水素と脱炭素の関連性は？エネルギー源としてのメリット・デメリットも解説

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。

当記事では、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。

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。

詳しくは、環境省の「脱炭素化にむけた水素サプライチェーン・プラットフォーム」で事例が掲載されています。

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別けられています。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。

 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。例えば「福島水素エネルギー研究フィールド」」には、再生可能エネルギーを利用した世界最大級の水素製造装置が設置されています。この装置を活用して、再生可能エネルギーを原料とした水素を製造しています。

さらに貯蔵・輸送・供給・利用といった、水素エネルギーにおけるサプライチェーン構築のモデル実証事業も実施しているのが特徴です。この施設では毎時1,200Nm3、つまりは1日約3万m3の水素を製造することが可能です。1日で製造できる水素の量を発電に使う場合、約150世帯が1か月間に使用する電気量をまかなえます。

そのほか、トヨタ自動車も水素エネルギーを活用し、水素エンジンを搭載した自動車の開発を進めています。水素エンジンでは水素を直接燃やして走力を得るため、環境に負荷をかけずに自動車を運転できます。電気自動車ではなく、水素自動車がニュートラルになる可能性も将来の可能性として考えられるでしょう。

 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。

参照：環境「 国内外の動向_脱炭素化にむけた水素サプライチェーン・プラットフォーム」

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。

参照：資源エネルギー庁「 令和4年度エネルギーに関する年次報告（エネルギー白書2023） HTML版 」

 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

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】

1. 水素生成における安価な原料の使用
2. 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
3. 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ります。

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。

それ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は

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。

水素社会に向けて日本でも様々な取り組みが行われており、様々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、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。そのため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。

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。

水素は利用時にCO2を排出しないため、環境負担を低減できるエネルギー源ですが、他にも「貯蔵して災害時に活用できる」など複数のメリットがあります。

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。