〔２〕水素・燃料電池

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Best Value●価値総研

石油を使った水素インフラ整備の考え方〜全ての人が水素にアクセスできる供給インフラとは〜

Theme2

チーフコンサルタント

はじめに 〜本格化する水素社会への取り組み〜
我が国における本格的な水素社会に向けた動きは、資源エネルギー庁の「燃料電池実用化戦略研究会」において、2001 年１月に取りまとめられた「燃料電池実用化戦
略研究会報告」で「道筋（ロードマップ）」が示されたことを一つの契機として始まった。同研究会では、2020 年までに定置用燃料電池（FC：Fuel Cell）を累計で 1000万 kW、燃料電池自動車（FCV：Fuel Cell Vehicles）を500 万台まで普及させるとする導入目標を掲げており（図表 1）、この目標の達成に向けて、「JHFC：Japan Hydrogen& Fuel Cell Demonstration Project」（2002 年〜）や、「定置用 FC 大規模実証事業」（2005 年〜）などの、官民共同による様々な取組みが進められてきた。また、内閣官房に設置された省庁横断的な組織により、水素社会の実現に障害となると考えられる、6 法律 28 項目の規制の再点検が実施され、2005 年 3 月までに全項目の点検・見直しが完了している。
研究会報告から 5年余りを経過し、我が国はこの分野での世界のトップランナーの一角を占めるに至っている。
2005

導入目標

開発・導入期

定置用燃料電池
FCV

水素需要2010

普及期

210万kW（PEFCのみ）
5万台

4万t（4.4億Nm3）

システム発電効率（HHV)
31％2020が求められている。これら燃料電池の基本性能の向上とあわせて重要な課題が、「水素供給インフラの整備」である。米カリフォルニア州では、2010 年までに州内の主要なハイウエイ沿い 20マイルにつき１ヶ所の水素ステーションをつくるという「水素ハイウエイネットワーク・イ
ニシアチブ」を 2004 年 4 月に決定しているが、我が国では、大規模供給インフラのあり方に関する具体的なイメージについての議論が、十分になされていないのが現状である。燃料電池の普及と水素供給インフラ整備の関係は、しばしば、「鶏が先か？卵が先か？」の関係に例えられるが、両者がバランスよく一体的に普及促進されていくことが、水素社会の実現に向けては重要である。
財団法人石油産業活性化センター（PEC）では、平成 16年度から平成 17 年度にかけて、主として灯油などの石油系燃料からの水素の供給と、それを利用した燃料電池の普及方策に焦点をあてた調査1を実施している。本稿は、
主にそこにおける調査成果を中心に、来るべき水素社会の到来を視野に置いた時の、全ての国民が水素燃料にアクセスできるような水素供給インフラのあり方について、石油燃料の「強み」「特性」を生かす、という観点からの考え方を整理したものである。

本格普及期

1000 万kW１．現在の石油の使われ方と石油の強み

500万台

灯油などの石油系燃料は、都市ガスや電気とともに、58万t（63.7億Nm3)

我々の生活の中においては、非常に身近なエネルギー源の一つである。やや古いデータになるが、独立行政法人
32％

36％

効率目標
FCV(tank to wheel)
50%

加納 達也

54%

60%

NEDO の調査2によると、家庭における暖房の 8 割、及び給湯の 3 割は灯油が熱源となっている（図表 2）。家庭の熱源は近年オール電化が増える傾向にあるものの、依然と（第 13 回燃料電池実用化戦略研究会 H17.4.19）して灯油は非常に重要な役割を担っているとともに、誰もが利用可能なエネルギー源との位置づけになっている。

関係者の情熱と努力により、順調に滑り出したように見える一連の取組みであるが、リアルな市場が立ち上がまた、家庭に供給される灯油のほぼ全量が、暖房と給湯に利用されており（図表 3）、灯油は燃焼して使用されていると考えられる。灯油の持つ熱量を効率的に使っているまでには、まだ相当な時間が必要であると見られている。燃料電池スタック、改質器、全体システム等についるとは言い難い状況にあり、今後は灯油のより効率的でクリーンな利用を検討することが望まれるところである。

