脱炭素社会に向けたグリーン水素

光島重徳(横浜国立大学 大学院工学研究院先進化学エネルギー研究センター グリーン水素研究ラボ)

2 IPCC AR6による人為的ＣＯ2排出量と温暖化の関係
ACERC開設記念シンポジウム「持続可能な社会のエネルギーを考える」 2021.12.11

CO2排出が増えるたびに地球温暖化が進行
第5次から未来
3のシナリオを導き出すにあたり、人口や経済成長、教育、都市化、 2
技術的および地政学的な動向など、社会経済的 1な要素を加えた(気象庁HP)IPCC
0
AR6/WG1報告書 SPM
暫定訳 (jma.go.jp)
図SPM.10 累積CO2排出量と世界平均気温上昇との間の、ほぼ線形の関係

1850年以降の累積CO2排出量
GtCO21000 2000 3000 4000

3

日本のｴﾈﾙｷﾞｰ価格､供給量と主な関連ﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄ
ACERC開設記念シンポジウム「持続可能な社会のエネルギーを考える」 2021.12.11

新ｴﾈﾙｷﾞｰ技術開発

ｴﾈﾙｷﾞｰ･環 水素安全利用等
水素利用等先(ｻﾝｼｬｲﾝ計画 ‘74~’92)
導~(水電解含境領域総合 基盤技術開発
石炭液化、太陽電池、地熱、水素む, ‘14~)
技術開発推 (‘03~’07)(熱化学法、高温高圧アルカリ水電解、進計画
水素社会構築共 SIPｴﾈﾙｷﾞｰｷｬ
固体高分子形水電解、水素利用)(ﾆｭｰｻﾝｼｬｲﾝ
通基盤整備事業 ﾘｱ, ‘14~’19)
省ｴﾈﾙｷﾞｰ技術開発 計画 ‘93~’00) (‘05~’09)他
JST-ALCA(ﾑｰﾝﾗｲﾄ計画 ‘78~’92)• 高効率化WE-NET(‘10~ )
• 外部不経済の内部化(‘93~’02)
地球環境技術開発

資源枯渇/公害↓
地球温暖化

原子力供給量(EJ)
価格(円/MJ)

ｵﾘﾝﾋﾟｯｸ景気
岩戸景気
神武景気

再エネ(除水力)
水力

天然ガス
石炭
石油

いざなぎ
景気

ﾊﾞﾌﾞﾙ
景気

ﾘｰﾏﾝｼｮｯｸ
いざなみ 東日本大震災
景気
COP21(パリ)

第2次石油危機COP3(京都)ﾌﾟﾗｻﾞ合意
第1次石油危機
天然ガス
ﾌﾞﾗｯｸﾏﾝﾃﾞｰ
ﾄﾞﾙ・ｼｮｯｸ
ﾊﾞﾌﾞﾙ崩壊(平成不況)

原油

石炭

4

日本の一次エネルギー消費とCO2排出ACERC開設記念シンポジウム「持続可能な社会のエネルギーを考える」 2021.12.11

脱炭素のためには非電力分野での再エネ利用技術が鍵
100%

石炭(非電力)石炭(電力)

80%60%

石油(非電力)40%

石油(電力)20%

LNG(非電力)
LNG(電力)水力・再可未活エネ
0%
原子力

一次エネルギーの比エネルギー白書より• CO2フリーの一次エネルギーである
水力・再可未活エネおよび原子力は(ほぼ)全て電力経由で利用• 発電では114 Mt-C/yr、発電以外では221 Mt-C/yrのCO2排出脱炭素• 石炭・石油のｴﾈﾙｷﾞｰ利用を止めるﾚﾍﾞﾙ• 電力のCO2フリー化では不十分• 非電力利用分野の再エネ電化や再エネ利用が不可欠

CO2量の比温室効果ガス排出量算定・報告・公表制度／排出係数• 原料炭: 0.0245 tC/GJ• 原油: 0.0187 tC/GJ• LNG: 0.0135 tC/GJ

