素社会実現に向けた現在の取り組み
水素社会に向けて日本では様々な取り組みが行われており、多種多様な産業分野において水素の利用が進んでいます。水素を効率よく利用するための技術開発も積極的に行われており、建設、運輸、産業、発電などの分野で将来的な活用が期待されています。
【水素を利用するための技術例】
| 分野 | 用途例 |
| モビリティ分野 | FCV、小型電車、水素貯蔵システム |
| 海運分野 | ゼロエミッション船、高効率水素液化機 |
| 産業分野 | 熱利用、水素発電など |
モビリティ分野では、燃料電池や水素貯蔵システムの開発が期待されています。燃料電池システムを活用した自動車はFCVともいわれ、運輸時のCO2排出量を削減できます。2021年6月改定の「グリーン成長戦略」では「2035年までに乗用車新車販売における電動車100％の実現」が目標とされています。
また、海運分野ではゼロエミッション船の研究がされています。ゼロエミッション船とは運航時に温室効果ガスを排出しない船舶のことで、重油や液化天然ガス（LNG）に代わる燃料として水素を活用し、脱炭素を実現しながら輸送コストを低減できる運搬船として実用化が期待されています。
産業分野ではこれまで化石燃料を使用して得られていた高温を水素で代替するための技術が開発されています。他にも、エネファームなどで水素を使った発電も行われています。
いずれも2020年1月に策定した革新的環境イノベーション戦略に基づき、2050年までの革新的技術確立に向けて進行しています。
水素エネルギーによる今後の課題
水素エネルギーは生成や運搬にかかるコストが従来のエネルギーより割高です。水素エネルギーのコスト削減には3つの条件が必要です。
【水素エネルギーのコスト削減に必要な条件】
- 水素生成における安価な原料の使用
- 水素の大量製造や大量輸送を可能にするサプライチェーンの構築
- 燃料電池自動車（FCV）、発電、産業利用などによる大量な水素の利用
1と2に関してはオーストラリアの褐炭やブルネイの未利用ガスなど安価な海外の資源によって水素を製造し、日本に輸送する国際水素サプライチェーンの開発が進められています。この水素はブルー水素に分類されますが、グリーン水素の供給量が少ないために当面はブルー水素が活用されます。
3は現在FCV用の水素ステーションの設置が全国的に展開されていると共に、鉄鋼業など化石燃料の使用でCO2を大量に排出する産業ではCO2を排出しない水素への置き換えが進んでいます。
「水素基本戦略」では水素エネルギーのコストを従来のエネルギーと同程度にすることが目標として掲げられており、今後ますます研究が進む分野となることが期待されています。
関連記事：代替燃料で脱炭素？新時代のエネルギー活用について紹介
まとめ
水素は利用時にCO2を排出しない次世代のエネルギー源として、脱炭素への活用が期待されています。水素はさまざまな資源から生成でき、自動車のエンジンや家庭用の発電などの分野で実用化が進められています。
建設業界においても、水素エネルギーは重要な位置を占め始めています。特に、大規模な建設プロジェクトにおいて、現場の機械や車両の動力源として、または仮設施設の電力供給源として水素が利用されるケースが増えています。建設現場でのCO2排出量を削減するために、水素を利用した発電機や燃料電池を導入する動きが加速しており、このエネルギーのクリーンな特性を生かした環境負担の少ない建設方法が模索されています。
なお、水素エネルギーの活用は途上段階にあり、普及の壁となっている要因として「従来エネルギーより割高」「開発に時間と技術を要する」といったデメリットも存在します。現在、水素製造技術の開発は進められており、国家戦略として水素のコストを従来エネルギーと同程度にすることが目標として掲げられているため、研究開発が進むと考えられており、脱炭素の取り組みで活用される未来も遠くないでしょう。
この記事の監修
リバスタ編集部
「つくる」の現場から未来を創造する、をコンセプトに、建設業界に関わる皆さまの役に立つ、脱炭素情報や現場で起こるCO2対策の情報、業界の取り組み事例など、様々なテーマを発信します。
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