次世代燃料としてのグリーン水素の出現

導入

COVID-19後の経済回復はエネルギー部門のダイナミクスに変化をもたらし、石油、ガスなどの商品の価格高騰を引き起こしました。ロシアとウクライナの間で進行中の紛争はサプライチェーンの混乱を引き起こし、エネルギー価格のさらなる上昇と各国間のエネルギー安全保障上の懸念につながっています。しかし、この課題は、世界がエネルギー需要を確保し、エネルギー輸入への依存から自立するために、低炭素で持続可能でクリーンなエネルギー源、水素やその他の再生可能エネルギー源へと移行する扉を開きました。

エネルギー情勢の急速な変化のもう 1 つの側面は、気候変動シナリオにより、セクターの脱炭素化の必要性が高まっていることです。政府と企業は、ネットゼロ目標を達成するために、厳しい脱炭素化目標に焦点を当てています。今後、エネルギー ミックスは、再生可能エネルギーや水素などのクリーン エネルギーに移行すると予測されています。2050 年までに、電力需要は 3 倍になると予測されており、需要の増加と脱炭素化により、水素と水素ベースの燃料の市場シェアが拡大すると予想されています。

世界のエネルギー需要は、2040 年までに 25% から 30% 増加すると予想されています。石炭や化石燃料に依存する経済はより多くの CO2 を排出し、気候変動の状況をさらに悪化させます。しかし、地球の脱炭素化は、2050 年までに異なるシナリオを示唆しており、グリーン水素などのクリーン エネルギーによって、エネルギーがより持続可能で、手頃な価格で、効率的になります。

水素の種類

水素の分類は製造方法によって異なり、灰色、青、緑などのカテゴリに分類されるほか、ピンク、黄色、ターコイズなどの珍しい色になることもあります。ただし、具体的な命名規則は国によって異なり、時間の経過とともに変化する可能性があることに注意することが重要です。

グリーン水素は、気候中立的な方法で生産される唯一のタイプの水素として際立っており、2050年までにネットゼロ排出目標を達成するための世界的な取り組みにおいて重要な役割を果たします。

グリーン水素とは何か、どのように貯蔵されるのか、そしてグリーン水素に関連する課題とは?

グリーン水素とは、汚染物質を排出せずに得られる水素のことであり、その持続可能性を意味します。グリーン水素は、地球規模の脱炭素化を推進し、2050年までに気候変動と戦うための約束を果たす上で極めて重要なエネルギーベクトルであると考えられています。グリーン水素は現在、世界のエネルギーの約水素生産全体の0.1%しかし、再生可能エネルギーのコストが下がり続けるにつれて、この値は上昇すると予想されます。

水素は、水中の水素と酸素を分離する電気分解プロセスによって得られます。グリーン水素という用語は、電気分解プロセス用の電気アーク炉に電力を供給するために使用される電力が、風力や太陽光などの 100% 再生可能な資源から得られることを意味します。

水素は物理的にガスまたは液体として貯蔵できます。水素をガスとして貯蔵するには、通常、タンク圧力が 350 ～ 700 bar (5,000 ～ 10,000 psi) の高圧タンクが必要です。逆に、水素を液体として貯蔵するには、大気圧での沸点が -252.8°C であるため、極低温が必要です。水素貯蔵の別の方法としては、固体表面への吸着または固体内部への吸収があります。

水素貯蔵の詳細については、以下をご覧ください。https://www.databridgemarketresearch.com/jp/reports/global-green-hydrogen-market

グリーン水素の生産には、いくつかの課題があります。主な課題は、水素の生産に使用される電解装置が現時点では供給不足であり、再生可能エネルギーのほとんどは依然として高額であることです。従来の生産プロセスと比較すると、電気分解は高価であり、電解装置の市場はまだ小さいです。

エネルギー転換におけるグリーン水素の重要性

グリーン水素の推進は、パリ協定で概説されている気候公約を達成し、気候緊急事態に対応してゼロエミッション目標の緊急ニーズに対処するために極めて重要です。欧州では、水素バリューチェーン全体にわたる取り組みがすでに進行中です。これには、より競争力のある電解装置の開発、効率的な輸送ネットワークの構築、道路輸送をサポートするための水素インフラの展開が含まれます。

国際再生可能エネルギー機関 (IRENA) の報告書によると、長期的には水素設備のコストを 40% から 80% 削減できる可能性があるとのことです。これは、再生可能エネルギー価格の予想される低下と相まって、グリーン水素が 2030 年までに経済的に実行可能になり、利益を生む可能性を秘めていることを示しています。

