地球温暖化対策が世界的な課題となる中、二酸化炭素を排出しない新しいエネルギーとして「グリーンハイドロジェン」が大きな注目を集めています。グリーンハイドロジェンは、日本語では「グリーン水素」とも呼ばれ、製造から利用まで一貫して環境に優しいエネルギーです。
日本政府は2050年までにカーボンニュートラルを実現する目標を掲げており、その鍵を握るのがこのグリーンハイドロジェンです。従来の化石燃料に代わる次世代エネルギーとして、自動車の燃料や工場の動力源など、さまざまな分野での活用が期待されています。
本記事では、グリーンハイドロジェンとは何か、なぜ注目されているのか、どのように作られ活用されるのか、そして現在どのような課題があるのかを分かりやすく解説します。
グリーンハイドロジェン（グリーン水素）とは何か
グリーンハイドロジェンは、製造過程でも使用時でも二酸化炭素を排出しない、環境に最も優しい水素のことです。太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーを使って水を電気分解することで作られます。
水素自体は無色透明の気体ですが、その製造方法によって「グリーン」「ブルー」「グレー」といった色で分類されています。これは実際に色がついているわけではなく、環境への影響度合いを示すための呼び方です。
グリーンハイドロジェンの定義と特徴
グリーンハイドロジェンは、再生可能エネルギー由来の電力を使用して水を電気分解し、製造される水素です。この製造方法を「水電解」と呼びます。水電解では、水に電気を流すことで水素と酸素に分解され、水素を取り出すことができます。
最大の特徴は、製造工程で二酸化炭素などの温室効果ガスを一切排出しないという点です。使用する電力が太陽光や風力などの再生可能エネルギーであるため、電気を作る段階でも二酸化炭素が発生しません。さらに、水素を燃料として使う際にも、発生するのは水だけで二酸化炭素は排出されません。
また、グリーンハイドロジェンは余った再生可能エネルギーを水素という形で貯蔵できるという利点もあります。太陽光発電は夜間に発電できず、風力発電は風がないときには発電できないという弱点がありますが、余剰電力を水素に変換して保存しておけば、必要なときにエネルギーとして利用できます。
水素の色分けとその違い
水素はその製造方法によって、主に3つの種類に分類されます。
グレー水素は、天然ガスや石炭などの化石燃料から作られる水素です。現在、世界で生産されている水素の約9割がこのグレー水素で、製造コストは最も安いものの、製造過程で大量の二酸化炭素を排出します。
ブルー水素も化石燃料から作られますが、製造時に発生する二酸化炭素を回収し、地中深くに貯留する技術を組み合わせています。この技術はCCSやCCUSと呼ばれ、二酸化炭素を大気中に放出しないようにする仕組みです。グレー水素よりは環境負荷が低いものの、二酸化炭素の回収と貯留には追加のコストとエネルギーが必要となります。
グリーンハイドロジェンは、前述の通り再生可能エネルギーを使って水を電気分解して作られます。製造時にも使用時にも二酸化炭素を排出しないため、3つの中で最も環境に優しい水素といえます。ただし、現時点では製造コストが最も高いという課題があります。
グリーンハイドロジェンが注目される理由
グリーンハイドロジェンが世界中で注目を集めている背景には、地球温暖化対策という喫緊の課題があります。2015年のパリ協定以降、多くの国が温室効果ガスの排出削減に取り組んでおり、日本も2050年までにカーボンニュートラルを実現することを宣言しています。
この目標を達成するには、化石燃料に依存した現在のエネルギーシステムを大きく転換する必要があります。電力部門だけでなく、自動車や航空機などの輸送部門、鉄鋼や化学などの産業部門でも脱炭素化が求められています。グリーンハイドロジェンは、これらすべての分野で活用できる万能なエネルギーとして期待されているのです。
カーボンニュートラル実現への貢献
カーボンニュートラルとは、二酸化炭素などの温室効果ガスの排出量と吸収量を差し引きして、全体としてゼロにすることを指します。グリーンハイドロジェンは、この目標達成に向けた重要な手段として位置づけられています。
特に、電気に置き換えることが難しい分野での脱炭素化に威力を発揮します。例えば、鉄鋼の製造には1000度以上の高温が必要ですが、この熱を電気だけで生み出すのは技術的にもコスト的にも困難です。グリーンハイドロジェンを燃料として使えば、高温を得ながら二酸化炭素の排出をゼロにできます。