（図表 1）水素エネルギー社会に向けたシナリオて、一層の高効率化、耐久性等の向上等を図ることで、FCV 用であれば、現在の自動車エンジンのコストと同程度（＝１kW 当たり 4 千円）まで、定置用 FC では、エンドユーザーのコスト負担を 1 台当り 50 万円台以下にすることBest Value vol.13 2006.11 VMI©

1

財団法人石油産業活性化センター「分散型石油系燃料電池普及促進に関する調査報告書」平成17年 3月、及び「石油系水素燃料電池の普及促進技術に関する調査報告書」平成18年 3月
2
NEDO「民生部門エネルギー消費実態調査」平成11年 3月

Best Value●価値総研という作業が発生する。このことは、ガス栓を回せば簡単に供給される都市ガスと比べて利便性の上での弱みとなる。

暖房の燃料種別割合
木炭
0.0%
電気
都市ガス
9.8%
8.0%

石油の強み

石油（物性・流通）の特徴

LPG
1.5%
輸送が容易

取り扱いが容易

液体である

体積あたりエネルギー密度が高い

灯油
80.7%

備蓄性に優れる○灯油LHV：34.9M J/L○都市ガスLHV：39.9MJ/m3
低コストで、ユニバーサルな燃料の供給（水素ステーション併設）

SSは堅牢（耐震性に優れる）

給湯の燃料種別割合
全国SS網（50,000件）

木炭
0.0%

電気
4.5%
広いカバー率

灯油30.9%○灯油世帯カバー率：
85.8％ [1]○都市ガス接続率：
57.2％ [2]

都市ガス
28.3%

大量の製油所水素
低コスト

石油の弱み

○2010年：38億Nm 3○2020年：35億N m3 [3]

LPG
36.2%

単位CO2排出量が多い○灯油：
72.1gCO2/MJ○都市ガス（13A)：56.9gCO2/MJ[4]

C/H比が高い

図表 2 家庭における暖房・給湯の燃料種別割合

大気汚染の懸念（平成 17 年度 PEC 調査より）硫黄分等を含有室内環境の悪化の懸念
給油時に手が汚れるなど

図表 3 家庭における世帯あたりエネルギー消費量
4地域加重平均 （関東/北海道/近畿/九 州）
照明動力
12,016.3

電気
都 市ガス
LPG
灯油
木炭
合計

12,016.3

厨房
32.7
1,639.2

給湯699.9
4,384.8

2,279.7

5,613.0

220.2

4,786.7

11,599.8
0.8
14,380.6

3,951.6

15,484.4

暖房
1,406.1
1,153.7

冷房
4地域平均
792.0
14,947.0
7,177.7
8,112.9792.0

貯蔵タンク・スペースが必要○ガス体：ガス配管の存在（供給エリア内）○電力：送電網の存在（全国）

16,386.5 [1]石油情報センター「H14年度灯油消費実態調査」（2003.11）
0.8 [2]日本ガス協会「ガス事業要覧」平成16年度から推計[3]PEC調査結果より
46,624.9 [4]JHFC総合効率検討特別委員会 「JHFC総合効率検討結果中間報告」（2004.3）

