水素燃料

水素燃料 （すいそねんりょう、英語：Hydrogen fuel）とは、燃料として用いる場合の水素を指す。下記の二種類を指す。

 水素分子を酸化・燃焼させる化学反応エネルギーを用いる燃料（酸素もしくは他の分子との化学反応）。本稿では主にこちらを説明する。
 この場合の水素燃料はエネルギー源ではなく、他の燃料・エネルギー源を消費して生産される。
 水素原子の核融合エネルギーを用いる燃料。

 水素燃料の特徴 
 エネルギーとして質量あたりの密度は、ガソリンの3倍、石油や液化天然ガス (LNG) と比べても非常に大きい
質量あたりのエネルギー密度は確かに大きいが、その状態で保管する事は困難で極低温に保つか高圧タンクに貯蔵する必要があり、それらの体積、重量、低温化、高圧化に要するエネルギーを考慮すると経済的とはいえないという意見がある。しかし、燃料電池はエネルギー効率がガソリン車に比べて高く、エネルギー密度が高いため、ガソリン車よりも経済的とする意見もある。

燃料等としての水素を常温常圧で運搬や貯蔵をする手段としては，現在、触媒を用いてトルエンと水素の化学反応を起こしてメチルシクロヘキサン（MCH）に転換し，再び触媒による化学反応で元のトルエンと水素に分解して水素を利用する（トルエンは回収する）方法が提案されている。

 水素は燃焼しても地球温暖化の原因となる二酸化炭素をまったく排出しない、究極のクリーンエネルギーである
水素単体を燃焼させた場合には二酸化炭素を排出しないが、風力発電や水力発電等で水を電気分解したり、超高温原子炉のような二酸化炭素を排出しない高温熱源による熱化学水素製造を行わない限りは、製造工程で化石燃料を消費するので二酸化炭素が発生する。また、水素の運搬、保存には低温化、高圧化等に他のエネルギーを消費するという意見がある。酸化剤として純酸素を用いるロケットエンジン以外は窒素と酸素の混合物である空気を用いて燃焼させる以上、窒素酸化物の排出は避けられない。

しかし、この意見への反対意見として、排気に含まれる硫黄酸化物等の環境負荷物質（上記窒素酸化物を除く）を一切出さないこと。特に、火力発電以外、特に原子力発電、風力発電、水力発電などで補った分のエネルギーだけ、二酸化炭素や環境負荷物質が少なくなることがあげられる。また、送電や変圧時のロスを考えると、電気自動車などとコストは変わらないという意見も存在する。

 課題 
 経済的コスト
天然からの産出量は極めて低いため、他のエネルギー源から生成される。化石燃料から改質するか電力で水を電気分解するかあるいは光触媒や高温ガス炉で水を分解して作られる。そのため、他のエネルギー源資源に依存し、その価格が上昇すると必然的に水素の値段も上がる。また、再生可能エネルギーを用いる「グリーン水素」の製造コストは、化石燃料由来の水素に比べかなり割高である。

既存燃料との価格差： ガソリンや天然ガスと比較すると高価であり、日本では2026年度からこの価格差を埋めるための総額3兆円規模の支援制度（値差補填制度）が本格始動する段階にある。 

 インフラと物流の課題
補給ステーション不足：燃料補給インフラ（水素ステーション）の整備が遅れており、利用できる地域が限定的である。

貯蔵・輸送の困難さ： 体積エネルギー密度が低いため、効率的に運ぶには超低温（-253℃）での液化や高圧圧縮が必要となり、専用の設備や多大なコストを要する。

材料への影響：水素には金属を脆くさせる「水素脆化」という性質があり、既存のガスパイプライン等をそのまま転用することが難しく、専用のインフラ構築が必要。 

 エネルギー効率と環境面の懸念
変換効率の低さ：「再エネ電力 → 水素製造 → 輸送 → 燃料電池で発電」という工程を経る際、元のエネルギーの50% - 80%が損失されるという指摘がある。電気をそのままバッテリーに充電して使う電気自動車（BEV）に比べ、効率面で劣る。