また、長距離を走るトラックや船舶、航空機などの輸送手段も、バッテリーだけでは航続距離や積載重量の面で限界があります。グリーンハイドロジェンを燃料電池で使用すれば、これらの課題を解決しながら脱炭素化を進められます。
日本政府は2023年に改定した水素基本戦略の中で、2030年までにグリーンハイドロジェンやブルー水素の供給量を年間42万トン以上にする目標を掲げています。
再生可能エネルギーの有効活用
グリーンハイドロジェンは、再生可能エネルギーの弱点を補う役割も果たします。太陽光発電は日中しか発電できず、風力発電は風の強さによって発電量が変動します。このため、電力の需要と供給のバランスが崩れやすく、余った電力を捨てざるを得ない「出力抑制」という問題が発生しています。
実際に日本では、九州地域や東北地域などで再生可能エネルギーの出力抑制が増加しており、せっかく作ったクリーンな電力が無駄になっているのが現状です。
この余剰電力をグリーンハイドロジェンの製造に使えば、エネルギーを無駄にすることなく、水素という形で長期間保存できます。保存した水素は、電力需要が高まる時間帯に発電に使ったり、他の地域に運んで利用したりすることが可能です。
つまり、グリーンハイドロジェンは再生可能エネルギーの「蓄電池」のような役割を果たし、再エネのさらなる普及を後押しする存在といえます。エネルギー自給率が低い日本にとって、国内の再生可能エネルギーを最大限活用できるグリーンハイドロジェンは、エネルギー安全保障の観点からも重要です。
グリーンハイドロジェンの製造方法
グリーンハイドロジェンは、水を原料として再生可能エネルギーを使って製造されます。この製造プロセスは比較的シンプルですが、大規模に効率よく生産するためには高度な技術が必要です。現在、世界中で製造技術の開発と改良が進められています。
製造には大量の水と電力が必要となるため、水資源が豊富で再生可能エネルギーの発電量が多い地域が生産拠点として適しています。日本では、山梨県や福島県などで実証プロジェクトが進行中です。
水の電気分解による製造
グリーンハイドロジェンの製造方法は、理科の授業で習う水の電気分解と基本的に同じ原理です。水に電気を流すと、水素と酸素に分解されます。このとき陰極側に水素が、陽極側に酸素が発生し、それぞれを回収することができます。
現在、実用化されている水電解の方式は主に4つあります。アルカリ水電解は最も歴史が古く、水酸化カリウム溶液などを使う方式で、電解効率は70～80%程度です。PEM（高分子電解質膜）水電解は、特殊な膜を使うことで高純度の水素を効率よく製造できます。
AEM水電解は、アルカリ水電解とPEM水電解の利点を組み合わせた比較的新しい技術です。高温水蒸気電解は、800度以上の高温で水蒸気を電気分解する方式で、理論上は最も高効率ですが、設備の耐久性などに課題があります。
水電解装置の性能向上とコスト削減が、グリーンハイドロジェン普及の鍵を握っています。特に、電気分解の触媒として使われるイリジウムなどの貴金属は希少で高価なため、より安価な材料への代替や使用量の削減が研究されています。
再生可能エネルギーの活用
グリーンハイドロジェンの「グリーン」たる所以は、製造に使う電力が再生可能エネルギー由来である点にあります。太陽光発電、風力発電、水力発電、地熱発電、バイオマス発電など、二酸化炭素を排出しない電源から得られた電力を使用します。
日本では、太陽光発電や風力発電の導入が進んでいますが、これらは天候や時間帯によって発電量が大きく変動します。晴れた日の昼間や風が強い時には電力が余り、夜間や無風時には不足するという課題があります。この余剰電力をグリーンハイドロジェン製造に回すことで、エネルギーを無駄なく活用できます。
山梨県では、県営の米倉山太陽光発電所で発電した電力を使い、グリーンハイドロジェンを製造する「やまなしモデル」と呼ばれるプロジェクトが実施されています。製造された水素は、燃料電池フォークリフトや燃料電池自動車に供給されています。
また、福島県浪江町には、世界最大級の水素製造施設「福島水素エネルギー研究フィールド」があります。この施設では、太陽光発電による電力で年間最大900トンのグリーンハイドロジェンを製造できる能力を持ち、東京オリンピック・パラリンピックでは選手村への水素供給も行われました。
グリーンハイドロジェンの活用分野
グリーンハイドロジェンは、その汎用性の高さから幅広い分野での活用が期待されています。燃焼させて熱エネルギーとして使ったり、燃料電池で電気に変換したり、化学反応の原料として使ったりと、用途は多岐にわたります。