MJ/世帯・年（
平成 17 年度 PEC 調査より）

図表 4 石油の「強み」「弱み」（
平成 17 年度 PEC 調査結果を一部修正して作成）

次に、石油の「強み」「弱み」について整理を行った（図表 4）。石油系燃料は、輸送が容易でエネルギー密度が高いために備蓄性にも優れている。また、全国をほぼ一円

水素パイプラインなどによる大量水素供給インフラが整備されていない水素社会初期の段階では、水素を使用にカバーする 50,000 件の SS（サービスステーション）網によって、石油は国民の誰もがアクセスできるエネルギー源となっている。このことは、原則的にガス導管の敷する需要地（オンサイト）において、灯油や都市ガスなどを改質させて水素を製造・利用することが主流になると考えられる。この段階では、利便性と環境性に優れた設エリア内に供給が限られている都市ガスとの比較においては大きな強みとなる。あわせて、製油所においては都市ガスが、原燃料として優位な位置にあると考えられるものの、都市ガスの全国世帯普及率は 6 割弱であり、「誰ブタンやナフサ等から水蒸気改質による水素を製造しているが、これらのバランス余力の水素が大量に賦存していること（＝製油所水素）も石油業界の大きな強みであもが水素にアクセスできる」と言う観点からは、全国を広くカバーする灯油などの石油系燃料も重要な役割を果すものと考えられる。PEC の調査結果によると、敷地面積る。逆に、石油系燃料は C/H 比が高く、都市ガスと比べた単位あたりの CO2排出量が多く、また、硫黄分を含有し100m2 以上の持家世帯を対象に、都市ガス供給エリアは都市ガス改質、それ以外のエリアを石油系改質の市場としているために大気環境を悪化させるという弱みを有している。また、備蓄型の燃料であることは、言い換えると備蓄に必要なスペースが必要であり、また、「給油する」

た場合、地方都市を中心に全国対象世帯の 54.6％が、石油系改質の主要マーケットになるとされた（図表 5）。

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Best Value●価値総研【
図表 7：家庭モデル月別運転パターン】

(千 戸）
1,200
都 市ガスFCの市場規模 951万戸（45. 4%）
石油系FCの市場規模 1, 144万 戸（54. 6%）
合計
2,095万戸

1,000

熱ロス無し運転
1,400

800

都 市ガス
石油

1,200
1,000
MJ/ 月

600

400

800

実効発電量
熱利用量

600
400

200200
沖縄

12月

11月

9月
10月

8月

7月

6月

5月

4月

3月

図表 5 都市ガス系、石油系の FC 市場規模

2月

0
1月

鹿児 島

宮崎

大分

熊本

長崎

佐賀

福岡

徳島

高知

香川

愛媛

山口

広島

岡山

島根

鳥取

和歌 山

奈良

兵庫

大阪

京都

滋賀

福井

石川富山

三重岐阜

愛知

静岡長野

山梨

新潟神奈 川

東京

千葉

埼玉

群馬

栃木

茨城福島山形秋田宮城

岩手青森（平成 17 年度 PEC 調査より）（注：
敷地 100m2 以上の世帯割合は都市部より地方のほうに高い【
図表 8：
家庭モデル ランニングコスト比較】

割合で存在しているため、都市ガスの市場割合は、都市ガスの全120,000

国世帯普及率である6 割弱より低くなる）
100,000

29,461円/年

２．改質型石油系燃料電池の普及イメージ▲18,051円/年（17％削減）80,00060,00040,000

次に、オンサイト改質型石油系燃料電池の、需要家別のモデルケーススタディ結果を整理する。
（いずれも、平56,748

成 17 年度 PEC 調査より）

灯油料金合計電力料金合計75,05820,00029,7200
従来システム

灯油ＦＣ①家庭でのモデルケーススタディ
従来システムとの比較では、ランニングコスト・CO2負荷ともに石油系燃料電池は優れている。また、同じ前提【
図表 9：
家庭モデル CO2 負荷比較】の下では、灯油価格 104 円/L が、ランニング損益の分岐点となった。

3.00
2.50【図表 6：家庭モデル試算の前提】

13％削減

2.00

使用数値・出所など
北海道家庭モデル

NEDO「民生部門エネルギー消費実態調査」

従来システム電力⇒北海道電力従量電灯 B

tCO 2/年

北海 道

01.41

電力

1.50

灯油

2.10

1.00

熱⇒灯油給湯器（効率 78％）

0.50

月別時刻別負荷パター

（社）
空気調和・
衛生工学会の標準建物負荷

0.00

ン

データ

燃料電池

PEFC 定格 1kW

1.01

FCによって代替される電熱分CO2

FCからのCO2排出量

ターンダウン20％
実効効率（LHV）：
電力⇒30％
熱⇒39％
貯湯槽内の放熱ロス5％考慮
運転パターン

電力負荷追従とするが、貯湯槽内のお湯が一杯になった場合、運転を停止させる（
熱ロ
ス無し運転）

ランニングコスト

灯油 63 円/L

CO2 比較

灯油 72.1gCO2/MJ（34.9MJ/L）
電力 602gCO2/kWh

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②ホテルでのモデルケーススタディ
ホテルは、業務系電力料金が家庭に比して低価格であるにも関わらず、夜間の給湯熱需要が多く、石油系燃料電池によるコスト効果は高い。また、FC の利用率は 97％で、高い CO2 削減効果が期待できる有望な利用先の一つである。なお、夜間の需要が高いという観点からは、病院などもホテルと同様の効果が期待できると考えられる。