5

再生可能エネルギー基盤のエネルギーシステム
ACERC開設記念シンポジウム「持続可能な社会のエネルギーを考える」 2021.12.11

再エネ電力⇒ｴﾈﾙｷﾞｰ~化学品原料• 化学物質としては水を分解した水素

再エネ電力⇒水素製造• 水電解が現状の解エネルギー生産地

エネルギー消費地
水素ｴﾈﾙｷﾞｷｬﾘｱ

再エネ電力グリッド

発電(火力/燃料電池)

蓄電池 水電解移動体(蓄電池主)
電力消費
・電化
風力

再エネ水素グリッド

水素消費
・燃料/化学品

電力消費 水素消費・化学品/燃料電力

太陽電池
CH3

エネルギー貯蔵・輸送
化学エネルギー化

移動体(燃料電池主)CH3

CH3Hydrogen

熱エネルギー利用
水素
CH3

燃料電池

FCV

6

再エネ化・電化の考え方
ACERC開設記念シンポジウム「持続可能な社会のエネルギーを考える」 2021.12.11

エネルギー生産地 ---変動性の再エネ電力過剰／インバランスが課題• 電力として利用する分には蓄電池• 過剰分のグリッド地域外への輸送には水電解⇒水素⇒水素エ
ネルギーキャリア

エネルギー消費値 ---地域のグリッドの再エネ不足/再エネ水素導入• 地域にとっては水素が一次エネルギー• 電力網と直接接続できる機器は直接電化• 移動体などは水素燃料電池で間接電化

7

グリーン水素とは(EUのCertigHy)
ACERC開設記念シンポジウム「持続可能な社会のエネルギーを考える」 2021.12.11• グリーン水素： 再生可能エネルギー由来の低炭素水素• ブルー水素： CCS(CO2貯留)等による低炭素水素• 製造プロセスを考慮した低炭素水素の認証の取り組み例
市場の水素の95%以上の天然ガス
水蒸気改質ベースのベンチマーク(= 91 g CO2 eq / MJH2)-60%(バイオ燃料の閾値)
低炭素の閾値(= 36.4 g CO2 eq / MJH2)

https://www.certifhy.eu/images/media/files/CertifHy_Presentation_19_10_2016_final_Definition_of_Premium_Hydrogen.pdf

8エネルギーシステムの中での水素の役割
ACERC開設記念シンポジウム「持続可能な社会のエネルギーを考える」 2021.12.11• 蓄電池には比較的短時間の電力系統の安定化• 水素には電力と運輸や工業との複合=電化の役割を期待
再エネ電力を水素(エネルギー)に変換：水電解

FCH-JU programme review (2019)

9

再エネ電力導入の課題 ⇒ Power to Gas
ACERC開設記念シンポジウム「持続可能な社会のエネルギーを考える」 2021.12.11

再エネ電力による需給不一致対策

ﾍﾞﾈﾙｸｽ地域のﾊﾟｲﾌﾟﾗｲﾝ(H2: 赤)

1.蓄電設備によるバランシング
2.地域間送電によるバランシング
3.エネルギー変換(水素製造等)によるバランシング⇒ガスパイプラインの利用な
ど = P2G
Air Liquide 2006

<時間的なインバランス>• 火力のアイドリング• 設備利用率低下
九州地区の例<空間的なインバランス>• 南北の送電能力不足(日本も)• 日本国内の再エネ量の不足
https://ja.wikipedia.org/wiki/電力系統

迂回路が少ない
櫛形の電力網10 水素の価格の目標～原油と熱量換算で比較
ACERC開設記念シンポジウム「持続可能な社会のエネルギーを考える」 2021.12.11

水素基本戦略(2017.12): 30円/Nm3(2030)⇒ 将来：20円/Nm3
原油の市場価格の振れ幅から現実味がある価格帯の目標設定

水素価格(円/Nm3）

60120円/$

50104円/$

4090円/$

30
20

再エネで可能?
量的な制約は?
(広義の人工光合成(の一部))• 再エネ電力+水電解• 光触媒での水分解• バイオマス水素：

100050100
150
原油価格(US$/バレル)