グリーン水素の出現

2050 年までに、グリーン水素は世界のエネルギー需要の約 25% を満たす可能性があり、10 兆米ドルの価値を持つ市場として浮上します。大手石油・ガス会社の間では、グリーン水素への投資が急増しています。欧州は、水素を高く評価されているグリーンディールパッケージの主要部分にすることを計画しています。

2020 年の水素需要は推定 8,700 万トン (MT) に達し、2050 年までに 5 億～ 6 億 8,000 万 MT の範囲にまで大幅に増加すると予測されています。2020 年から 2021 年にかけて 1,300 億ドルと評価される水素製造市場は、2030 年まで最大 9.2% の安定した年間成長率を経験すると予想されています。ただし、大きなハードルが存在します。現在の水素製造の圧倒的多数 (95% 以上) は化石燃料に依存しており、「グリーン」と見なされる部分はごくわずかです。世界の天然ガスの約 6%、世界の石炭の約 2% が水素製造に貢献しています。

詳細は、こちらをご覧くださいhttps://www.databridgemarketresearch.com/jp/reports/global-green-hydrogen-market

グリーン水素製造技術は、さまざまな分野での応用範囲の拡大により、再び注目を集めています。これらの分野には、発電、製鉄やセメント製造などの産業における製造プロセス、電気自動車用燃料電池、船舶などの重量輸送、肥料、洗浄製品、冷蔵、電力網の安定化のためのグリーンアンモニア製造が含まれます。

グリーン水素の生産見通しと需要

グリーン水素の生産拡大という重要なステップは、世界経済が2050年までに実質ゼロ排出を達成し、地球の気温上昇を1.5°Cに抑える上で不可欠です。2023年までに、グリーン水素生産への年間投資は10億ドルを超えると予測されています。この傾向は、再生可能電力と電解技術のコスト低下と、政府による支援政策の実施によって推進されています。特に、電解プロジェクトにはすでに23GWの大規模なパイプラインがあり、現在のわずか82MWの容量から大幅に増加しています。

現在建設中および稼働中の水素プロジェクトの容量は増加しているものの、それらは主に商用化前の段階にとどまっており、電解装置の容量は限られており、通常は50MW未満です。対照的に、提案されているプラ​​ントは100MW以上のより大きな電解装置の容量を示していますが、既存のグレー水素製造施設の規模と比較するとまだ見劣りします。さらに、パイプラインや輸出入ターミナルなど、広範な水素利用をサポートするためのインフラの開発は、数年かかることもある時間のかかるプロセスです。理想的には、必要なインフラの構築は、水素の需要の増加と同時に行われ、その費用対効果を確保し、2030年までに水素の十分な取引と輸送を促進する必要があります。中程度および高い野心シナリオでは、2030年以降に水素需要が急増し、2035年から再び大幅に増加すると予測されています。パリ協定で設定された目標に合わせるには、インフラ計画を遅滞なく開始することが不可欠です。

2035 年以降、航空業界や海運業界など、経済的に困難な分野での水素の導入は、民間部門と公共部門の両方の取り組みによって推進される可能性があります。これらの部門では、合成灯油やアンモニアなどの水素由来の燃料を実行可能な代替燃料として採用することが期待されています。2035 年までに、水素供給の構成は大幅に変化すると予想されています。現在、供給のほぼ 100% を占めるグレー水素の割合は、55%～60% に減少すると予測されています。コストの低下と、水素技術の導入に対する政策立案者の支持的な姿勢が、この変化を後押ししています。その結果、クリーンな製造方法が水素部門で目立つようになると予想されます。

2035年までに水素需要の大部分は輸送と新しい産業用途からのものとなるだろう。しかし、2035年以降、水素はエネルギー経済のあらゆる分野で拡大すると予測されている。

水素経済の発展を支援するために必要となる可能性のある主要な要因としては、次のようなものが挙げられます。

• インフラとサプライチェーン
• 技術の進歩と製造の規模拡大
• 政府の支援と政策

水素のコストと価格

現在、低炭素エネルギー源からの水素製造には多大なコストがかかります。しかし、国際エネルギー機関（IEA）の分析によると、再生可能電力からの水素製造コストは2030年までに30％低下すると予想されています。この低下は、再生可能エネルギー技術のコスト低下と水素製造規模の拡大によるものです。さらに、大量生産は、電気と水から生成される水素の製造と利用に不可欠な要素である燃料電池、燃料補給装置、電解装置に利益をもたらす可能性があります。

