ENEX2023

カーボンニュートラルを目指した
水素製造・利活用
一般財団法人 電力中央研究所
エネルギートランスフォーメーション研究本部
水素エネルギー研究戦略担当 研究参事

市川 和芳
2023年2月3日
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発表内容
１. エネルギーシステムにおける水素の位置づけと利用の意義◆ 各種エネルギー貯蔵技術の比較◆ 水素製造・貯蔵・利用の意義

２．我が国の水素政策の動向◆ グリーン成長戦略◆ 第6次エネルギー基本計画

３．電中研の研究構想と取り組み◆ 水素研究構想◆ 水素・アンモニアサプライチェーン関連◆ 電解による水素製造技術関連◆ 水素・アンモニア混焼技術関連
◆ その他

４．まとめ
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１.エネルギーシステムにおける水素の位置づけと利用の意義

水素とは• 水素分子（H2）は無色無臭の気体で気体・液体・固体のいずれにおいても、最も軽い物質（比重は0.0695）。宇宙の中で最も豊富な物質であり、通常は、水やアミノ酸・炭化水素などの化合物として存在• 可燃性だが、他の可燃性ガスのように炎の色を見ることはできない。
• 気体の中では拡散率が最大（=最も拡がりやすいガス）。
• 水の電気分解により製造可能。
液化水素は－253℃と超低温

無色無臭

火炎が見えない

火炎温度は2000℃以上

水素

拡散が早い

最も軽い気体3

１.エネルギーシステムにおける水素の位置づけと利用の意義

各種エネルギー貯蔵技術の比較
水素、PtoX・水素およびその化合物として長期の畜エネに利点。
・長距離のエネルギー輸送やCCUの原料としても重要視されている。
蓄熱

蓄熱
・世界では、揚水の次に普及している畜エネ技術である。
・原料が安く、ローテクであるため、信頼性が高く、早期に導入が可能。

蓄電池
蓄電時間と蓄電容量で棲み分け

・数秒～数時間程度の比較的短期の需給調整に適している。
・定置用だけでなく、モバイル機器、モビリティ用としても使われ用途が広い。

出典：NEDO TSC Foresight Vol.20(2017)の表記に蓄熱を加筆
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１.エネルギーシステムにおける水素の位置づけと利用の意義

各種エネルギー貯蔵技術の比較

to P

蓄熱発電

●

● ● ●

10-30

10-40

150-300

20-45●

出典：NEDO TSC Foresight Vol.20(2017)の表記に蓄熱発電を加筆●●5

１.エネルギーシステムにおける水素の位置づけと利用の意義

水素製造・貯蔵・利用の意義
火力のカーボンフリー発電、CCUS

電力系統混雑の解消（時間のシフト）・グリーン水素及びその化合物によるCF発電、環境価値創出
・排出CO2と水素から合成したメタン、合成燃料等の供給・再エネに対応した系統増強の最小化
・需給調整市場へのΔkW、マイナスΔkWの供給
・非常時のkWhの供給 ⇒ レジリエンスの確保

発電設備の設備利用率、運用性向上
・再エネの出力制御、火力の負荷追従をせずに、余剰エネルギーを変換・貯蔵することで、設備利用率、運用性を向上

間接電化、Power to X（用途のシフト）
・直接電化が難しい産業部門等への水素及びその化合物（メタン、合成燃料、化成品原料等）の供給による脱炭素化
・地産地消により、地域産業の活性化

出典：電気事業連合会、「2050年カーボンニュートラルに向けて（2021年5月）」に加筆

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発表内容
１. エネルギーシステムにおける水素の位置づけと利用の意義◆ 各種エネルギー貯蔵技術の比較◆ 水素製造・貯蔵・利用の意義