特に、電気に置き換えることが難しい、いわゆる「脱炭素化困難分野」での活用が重要視されています。産業界では、グリーンハイドロジェンを使った製品開発や製造プロセスの転換が始まっています。
輸送部門での利用
輸送部門は、日本の二酸化炭素排出量の約2割を占める重要な脱炭素化対象です。グリーンハイドロジェンは、特に長距離輸送や大型車両での活用が期待されています。
燃料電池自動車は、水素と酸素を反応させて電気を作り、モーターで走行します。ガソリン車と同じように数分で燃料を補給でき、航続距離も500キロメートル以上と長いのが特徴です。トヨタの「MIRAI」やホンダの「クラリティ」など、すでに市販されている車種もあります。
バスやトラックなど、長距離を走る大型車両でも燃料電池の導入が進んでいます。電気自動車では重いバッテリーが必要になり積載量が減ってしまいますが、燃料電池車では軽量な水素タンクで済むため、輸送効率を維持できます。
さらに、船舶や航空機など、電動化が特に難しい分野でもグリーンハイドロジェンの活用研究が進んでいます。2024年にはニュージーランドで日本企業が関わった水素充填施設が営業を開始するなど、海外でも活用が広がっています。
産業部門での利用
産業部門、特に鉄鋼や化学産業は、製造工程で高温の熱や大量のエネルギーを必要とするため、脱炭素化が難しい分野とされています。グリーンハイドロジェンは、これらの産業での化石燃料代替として注目されています。
鉄鋼業では、鉄鉱石から鉄を取り出す際に石炭を使う必要がありますが、この工程で大量の二酸化炭素が発生します。水素を使った「水素還元製鉄」という新しい製造方法では、石炭の代わりに水素を使うことで、二酸化炭素の排出をゼロにできます。日本の製鉄会社でも実証実験が進められています。
化学産業では、アンモニアやメタノールなどの化学製品を作る原料としてグリーンハイドロジェンが活用できます。従来は天然ガスなどから作られていた水素をグリーンハイドロジェンに置き換えることで、製品全体のカーボンフットプリントを削減できます。
また、工場やビルの熱源としての利用も始まっています。サントリーの白州工場では、グリーンハイドロジェンを使ったボイラーシステムの導入が進められており、ウイスキー製造工程での脱炭素化を目指しています。
発電分野での利用
グリーンハイドロジェンは、発電分野でも重要な役割を果たすと期待されています。特に、再生可能エネルギーの変動を補う調整力として、また非常時のバックアップ電源として有望視されています。
燃料電池による発電は、水素と酸素を反応させて直接電気を作り出す方式です。発電効率が高く、排出されるのは水だけという環境に優しい発電方法です。東京都立大学南大沢キャンパスには、東芝エネルギーシステムズが開発した「H2One」という自立型水素エネルギー供給システムが導入されており、キャンパス内の電力や電気自動車の充電に活用されています。
また、既存の火力発電所でも、天然ガスに水素を混ぜて燃焼させる「混焼発電」や、水素だけで発電する「専焼発電」の技術開発が進んでいます。これにより、既存の発電インフラを活用しながら脱炭素化を進めることができます。
家庭用燃料電池「エネファーム」も、将来的にはグリーンハイドロジェンを使用することで、完全にカーボンフリーな家庭用電源となる可能性があります。災害時の非常用電源としても期待されています。
グリーンハイドロジェンが抱える課題
グリーンハイドロジェンは次世代エネルギーとして大きな可能性を秘めていますが、本格的な普及に向けてはいくつかの課題があります。これらの課題を解決するために、世界中で技術開発や制度設計が進められています。
日本政府も、グリーンハイドロジェンの社会実装を加速させるため、研究開発への支援や実証プロジェクトの推進、規制緩和などに取り組んでいます。課題を一つずつ克服することで、グリーンハイドロジェンがより身近なエネルギーになる日が近づいています。
製造コストの高さ
グリーンハイドロジェンの最大の課題は、製造コストが高いことです。現在、化石燃料から作られるグレー水素は1キログラムあたり100円から150円程度で製造できるのに対し、グリーンハイドロジェンは300円から500円程度かかるとされています。つまり、グリーン水素は従来の水素の2倍から3倍以上のコストがかかる計算です。