製造時のCO2排出：現在流通している水素の多くは化石燃料から生成される「グレー水素」であり、製造過程で大量のCO2を排出する。これを「ブルー」や「グリーン」に置き換える移行期にある。 

 安全性と取り扱いの難しさ
高い可燃性: 漏洩した際に引火しやすく、無色無臭で炎も見えにくいため、検知や消火に高度な技術と規制が求められる。 貯蔵や取り扱いが難しいため、水素の取り扱いを容易にするための媒体（水素キャリア）があり、これは有機化合物と化学反応させることによって常温・常圧の液体として扱うことが可能である。媒体にはメチルシクロヘキサン、アンモニア、ギ酸などが用いられている。

燃料として使用する場合、内燃機関で使用する場合の熱量あたりの費用は、従来の化石燃料の方が安い。これは、水素の製造に化石燃料が原料やエネルギー源として使われるので、元の化石燃料よりも必然的に費用は高くなるからである。また、燃料電池から電気を使用する場合でも、発電費用は化石燃料からの発電費用の方が安い。したがって現状では水素燃料の使用はかえってエネルギーの浪費につながるという指摘もある。
一方で核融合燃料とした場合、そのエネルギー密度は化石燃料の化学エネルギーに対して数百万倍にも達する（1gの水素が化石燃料十数トンに匹敵するエネルギーを産出する）。この場合はもはや比較にはならず、地球の水資源状態を考えると資源量を気にする事も無意味となる程の効率となる。

 水素エネルギー社会 
水素分子を酸化・燃焼させる場合の水素燃料はエネルギー源ではないが、日本では新エネルギーの一つとされ、水素エネルギーとも呼ばれている（水素エネルギー社会 ）天然には産出しないので、エネルギー源ではなく、電力などと同じくエネルギーの移送方法の一種と見なされる。さらに水素からアンモニアを化学合成し用いた場合は、移送方法が水素に比べて改善されるという見方がある。。

水素エネルギー社会で用いられる水素の例としてグリーン水素がある。使い道として、グリーン水素と二酸化炭素を合成することによって生成される合成液体燃料がある。この合成液体燃料は、ディーゼル燃料やガソリン燃料に約20%混ぜることが最も効果的とされ、また、LCAの二酸化炭素排出量の大半を占める、走行中に排出する二酸化炭素量を実質0にすることが可能であるとされている。この合成液体燃料の利点として、現在用いられているガソリンを利用できること、合成液体燃料の生成工場を設立することによって雇用を生み出せることがある。

 市場展開予測 
日本の新エネルギー・産業技術総合開発機構は、2014年7月30日に「水素エネルギー白書」を発表。2030年までに日本国内で1兆円規模、2050年には8兆円規模の市場展開を予測している。
 水素の製造 
水素燃料（水素分子）は、他の燃料・エネルギー源を消費して生産可能である。各種の生産方法が考えられる。

 化石燃料（石油、天然ガス、石炭）から生産可能で（水蒸気改質）、現状は安価に大量生産されている。石炭からは石炭ガス化を経由する。化石燃料を用いるので二酸化炭素が発生する。

 化石燃料・原子力等のエネルギー源から安価で大量の電力が得られるならば、水の電気分解により生産可能である。なおもしも再生可能エネルギー電力（風力発電など）を用いるならば、水素生産段階での二酸化炭素の発生を無くすことができる。