200

現在のステーション価格(FCVユーザ向けに決めた末端価格)～100 円/Nm3
1充填 < 4 kg≒4000円

11 水電解水素のコスト構造
ACERC開設記念シンポジウム「持続可能な社会のエネルギーを考える」 2021.12.11

𝑸𝑸𝟎𝟎
𝟐𝟐 𝑨𝑨𝑪𝑪𝜷𝜷 + 𝑩𝑩 + 𝑪𝑪 𝑼𝑼𝟎𝟎 + 𝜼𝜼𝒂𝒂𝒂𝒂𝒂𝒂
𝜽𝜽𝑭𝑭

電力: W →

𝑷𝑷′𝐜𝐜,𝒐𝒐𝒐𝒐𝒐𝒐 =セル電圧: U→• 電解槽の特性を線形近似した水素製造コストの構造• コスト感度が最も大きいのは電力単価とAの設備利用率因子

𝑼𝑼𝟎𝟎 + 𝜼𝜼𝒂𝒂𝒂𝒂𝒂𝒂

A: 電極面積当たりの固定費—設備利用率/電解槽価格他
B: 電力コスト以外の原料等の変動費
C: 電力単価
ηact: 活性化過電圧(電極触媒能)
𝑸𝑸𝟎𝟎 , 𝜽𝜽𝑭𝑭 : 理論電力原単位及びファラデー効率
電流: I →
β: 電解槽の見かけの内部抵抗𝜼𝜼𝒂𝒂𝒂𝒂𝒂𝒂 ：電極の性能
低コスト化•電源変動耐性：起動停止モード•電力単価(C): 変動電源の受け入れ向上(耐劣化)•固定費(A): 電極面積当たりの電解槽価格
変動モード(高稼働率化/高平均電流密度化)⇒低内部抵抗(β)化•低コスト材料化

12 目標の水素価格と電解槽の性能
ACERC開設記念シンポジウム「持続可能な社会のエネルギーを考える」 2021.12.11

前提： ベースをセル電圧 1.8 V, 電流密度 0.6 A/cm2, 電流効率 98% 基本計画のシステムコスト 26万円/(Nm3/h)
数値ベース⇒ 2.44 kAh/Nm3, 4.40 kWh/Nm3，5900万円/MW設備※ 高電流密度化およびセル電圧削減効果についても検討• 電力料金の感度は非常に大きく、5円 • 設備利用率の感度は非常に大きく、約60％以上の利用率が望ましい
グリーン電力/kWhでも約20円/Nm3-H2に相当• セル電圧削減の感度は相対的に小 • 装置側では高電流密度化が重要
50

40
30
201.6V
1.7V
1.8V

1000510電力料金(円/kWh)15

設備コスト(円/Nm3-H2)

電力コスト(Nm3-H2)

50

太陽光 風力40 発電 発電0.6A/cm2
0.8A/cm2
1A/cm2
10年償却

30
2010000.2

0.4 0.6 0.8
設備利用率

1

13 再エネ電力の将来見通しと電解槽の特性
ACERC開設記念シンポジウム「持続可能な社会のエネルギーを考える」 2021.12.11

水電解槽システムとして安い再エネ電力＝低質の電力利用が不可欠
再エネ電力の見通し
日本 10～14￠/kWh ⇒ 9￠/kWh
欧米 4～ 7￠/kWh ⇒ 3 ~ 4￠/kWh

発電コス[US￠/kWh]1612

電力予備力としての付加価値による電力調達コスト削減が必須

日本太陽光
風力8 ドイツ太陽光

ドイツ風力40

米国風力 米国太陽光
2020

2030
年

2040

2050

日本エネルギー経済研究所, 再生可能エネルギーに関する海外コスト調査分析事業調査報告書(H30.3）

14 各種の実証/商用大型水電解
ACERC開設記念シンポジウム「持続可能な社会のエネルギーを考える」 2021.12.11

アルカリ水電解3
旭化成 常圧, 1.8 V×0.6 A cm-2 ×3m2 Sunfire 30 bar, 2,230 Nm /h 3
NEDO FH2Rで10 MW級(1.5～10 MWの変動運転試験)
食塩電解(数十MW)