Best Value●価値総研【
図表 10：
ホテルモデル試算の前提】【
図表 13：
ホテルモデル CO2 負荷比較】

使用数値・出所など
ホテルモデル300

NEDO「民生部門エネルギー消費実態調査」
250

延床面積 2000m2

27％削減

200

電力⇒東京電力業務用季時別電力
熱⇒灯油給湯器（効率 78％）

月別時刻別負荷パター（社）
空気調和・衛生工学会の標準建物負荷

ン

データ

燃料電池

PEFC 定格 30kW

tCO 2/年

従来システム

153
電力
灯油150
100

188
106500

ターンダウン20％

FCによって代替される電熱分CO2FCからのCO2排出量

実効効率（LHV）：
電力⇒35％
熱⇒46％
貯湯槽内の放熱ロス5％考慮
運転パターンにほぼ全連続運転パターンとなった③その他の利用方法
石油系燃料電池の利用先として、他には以下のような灯油 72.1gCO2/MJ（34.9MJ/L）ものが考えられる。

家庭と同じ熱ロス無し運転であるが、結果的CO2 比較

電力 602gCO2/kWh【
農業加温ハウスでのトリ・ジェネレーション】
電熱併給（コ・ジェネレーション）に加えて、燃料使用に伴い発生する炭酸ガスを、光合成促進用に施与する【
図表 11：
ホテルモデル月別運転パターン】という「トリ・ジェネレーション」としての使い方が考えられる。これは、石油の弱みでもある C/H 比の高さを逆に有効に利用する試みでもある（図表 14）。

ホテル
120,000
100,000

現状、電力と A 重油の代替だけでは、コストメリットを出すことは難しい。炭酸ガス施与分をどのようにコスMJ/ 月

80,000実効発電量60,000熱利用量

ト削減分に評価していくのかがポイントとなる。
系統連係

40,000

ハウス内電力負荷（暖房機・冷房・ポンプ・人工照明）

20,000

加温ハウス

月

月
12月

CO2ガス

119月

108月

7月

6月

5月

4月

3月

2月

1月

0

電力

灯油

【
図表 12：
ホテルモデル ランニングコスト比較】

PEFC
10kW

12,000,000円/年

貯湯槽
温水補助ボイラ▲1,073,906円/年（11％削減）10,000,000
8,000,000

ハウス内
温水需要

図表 14 ハウスでの トリジェネレーション イメージ（
平成 17 年度 PEC 調査より）

3,988,517

6,000,000

6,095,728

4,000,000

5,826,424
2,000,000

2,645,3070
従来システム

灯油ＦＣ

灯油料金合計電力料金合計【
災害時対応兼用型（SS への設置）】
石油は備蓄性に優れており、また、既存の SS は堅牢な建物構造であるとの点に着目し、SS に改質型燃料電池を設置することで、ライフライン寸断時の緊急車両への給油や、周辺の病院などに電力を優先供給するなどの機能をもった「災害対応兼用型 SS」が検討できる（図表 15）。
平常時の利活用として、SS 内に排熱の利用先を確保することが、経済性の面からの課題となる。

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Best Value●価値総研【
図表 16：モデルケースの設定】【ケース１】
幹線パイプライン輸送ケース
製油所⇒パイプライン⇒中継基地⇒高圧ローダー⇒ステーション
高圧ローダー輸送
年間輸送量：
200 百万Nm3（ステーション 160 箇所分）
輸送距離：30k m
圧力：40MPa

