３分でわかるグリーン水素の基礎知識｜水電解技術など低コスト製造への課題を解説！

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グリーン水素

「次世代の燃料」と言われる水素の中でも、特に「グリーン水素」への期待が近年高まっています。
このグリーン水素の基本事項と技術課題、低コスト化の見通しについて解説します。

１．グリーン水素とは？製造時のCO2排出による水素の区分
- 「グリーン水素」「ブルー水素」「グレー水素」の違いは？
２．グリーン水素の本格生産に向けた開発の現況
- 低コスト化が期待される水電解技術とその課題
３．グリーン水素の今後：コスト見通し

１．グリーン水素とは？製造時のCO2排出による水素の区分

地球温暖化対策が急務となる中で、水素や電気は「クリーン燃料」と呼ばれています。しかし、水素や電気は二次エネルギーです。どんな製法の水素や電気でも、すべて同様にクリーンだとは言えません。

「グリーン水素」は、太陽光や風力・水力などの再生可能エネルギーを利用して水を電気分解し、製造過程で二酸化炭素（CO₂）を排出しないクリーンな水素のことです。従来の化石燃料由来の水素に比べ、環境への負荷が少ないことから、脱炭素社会の実現に向けた重要なエネルギー源として注目されています。

「グリーン水素」「ブルー水素」「グレー水素」の違いは？

水素は、製造時のCO2排出に基づいて、表1のように「グリーン水素」「ブルー水素」「グレー水素」として区分されています。この区分で無条件にクリーンと言えるのはグリーン水素のみと考えられます。このため、グリーン水素は「GX」（グリーントランスフォーメーション）において重要な役割を果たすと期待されています。

【表1　グリーン水素・ブルー水素・グレー水素の違い】
水素の区分（グリーン水素、ブルー水素、グレー水素）

しかし、グリーン水素の本格生産はまだこれからの段階です。
グリーン水素の製造法は、現状では事実上、A:再生可能エネルギー発電＋ B:水の電気分解（以下、「電解」と略記）の組み合わせに限定されます。
ABとも既存技術を用いてグリーン水素を生産することはできますが、問題はコストです。厳密なコスト比較をお示しすることは出来ませんが、現状ではブルー水素やグレー水素よりかなり高コストであるというデメリットは共通認識となっています。

なお東京都はグリーン水素の導入に取り組んでいます。製造量は約９kg/時間と小規模なものですが、グリーン水素製造設備の建設も都有地で進めています^1）。

２．グリーン水素の本格生産に向けた開発の現況

グリーン水素のコストの多くを発電コストが占めることになるのは確実視されていますので、上記のA:再生可能エネルギー発電のコストは極めて重要です。近年のグリーン水素への期待の高まりの背景には、A:再生可能エネルギー発電の低コスト化が進み、最も安価な発電法と評価されるに至ったという事情もあります。

低コスト化が期待される水電解技術とその課題

一方、B:水の電解の低コスト化も当然必要です。
有力視されている3種の水電解技術を模式図付きでご紹介します。

① アルカリ水型

アルカリ水型は水素の工業生産に利用実績のある古くからの技術であり、技術的にはほぼ確立されています。電極には主にニッケル系金属が使用されています。
今後のグリーン水素生産でもかなりの部分を担うものと予想されます。
ただ、高濃度アルカリの使用に伴う装置腐食の懸念が課題とされています。

【図1　アルカリ水型電解（AWE）の模式図】

② プロトン交換膜型

プロトン交換膜型も実績のある技術です。純水を利用するため高い安全性を有しています。東京都で建設中の設備ではこの②が採用されています^1）。
その一方で、電極に高価な貴金属が必要になるため、電極用金属の安定的確保が課題となっています。

【図2　プロトン交換膜型電解（PEMWE）の模式図】

③ アニオン交換膜型

アニオン交換膜型は①②の課題を解決する可能があるため、研究開発が現在精力的に行われている技術です。
アルカリ水を使用しますが、①アルカリ水型よりも低濃度化が可能であり、②とは異なり電極に貴金属を必要としないメリットがあります。
ただし、現状ではアニオン交換膜の高伝導化が課題とされています。

【図3　アニオン交換膜型電解（AEMWE）の模式図】

《3つの水電解技術のまとめ》

表2では、各々の水電解技術について、課題を含めて整理しています。

【表2　有力視されている水電解技術およびその課題】

	形式	略号	課題
現行	① アルカリ水型	AWE＝Alkaline Water Electrolysis	安全性・耐久性に懸念
現行	② プロトン交換膜型	PEMWE＝Proton Exchange Membrane Water Electrolysis	電極用の貴金属が高価であり、枯渇の危険性
将来	③ アニオン交換膜型	AEMWE= Anion Exchange Membrane Water Electrolysis	①②の課題解決可能だが、高伝導化が必要

なお、A:再生可能エネルギー発電＋B:水の電気分解の組み合わせたシステムの光変換効率STH（Solar-to-Hydrogen efficiency）については、結晶シリコン系太陽電池を再生可能エネルギー源として使用した場合、①アルカリ水型電解で約10％^2）、②プロトン交換膜型電解で約14％^3）との報告があります。

３．グリーン水素の今後：コスト見通し

グリーン水素の正確なコスト予測は困難です。その中でもIEA（国際エネルギー機関）から、図4に示す、グリーン水素および他水素の現状と予測が2021年に報告されています^4）。

【図4　水素製造コスト：現状と予測】

グラフの棒の長さはコスト算定に幅があり不確実なことを示していますが、グリーン水素のコストが他水素と同等レベルまで低下する可能性ありと評価されていることが分かります。日本では電力中央研究所からグリーン水素の2030年のコストが50-60円/Nm3（560-670円/kg）との予測が2020年に報告されています^5）。

グリーン水素がコスト競争力を持ち、地球温暖化対策の有効な手段となることが期待されます。

（日本アイアール株式会社　特許調査部　N・A）

《引用文献、参考文献》

1) 東京都ホームページ
https://www.sangyo-rodo.metro.tokyo.lg.jp/information/topics/2024/02/2024022001
2) Casandra R. Cox etc., Ten-percent solar-to-fuel conversion with nonprecious materials, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 111 (39) 14057-14061(2014)
https://doi.org/10.1073/pnas.1414290111
3) Jan-Willem Schuttauf etc., Solar-to-Hydrogen Production at 14.2% Efficiency with Silicon
Photovoltaics and Earth-Abundant Electrocatalysts, J. Electrochem. Soc., 163 (10) F1177-F1181 (2016)
https://iopscience.iop.org/article/10.1149/2.0541610jes/pdf
4) IEA, Global Hydrogen Review 2021, ｐ113
https://iea.blob.core.windows.net/assets/5bd46d7b-906a-4429-abda-e9c507a62341/GlobalHydrogenReview2021.pdf
5) 西美奈他, 再生可能エネルギーを用いた電解水素の経済性-国内外コスト比較と電解設備容量抑制の効果-, 電力中央研究所報告 M19003(2020)
https://criepi.denken.or.jp/hokokusho/pb/reportDetail?reportNoUkCode=M19003