宇宙に最も多く存在する元素である水素。
そんな水素は今、次世代を担うエネルギーとして大きな期待を寄せられています。
燃焼時に二酸化炭素を排出しない点や、さまざまな資源から生み出せる点などが注目を集め、現在普及に向けた取り組みが進められています。
今回は、水素エネルギーの作り方、メリット、課題などについて掘り下げていきたいと思います。
水素エネルギーとは
水素エネルギーとは、文字通り水素を原料として作られるエネルギーのことです。
水素を燃料として活用する社会システムは、「水素エネルギー社会（水素社会）」と称されます。
水素エネルギーが次世代エネルギーとして注目される大きな理由には、「資源が枯渇する心配が無い」というものがあります。
地球表面における水素の元素数は酸素、ケイ素に次いで多いため、水素を活用した資源を半永久的に生成することができると考えられています。
ただし、地球表面に存在する水素原子の大半は海水の状態となっており、エネルギー資源として活用するには、水素分子を人工的に生成する必要があります。
現在行われている水素の生産には化石燃料が用いられていることも多いため、「再生可能エネルギーと言えるのかどうか」については賛否両論あるのが現状です。
それでも将来的に技術が進歩し、化石燃料を使わない水素の生産方法が確立されれば、より実用的な水素の大量生産が可能になると考えられています。
現在、水素エネルギーの研究開発には多くの国が取り組んでおり、日本でもトヨタなどの企業が太陽光を活用した水素製造計画を進めています。
水素エネルギーはどのように作られる？
水素を人工的に生成することは、決して難しいことではありません。
前述したように、地球上に存在する水素のほとんどは水素分子の状態ではなく、化合物である水(H2O)の状態で大量に存在しています。
これを分解し水素を取り出すには、水に電気を加える、すなわち「水の電気分解」を発生させる必要があります。
水に電気を加えることで、水(H2O)が水素(H2)と酸素(O2)に分解し、水素を取り出すことができます。
そして水素エネルギーを生成する際には、この水の電気分解とは逆の原理を利用します。
つまり、人工生成した水素(H2)と空気中の酸素(O2)を化学反応させることで、水(H2O)とエネルギー（電気）を作り出すことができるのです。
作り出した水素は蓄えておくことができるため、電気が必要となった時に活用することが可能です。
他にも、水素と炭素の化合物である物質から水素を取り出す方法や、高温で分解されたバイオマスから発生したガスと水蒸気を反応させて水素を取り出す方法も実証されています。
水素エネルギーのメリット
水素エネルギーのメリットは、大きく分けて三つあります。
一つ目は、「エネルギーの中でも環境負荷が圧倒的に低い」という点です。
水素は酸素と組み合わせれば電気を、燃焼すれば熱エネルギーを生み出すことができますが、その際二酸化炭素を排出することはありません。
二つ目は、「さまざまな資源から取り出すことができる」という点です。
水素は水から取り出すことができるのはもちろん、石油・石炭・天然ガスなどの化石燃料、エタノール、プラスチックなど、多種多様な資源から取り出すことができます。
そのため、製鉄所や化学工場などの工程の中で発生した水素を、電気やエネルギーづくりに活用することができると考えられています。
三つ目は、「貯蔵や輸送に適している」という点です。
エネルギーがガソリンの3倍程度と言われている水素は、非常にエネルギー変換効率の高い資源です。
液化することもでき、スムーズに貯蔵や輸送ができるため、必要な時に、必要な場所で、必要な分だけ使用できます。
水素エネルギーの主な活用方法
現時点における水素エネルギーの主な活用方法は、燃料電池です。
その先駆けとして2009年に登場したのが、家庭用燃料電池のエネファームです。
エネファームは、都市ガスやLPガスから取り出した水素と空気中の酸素を化学反応させて電気を生み出します。
この際に発生する熱を給湯などに有効活用するため、節電や省エネに大きく貢献することができます。
また近年では、排気ガスを出さない環境に優しい自動車として、水素エンジンを搭載した「燃料電池自動車（FCV）」の研究開発も進められています。
日本では、トヨタ自動車による「MIRAI」が実用FCVとして販売されています。
首都圏では「燃料電池バス（FCバス）」の走行している姿が見られるようになり、他にも「燃料電池トラック（FCトラック）」や「燃料電池スクーター（FCスクーター）」が実用化するなど、今や水素は多くの乗り物の動力源として活躍しています。
FCVの普及率が上がるにつれ、それらの乗り物に水素を補給する「水素ステーション」も各地に設置されるようになっています。
今後さらにFCVが普及すれば、水素ステーションの数も一気に増えていくと考えられています。
水素エネルギーの課題
海に囲まれた島国である日本は、世界的に見ても海水資源が豊富な国です。
そのため水素エネルギーの普及が順調に進めば、世界の水素市場をリードできる存在になれると言っても過言ではありません。
しかし、そのためには解決すべき課題がいくつかあるのも事実です。
まず、前述したように水素は高いエネルギー効率を誇っていますが、逆に考えればエネルギー効率が高いということは、万が一事故が発生した際その分被害が大きくなりやすいとも言えます。
残念ながらガソリンなどと同じように、水素による事故の危険性が全く無いとは言い切れません。
水素を安全に管理するべく、水素製造施設では「水素を漏らさない」、「万一漏れた場合は素早く検知する」、「漏れた水素を留まらせない」という対策が徹底されています。
水素エネルギー普及に向けたさまざまな取り組み
水素エネルギーの実用化及び普及には、さまざまな研究機関や企業が取り組んでいます。
次世代水素エネルギーチェーン技術研究組合（AHEAD）は、水素の輸送・貯蔵方法の一つとして確立していた独自技術の「有機ケミカルハイドライド法」を利用して、水素エネルギーサプライチェーンの実用化に向けた研究を行っています。
2019年には、AHEADと新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）のプロジェクトによりブルネイに水素化プラントが建設され、水素エネルギーのサプライチェーンが確立しつつあります。
また、CO2フリー水素サプライチェーン推進機構（HySTRA）に所属する川崎重工は、2019年に世界初の液化水素運搬船「すいそ ふろんてぃあ」を製造し、同年12月11日には進水式を行っています。
「すいそ ふろんてぃあ」は、品質や輸送面の問題からこれまで活用が難しいと言われていた「褐炭」を活用する「褐炭水素プロジェクト」のために製造された船で、オーストラリアで褐炭から水素を製造した後、日本に輸送される予定です。
また、余剰電力を水素に変えて貯蔵するシステムとして、清水建設と国立研究開発法人産業技術総合研究所が共同開発した「Hydro Q-BiC」があります。
「Hydro Q-BiC」は、再エネよって作られた余剰電力を利用して、電気分解により水から水素を取り出し、水素吸蔵合金に貯蔵する仕組みとなっています。
まとめ
今回は、次世代エネルギーとして期待されている水素について紹介していきました。
水素エネルギーが大々的に普及していくためには、まだまだ解決すべき課題がありますが、それでも日本の脱炭素化を実現するための重要なカギとなることは確かです。
日々進化する水素分野の技術からは、今後も目が離せませんね。
