再生可能エネルギーを活用した新たな水素ステーションビジネスモデルの検討〈蓑田報

愛・清家22匡〉

文1

再生可能エネルギーを活用した新たな水素ステーションビジネスモデルの検討
水素事業推進部
水素技術開発グループ
みのだ蓑田

水素事業推進部
水素技術開発グループ

あいせいけ愛清家

1. 水素ステーションへの水電解装置の適用

だたし匡

水素・燃料電池戦略協議会が 2014 年 6 月に発表した
水素・燃料電池戦略ロードマップの中で水素製造・利用に

1. 1 背景よる CO2 排出量削減効果について示されている 4）。燃料

水素エネルギーは使用時に二酸化炭素を排出しないクを井戸元から採掘し、輸送・貯蔵等を経て自動車に供給・リーンな次世代エネルギーとして、普及のための技術開発走行するまで（Well to Wheel）の二酸化炭素排出量の比が進められている。水素は乗用車やバス、トラックといっ較結果は、図 1 の通りである。オンサイトにおける都市ガ

た輸送部門において、また発電燃料としての利用が強く期

ス改質での二酸化炭素排出量は、自動車走行距離当たり待されている。

78g-CO2 /km であると試算されている。現行のガソリン車

日本国内では 2015 年より燃料電池自動車へ水素を充填の 147g-CO2 /km よりも大幅に二酸化炭素排出量を抑えるする水素ステーションが商用化し、現在 109 か所が稼働しことができ、かつハイブリッド車の 95g-CO2 /km よりも小ている（2019 年 12 月現在）。当社も商用水素ステーション

さい。これは走行時に二酸化炭素を排出しないことや燃を展開しており、現在 41 か所の水素ステーションを運営し、料電池のエネルギー効率が良いことが要因である。このよ1）

燃料電池自動車向けのお客様に水素を供給している 。

うに水素エネルギーは、現状の製造方法でも活用意義は当社を含め、商用水素ステーションで燃料電池自動車あるが、さらなる二酸化炭素排出量の削減を目指すには、へ供給している水素の大部分は、CO2 の副生を伴って製水素製造時の二酸化炭素排出の割合が大きいため、従来造した水素である。パリ協定の発効を契機に、脱炭素化とは異なる製造方法にチャレンジしていく必要がある。

への動きが高まっており、今後、抜本的な脱炭素社会に非化石電源として再生可能エネルギーの導入が進んでお対応していくためには、水素の利用拡大のみならず水素スり、2015 年 7 月に経済産業省が発表した長期エネルギーテーションで供給する水素の製造においても本 格的に再需給見通しでは、2030 年には再生可能エネルギー電源比生可能エネルギーの活用を検討する必要がある。

率は全体の 22~24% になると試算されている 5）。このようそこで本研究では、再生可能エネルギー電源を活用する水電解装置の水素ステーションへの適用可能性についな環境下で再生可能エネルギーのさらなる拡充が見込まれ、再生可能エネルギー電源の有効活用が望まれる。て検討した。さらに、電力を水素で貯蔵することによる新そこで、水素製造のエネルギー源を再生可能エネルギーたなビジネスの可能性については、第 2 章で報告する。

電源とすることができる水電解の技術開発の取り組みに注目が集まっているが、燃料電池車向け水素ステーションで1. 2 水素ステーションの水素源の実用例としては、ふくしまハイドロサプライ（株）が運営

現在、水素ステーションで供給する水素源には主に①する移動式ステーションの事例がある。本事例では国立

都市ガスや LP ガスから水蒸気改質によって製造する方法、研究開発法人産業技術総合研究所（産総研）福島再生可②製鉄所の副生水素、苛性ソーダ製造の副生水素が利用

能エネギー研究所（FREA）で風力、太陽光発電の再生されている。これらはすべて二酸化炭素を排出する製造可能エネルギーを利用した水電解水素を供給している 6）。

方法である。当社では都市ガス、LP ガスの水蒸気改質

今後、当社も水素供給事業者として再生可能エネルギー電方式を採用している。

力を活用した水素製造を推進していくとともに、将来的に一方、次のような CO2 フリー水素製造方法がある。すなは国外における安価な再生可能エネルギーを活用し製造わち、再生可能エネルギー電源を用い水電解装置で製造した水素の輸入も視野に CO2 フリーエネルギーの安定供した水素と、製造時に排出される二酸化炭素を分離、回給に貢献していく。

