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水素発電の仕組みと特徴について
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発電システムの主流は、火力、水力、太陽光などですが、「水素発電」が世界中で注目を集めています。
水素発電の仕組みと特徴はどのようなものでしょうか。

水素発電の仕組み
水素から電気を作るには、水の電気分解と反対の原理を利用します。水素(H2)と空気中の酸素を化学反応させることで、電気と水(H2O)を作り出すことができるのです。 水素発電は、ガスタービンやボイラーで水素を燃焼させてエネルギーを発生させます。しかし、水素燃料は自然界で天然に抽出できるものではないため、石油や天然ガスから算出したり、電力で水を分解しなければ作れないのです。ちなみに、現在水素発電を使用しているのは、一部の工場、製造業の自家発電システムとなっており、水素燃料を使用しているのは主に、電気自動車用の燃料電池となっています。また、水を電気分解して作り出す以外に、炭水化物から取り出すこともできます。

水素発電の特徴
ではなぜ近年、水素発電が注目を集めているのでしょうか。現在世界中で、環境問題の要因となっている二酸化炭素の削減に向けて取り組まれています。水素発電は二酸化炭素がほとんど排出されません。注目を集めている大きな要因として、二酸化炭素の削減で地球に優しい発電であるということが分かりました。

その他のメリットはどのようなものでしょうか。まず日本は、石油や石炭などの化石燃料を、ほとんど海外から輸入しています。水素発電が普及することにより、輸入をする必要がなくなります。そうなると、オイルショックの時のような国際情勢による燃料不足というようなリスクを避けることができます。また、水素の需要が高まると供給施設などが増え自ずと水素のコストが下がっていきます。すると、水素エネルギーの自動車や水素を必要とする分野の研究、開発費用も下がり、そしてより多くの企業が水素事業に参入しやすくなるのです。そうなれば私たちの周りにも水素を使用した商品が普及していき、水素のあるクリーンな社会の実現にもつながっていきます。現在は、水素発電の仕組みで記述したように、石油や天然ガスからなどの化石燃料から水素を抽出する方法が主流ですが、風力や水力などの再生可能エネルギーから水素を作られるようになれば、さらに水素発電は環境に優しい発電となります。水素はいろいろな場所で活躍できます。電気エネルギーに変えて利用したり、燃料としてそのまま使用したりすることもできます。燃料電池の大型のものは発電施設として使用でき、中規模のものは駅やオフィスビル、小規模のものは自動車や船舶などの駆動源に使用することができます。

では、デメリットはどのようなところにあるのでしょうか。まず、運搬や管理にコストがかかります。大量の水素を得るには、化石燃料が豊富な国で水素を作りだして、それを液状化して輸入する方法が考えられます。その水素を液体にするためには、-252.6℃という低温にしないといけません。液状化してから燃料として使用するまで、この温度を保持するのは困難で、実現するならば高額な費用がかかってしまいます。気体で運ぶのも可能ですが、大量の供給には適していません。水素発電に使う水素燃料は、化石燃料(メタン)と比べると発熱量は約3分の1、燃焼速度は7倍、断熱火災温度は10%程高くなります。そのため発熱量が小さくて火の回りが早く、高温で燃える特性があり、着火から燃焼までが早いために逆火の危険性が高いのです。そして、断熱火災温度の高さに関しては、酸性雨を引き起こす窒素酸化物の発生原因となってしまいます。これらの課題が解決できなければ、クリーンなエネルギーどころではなく、地球環境を悪化させる恐れがあるのです。

このようなデメリットの解決策として、まず最優先ですべきことは、ガスタービンの改良になります。それも、大幅な改良が必要となります。発熱量に関しては、ガス流量を増やすために、ガスの配管、ノズルの形状が見直されています。燃焼速度と断熱火災温度に関しては、水素以外のガスを一緒に燃焼させる方式「予混合方式」が解決策として検討されています。デメリットはあるものの、二酸化炭素などの有害物質の排出が少ない水素発電には、日本政府も注目しています。経済産業省の資源エネルギー庁が主導となって、2030年頃に水素発電を本格的に導入することと、海外からの、未利用エネルギー由来の水素供給チェーンを構築することを目標に掲げています。これを受けて、国内の発電事業を営む企業やメーカーなどから成る『水素発電に関する検討会』が定期的に開催されています。 まだまだ多くの課題があり、実用化には至っていない水素発電ですが、太陽光発電に次いて、これからのエネルギーとして開発が進められています。環境に優しいエネルギー、水素発電の発展に更なる期待が高まっています。