２．我が国の水素政策の動向◆ グリーン成長戦略◆ 第6次エネルギー基本計画

３．電中研の研究構想と取り組み◆ 水素研究構想◆ 水素・アンモニアサプライチェーン関連◆ 電解による水素製造技術関連◆ 水素・アンモニア混焼技術関連
◆ その他

４．まとめ
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２.国内外の水素政策の動向

2050年カーボンニュートラルに伴うグリーン成長戦略
におけるカーボンニュートラル実現のイメージ

脱炭素電源
再エネ
（50~60％）原子力（30~40％）
火力＋CCUS/ｶｰﾎﾞﾝﾘｻｲｸﾙ
水素アンモニア（10％）

需要サイド（電化）、発電サイド（脱炭素電源）の両面において、水素の位置づけが示される
出典：2050年カーボンニュートラルに伴う グリーン成長戦略、METI、2020/12/25に加筆

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２.国内外の水素政策の動向

CN実現を目指した水素活用イメージ

ブルー水素

グリーン水素出典：経産省、今後の水素政策の課題と対応の方向性中間整理（案）9２.国内外の水素政策の動向

第6次エネルギー基本計画（１）
2030年に向けた政策対応のポイント 【水素・アンモニア】◆カーボンニュートラル時代を見据え、水素を新たな資源として位置付け、社会実装を加速◆需要サイド（発電、運輸、産業、民生部門）における水素利用を拡大◆大量の水素需要が見込める発電部門では、2030年までに、ガス火力への30%水素混焼や水素専焼、石炭火力への20％アンモニア混焼の導入・普及を目標に、混焼・専焼の実証の推進や非化石価値の適切な評価ができる環境整備を行う。また、2030年の電源構成において、水素・アンモニア1%を位置付け
出典：「エネルギー基本計画の概要」、資源エネルギー庁、2021年10月 10

２.国内外の水素政策の動向

第6次エネルギー基本計画（２）水素コスト、供給量の目標
水素の供給コストを、化石燃料と同等程度の水準まで低減させ、供給量の引上げを目指す。
現在
水素供給コスト
水素発電コスト

2030年

100円/Nm3
30円/Nm3
水素ST販売価格※CIF価格ー2050年
20円/Nm3以下

17円/kWh

12円/kWh

水素供給量 約200万トン/年

最大300万トン/年

2,000万トン/年程度

アンモニア需要ー

300万トン/年3,000万トン/年(水素換算約50万トン) (水素換算約500万トン)

アンモニア供給コストー

10円代後半/Nm3(熱量等価水素換算)ー

出典：「エネルギー基本計画の概要」、資源エネルギー庁、2021年10月
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発表内容
１. エネルギーシステムにおける水素の位置づけと利用の意義◆ 各種エネルギー貯蔵技術の比較◆ 水素製造・貯蔵・利用の意義

２．我が国の水素政策の動向◆ グリーン成長戦略◆ 第6次エネルギー基本計画

３．電中研の研究構想と取り組み◆ 水素研究構想◆ 水素・アンモニアサプライチェーン関連◆ 電解による水素製造技術関連◆ 水素・アンモニア混焼技術関連
◆ その他

４．まとめ
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3．電中研の研究構想と取り組み

中期経営計画「７つの目標」における水素の位置づけ
産業、運輸部門等の電化の補完手段

オンサイトエネルギー供給手段

柔軟な系統運用手段

災害時のエネルギー備蓄手段

グリーン水素製造源

カーボンフリー燃料供給によるゼロエミ化手段

グリーン水素製造源

中期経営計画(2019/11)における7つの目標「水素」は７つの目標全てと密接に関係することから「戦略研究」として重点的に実施
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3．電中研の研究構想と取り組み