収して製造した水素である。後者は近年、海外 CO2 フリー水素サプライチェーンとして NEDO 未利用褐炭由来水素大規模海上輸送サプライチェーン構築実証事業（HySTRAPJ）等にて検討が進められている 2,3） 。
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市ガス仕様）CO2 排出量約 11.2kg-CO2 /kg-H 2 より算出）。）
仮にすべての水素ステーションを再生可能エネルギー水素ステーションにしたと仮定すると、年間約 70 万トンの二酸化炭素排出量の削減につながる。これは水素製造時の二酸化炭素排出量のみに着目した数字であり、水素ステーションで使用するほかの電力も再生可能エネルギー由来にすれば、さらに二酸化炭素排出量の削減効果は大きくなる。
1. 4 再生可能エネルギーを活用した水電解型水素ステーションの水素供給コスト
再生可能エネルギーを活用した水電解型水素ステーショ

図 1 二酸化炭素排出量（Well to Wheel、JC08モード）の比較

ンでは、二酸化炭素排出量の削減に大きく貢献できる可能性があることが分かった。しかしながら、現在、燃料

1. 3 再生可能エネルギー水素ステーションの二酸化炭素排出削減効果

電池自動車向けの水素供給にかかるコストは大きく、再生可能エネルギーを活用した水電解型水素ステーションの水図 2 にオフサイト水素ステーションの設備構成を示す。

素供給コストは重要である。

化石燃料を原料とし、「水蒸気改質装置」で水素を製造す

日本国内メーカーの水電 解 装置自体は、これまで再る際に二酸化炭素を排出している。水蒸気改質装置を水生可能エネルギーと連動した運転検証の目的などで、数電解装置に置き換え、LP ガスタンクなどの代わりに、再～数十 Nm3/h 規 模の装置が運用された実 績があるが、生可能エネルギー電力を供給するための受変電設備を設

100Nm3/h の規模を超える比較的大型の装置の市場導入置することで、再生可能エネルギー電力を活用したオンサは進んでいない。そのため大型化した時の信頼性やコスイト水素製造が可能となる。

トなどに課題があると考えられる。CO2 フリー水素の拡再生可能エネルギー電力を活用すれば、水素製造時の充に向けて装置コストの低減や水素製造効率の向上が技二酸化炭素排出量を削減することができる。水素製造時術課題として挙げられ、2030 年 PEM（プロトン交換膜）

3の二酸化炭素排出量は水蒸気改質で水素製造 1Nm あた型でシステムコスト約 30 万円 /Nm3/h を目標に技術開発

り約 1kg である。100% 再生可能エネルギー電力で水電がすすめられている 2）。また、再生可能エネルギー発電コ解装置により製造した水素は、二酸化炭素をまったく排出ストも 2030 年に向けて低減していく見通しである。長期せず、100% 削減できる。

エネルギー需給見通しの前提条件では、メガソーラー発

再生可能エネルギー水素ステーションを導入したとき、

電 13~16 円 /kWh 程度を見込んでいる 7）。しかしながら、水素ステーションでの二酸化炭素排出量の削減効果は次直近の「国内外の再生可能エネルギーの現状と今年度ののようになる。2030 年のFCV 普及台数及び水素ステーショ調達価格等算定委員会の論点案」においては再生可能エン数を、2019 年 3 月に改訂された水素・燃料電池ロードマッ