グリーン水素の平均生産コストは現在約6ドル/kgですが、2030年までに2.3ドル/kg下がると予想されています。脱炭素化目標により、2030年までにCAPEXは30％増加すると予想されています。一部の専門家は、グリーン水素の生産は、ヨーロッパの洋上風力発電所などの主要な生産拠点の余剰再生可能エネルギー容量を活用する手段となる可能性があると提案しています。しかし、電解装置に関連するコストが継続的に高いため、グリーン水素プロジェクトの開発者が、再生可能エネルギー価格が特定のしきい値に達するまで電解装置をアイドル状態にしておくことを望むかどうかは疑問です。

より実現性の高いアプローチは、ライトソース BP やシェルなどの企業がすでに検討しているもので、再生可能エネルギー資源が豊富な地域に専用のグリーン水素製造施設を建設するというものです。これらの施設は専用の再生可能エネルギー発電資産と統合され、グリーン水素製造のための一貫性と信頼性のある再生可能エネルギー源を確保します。

グリーン水素の応用

重工業におけるグリーン水素 -水素はさまざまな産業における基本的な原材料です。化学分野では、アンモニアや肥料の製造に利用されています。石油化学産業では石油精製に水素が利用されており、冶金産業では鉄鋼の製造に水素が利用されています。

しかし、これらの産業で水素を使用すると、かなりの量の二酸化炭素が排出されます。たとえば、鉄鋼製造業だけでも世界の二酸化炭素排出量の6～7%を占めており、これは世界の航空部門全体の排出量の2～3倍に相当します。これらの産業の脱炭素化の緊急ニーズに対処するための重要なステップは、グリーン水素を原料として採用することです。これにより、排出ガスのない鉄鋼を生産することが可能になり、これらの分野で求められている緊急の脱炭素化の取り組みにおいて重要なマイルストーンとなります。

エネルギー貯蔵のためのグリーン水素 -グリーン水素は、現在私たちが利用している石油や天然ガスの戦略的備蓄に匹敵するエネルギー貯蔵ソリューションとして機能する可能性を秘めています。その膨大な量と長い寿命を活用することで、再生可能水素の備蓄を確立し、電力網の安定性と信頼性を強化することができます。

燃料としてのグリーン水素 燃料としてのグリーン水素の利用は、特に長距離輸送と航空輸送における輸送部門の脱炭素化において重要な役割を果たすでしょう。通常、海上輸送は安価ですが汚染度の高い燃料に依存しています。しかし、グリーン水素は長距離船舶にとって極めて重要な代替手段となり、排出量を削減する魅力的なソリューションを提供します。航空業界では、グリーン水素は、この部門の排出量を大幅に軽減する合成燃料の基盤として機能します。さらに、その重要性は鉄道や大型道路輸送などの他の輸送手段にも及び、グリーン水素は持続可能で環境に優しい慣行を推進する上で不可欠です。

家庭用グリーン水素 グリーン水素は、他のクリーンなプロセスでは実現が難しい温度を実現できる独自の能力を備えています。そのため、グリーン水素の最も有望な用途の 1 つは、発電と住宅暖房への利用です。

世界の水素展望

水素の地域的な普及は、主に政策上の考慮によって大きく異なるでしょう。ヨーロッパは、水素の生産と利用の拡大を促進する政策の実施により、2050 年までにエネルギーミックスの 11% を水素が占めると予測されており、先頭に立っています。OECD 太平洋地域では、供給側に重点を置いた戦略、目標、資金提供イニシアチブに支えられ、2050 年までにエネルギーミックスの 8% を水素が占めると予測されています。

同様に、北米は、比較的炭素価格が低く、目標や政策も明確ではないものの、エネルギーミックスの 7% を水素で占めることを目指しています。中華圏は、エネルギーミックスの 6% を水素で占めることを目標にしており、これに迫っています。特に、中華圏は最近、資金調達メカニズムと 2035 年までの水素の見通しについてより明確な情報を提供し、同時に、拡大する国家排出量取引制度の設立も行っています。これら 4 つの地域は、2050 年までに世界のエネルギー用水素需要の約 3 分の 2 を消費すると予想されています。

グリーン水素を推進する要因

水素はこれまで、さまざまな関心の波の中で大きな注目を集めてきました。これらの関心の波は、主に石油価格ショック、石油需要のピークに関する懸念、大気汚染への懸念、代替燃料研究への探究などの要因によってもたらされました。水素は、明確なサプライ チェーン、生産者、市場を持つ追加のエネルギー キャリアとして機能することで、エネルギー安全保障に貢献する可能性があります。このエネルギー ミックスの多様化により、システム全体の回復力を高めることができます。