水素利用社会の絵姿

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3．電中研の研究構想と取り組み

水素・アンモニアサプライ
チェーン関連15

3．電中研の研究構想と取り組み

海外水素調達時の水素キャリア候補比較

体積（対常圧水素）

液体水素

MCH

アンモニア

メタネーション

約1/800

約1/500

約1/1300

約1/600液体となる条件、毒性-253℃、常圧
毒性無

常温常圧
トルエンは毒性有-33℃、常圧等
毒性、腐食性有-162℃、常圧
毒性無

直接利用の可否N.A.(化学特性変化無)現状不可

可（石炭火力混焼等）

可（都市ガス代替）

高純度化のための追加設備不要

特性変化等のエネ
ルギーロス

現在:25-35%
将来:18%

現在:35-40%
将来:25%

水素化:7-18%
脱水素:20%以下

現在：-32%

既存インフラの活用可否

国際輸送は不可（要新設）。国内配送は可可（ケミカルタンカー等）

可（ケミカルタンカー等）

可（LNGタンカー、都市ガス管等）

技術的課題等

大型海上輸送技術（大型液化器、運搬船等）の開発が必要

エネルギーロスの更なる削減が必要

直接利用先拡大のための技術開発、脱水素設備の技術開発が必要

製造地における競争的な再エネ由来
水素、CO2供給が不可欠

必要

出典：電力中央研究所 研究報告（Q18005)を元に作成

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3．電中研の研究構想と取り組み

メタネーションCH4利用時の経済性および環境性評価◼ 2050年を想定した技術諸元を基に、メタネーション場所およびCO2源の組合せによる6つの合成CH4サプライチェーンを評価◼ 合成CH4 起源のCO2 をリサイクルし海外で合成CH4 を製造するケースが経済性および事業成立性の観点から有用と考えられる。
メタネーション場所

CO2源
国内

海外

天然ガス起源CO2

海外合成CH4（海外でメタネーション）
天然ガス起源CO2

木質ﾊﾞｲｵﾏｽ
起源CO2

CO2リサイクル

木質バイオマス起源CO2

合成CH4起源CO2（CO2リサイクル）

国内合成CH4（国内でメタネーション）
天然ガス起源CO2

木質ﾊﾞｲｵﾏｽ
起源CO2

CO2リサイクル（経 済 性）
発電コスト
（環 境 性）直接CO2排出原単位（事業成立性）CO2調達量
環境性を向上させるためには、木質バイオマス起源のCO2の調達が必要である※想定ケース間の比較結果を良好な順に○△✕と記載
有用な合成CH4サプライチェーンと考えられる

液化水素輸送のため高価格

出典：電力中央研究所 研究報告M20002

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3．電中研の研究構想と取り組み

国内/国外再エネ水素の比較

53.6 52.9 60.3 51.1 58.1 40.7

受入基地

【計算諸元】

国際輸送◆国内外の再エネ価格は最新目標値/予測値を採用(国外はIRENA2030年の最も技術進展した場合)

積荷基地
液化 電力費液化 運転維持費

液化 設備費国内

褐炭由来**
CCS付化石燃料由来**

太陽光(2.2円/kWh)
設備利用率 20%

陸上風力(3.3円/kWh)
設備利用率 55%

洋上風力(5.5円/kWh)
設備利用率 58%

褐炭由来水素製造

太陽光(7.0円/kWh)
設備利用率 15%706050403020100

風力(8.5円/kWh)
設備利用率 20%

LCOH [円/Nm3]

国内グリーン水素（風力、太陽光）は、国内再エネコストの半額程度の再エネに由来する海外（豪州を想定）グリーン水素に対して2030年時点で価格競争力がある。

水電解 運転維持費
水電解 設備費
再エネ電力 運転維持費
再エネ電力 設備費

国外

出典：電力中央研究所 研究報告M19003◆水電解諸元は国内のアルカリ形目標値を採用◆液化および積地貯蔵に要する電力価格および国際液化輸送船による輸送距
離は、豪州を想定◆海外輸入水素の輸送手段
は液化水素、国内は圧縮水素◆生産国および国内の配送は未考慮
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3．電中研の研究構想と取り組み

電解による水素製造技術関連

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3．電中研の研究構想と取り組み

各種電解技術の研究開発
製造コスト
543210

当所は、アルカリ形、固体高分子形セルの基
リバーシブル運転
電流密度
本性能、耐久性等の評価を行うとともに、発電とメタン/水素合成のリバーシブル運転が可能
負荷応答性
電解効率かつCO2利用が図れる固体酸化物形セルの開発を行っている。ま
CO2利用
耐久性
た、将来的なコスト削減を目指してアニオンAWE
PEM
AEM
SOEC
P-SOEC
アルカリ形 固体高分子形 アニオン形 固体酸化物形 プロトン伝導形
交換膜形、プロトン伝
図 各種電解技術の特徴比較（イメージ） 導形セルの基礎研究
注）AEM, P-SOECについては2050年までに実証されるであろう性能を記載。に着手している。
その他は実証済みもしくは2030年までに実証される性能を基に記載。
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3．電中研の研究構想と取り組み