幹線パイプライン（大）年間輸送量：
200 百万Nm3
口径：10インチ
輸送距離：
100 km
圧力：7MPa程度
製油所水素精製・昇圧

H2-pipe

中継出荷基地水素ステーション
年間水素需要量：120 万Nm3/件【ケース２】
ローダー輸送ケース
製油所⇒高圧ローダー⇒ステーション高圧ローダー輸送
年間輸送量：200百万 Nm3（ステーション160 箇所分）
輸送距離：100k m
圧力：40MPa

図表 15 平常時・災害時対応兼用型 SS のイメージ（
平成 16 年度 PEC 調査より）
製油所水素精製

製油所内昇圧・出荷基地
水素ステーション

３．大規模供給ネットワークの考え方【図表 17：輸送コスト比較】（水素製造、ステーションでの充填コストは含まない）

先述したように、製油所からの水素供給ポテンシャルは非常に大きく、PEFC として利用するために必要な99.99％の純度まで高める PSA ロス分を見込んでも、2020年において 35 億 Nm3 の水素供給余力があるとされている。
これは燃料電池実用化戦略研究会で示された、FCV500 万台の水素需要量である年間 63.7億 Nm3の約 55％に相当する量である。大量水素消費の段階（水素社会普及期）になると、オンサイトでの個別改質方式ではなく、製油所

単位：円/Nm3【ケース１】
パイプ+ローダー（１）パイプへの昇圧
1.6（２）ローダー用出荷基地（コンビナート）（３）パイプライン
2.0（４）中継出荷基地
4.7（５）高圧水素ローダー輸送
12.1
合計
20.4

【ケース２】
ローダー
5.7
21.3
27.0

（
平成 17 年度 PEC 調査より）からの低コストな純水素を大量に需要地まで供給するようなイメージを描くことが出来る（＝オフサイト供給方（注：
パイプラインコストは、UC Davis の Nathan Parker 氏の研究成式）。この場合、オンサイト改質が不要になることで、FCの効率向上、起動時間の短縮、省スペース化といったメリットも期待できる。ここでは年間 2 億 Nm3（ステーショ

Hydrogen Pipeline Costs」により、以下の式で算出。

ン 160 箇所分）という大量の製油所水素を需要地まで輸送するということを想定して、そのための輸送手段とし¥120）となった。なお、ここにはライトオブウエイは含まない。）て、①幹線パイプラインで中継基地まで輸送し、基地から水素ステーションまでは高圧ローダーで輸送するというケースと、②製油所からステーションまで全量を高圧モデルケースである 100km 輸送の場合では、幹線パイプライン（ケース 1）が安価3な輸送手段であるとの結果ローダーで輸送するという 2 ケースによって、輸送コストの比較を行った。
（いずれも平成 17 年度 PEC 調査より）
なお、三重県では、四日市コンビナートに賦存する余力水素を、周辺需要地などで活用することなどを目指した、「水素関連技術可能性調査」を平成 16 年度に実施し、次いで、平成 17 年度には、産学官連携による「三重県水素エネルギー総合戦略会議」を設置している。製油所水素の利活用に関する具体的な動きは、一部の先進自治体
では既に始まっている。

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果、「Using Natural Gas Transmission Pipeline Costs to Estimate
H2 Pipeline Cost＝[924.5 （dia ）2+12,040（dia）+260,280] （length）+378,750）口径 10 インチ、敷設 100km で、35,741 円/m（US$1＝となった。実際には輸送距離がコストに大きく影響すると考えられることから、次に距離によるコスト感度分析を実施した（図表 18）。これによると、輸送距離が 40kmまでであれば、高圧ローダーがコスト的に優れているとの結果となった。また、全国一律の安価な水素供給網の構築を念頭に置いた場合、全国に 230 箇所あるとされる「油槽所」の活用が考えられる。油槽所には大量の石油
3

平成 14年度にPECが行った調査では、製油所水素製造コストは11円/Nm3。原油価格の上昇を考慮しても21円/Nm3程度（筆者試算による）と推測される。

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系燃料が備蓄されており、ここに大〜中規模の水素製造装置を設置して、油槽所から 40km〜50km 圏の高圧ローダー供給網を整備することで、多くの初期コストと時間をルギーを、電力や熱に変えて、送電線などで需要地まで送るということも考えられる。水素の輸送インフラが未整備な状況の中では、既存の送電ネットワークや都市の要するパイプラインインフラの整備に拠らずに、石油の強みを生かした大規模な水素供給ネットワークの整備が熱導管が利用できるという意味で、現実的な水素利用方法の一つともいえる。なお、価値総合研究所は、武蔵工可能となる（図表 19）。

