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水素エネルギーとは?

水素

水素エネルギーとは?

水素エネルギーとは、再生可能エネルギーの一つで、別名「水素燃料」とも呼ばれ、水素を原料として生産されるエネルギーの事を指します。
水素は水やバイオエタノールなど、様々な原料から取り出せるので、現在、水素を利用したエネルギーに注目が集まっています。

水素エネルギーは現段階ではごく一部で利用されているだけですが、今後技術が進歩し、日本全国でよりたくさんの水素エネルギーの利用が増えることで、日本にとって多くのメリットが出でくるでしょう。

今回は、そんな水素エネルギーについてご説明していきたいと思います。

そもそも水素とは?

“水素”

水素とは、元素記号Hで表される水素原子からなる物質で、地球に存在する気体の中で最も軽く、無色透明です。
水素の状態では普通存在しておりませんが、水や炭水化物などの化合物に水素原子が多く含まれており、宇宙一多く存在する元素とも言われています。
水素が燃焼する際に、酸素と反応することで水とエネルギーが生成されますが、そのほかの副産物を生み出さないため、クリーン・エネルギーとしても注目されています。

水素エネルギーを導入するメリット

水素エネルギーを導入することで、日本には多くのメリットがあります。
そのうち、代表的な3つのメリットをご紹介いたします。

原料である水素は地球上に多く存在しており、無尽蔵

水素エネルギーは、その名の通り水素を原料として作られるエネルギーの事ですが、水素は先述の通り地球上に多く存在しており、燃焼すると水になる反面、水を電気分解することで水素を得られ、それ以外にも炭化水素などからも取り出せるため、実質無尽蔵と言えます。

そのため、エネルギー・セキュリティ(経済産業省によると、「電力の供給量に影響する偶発的・突発的なリスクに対し安定的な燃料調達ができているかの実現度合い」とされています)的にも非常に良い発電手段と言えます。
水素自体を生産するときに、海外の褐炭や原油随伴ガスなどを利用する事はあり得ますが、それも未使用エネルギーとして現在使われていないものですので、従来の燃料よりも安価に仕入れることができます。

万が一海外から褐炭などが手に入れられない状況でも、国内の再生可能エネルギーを利用して水素を生産することもでき、化石燃料のほとんどを外国からの輸入に頼っている日本にとって、原料を手に入れる心配をほとんどしなくても良くなる事は魅力的です。

発電効率が良い

水素エネルギーを利用した発電方法である「燃料電池」は、水素と酸素を直接電気化学反応を起こして電気と熱を発生させ、その全てを利用すると、もともと原料がもっていたエネルギーの約80%を利用する事ができます。<

従来の火力発電などが、ボイラーやタービンなどの過程を経て最終的に利用されるのは全体の35%の電気エネルギーのみ、という状況に対し、電気と熱を両方利用できる水素エネルギーを使用する事は、ロスが少なく効率的だと言えます。
さらに、生成物としては最終的に水しか生じないため、エネルギー生産段階では二酸化炭素を排出しないクリーン・エネルギーというメリットもあります。

日本が世界と競争できる一大産業となりうる

日本における水素エネルギー事情は、他国と比較して最先端をリードしています。
その裏付けとして、日本国内での燃料電池分野での特許出願数は世界第一位で、2位以下の先進諸国とは5倍以上の差があります。
また、2015年にはトヨタ自動車より世界初の燃料電池で走る車「MIRAI」が発売され、実際に町の中を走っていることからも、その技術力の高さが伺えます。

自動車産業以外にも、「エネファーム」という燃料電池を利用した給湯器は既に全国の家庭で多く利用されており、国内で実用段階となっている燃料電池を利用した製品は、既に実績もあります。

クリーン・エネルギーや再生可能エネルギーが世界で注目を集めている昨今では、水素エネルギーを利用した市場が国内外で徐々に拡大されることが予測され、2025年には5兆円産業になると言われています。
また、燃料電池は自動車や給湯器だけでなく、大規模な工業や鉄道、船舶を含む様々な分野にも応用できる可能性を多く秘めています。

水素エネルギーって安全なの?