コストが高い主な理由は2つあります。1つ目は、水電解装置そのものの価格が高いことです。特に、電気分解の触媒として使われるイリジウムやプラチナなどの貴金属は希少で高価です。2つ目は、製造に大量の電力が必要なことです。1キログラムの水素を作るには約50キロワット時の電力が必要で、この電力コストが製造費用の大部分を占めます。
ただし、多くの専門家は将来的な価格低下を予測しています。再生可能エネルギーの発電コストが年々下がっていること、水電解装置の量産化が進むこと、技術革新により効率が向上することなどが理由です。国際エネルギー機関の予測では、2030年頃にはグリーンハイドロジェンのコストがグレー水素と同程度になる可能性があるとされています。
日本では、NEDOが水電解装置の設備コストを大幅に削減する目標を掲げており、技術開発を支援しています。コストが下がれば、グリーンハイドロジェンの普及が一気に加速すると期待されています。
インフラ整備の必要性
グリーンハイドロジェンを広く普及させるには、製造施設だけでなく、貯蔵・輸送・供給のためのインフラ整備が不可欠です。現状では、水素ステーションなどのインフラが十分に整っておらず、これが普及の妨げとなっています。
水素は非常に軽く小さな分子のため、貯蔵や輸送には特別な技術が必要です。気体のままでは体積が大きすぎるため、高圧で圧縮したり、マイナス253度で液化したりする必要があります。また、水素を安全に扱うための配管や容器も、一般的なものとは異なる仕様が求められます。
燃料電池自動車の普及には、ガソリンスタンドのように気軽に水素を補給できる水素ステーションの整備が欠かせません。日本国内には現在約160カ所の水素ステーションがありますが、ガソリンスタンドが約3万カ所あることを考えると、まだまだ不足しています。1カ所の水素ステーション建設には数億円のコストがかかることも、整備が進まない要因の一つです。
さらに、大量のグリーンハイドロジェンを遠隔地に運ぶための輸送インフラも必要です。既存の天然ガスパイプラインを水素輸送に転用する研究や、水素をアンモニアに変換して運びやすくする技術開発などが進められています。インフラ整備には莫大な投資と時間が必要ですが、これは水素社会実現のための避けては通れない道です。
日本と世界のグリーンハイドロジェンへの取り組み
グリーンハイドロジェンへの期待の高まりを受けて、世界各国で導入に向けた取り組みが加速しています。日本も水素社会の実現を国家戦略として位置づけ、官民一体となった取り組みを推進しています。
国際的には、欧州連合が特に積極的で、2030年までに域内で1000万トン、輸入で1000万トンのグリーンハイドロジェンを確保する目標を掲げています。各国が競うようにグリーンハイドロジェン関連の投資を拡大しており、技術開発と市場獲得の競争が激化しています。
日本政府の戦略と目標
日本政府は、2017年に世界で初めて「水素基本戦略」を策定し、水素社会の実現に向けた方向性を示しました。この戦略は2023年に改定され、より具体的な目標とロードマップが示されています。
改定された水素基本戦略では、2030年までにグリーンハイドロジェンとブルー水素を合わせて年間42万トン以上供給する目標が掲げられました。さらに2040年には年間1200万トン、2050年には年間2000万トンの供給を目指しています。現在の日本の水素供給量は年間約200万トンですが、そのほとんどがグレー水素であるため、大きな転換が必要です。
経済産業省は「2050年カーボンニュートラルに伴うグリーン成長戦略」を策定し、グリーンハイドロジェンを重点分野の一つとして位置づけています。この戦略では、水素の製造・輸送・利用に関する技術開発への支援や、事業者への補助制度などが盛り込まれています。
また、2024年10月には「水素社会推進法」が施行され、水素の利活用を促進するための法的基盤が整いました。この法律により、水素ステーションの整備支援や、水素を使用する企業への優遇措置などが制度化されています。
東京都も独自の取り組みを進めており、グリーンハイドロジェン関連設備の導入を促進する補助事業を実施しています。地方自治体レベルでも、水素社会の実現に向けた動きが活発化しています。
国内外の実証プロジェクト
グリーンハイドロジェンの実用化に向けて、日本国内では複数の大規模実証プロジェクトが進行しています。
福島県浪江町の「福島水素エネルギー研究フィールド」は、NEDOの支援を受けて2020年に稼働を開始しました。この施設は、世界最大級の10メガワットの水電解装置を備え、太陽光発電の余剰電力を使って年間最大900トンのグリーンハイドロジェンを製造できます。東日本大震災からの復興のシンボルとしても位置づけられています。