業大学、シナネン㈱、栗田工業㈱、伊藤忠エネクス㈱、関係各社、各機関等と、このような多様な水素源からの水素製造ステーションを核として、定置用 FC や FCV 向け【
図表 18：輸送距離による感度分析】に水素を供給するとともに、ステーション内に設置したFC から、隣接する事務所などに電力などを供給しようと

45

水素輸送価格（円/Nm3-H2）

40する取組み（本稿では、マルチエネルギーステーションと呼ぶ：図表 20）を、JHFC 相模原水素ステーションにおいて実現することを目指した研究会を立ち上げ、水電解製油所⇒高圧ローダー輸送（100k m）（年間輸送量 200百万Nm3）

3530方式による水素製造を中心に、平成 17 年度から検討を開始している。

2520
製油所⇒パイプライン（100k m）⇒高圧ローダー輸送（30k m）（年間輸送量200百万Nm3）

15

風力
太陽光・

10
050

100

150

都市ガス

石油系燃料

200バイオマス
夜間電力

輸送距離 （k m：それぞれパイプ距離とローダー輸送距離）

需要家
CH
石油輸送

油槽所

マルチエネルギーステーションCH
需要家

ステーション

水素 パイプライン

製油所

石油輸送

CH

CH

SSオンサイト改質CH

石化等 ステーション
石油輸送

平常時/非常時
燃料充填

概ね 50km

油槽所
製油所

石油輸送

一般需要家

水素充填

官庁

需要家
CH

需要家 中継基地

純水素型FC

病院

CH
製鉄所

平常時：
電力/熱供給非常時電力/熱供給

水素パイプライン

FCV

CHステーション

ステーション

緊急車両

SSオンサイト改質

家庭

図表 20 マルチエネルギーステーションのイメージ
図表 19 石油系水素輸送のイメージ（
注：相模原の水素研究会の内容とは一致するものではない）（
平成 17 年度 PEC 調査より）実際は最適な方式を選択するのが望ましい。CH は圧縮水素）

また栃木県日光市では、小水力発電などから水素を製造し、国際観光都市・日光において、例えば、東照宮ま４．他の水素源とのネットワークと多様な利用形態での参道に FCV を走行させることなどの実現4を目指した「日光水素エネルギー社会促進協議会」を、地元自治体（
注：液体水素等、他の輸送方法に関しては検討を行わなかったが、ここまでに、主に全国一円をカバーすることができる、石油系燃料を活用した水素供給インフラの考え方を整理してきたが、実際の水素社会のイメージとしては、多様な水素供給源の中から「供給安定性」「環境性」「コスト」などの観点から、最適な水素製造方法が選択されるものと考えられる。当面は、石油系燃料とともに都市ガス、系統夜間電力を活用した水素製造が有力である。将来的には、バイオマスや風力発電などの再生可能エネルギーを活用した水素製造が、CO2 フリーの観点からは有望視されている。水素の利用先という観点からは、定置用 FC やFCV 向け燃料としての利用の他に、水素の形で蓄えたエネや自動車メーカー、価値総合研究所、関連企業等とともに今年 8 月に発足させた。この取組みは、水素･燃料電池を起爆剤に、観光の促進を目指すとともに、関連産業の創出発展に貢献させることをねらっている。これは、環境負荷の少ない水素エネルギーの普及促進に加え、水素を街づくりのツールとして位置付け、新たな地域発展のビジネスのモデルに活用しようとする試みである。水素の取組みも、いよいよそのようなフェーズに入ったことを実感させるものである。今後このような、面的な広がりのある水素社会の実現に向けた取組みが、各地で推進されていくものと考えられる。
4

Best Value vol.13 2006.11 VMI©

具体的な取組み内容に関しては今後の検討による。
（現段階では未定）