カチオン交換膜水電解
0.5MW / 100 Nm3/h
日立造船
MWパッケージ
0.5 MW x 2
国内：0.8 MPa (技術的には2~3 MPa可能）

10 MW, 4.7 kWh/Nm

ジーメンス
定格 1.25 MW~3.5 MPa, 225 Nm3/h

Renewable hydrogen (HyLink) – Sunfire, 9142.pdf (town.namie.fukushima.jp)

15 水電解槽開発の強み、弱み、開発の必要性
ACERC開設記念シンポジウム「持続可能な社会のエネルギーを考える」 2021.12.11

強み• 食塩電解⇒アルカリ水電解、固体高分子形燃料電池⇒
プロトン交換膜水電解の基盤技術• 電解槽材料の基盤技術・製造技術
弱み• 国内の法規制／高圧ガス管理法の下では海外製商用電解槽の運転不可など• 国内の再エネポテンシャル小／国内市場小⇒海外展開
前提
必要性• 再生可能エネルギー基盤のエネルギーシステムの中で製造・変換・輸送・貯蔵・利用にわたる技術を保有、海外展開することが必須

NEDO/水素利用等先導研究開発事業／水電解水素製造技術高度化のための基盤技術研究開発／

16 アルカリ水電解及び固体高分子形水電解の高度化について
ACERC開設記念シンポジウム「持続可能な社会のエネルギーを考える」 2021.12.11

再生可能電力を用いた高効率・コストミニマムのP2Gシステム、その電解槽および使用材料を開発するガイドライン共通評価法や開発手法を提案
技術的要因

地政学的要因地理的要因
地域エネルギー・経済要因•再エネの変動性•規模•電力/水素出etc.

• 機能発現機構モデル• 劣化機構モデル• 試験法標準化• 電解槽シミュレーター

• 材料データ
ライブラリ

電解槽基本仕様に適合した材料・電解槽の選定・開発手法• システムモデル/ システムに最シミュレーター 適化した材料・

電解槽
基本仕様

電解槽仕様
立地条件に適合した高効率・コストミニマム
P2Gシステムの設計手法•電源/電解槽/蓄電池の容量比•制御アルゴリズム•システム機器仕様
水素製造システム

産業育成
 材料メーカー• 材料評価法• 高度分析支援
 電解槽メーカー• 材料評価法• 電解槽設計支援
 システム開発• システム設計支援

17 プロジェクト外との協力体制
ACERC開設記念シンポジウム「持続可能な社会のエネルギーを考える」 2021.12.11

知財合意：協力企業との関係を包括• 高度解析
• 劣化解析• 要素試験法開発

NDA1(共通の条文)
横国大が代表

標準化の基盤としてNDA1, 産業界との知財創生の基盤としてNDA2を設定したプラットフォーム
企業1 企業等の開発支援
企業2 NDA1• 技術情報提供(各企業で活用)• 技術情報に関するフィードバック
企業と挙動で開発
企業2
PJ内で測定法+新材料

企業3
NDA2(個別の条文, 自由な機関の組み合わせ)

NDA1+2• 共同実施者• 双方向の技術情報提供• 知財の共願NEDOプロの横連携

18 電解槽の性能評価法・高度解析法の開発
ACERC開設記念シンポジウム「持続可能な社会のエネルギーを考える」 2021.12.11

19 まとめ
ACERC開設記念シンポジウム「持続可能な社会のエネルギーを考える」 2021.12.11

 二酸化炭素排出量抑制のためには再生可能エネルギーの大幅導入が必要 --- 2℃シナリオには非電力分野の再エネ化も必須 太陽光や風力などの変動性の再生可能エネルギー大規模導入のためには水電解技術(グリーン水素製造技術)は必須(Power to X) 日本は食塩電解や燃料電池などで水電解に必要な基盤技術を保有するが、法規制、国内市場(再エネポテンシャル)など課題も多い
 NEDO／アルカリ水電解および固体高分子形水電解の高度化にて、Power to 新たなオープンイノベーション体制で基盤技術と新技術の開発を推進
 再エネ利用電解槽の使い方、性能発現・劣化機構⇒材料やシステム開発の指針