2021年12月03日
国立研究開発法人 産業技術総合研究所 再生可能エネルギー研究センター
研究センター長 古谷 博秀

FREAの水素技術開発について

FUKUSHIMA RENEWABLE ENERGYINSTITUTE, AIST (FREA)

1

カーボンニュートラル実現に向けた対策

非電力

CO2原単位

電力

エネルギー消費量（出典）2020年11月27日 第4回グリーンイノベーション戦略推進会議ワーキンググループ資料

2

カーボンニュートラル実現に向けた対策

電力

非電力

CO2原単位

電力の脱炭素化

電化

天然ガス、水素、バイオ、CCUSなどの活用
省エネ

省エネ

エネルギー消費量
カーボンニュートラル

CO2を回収／貯留するネガティブエミッション技術（出典）2020年11月27日 第4回グリーンイノベーション戦略推進会議ワーキンググループ資料

3

再エネの課題：短周期・長周期の変動◼
◼

変動電力の平準化や貯蔵には貯蔵期間に応じてさまざまな方法がある
短周期変動へはキャパシタ，蓄電池，フライホイールが適し，数日から季節単位の長周期変動には揚水，圧縮空気，そして水素によるエネルギー貯蔵が適する

短周期期･･･

･･･
･･長周期

短周期
期･･･

･････長周期

出典：IEA
出典：IEA Hydrogen Technology Roadmap(2015)

様々なエネルギーキャリア

Copyright © National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST). All rights reserved.

5再生可能エネルギー研究センターはFREAに8つ、つくば中央に1つのチームを持つ
再生可能エネルギーネットワークの開発・実証

風車高性能化とO&M技術開発

水素キャリア製造・貯蔵・利用技術開発

地中熱ポテンシャ
ル評価とシステム
最適化技術

水素エネルギーシステム
技術開発

地熱の適正な導入拡大のための研究開発

太陽光発電システム
技術開発

太陽電池
校正・性能評価
技術開発
6

高性能太陽電池
研究開発

研究対象とする水素キャリア◼ 高密度にエネルギー貯蔵が可能な有機ハイドライド(MCH:メチルシクロヘキサン)，窒化物であり炭素を含まないアンモニア，CCS技術やCCU技術となる次世代型水素キャリア（例：ギ酸），化学変換を伴わない合金による水素吸蔵，液体水素．
MCHトルエン

吸収H
H
H

吸蔵合金

窒素((NN2 )

アンモニア

水

水素H H
H

収液体水素(LH2)

HH

水※メチルシクロヘキサン（MCH）：6重量％の水素を有する常温常圧で液体の有機化合物．1㍑のMCHで500㍑の水素ガスを貯蔵．
※アンモニア：17重量％の水素を有する窒素化合物．1㍑のアンモニアで1300㍑の水素ガスを貯蔵．
※水素吸蔵合金：水素だけを合金中へ可逆的に吸蔵・放出．重量密度は小だが，体積密度は大．
※液体水素：1㍑の液体水素で800㍑の水素ガスを貯蔵．水素の純度が非常に高い．

水素キャリア
水素キ
キャリア 造
造・利用統合システム実証
利用利用統統合システム
ム実実証
ー
ー世界最大級ののMCH
MCH製造・利用実証
証ー

水素分離塔

酸素分離塔

アルカリ水電解装置

概要・特徴

MCH

トルエン

地下タンク

◆◆◆◆
◆

次世代コジェネエンジン

電気分解による水素生成能力：34Nm3/h＠150kW
トルエンへの水素付加能力：70L/h（MCH製造能力）
トルエン保管能力：容量20kL
ＭＣＨの保管能力：20kL（電力として10MWh）
水素エンジンコジェネ出力（電力・熱）：電力60kW・熱35kW

Copyright © National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST). All rights reserved.ｚ8

水素キャリアの効率的な製造・貯蔵・利用■水素キャリア製造の新しい制御手法を構築、変動運転時にも高い転化率と選択率でMCHを製造■水素純度を問わない内燃機関での水素利用技術として、ディーゼルエンジンやガスエンジンでの水素混焼・専焼技術を民間企業と共同開発。
■累計1000時間の水素混焼発電実施■500kW40％混焼約300時間（1日13時間運転、保護装置動作による発電機停止は発生せず。）■300kW60％混焼約700時間（24時間運転実施）→低負荷高水素混焼となる300kW60％運転条件においては燃焼不全における圧力異常が発生したが保護回路動作により燃焼異常時エンジン停止、安全回路の健全性が確認できた。

■目視点検により、エンジンおよびガスミキサー周辺に腐食、劣化等がない事を確認■短時間運転では、500kW時水素混焼率最大約60％、300kW時水素混焼率最大約80％を記録。

9

カーボンニュートラル社会の実現を前進させる
熱機関における水素キャリア燃焼利用技術
三菱重工グループ•MW級ガスエンジンを核とした工場等のゼロエミ化を目指す•100%水素燃料の安定燃焼を実現

日立製作所・デンヨー興産•福島県内の水素サプライチェーンと水素混焼発電システムの実証•世界初の1000時間稼働

電解
水素MCH
水素

様々なセクターで活躍する熱機関をゼロエミ化！

副生
水素
バイオ
燃料
500kW級 水素混焼エンジン

ガスタービンエンジン
コジェネ

集中火力発電利用
製造
造/造/貯蔵
風力発電

水素
キャリア
移動体

太陽光発電

水素
水電解

化学変換
鉄鋼,製油,化成 etc.