グリーン水素を推進する主な要因としては、-

• 太陽光と風力エネルギーの低コスト- グリーン水素のコストに影響を与える主な要因は電気料金です。過去 10 年間で、太陽光発電 (PV) と陸上風力発電所から得られる電気料金は大幅に低下しました。2018 年、契約された太陽エネルギーの世界平均価格は 56 米ドル/MWh で、2010 年の 250 米ドル/MWh から大幅に低下しました。同様に、陸上風力発電の価格も低下し、2010 年の 75 米ドル/MWh から 2018 年には 48 米ドル/MWh に下がりました (IRENA)。太陽光発電と風力発電のコストが下がり続けるにつれて、グリーン水素の生産はますます経済的に魅力的になっています。
• ネットゼロエネルギーシステムの構築を目指す政府 2020年半ばの時点で、温室効果ガス（GHG）のネットゼロ排出目標を実施する立法措置がすでに7か国で実施されており、さらに15か国が同様の立法または政策文書を提案しています。ネットゼロ排出目標を発表した国の総数は120を超えています（WEF、2020年）。特に、最大のGHG排出国である中国は最近、40年以内にネットゼロ炭素排出を達成することを約束しました。これらのネットゼロの約束はまだ具体的な行動に移される必要がありますが、グリーン水素が重要な役割を果たすことができる「削減が困難な」セクターでの排出量の削減が必要になります。
• 電力部門にとってのメリット - さまざまな世界市場で太陽光発電や風力発電（変動性再生可能エネルギー（VRE）とも呼ばれる）の導入が進むにつれ、電力システムの柔軟性を高めることが必要になります。グリーン水素の製造に利用される電解装置は、VRE 生産の変動を補うために出力を迅速に調整できる適応型リソースとして設計できます。グリーン水素は長期間貯蔵でき、VRE が発電に利用できないときに利用できます。定置型燃料電池または水素対応ガスタービンで使用できます。グリーン水素は長期および季節的なエネルギー貯蔵に適しており、揚水式水力発電所を効果的に補完します。グリーン水素は、VRE のより高い割合をグリッドに統合できるようにすることで、システム効率と費用対効果を高めます。
• 技術の進歩- 水素バリューチェーン内のいくつかのコンポーネントは、すでに小規模で実装されており、商業化の準備が整っているため、さらなる拡張性のための投資が必要です。アンモニア燃料船などの特定の技術はまだ大規模な実証を待っていますが、グリーン水素生産の拡大は、これらの経路の費用対効果と魅力に貢献する可能性があります。グリーン水素の利用を拡大することで、このような技術の手頃な価格と魅力を高めることができます。

グリーン水素の課題

水素は、その製造方法に関係なく、さまざまな障害に遭遇します。これらの障害には、輸送施設や貯蔵施設などの専門インフラの欠如が含まれます。さらに、電気分解によるグリーン水素の製造段階には、主に特定の課題があります。これらの課題には、エネルギー損失、その価値の不十分な認識、持続可能性の確保の難しさ、および高い製造コストが含まれます。

• 高い生産コスト- 2019年、平均的な変動性再生可能エネルギー（VRE）プラントからの電力を使用して生産されたグリーン水素は、グレー水素よりも2〜3倍高価であることが判明しました。さらに、さまざまな用途にグリーン水素技術を採用すると、多額の費用が発生する可能性があります。たとえば、燃料電池と水素タンクを搭載した車両は、化石燃料の同等品よりも少なくとも1.5〜2倍高価です。同様に、航空用に設計された合成燃料は現在、化石燃料よりも最大8倍高価です。
• インフラの不足- 世界的に見ると、天然ガスのパイプラインは 300 万キロメートル以上あるのに対し、水素輸送パイプラインは約 5,000 キロメートルしかありません (Hydrogen Analysis Resource Center、2016)。同様に、水素燃料補給ステーションは世界中に約 470 か所ありますが、米国と欧州連合には 20 万か所を超えるガソリンおよびディーゼル燃料補給ステーションがあります。既存の天然ガス インフラストラクチャは水素用に再利用できる可能性がありますが、すべての地域にそのようなインフラストラクチャがあるわけではありません。一方、グリーン水素から得られる合成燃料は、既存のインフラストラクチャを利用できる可能性がありますが、使用量の増加に対応するために拡張が必要になる可能性があります。
• 高いエネルギー損失- グリーン水素は、バリューチェーンの各段階で顕著なエネルギー損失を経験します。水素製造プロセスである電気分解で利用されるエネルギーの約 30～35% が失われます (IRENA)。さらに、水素をアンモニアなどの他のキャリアに変換すると、13～25% のエネルギー損失が発生する可能性があります。さらに、水素の輸送には、通常、水素自体のエネルギー含有量の 10～12% に相当する追加のエネルギー入力が必要です。さらに、水素が燃料電池で使用されると、さらに 40～50% のエネルギー損失が発生する可能性があります。