ネルギーのコスト状況として、再生可能エネルギー発電コプ目標である 80 万台、900 か所とした時、1 ステーションストも年々下がってきており、現在のメガソーラー発電コスあたり年間約 800 トンの二酸化炭素排出量の削減になる

トはすでに 14 円 /kWh 程度と言われている。2030 年に（ 1 ステーション当たりの年間水素販売量約 80 トン（FCVはメガソーラー発電コスト 6.7 円 /kWh の見通しが示され走行距離 9000km/ 台と想定）、および現行の水素製造（都ている 8） 。

図2

現行水素ステーションと水電解型水素ステーションの構成− 23 −JXTG Technical Review・第62巻第1号（2020年 3月）

再生可能エネルギーを活用した新たな水素ステーションビジネスモデルの検討〈蓑田愛・清家24匡〉

水電解装置を導入した水素ステーションでの水素供給コスト（償却費除き）を、現行の水蒸気改質方式と比較した結果を図 3 に示す。2030 年以降の想定として、1 ステーションあたりの一日の FCV 来所台数を 150 台と仮定した。
現行方式のオフサイト水素ステーションは、集中製造を行い配送するコストとして水素調達費、配送費などが発生する。一方、オンサイトの水電解装置を導入すれば、水素調達費、配送費が不要となり、代わりに水電解の電気代が発生する。水電解装置のメンテナンスは PEM 型を想定すると、定期的に部材の MEA（膜電極接合体）の交換が発生する見込みである。そのため修繕費は増加するため運図4

営固定費は現行対比で増加するものの、トータルで水電

横浜旭水素ステーション写真

解装置の導入メリットがあり、水素供給コスト削減につながる可能性があると言える。

図 3 水電解型水素ステーションの水素供給コスト（ 2030 年以降、FCV 来店150 台 / 日を仮定）

図5

水電解装置写真（左：神鋼環境ソリューション
HP より 右：日立造船 HP より）

表1

水素ステーションへの水電解装置導入計画概要

実施場所

横浜旭水素ステーション

主要設備

20 〜 30 Nm3/h 水電解装置
40MPa 小型圧縮機

供給電力

1. 5 再生可能エネルギーを活用した水素ステーション導入計画

太陽光パネル 5kW+ 系統電力

スケジュール

以上を踏まえ、2018 年度より当社商用水素ステーションへの再生可能エネルギー電源と水電解装置の導入検討を

19 年度下期

基本設計

20 年度上期

装置製作

20 年度下期設置工事〜運転開始した。既存の横浜旭水素ステーション（図 4）に水電解装置（図 5）を導入し、当社として国内で初めてとなる水電解型水素ステーションの商用化を目指す。敷地内に数十3

Nm /h の規模の水電解装置とともに、太陽光パネル 5kWを設置する計画で、足りない電気は系統電力を使用する。
2019 年度中に基本設計を行い、2020 年度上期に装置製作を完了し、下期には試運転を開始する。表 1 に計画概要を示す。横浜旭水素ステーションは、現在オフサイト水素ステーションであるが、2014 年度までの水素ステーション実証において、ナフサ改質器でオンサイト水素製造、供給していた実績があり、その装置の設置跡スペースがあり有効活用できる。改造のためのプロットを計画中である（図 6）。
今後、水素ステーションへの設置の圧縮機との連動などの技術的課題や、高圧ガス保安法上の安全技術基準の適合などの法的課題を洗い出し、水素ステーション保安員の作業性や水素ステーションでの装置劣化挙動、品質などの運用面を確認した上で、更なるステーションへの展開計図6画を策定していく予定である。
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横浜旭水素ステーション概略プロット案

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2. 2 電 力貯蔵方式の比較～蓄電池と水電解装置での調2. 電力貯蔵の新たなビジネスの可能性

整力提供の仕組み
ここまで、水素ステーションへの水電解装置の適用につ

ここで、電力貯蔵の方法を比較し図 7 にイメージ図を示いて述べた。先に述べた通り、水電解装置を導入したステーす。一つは、再生可能エネルギーの出力平準化のためのションでは、電力を水素に変換して貯蔵することが可能と活用が一般的に知られている蓄電池である。蓄電池を系なる。そこで、電力貯蔵の新たなビジネスの可能性を検討