山梨県では、県営の太陽光発電所で発電した電力を使い、P2Gシステムによってグリーンハイドロジェンを製造・供給する「やまなしモデル」が実施されています。製造された水素は、県内の燃料電池車両や定置型燃料電池に供給され、地域全体での水素利用の実証が行われています。
民間企業の取り組みも活発です。サントリーホールディングスは、白州工場でグリーンハイドロジェンを使った熱供給システムの導入を進めています。大林組はニュージーランドで水素充填施設の営業を開始し、海外展開も視野に入れています。
海外では、欧州連合が「欧州水素銀行」を設立し、グリーンハイドロジェン生産事業者に対して1キログラムあたりの固定補助金を最長10年間提供する制度を開始しました。2024年4月には、応募総数132件の中から7件のプロジェクトが選ばれ、年間約16万トンの水素生産が支援されることになりました。
韓国とも協力関係が強化されており、2024年6月には第1回日韓水素アンモニア等協力対話がソウルで開催され、標準規格の統一や技術協力について合意がなされました。国際的な連携を通じて、グリーンハイドロジェンの市場拡大と技術革新が加速することが期待されています。
まとめ
グリーンハイドロジェンは、製造から利用まで二酸化炭素を排出しない次世代のクリーンエネルギーです。再生可能エネルギーを使って水を電気分解することで作られ、自動車の燃料、工場の動力源、発電など幅広い分野での活用が期待されています。
2050年カーボンニュートラルの実現に向けて、グリーンハイドロジェンは重要な役割を担います。特に、電気への置き換えが難しい産業部門や輸送部門での脱炭素化の切り札として注目されています。また、再生可能エネルギーの余剰電力を水素として貯蔵することで、エネルギーの有効活用にも貢献します。
現在は製造コストの高さやインフラ不足という課題がありますが、技術開発の進展や政府の支援により、これらの課題は徐々に解決されつつあります。専門家の多くは、2030年頃にはグリーンハイドロジェンのコストが従来の水素と同程度になると予測しており、本格的な普及期が近づいています。
日本では福島や山梨での実証プロジェクトをはじめ、官民一体となった取り組みが進んでいます。世界的にも欧州や韓国など多くの国々がグリーンハイドロジェンの導入を加速させており、国際協力も活発化しています。グリーンハイドロジェンは、持続可能な社会を実現するための重要なエネルギー源として、私たちの未来を支えていくことでしょう。
参照元
・資源エネルギー庁「水素社会実現に向けた取組」 https://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/advanced_systems/hydrogen_society/
・資源エネルギー庁「次世代エネルギー「水素」、そもそもどうやってつくる?」 https://www.enecho.meti.go.jp/about/special/johoteikyo/suiso_tukurikata.html
・経済産業省「水素を取り巻く国内外情勢と水素政策の現状について」 https://www.meti.go.jp/shingikai/sankoshin/green_innovation/energy_structure/pdf/024_04_00.pdf
・経済産業省「今後の水素政策の課題と対応の方向性 中間整理」 https://www.meti.go.jp/shingikai/energy_environment/suiso_nenryo/pdf/025_01_00.pdf
・山梨県「グリーン水素とは?将来性や山梨県における取り組みについて解説」 https://www.pref.yamanashi.jp/jyuutensesaku/hydrogen_and_fuel_cells/column/green_hydrogen.html
・一般社団法人海外環境協力センター「グリーン水素」 https://www.oecc.or.jp/project/climate_change/innovative_technology/green_hydrogen/
・クール・ネット東京「グリーン水素の社会実装化に向けた設備等導入促進事業」 https://www.tokyo-co2down.jp/subsidy/green-hydrogen-equipment