グリーン水素の最近の動向と主要プロジェクト

• 国際エネルギー機関のデータによると、現在世界中で約300のグリーン水素プロジェクトが進行中または開始されている。しかし、これらのプロジェクトの大部分は比較的小規模な実証プラントである。中国では、寧夏宝峰エネルギーグループが太陽エネルギーから生成されたグリーン水素を利用してポリエチレンやポリプロピレンなどの石油化学製品を製造する最大のプロジェクトを実施している。
• 2025年に英国で稼働開始予定のハイグリーン・ティーサイド施設など、数多くのグリーン水素イニシアチブを構築する野心を持つ大手エネルギー企業BPは、漏洩監視システムの開発への取り組みを表明した。
• ドイツは、再生可能エネルギー源からより環境に優しいガスを生成し、イベリア半島からパイプラインで輸送するという野心的な水素プロジェクトで、フランス、スペイン、ポルトガルと協力する計画だ。パリとベルリンの協力の一環として、現在スペインとポルトガルからフランスに供給されているグリーン水素パイプラインがドイツまで延長される。この拡張は、水素に関する新たに発表された「共同ロードマップ」の一部であり、特に再生可能エネルギーと低炭素エネルギーに関連する将来の技術への投資増加を強調している。地中海水素パイプラインとしても知られるH2Med海底パイプラインは、イベリア半島とフランスを結び、2030年までに運用開始される予定だ。再生可能エネルギー源を使用して生産された水素を輸送する。スペイン当局は、このパイプラインが年間最大200万トンのグリーン水素を輸送できると見積もっており、これは欧州連合の総消費量の10％に相当する。
• 2022年、EU委員会は水素プロジェクトへのEU公的資金52億ユーロを承認した。

グリーン水素の今後の方向性とは？

ゼロまたはネットゼロ排出に向けたエネルギー転換を実現するための重要なソリューションとして、グリーン水素への関心が世界的に高まっています。水素への関心が高まった以前の時期とは異なり、この新しい波は主に、再生可能電力と電化が難しいアプリケーションとのつながりを確立することに焦点を当てています。

グリーン水素の導入が急速に進む要因としては、次のようなものがあります。

• 再生可能電力コストの低下により、グリーン水素生産のための手頃な電力源となる
• 関連技術の進歩により、成熟度と効率性が向上した
• グリーン水素は、変動する再生可能エネルギー発電のバランスをとる柔軟なエネルギーキャリアとして機能するため、電力システムにとって柔軟性の利点がある。
• ネットゼロ排出の達成に向けた国家の取り組みと誓約により、グリーン水素などのクリーンエネルギーソリューションの需要が促進される。
• 政府、産業界、地域社会など、幅広い関係者が関心と支援を表明

グリーン水素への関心が高まっているにもかかわらず、エネルギー転換を推進する上でのその可能性を阻む障壁がいくつかあります。主な課題は、グリーン水素のコストがグレー水素や化石燃料の代替品に比べて比較的高いことです。その他の障壁としては、専用インフラの欠如、温室効果ガス排出削減における価値の認識不足、新興産業の発展に伴う障害などがあります。

水素分野は政府の注目を集めていますが、この技術の準備、浸透、市場における成長を確実にするためには、さらに専用の政策支援が不可欠です。国家水素戦略は、国の水素に対する野心レベルを定義し、その目標を達成するために必要な支援を定める上で重要な役割を果たします。これらの戦略は、水素産業の民間セクターの関係者にとっての基準点となり、資金調達と投資の増加を促します。効果的な国家戦略は、水素の採用を拡大するための明確なロードマップを提供する必要があります。

促進政策には、水素と化石燃料の両方にとって公平で公正な環境を作り出すことを目的とした経済全体の対策が含まれます。これらの政策は、水素の関係者がエネルギーシステムやより広範な経済・社会システムに価値を貢献できるようにするために設計されています。このような政策を実施することで、さまざまな分野への水素の統合をサポートし、その全体的なメリットを促進する公平な競争の場を確立することが目標です。