アルカリ形/PEM形電解技術評価
電解技術について、性能、耐久性等の評価技術を確立し、システム全体の効率、経済性の評価を行う。
アルカリ形/PEM形電解装置の評価技術の確立◆ 性能評価◆ 耐久性（寿命）評価＜システム評価＞◆ 投入熱量などを含めたシステム全体効率◆ 熱交換器など周辺設備容量最適化による低コスト化＜再エネ水素経済性評価＞◆ （保守、部材交換を含めた）寿命からの経済性評価◆ 周辺設備の寿命、保守＜最適運転法の提案＞◆ 劣化要因特定◆ 運転条件からの劣化因子回避策
アルカリ形水電解単セル評価装置の外観
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3．電中研の研究構想と取り組み

リバーシブル固体電解質セルの開発(1)発電とメタン/水素を合成するリバーシブル運転が可能なため、高い設備利用率(2)セルと改質部を一体化することで、発電時の発熱をメタンの分解に利用し、電解時に必要な熱をメタネーションによる発熱で供給するため高効率運転が可能
発電（SOFC）モード

電解合成（SOEC）モード（高い発電効率：60-65％）

電極反応

CH4 or 合成ガス
（H2+CO）

CO2
H2O

発電反応

メタネーション

－極電解質＋極熱
O2－

CO2
H2O

リバーシブルに利用
O2

メタン改質反応CH4

熱
O2－Air－極電解質＋極電力

幅広い需給調整機能

電力

再生エネ（余剰）（高い設備利用率）
余剰電力のみ吸収する電解モード単独の設備利用率(20％)を発電にもリ
バーシブル利用することで高い設備利用率（想定：80％）を達成

再生エネ（不足）★低炭素化に向けた高効率エネルギー変換技術や水素利用技術の適用性検討に展開
一部、NEDOプロ「CO2電解リバーシブル固体酸化物セルの開発」（2020－2022）において、コア技術となるリバーシブル固体酸化物セルの基礎技術開発を推進中
出典：International Conference on Carbon Recycling 2021，4th October 2021，ポスター発表資料より作成

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3．電中研の研究構想と取り組み

水電解設備容量の最適化によるLCOH低減効果
出力制御に応じた最適な水電解設備容量を選択する
ことにより水素製造コストを最小化することが可能となる

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LCOH [円/Nm3]2052.9円/Nm315LCOH
出力制御率49104754.5%

45.7円/Nm345

出力制御率 [%]

530.590.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.901

設備容量比 (水電解/太陽光発電) [-]➢ 水電解装置の設置容量を約6割に抑えた場合、太陽光発電の出力制御により、制御した電力価格が発電価格に還元されるが、設備利用率の向上により、再エネ水素製造コストが最低価格となる。
➢ この場合約4.5%の出力制御率となり、水電解装置設備容量の削減効果が大きく、出力制御率なし（0%）に比べて7.2円/Nm3程度LCOHが低減できると試算された。
◆ 国内2018年時点の太陽光価格目標値（7円/kWh）を採用。
◆ 国内のアルカリ形水電解装置2030年目標値（5.2万円/kW）を採用。

出典：電力中央研究所 研究報告M19003

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3．電中研の研究構想と取り組み

水素発電技術関連24

3．電中研の研究構想と取り組み

石炭火力におけるアンモニア混焼技術の開発(1)（ 2015～2018年度SIP、2019～2020NEDOプロ）・2015～2018年度：戦略的イノベーション創造プログラム（SIP）⇒石炭とアンモニアの混焼技術の開発に世界で初めて本格的に取り組み、アンモニア混焼時の燃焼特性を解明
・2019～2020年度：NEDO次世代火力発電技術推進事業⇒実機ボイラでの適用を念頭においたマルチバーナでの最適燃焼方式を開発
アンモニア混焼率20%でも石炭専焼と同等レベル①全バーナ均等NH 3注入②下段バーナNH 3 注入
石炭