再生可能エネルギー

10

東邦ガス•都市ガスと水素のエンジン
混焼技術を獲得中◼ 難燃性、高NOxの課題を克服し、ガスタービンでの直接燃焼利用技術を開発。
◼ 現在は液体アンモニア噴霧燃焼技術を開発中。
フェーズⅡ
アンモニア専焼試験、アンモニア-メタン混焼試験
平成27年度フェーズⅠ
アンモニア灯油混燃試験（仮設）平成25～26年度
21kWのアンモニア・灯油混焼ガスタービン発電に成功(世界初)，混焼率30％
燃焼用空気流路
灯油噴射弁
ガス燃料噴射孔（12穴）••

メタンとアンモニアの混合ガスを用いた41.8kW発電に成功(世界初)
CO2フリー大型火力発電所でのアンモニア混焼発電に繋がる成果

フェーズⅢ
燃焼器テストリグ試験、アンモニア燃焼計算
平成28～３０年度

フェーズIV
実用化に直結する技術開発段
階へ移行
今年度～
東北大学，トヨタエナジーソ
リューションズと共同で燃焼器改良（燃焼強化、低NOx燃焼）産総研の脱硝触媒の開発

太陽光発電から水電解による水素製造，低温・低圧でのアンモニア合成，ガスタービンによる発電(45kW)というバリューチェーンの実証に成功（世界初）

過濃Zone希薄Zone希薄
アンモニア用燃焼器
アンモニア火炎

1112

サウジアラビアからのブルーアンモニアで日本のCO2を減らす（世界初のアンモニア用ガスタービン発電技術）13• 太陽電池を用いた高効率水素製造（水電解）システム開発及び実証

電解用太陽電池 20kW

・20kWの太陽電池出力を直流のまま、電解セル数を制御できる水電解装置に直結し、変動電力で高効率電解を達成。
→変動電力に対応する水電解装置制御技術を開発→太陽エネルギーを高効率に水素に変換（約15％）、製造装置としては補器動力を引いても70~80%の効率
研究成果
・水素エネルギー協会大会2015年12月 P07 （発表済）
・電気学会 全国大会 2016年3月 7-0188（発表済）・国際論文 JICEE DOI:10.1080/22348972.2016.1173783（公開中）
・国際会議 International conference of Electrical Engineering 2016（2016年7月那覇にて発表予定）

５Nm３/h 規模水電解装置（燃料電池機能付）
14

• 太陽電池を用いた高効率水素製造（水電解）システム開発及び実証
・５Nm３/h （２０ｋW）規模水電解装置の補器動力400W程度。一定電解槽セル数を制御できる電解装置を制作し、制御手法を確立。

５Nm３/h （２０ｋW）規模水電解装置の総合効率補器動力を引いても70～80％を達成。
国際会議 International conference of Electrical Engineering 2016（2016年7月那覇にて発表予定）

15

国内初の再エネ水素を利用した水素ステーション

FREA is going to open Commercial H2 station using RE H2
with local LG Company (applo Gas Co.)
16

清水建設のBEMS技術と産総研の水素技術でZEB用再エネ地産地消システム
Hydro Q-BiCを構築
提供 清水建設
Hydro Q-BiCを実装

FREAでの技術開発
での技術開発清水建設北陸支店（金沢市）
２０２１年５月竣工

郡山市場での実証
CO2の50％以上の削減効果

清水建設北陸支店で実装
北陸初のZEBを実現
17⚫ 晴れ間の運用⚫ 夜間/曇天時の運用

・太陽光発電が建物で消費する以上の余剰が発生した際、水電解装置により水素を製造、水素貯蔵装置(合金タンク)に貯蔵する。

・夜間や雨天など必要に応じて、合金タンクから水素を取り出し、燃料電池に送り発電して、建物にエネルギーを供給する。

システム導入前に対して、太陽光発電の余剰分を逆潮させただけの場合より、水素システムで水素を作りためて、電力不足時に使ったほうが、二酸化炭素排出量の低いことをシミュレーションで確認。削減率５３％。
系統電力より再エネ水素貯蔵を利用して発電したほうが二酸化炭素排出量が少ないことが実証された。

清水建設

18

清水建設・産総研 ゼロエミッション水素タウン連携研究室

ご清聴ありがとうございました。

19