“水素エネルギーの安全性”

水素エネルギーは効率が良く、クリーン・エネルギーとして有用ですが、気になるのが水素エネルギーの安全性です。
大きなエネルギーを得られるということは、その分それだけのエネルギーが暴発してしまうリスクがあるのでは?という懸念もあります。

結論から言うと、運用していく上でリスクが全くないとは言えません。
しかし、現在安全対策はできる限り行われており、危険性は従来使われてきた石油燃料やガスなどに比べ特別大きいわけでもありません。
水素の性質としては、可燃性ガス、高圧下では金属を脆くさせる、拡散しやすい、着火温度が高いという特徴があります。

水素発電の安全対策

水素の安全対策の基本の考え方は、以下の通りです。

  • 水素を漏らさない 、漏れたら早期に検知し、拡大を防ぎ、滞留させない
  • 漏れた水素に火が付かない
  • 、万が一火災等が起こっても周囲に影響を及ぼさない、又は影響を軽減する

水素に対する安全策として、高圧ガスの生産、運搬や管理など高圧ガスのライフサイクル全般に対する規制法である「高圧ガス保安法」を始めとして、水素ガス施設と危険物施設との間に距離を保つことを定めた「消防法」や、水素の地域ごとの最大貯蔵量を制限した「建築基準法」があります。

その他にも、水素の処理方法に関する「石油コンビナート等災害防止法」、高圧ガス運送時の危険事態に関する「道路運送車両法」、「道路交通法」、「港則法」など各種法律により安全対策として規制が行われています。

また、水素ステーションなどの新しい水素関連の施設は、水素が漏れない、漏れた場合に滞留しないように工夫しているだけではなく、これまでの運用経験からの知見や、今後作られる水素ステーションの情報のデータベース化を進め、メンテナンスなどに役立てる動きも出ています。
2015年に発売された燃料電池で走る車などに関しても、「圧縮水素ガスを燃料とする燃料電池自動車等の基準」として法律が策定されています。

水素ガスを漏らさない、漏れても滞留させない、漏れたら検知し遮断する。
水素を含むガスを排出する場合には、安全に排出する。
衝突時でもガソリン車などと同等の安全性確保(水素ガス漏れ抑止)を行う。

上記を基本の考え方として、配管などの気密性や、水素容器の衝突時の破裂を防ぐための熱作動式安全弁の設置などの各種対策が行われています。

水素エネルギーは、どうやって作られるの?

“学者”

水素エネルギーは、燃料電池を利用する事で作ることができます。
燃料電池とは、先ほども簡単に書きましたが、原料である水素と、空気中にある酸素を電気化学反応させ、熱エネルギーと電気エネルギーを作り出すものです。

従来の発電方法(火力発電など)に比べ、エネルギーのうち熱と電気を両方利用できるので、効率の良いエネルギー生産方法として期待が寄せられています。
燃料電池にはPAFC(りん酸形)やMCFC(溶融炭酸塩形)など様々な種類がありますが、今国内で注目を集めているものは2種類あります。

PEFC(固体高分子形)

固体高分子膜を電解質として利用しており、70~90℃の低温で作動することができます。
発電効率としては35~45%程度ですが、起動停止が容易で、すでにエネファームやFCV用として活用されており、家庭向けや車載用としての開発が実用段階にあります。
現在、さらに燃料電池そのものにかかるコストを低減するため、低白金化などの技術開発が進められています。

SOFC(固体酸化物形)

電解質にセラミックを利用しており、燃料改質器が簡単な作りでスペースもあまり必要でなく、発電効率が45~60%と高めなのが特徴です。
しかし、作動温度が700~1000℃と高く、一部はエネファーム用に市場投入されているものの、実用段階にある商品がPEFC(固体高分子形)よりも少なく、将来的に業務・産業用として発展していくことが期待されています。

日本の水素エネルギーへの取り組み

“水素エネルギーへの取り組み”