統電力などに接続し、余 剰電力を貯蔵・放出することでした結果について報告する。

調整する方法である。こちらは蓄電池の設置コストが高いことが課題である。現在、日本での蓄電池システムコスト

2. 1 再生可能エネルギー電力導入時の課題と電力調整ビ
ジネス

は 10 ～ 20 万円 /kWh と言われており 12）、仮に 5000 kWを調整力容量として活用するためには 5 ～ 10 億円（1kWh

ここであらためて電力貯蔵による電力調整の背景につ出力とすると）の設備投資が必要となる。

いて説明する。電力供給においては、電力系統に対して、一方、水電解装置を活用した場合、どのように電力貯蔵需要と供給の量を常に一致させる必要がある。太陽光発をできるかを検討した。水素ステーションに設置した水電電や風力発電の再生可能エネルギー電力の供給分は、火解装置にて、電気を貯蔵したい場合、水電解装置の稼働力発電の出力を落とすことで需給のバランスを取る。

を上げ、水素を製造する。燃料電池自動車の需要を上回っ

ところが「再生可能エネルギー電力」を大量に導入するた余剰水素は蓄圧器にためておく。一方、電気の消費量場合、太陽光発電や風力発電などは季節や天候による出を低下させたいときには水電解装置の稼働を下げる。水力変動が大きいという側面から、電力会社は自社の火力素製造量が燃料電池自動車の需要を下回ったときは、蓄発電の出力を調整するだけでは不十分となり、停電を防ぐ圧器にためておいた水素を燃料電池自動車に供給する。

ために再生可能エネルギー電力側の出力を抑制しなけれこのように水電解装置で製造した水素を電気に変換せず、ばならない状況に陥る。

水素ステーションでそのまま販売すれば、電力の調整に効

このような再生可能エネルギー導入による電力インバラ率よく活用できるのではないかと考えた。

ンスの解消を目指して始まったのが「電力調整ビジネス」

このように電力調整には「上げ／下げ」双方の調整があである。従来、電力会社が自社の電源で調整を行っているが、水電解装置にて水素ステーションの需給調整をしなたが、2017 年 4 月に小売全面自由化以降、系統電力のがら調整力を提供する方法として具体的な操作は次のよう安定化対策の一つとして、送配電事業者が調整力を公募になる。上げ指令があった場合、消費電力を増やすため

9）により調達する「調整力公募」制度が開始された 。調整に水電解装置の稼働を上げる。水素製造量は一時的に増力公募の募集区分としては電源 I、電源 II があるが、電加するが、余分に作った分は蓄圧器にためるとともに、上源 I は、一般送配電事業者が調整力専用として常時確保

げ指令が発動していない時間帯の水素製造量を低下させする電源等で、契約容量で取引する区分である。
（因みにることで、水素の需給をバランスさせる。これと反対に、

電源 II は一般送配電事業者からオンラインで調整ができ下げ指令があった場合は、消費電力を減らすために水電る電源等）さらに電源 I は a、b に区分され発動時間や周解装置の稼働を下げる操作を行う。水素製造量は一時的波数制御機能の違いがあり a 区分の方が発動時間も短くに減少するが、蓄圧器にたまった水素でまかない、下げ周波数制御機能を持ちハイスペックだが I-a が比較的大き指令が発動していない時間帯の水素製造量を増加させる

な容量を募集している

10）。電力・ガス取引監視等委員会

ことで、水素の需給をバランスさせる。

が発表した 2019 年度向け調整力の電源 I-a 公募結果 11）

この上げ調整幅と下げ調整幅の合計が、水素ステーショを表 2 に示す。送配電事業者毎に比較すると、落札容量ンで提供できる調整力となる。次に、このような電力調整は大都市圏にある東京電力、中部電力、関西電力が大きを行いながら、燃料電池自動車への水素供給をする水素いが、落札単価でみると、北海道電力、北陸電力、四国ステーションのモデルをシミュレーションした。

