「カーボンニュートラルって具体的にどう実現するの？」「水素エネルギーが注目されてるけど、どうして大切なの？」

「水素発電の方法っていくつあるの？」そう思う方もいるのではないでしょうか。

 

 

カーボンニュートラルの実現には、水素エネルギーが不可欠であり、その発電方法を理解することが鍵となります。

 

今回は、カーボンニュートラル実現における水素エネルギーの重要性と、その発電方法の種類や特徴をわかりやすく解説していきたいと思います。

 

カーボンニュートラルとは？

温室効果ガスの排出量と吸収量を均衡させることを意味します。

出典：脱炭素ポータル

 

 

 

 

カーボンニュートラル実現に水素が求められる理由

1. CO2排出の低減: 水素は燃焼時に二酸化炭素（CO2）を排出しません。化石燃料に代わるクリーンなエネルギー源として使用することで、エネルギー生産や輸送、産業プロセスにおけるCO2排出を大幅に減らすことができます。
2. エネルギー貯蔵と輸送: 再生可能エネルギー（太陽光、風力など）は天候や地理的条件に依存するため、発電量に変動があります。水素はこれらのエネルギーを効率的に貯蔵・輸送する手段として利用でき、エネルギー供給の安定化に寄与します。
3. 多様な用途への応用: 水素は電気、熱、動力の源として広範囲にわたる分野で利用可能です。自動車の燃料電池、発電、産業用熱源など、さまざまな用途で化石燃料の代替として活用できます。
4. 産業プロセスの脱炭素化: 鉄鋼製造や化学製品の生産など、従来は大量のCO2を排出していた産業プロセスで、水素をエネルギー源や原料として使用することで、脱炭素化を進めることができます。
5. 長期的なエネルギーシフトの実現: 水素エネルギーは、再生可能エネルギーの拡大とともに将来的に主要なエネルギー源となる可能性があります。化石燃料から持続可能なエネルギーシステムへの移行を促進する重要な要素です。

 

以上のように、水素エネルギーはカーボンニュートラル実現に向けた多面的な解決策を提供するため、幅広く求められています。

 

ただし、水素の製造過程においてもCO2排出を最小限に抑える必要があり、そのためにはクリーンな水素製造方法の開発と普及が不可欠です。

 

水素発電の種類

出典画像：資源エネルギー庁

 

蒸気改質法（Steam Methane Reforming, SMR）

天然ガス（主成分はメタン）を高温（約700-1,000℃）の蒸気と反応させ、水素と一酸化炭素を生成します。

 

この反応はエンドセルミック（吸熱反応）です。その後、一酸化炭素とさらに蒸気を反応させる水性ガスシフト反応で、追加の水素と二酸化炭素が生成されます。

 

特徴: 現在、商業的に最も広く使用されている方法ですが、二酸化炭素の副産物が発生するため、地球温暖化の観点から問題があります。

 

電気分解（Electrolysis）

水（H2O）を陰極と陽極が設置された電解槽に入れ、電流を流すことで水素（H2）と酸素（O2）に分解します。陰極では水素が、陽極では酸素が生成されます。

 

特徴: 再生可能エネルギー（太陽光や風力など）を電力源として使用すると、CO2排出が伴わないクリーンな水素生産が可能です。

 

ただし、エネルギー効率やコスト面での課題があります。

 

石炭ガス化（Coal Gasification）

石炭を高温、高圧下で酸素と反応させてガス化し、生じたシンガス（一酸化炭素と水素の混合ガス）から水素を分離します。

 

特徴: 大量の水素を生成できる一方で、CO2やその他の温室効果ガスが多く排出されるため、環境面での課題があります。CO2捕獲・貯留（CCS）技術の併用が重要です。

 

バイオマスガス化

木材や農業廃棄物などのバイオマスを高温でガス化し、生成されるシンガスから水素を抽出します。

 

特徴: 再生可能な原料を利用するため、持続可能な生産方法とされていますが、処理技術や原料の入手に関する課題があります。

 

光化学的水分解

特定の光吸収材料（光触媒）を使用して太陽光のエネルギーで水を分解し、水素と酸素に分離します。

 

特徴: この方法はまだ研究開発段階にあり、商業化には至っていません。将来的には再生可能エネルギーを利用した環境に優しい水素生産方法として期待されています。

 

水素発電のメリットデメリット

早見表

方法	メリット	デメリット	おすすめ評価（星5段階）
蒸気改質法 (SMR)	技術的に成熟しており大量生産可能、経済的	CO2などの温室効果ガス排出、フォッシル燃料依存	★★★☆☆
電気分解	再生可能エネルギーでCO2排出がない、分散型生産可能	電力コストが高く、エネルギー効率が低い	★★★★☆
石炭ガス化	大量の水素を効率的に生産、豊富な資源を利用	CO2や温室効果ガスが多く排出、環境負荷大	★★☆☆☆
バイオマスガス化	再生可能原料を利用、CO2ニュートラル可能	原料調達や処理が複雑、コストが高い	★★★☆☆
光化学的水分解	太陽光を直接利用、再生可能エネルギーでCO2排出がない	技術的な課題が多く、実用化への道のりが長い	★★☆☆☆

 

蒸気改質法（Steam Methane Reforming, SMR）

メリット

技術的に成熟しており、大量の水素を効率的に生産できる。

現在最も経済的な水素製造方法。

 

デメリット

二酸化炭素（CO2）などの温室効果ガスが副産物として発生する。

フォッシル燃料（天然ガス）に依存している。

 

電気分解（Electrolysis）

メリット

再生可能エネルギーを利用することで、CO2排出がないクリーンな水素生産が可能。

分散型生産が可能で、需要のある場所で直接水素を生成できる。

 

デメリット
電力コストが高く、全体的なエネルギー効率が低いことが多い。

大規模生産には大量の電力が必要で、再生可能エネルギーの拡大が前提。

 

石炭ガス化（Coal Gasification）

メリット

大量の水素を効率的に生産できる。

石炭などの豊富な資源を利用できる。

 

デメリット

CO2やその他の温室効果ガスが多く排出される。

環境への負荷が大きいため、CO2捕獲・貯留（CCS）技術の併用が必要。

 

バイオマスガス化

メリット

再生可能な原料を利用し、サステナブルな水素生産が可能。

CO2ニュートラルな水素製造が見込める。

 

デメリット

原料の調達や前処理が複雑で、コストが高くなる可能性がある。

技術的な成熟度が低く、大規模化への課題がある。

 

光化学的水分解:

メリット

太陽光を直接利用して水素を生成するため、再生可能エネルギーを活用しCO2排出がない。

環境に優しく持続可能な方法。

 

デメリット

現在はまだ研究開発段階で、実用化には技術的な課題が多い。

光触媒の効率や耐久性の向上が必要。

 

まとめ

水素製造方法には、蒸気改質法（SMR）、電気分解、石炭ガス化、バイオマスガス化、光化学的水分解などがあります。

 

これらの方法の中で、電気分解、バイオマスガス化、光化学的水分解は再生可能エネルギーを用いるか、CO2ニュートラルな原料を使用するため、カーボンニュートラルに則る方法とされています。

 

一方で、蒸気改質法や石炭ガス化はCO2排出を伴うため、カーボンニュートラルの原則には則らないとされます。

 

水素エネルギーの持続可能な活用には、水素の製造過程でのCO2排出を最小限に抑える技術の開発と利用が不可欠です。

 

水素エネルギーが真に持続可能な未来への鍵となるためには、製造から利用までの全過程での環境への影響を慎重に評価し、適切な技術選択が求められます。