 原子力を用い熱化学水素製造法（高温ガス炉）により、同じく、水から生産可能である。

 製造法による水素の分類 
生成方法によって区別される。
 名称 特徴 グレー水素 化石燃料を主体に生成される。特に天然ガス（メタン）と水蒸気を反応させH2とCO2を生成させるが、ブラックやブラウン水素よりも低いが大量の二酸化炭素が放出される。最も一般的で安価で大量に生成される方式で全世界の60%を占める。 ブルー水素 グレー水素と同様に化石燃料から製造されるが、生成時に発生するCO2を回収・貯留（CCUS）することで、大気中への排出を削減する方法。  グリーン水素 太陽光や風力などの再生可能エネルギーで発電した電力を使って水を電気分解することで生成される。カーボンニュートラルの切り札として期待されている。反面大量の電気を必要としコストが高い。 ターコイズ水素 天然ガスのメタンを熱分解し、水素とともに固体炭素（カーボンブラック）として回収する技術で生成される。CO2を排出しない点が特徴。  イエロー水素 原子力発電による電力を用いた水の電気分解によって生成される水素。  ブラック水素 石炭から生成される水素。グレー水素に分類される場合もあり、その生成にはかなりの量の二酸化炭素排出が伴う。ブラウン水素と共に全世界の20%を占める。 ブラウン水素 褐炭から生成される水素。グレー水素に分類される場合もあり、その生成にはかなりの量の二酸化炭素排出が伴う。 ホワイト水素 苛性ソーダや製鉄など製品製造過程の中で副産物として生成された水素。製造過程によってはグレーに分類され、二酸化炭素が回収されるとブルーに分類される。生産量は限定的。 ゴールド水素 ホワイト水素に分類される場合もあり、地下で自然に生成される天然水素や枯渇した油井内の微生物を発酵させることによって生成される。

 水素発電 
水素を使った発電方法は主に4つある。
 水素や水素とその他の燃料を燃やした燃焼ガスでタービンを回すガスタービン発電。

 水素や水素とその他の燃料を燃焼もしくは核融合させ、発生した蒸気でタービンを回す汽力発電。

 水素と酸素の化学反応から電気を発生させる燃料電池発電。

 核融合反応により発生した荷電粒子の直接変電（MHD発電）。

再生可能エネルギーから作った水素を使うことにより石油や天然ガスなどの化石燃料を使った発電方法と比べ、CO2の排出量がとても少なく、燃料を海外から輸入する必要がなくなる。よって、燃料が足りなくなることがほとんどなくなり、安定的に発電することができる。さらに、再生可能エネルギーの弱点である天候によって発電量が変わる点などを補うことができる。しかし、2021年3月時点で、化石燃料を使い水素を作る方が再生可能エネルギーから水素を作るより安価であるため化石燃料から作っている点、化石燃料を使う発電方法と比べ発熱量が低い点、燃焼速度が速い点や水素の運搬や管理に多くの費用がかかる点など多くの課題がある。

 反応 
 化学反応 
液体水素（水素分子）を酸素と化学反応させて得られるエネルギーを用いる場合の液体水素のこと。

反応させる酸素は、液体燃料式ロケットエンジンの場合は液体であるが、燃料電池の場合は普通は空気中の酸素を使う。

 核融合反応 

核融合反応のための燃料として水素同位体である重水素や三重水素(トリチウム)を用いるもの。核燃料の一種である。トカマク型核融合炉では三重水素を内部で作り出すため、外部から供給が必要なのは重水素とリチウムである。慣性閉じ込め型融合炉では今のところ重水素と三重水素を使う予定であるが、リチウムの可能性もある。いずれも開発段階の技術であるので、実際の燃料としての使用はごく微量である。

脚注

 出典 

 参考文献 
 「水素エネルギー」は何がどのようにすごいのか？｜スペシャルコンテンツ｜資源エネルギー庁 
 石炭が水素を生む！？「褐炭水素プロジェクト」｜スペシャルコンテンツ｜資源エネルギー庁 
 水素発電について
欧州がEVからディーゼルシフト水素50兆円構想で狙うアジア封じ　日経BP社　2020年11月　12頁～17頁

 外部リンク 
 ATOMICA:水素生産技術
 NEDO水素エネルギー白書- 新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）
 NEDO燃料電池・水素技術開発ロードマップ - 新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）

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