電力、九州電力など、再生可能エネルギー普及率が高いエリアで比較的高い落札価格となっている傾向が見て取れる。今後、2021 年には調整力公募は需給調整市場へと移行し、市場規模は更に拡大する見通しである。
表2

2019 年度向け調整力の公募結果（電源 I-a）

図7

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電力貯蔵方式の比較～蓄電池と水電解型水素ステーション
JXTG Technical Review・第62巻第1号（2020年 3月）

再生可能エネルギーを活用した新たな水素ステーションビジネスモデルの検討〈蓑田2. 3 調整力を提供する水素ステーションモデル

愛・清家匡〉

26の再エネ電力を利用して水電解装置を運転し、再エネ電

水電解型水素ステーションにおける調整力提供の最適力量が水素ステーション需要より少ない時間帯は、JEPX化の前提として 2030 年以降の燃料電池自動車台数想定と（日本卸電力取引所）から調達した電力を残りの電力需要して一か所当たり一日 150 台と設定した。この水素需要をに充当する。調整力水素残量は蓄圧器に充填し、蓄圧器満たしながら電力調整力を提供した際に、もっとも年間収に充填された水素は JEPX 価格の高い時間帯に放出する。

支が良化するように方針を設定した。すなわち燃料電池自以上をもとに、最適運転パターンを予測した。時間帯別動車の水素需要を満たし、かつエネルギーコストが最小と水素需要が、水電解装置の定格出力を超える時間帯を把なるように水電解装置を運転することとする。エネルギー握し、超過分の需要を算定する。この超過水素需要量を、コスト最小化の要件として、電力価格が安価な時間帯に超過時間帯より前のタイミングで JEPX 価格の安い時間帯水電解装置を運転すること、水素ステーション内電力デマから、蓄圧器に水素を充填するように水電解装置を運転すンドが最小となるように水電解装置を運転することとした。

る。超過時間帯については、定格出力にて水電解装置をまた、燃料電池自動車の水素需要を満たす要件としては、運転し、超過時間帯以外の水素需要については、JEPX一日の水素需要と時間帯別需要を満たすこと、ならびに中価格の安い時間帯から蓄圧器に水素を充填するように水間蓄圧器容量と水素発生量の上限値を超えないことであ電解装置を運転する。このようにして予測した最適運転パる。このようなケースとして最適な水電解装置の製造能力

ターンにて生成した水素量をもとに、時間帯別の蓄圧器水3

3は 320Nm /h、蓄圧器 容量は 1500Nm となる。水電 解素充填残量を算定した。結果を図 8 に示す。

装置を調整力として活用する際に、収益を最大化するため次に水電解型水素ステーション活用した電力調整市場に、水電解装置の性能を考慮し、常時稼働容量の 80%への参入モデルを検討した。電力調整市場へ参加するにを下げ調整として活用する。また、短時間の利用に限り、は、最低 5000kW の容量が必要である。しかし、水素ス150% 出力が可能なことから、定格出力の 50% 分は上げテーション一か所で提供できる調整力は、先ほど設定し調整として活用する。このように、調整力提供する上げ調た 2080kW となり入札するには不足している。

整 50％、下げ調整 80% の合計容量は 2080kWである。

そこで、同じ地域に存在する複数の水素ステーションの続いて、水素ステーションの需要パターンをもとに運転水電解装置を束ねてバーチャルパワープラント（VPP）とすパターンの最適化を行った。時間帯別の燃料電池自動車ることで調整力市場に参入することが可能となる（図 9）。の来店台数から、水素需要パターンを想定した。深夜か各水素ステーションの需要状況見合いで連携制御し、調ら午前中の需要が小さい時間帯には、水電解装置で製造整を実行する。落札できれば調整力単価×キロワットの収した余剰分は蓄圧器にためる。一方、昼から夕方にかけ入を得られる。て需要が大きい時間帯には、水電解装置の製造で足りな2030 年以降を想定し、水電解型 水素ステーションと、い分は蓄圧器の水素を燃料電池自動車へ供給する。この従来の水蒸気改質型水素ステーションの収支比較を行っように、電力の調整力を持ちながら、水素需要のパターた。先の最適化モデルを前提に、調整力を提供しない場ンにあわせて無駄なく効率的に水素の供給が可能となる。