石炭NH 30～20%※バーナ単体での混焼率

NH 30 ～ 60%（目標）※バーナ単体での混焼率

一部のバーナへアンモニアを集中供給

石炭専焼

全バーナ 下段バーナ 下段バーナ
均等注入 集中注入 集中注入＆注入ノズル
等適正化

アンモニア混焼率20％を目標とした燃焼技術は、実機適用への見通しが立った段階
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3．電中研の研究構想と取り組み

石炭火力におけるアンモニア混焼技術の開発(2)（2021～2023年度、NEDOプロ）
・2021～2023年度：NEDOアンモニア混焼火力発電技術研究開発・実証
事業「CO₂フリー燃料アンモニアの火力発電所での利用に向けた研究開発」（電源開発、中外炉工業、大阪大学、産総研との共同実施）⇒工業炉向けアンモニアバーナを大容量化し、既設石炭火力でのアンモニア混焼率拡大に向けた技術開発を実施
アンモニア最適燃焼方法検討（数値解析評価も実施）

アンモニア燃焼バーナ大型化

石炭

石炭

NH3

NH3
100kW級⇒760kW級
アンモニア混焼率：33%

アンモニア混焼率：67%

本技術は、様々なボイラ形式に適用できる汎用性があり、混焼率も拡大可能
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3．電中研の研究構想と取り組み

その他
地域水素利活用モデル関連

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3．電中研の研究構想と取り組み

地域水素利活用モデルの構築
カーボンニュートラルの実現には、電力と水素を上手に使い分けることが重要。地域において水素を地産地消する場合の経済的、環境的価値を明らかにし、効果的な水素導入のあり方を明らかにする。
気象衛星

バイオマス発電

風力

海外送電

地域
エコグリッド

FC/EC

原子力

高精度
再エネ出力予測システム

地熱

山村、漁村

Without Gas

地熱

水力

太陽光・熱
ｰ ﾎﾝ

熱利用工場

FC/EC

長距離直流送電

ｶﾞ ｰ

漁業電化
燃料電池
／水電解装置

近郊都市

FC/EC

FC/EC

太陽光/熱
地中熱
ｰ ﾎﾝ

EVステーション大都市
エコグリッドｰ ﾞ

地中熱ｰ ﾎﾝｰ ﾞ

ウインドパーク

再エネ集積
アイランド

ｶﾞ ｰ

蓄電池

海洋発電

CO2利用
燃料合成工場

PV・電池
リサイクル工場

水素ゼロエミ火力

LNG基地
沿岸送電線

下水処理場
ｰ ﾞ

FC/EC

燃料電池
／水電解装置

工場群

ｰﾝ

水素供給
チェーン

風力
電力

水素、アンモニア
MCH等のタンカー

ｶﾞ ｰ

EVステーション

蓄電池

地域
エコグリッド
高効率
直交変換器

農業電化

ガス（水素等）熱

風力28

3．電中研の研究構想と取り組み

やまなし地産地消型グリーン水素製造・利活用トータルシステムの構築及び実現に向けたマスタープラン策定

出所：2022年度NEDO成果報告会、山梨県企業局報告資料29

3．電中研の研究構想と取り組み

宮古島エリアにおけるグリーン水素・水循環利用社会（離島型水素製造・利活用モデル）構築に向けた実現可能性調査
再エネ導入と観光開発の進む宮古島を対象として、水資源の循環利用と再エネからの水素の製造および利活用による、地域振興促進が一体となった水素の地産地消モデルを構築し、実現可能性を調査する。

離島型水素地産地消モデルのイメージ

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４.まとめまとめ・カーボンニュートラルの実現に向け、水素の位置づけ、役割は確実に大きなものになっており、世界各国は、戦略的な水素供給力確保、用途拡大、関連技術開発へと一層注力していくものと予想される。
・我が国も気候変動対策としては、勿論、エネルギーセキュリティの確保、国産技術競争力の維持・強化に向け、水素の社会実装に一層取り組んでいく必要がある。
・当所は、カーボンニュートラル社会の実現にむけて、今後も水素関連研究の取り組みを強化していく所存である。
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