水素エネルギーを利用する事は、先に述べたことからも、日本にとって大きなメリットがあります。
そこで、日本では2014年に政府より発表された「エネルギー基本計画」において、以下の5つのテーマ(※)を主軸として水素エネルギー産業をより興していく方針と発表しています。

※下記経済産業省「エネルギー基本計画」より抜粋

1. 定置用燃料電池(エネファームなど)の普及・拡大

既にエネファームなどの家庭用燃料電池は市場に多く出回っていますが、さらに国内外で普及させるべく、研究開発や低コスト化の支援を実施しています。
家庭用だけではなく、まだ実用段階には至っていない、業務用・産業用の燃料電池についても今後世界をリードして実用化すべく、技術開発・実証を推進しています。

2. FCV の導入加速に向けた環境の整備

2015年に発売された燃料電池で走る自動車(FCV)の市場導入をより進めるため、政府としては、水素ステーションの大幅な増設や、移動式水素ステーションを作るなど、FCVを利用しやすい環境づくりに尽力しています。
また、水素ステーションの設置以外にも、政策として燃料電池自動車が普及できるような支援や、燃料電池で動くバス・フォークリフトなどの実用化に向け、開発支援も積極的です。

3.水素の本格的な利活用に向けた水素発電などの新たな技術の実現

燃料電池、水素エネルギー利用などの技術革新を進めるため、戦略的に水素の利活用を進められるよう取り組みを行っています。

4. 水素の安定的な供給に向けた製造、貯蔵・輸送技術の開発の推進

水素を供給は、いまだに課題が多く、安定的に低コストで生産、貯蔵、輸送が行えていないのが実際です。
今後発展していく水素エネルギー利用社会に向け、それらの技術開発に力を入れています。

5.「水素社会”の実現に向けたロードマップの策定」

その名の通り、水素社会の実現に向け、ロードマップを2014年に策定し、水素エネルギーを導入するメリットを確認しながら、いつまでに、そのような段階まで目指すのかという時間軸を明確にしています。

水素エネルギー導入の問題点

これまで多くのメリットを紹介してきた水素エネルギーですが、政府が目指す水素エネルギー社会の実現には、まだまだ課題が多くあります。
水素エネルギーを水素から生産する時、現状の日本の技術では、化石燃料を使用してエネルギーが作り出されるのに比べ、費用が高くなります。

それだけではなく、燃料電池を利用して水素エネルギーを得る過程自体からは二酸化炭素は排出されないものの、原料となる水素を生産する際には、化石燃料から改質、もしくは電力を使用し電気分解、光触媒などの方法があります。

その中で化石燃料を使用して水素を作るとなると、間接的に水素エネルギーを得るのに二酸化炭素が発生してしまうという構図が出来てしまいます。(もちろん、再生可能エネルギーを利用して作られた電力を100%利用すれば問題は解決できます)
また、水素を作るために必要な資源が高騰すると、それに水素自体の価格が左右されてしまう側面もあります。

水素の貯蔵や運搬方法に関しても、他の原料よりもインフラ整備にコストがかかってしまい管理が難しいという問題もあり、一見水素エネルギー社会へ順調に進んでいるように見える日本ですが、問題は山積み状態なのです。

これからの水素エネルギー

“水素エネルギー”

水素エネルギーは、日本にとってだけではなく、世界中にとって、重要な次世代エネルギーです。
その中でも、日本は水素エネルギー関連技術(燃料電池など)において、世界のトップを走っており、今後も政府からの技術支援を受けて更なる発展と市場拡大に向けて着実に動いていくと言えます。

しかし、水素社会の実現には、現状打破すべく課題も多くあり、今後日本が他国からの燃料輸入に頼らず自立していくためにも、国をあげてその課題を一つ一つ解決していかなくてはなりません。
今後の日本の未来は、水素エネルギーをどう利活用していけるかで大きく左右されるといっても過言ではなく、これからもその発展には注視していく必要があるでしょう。

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