合の収支をベースにすると、調整力を提供する場合は調再エネ利用は次のように設定した。再エネ契約容量を設整力の収入を得ることができ、水蒸気改質方式に比べて定し、時刻別の再エネ調達容量を算定した。水素ステーショ

年間収支が良化する（図 10）。このように、水電解型水ン内に再エネから調達した電力を充当し、再エネ調達電素ステーションにおける新たなビジネスとなり得る結果が力量が水素ステーション電力需要より多い時間帯は、残り示された。

図8
JXTG Technical Review・第 62巻

調整力を提供する水電解型水素ステーションの運転パターン例

第1号（ 2020 年 3月）− 26 −

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再生可能エネルギーを活用した新たな水素ステーションビジネスモデルの検討〈蓑田愛・清家匡〉

3）HySTRA; http://www.hystra.or.jp/
4）水素・燃料電池戦略ロードマップ～水素社会の実現に向けた取組の加速～ , 2014 年
5）経済産業省 ; 長期エネルギー需給見通し , 2015 年
6）ふくしまハイドロサプライ ; 日本初！再エネ利用水素を供給する商用移動式水素ステーション, 2017 年
図97）資源エネルギー庁 ; 長期エネルギー需給見通し関連資

電力調整力市場への参入モデル

料 , 2015 年
8）資源エネルギー庁 ; 国内外の再生可能エネルギーの現状と今年度の調達価格等算定委員会の論点案 , 2019 年
9）資 源エネルギー庁 ;「エネルギー基本計画」の検討について参考資料 , 2017 年
10）需 給調整市場検討小委員会事務局 ; 一次調整力および二次調整力①の調達スケジュールおよび一次調整力の広域調達開始時期に係る検討の進め方 , 2018 年
11）電力・ガス取引監視等委員会 ; 一般送配電事業者による調整力の公募調達結果等について（速報）, 2019 年
12）経済産業省蓄電池戦略プロジェクトチーム ; 蓄電池戦
略 , 2012 年

図 10

2030年以降のモデル収支；水蒸気改質と水電解装置導入後（調整力あり／なし）の比較

3. まとめと課題
水電解型水素ステーションでは、現行水素ステーションより水素供給コスト削減が見込める。今後、再生可能エネルギーを活用した水電解型水素ステーションの実証を進め、商用における課題をクリアしていく。水電解型水素ス
テーションで、調整力を提供するビジネスが成立するか検討した結果、1 ステーションあたりの年間収支を現行ステーションと比べて改善できる可能性が明らかになった。
水電解型水素ステーションは現状高コストであることが課題であり、効率向上、装置コストの削減が必要である。
水電解装置の技術的課題である製造原単位の削減や、装置コストの削減といった課題に対し、メーカーと協業して継続的に検討していく必要がある。
また、再生可能エネルギーを水電解型水素ステーションで活用するにあたって、調達コストや制度面の課題の解決も必要である。再生可能エネルギー調達単価の低減方策や、再生可能エネルギー電力を優遇するような託送制度の可能性について検討を進めている。
− 引用文献 −1）塩田智夫 ; JXTG エネルギーの水素社会実現に向けた取り組み , 燃料電池 , 19, 2, 10（2019）2）水素・燃料電池戦略協議会 ; 水素・燃料電池戦略ロー
ドマップ～水素社会実現に向けた産学官のアクションプラン～ , 2019 年− 27 −JXTG Technical Review・第62巻第1号（2020年 3月）