水素発電とは?カーボンニュートラルに貢献するエネルギーのメリットやデメリットを徹底解説!

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水素発電とは?カーボンニュートラルに貢献するエネルギーのメリットやデメリットを徹底解説!

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水素発電と聞いたとき、どのような発電方法を思い浮かべるでしょうか。

水素発電とは、水素をエネルギー源として燃焼や化学反応によって発電する方法です。水素発電を導入することで、カーボンニュートラルへ貢献ができるだけでなく、高い発電効果が期待できます。

また、家庭用燃料電池や燃料電池自動車(FCV)といった普段の生活に関わる部分にも活用されており、今後技術革新によって水素電池がさらに身近なものになってくるでしょう。

この記事では、水素発電の種類と仕組み、メリット・デメリット、活用事例をわかりやすく解説します。

水素発電について知りたい方は、ぜひ本記事を最後までご覧ください。

水素発電とは?3つの種類や発電の仕組み

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水素発電とは、水素をエネルギー源として、燃焼や化学反応によって生まれた運動エネルギーから発電する方法です。水素発電は種類によって発電の仕組みが異なり、それぞれの発電方法で課題が残されています。

水素発電の主な種類は以下の通りです。

  • ガスタービン発電
  • 汽力発電
  • 燃料電池発電

ここでは水素発電の3つの種類と発電の仕組みについて解説します。

ガスタービン発電

ガスタービン発電は、水素を燃焼させることで発生するエネルギーを利用し、発電機を駆動させて電気を生み出す方法です。

発電の仕組みは火力発電と同じですが、燃料に水素を用いる点が異なります。水素は燃焼時にCO2を排出しないため、地球温暖化の原因となるガスの排出を抑えることが可能です。

ガスタービン発電は、地球にやさしいエネルギー源としての可能性を秘めていますが、水素の製造や輸送などにコストがかかるといった課題があります。

汽力発電

汽力発電は水素を燃焼させて発生する蒸気でタービンを回し、連結している発電機を動かすことで電力を生成する方法です。

重油や天然ガス、石炭などを燃料にする火力発電と仕組みは似ていますが、水素を燃料に使用することでCO2の排出を防ぎ、環境への負担を軽減できます。

汽力発電は燃焼時のCO2の排出を削減できるメリットがありますが、普及を進めるにはインフラ整備や安全性の確保などが必要です。

燃料電池発電

燃料電池発電は、水素と酸素を化学反応させることで電気を直接生成する方法です。

ガスタービン発電や汽力発電とは違い、燃焼させる必要がありません。また、騒音や排気ガスはほとんど発生せず、高い発電効率を期待できます。

燃料電池発電は、小規模ながらも電力供給にすぐれたシステムです。家庭用燃料電池や燃料電池自動車(FCV)に技術が利用されており、研究による技術革新が続いています。

しかし、大規模な発電を行うために必要な耐久性やコスト削減に関しては、課題が山積みです。

水素発電のメリット

水素 発電

水素発電には、環境保全やエネルギーの安定供給などのメリットがあります。ここでは、水素発電の3つのメリットについて解説します。

CO2排出ゼロでカーボンニュートラルに貢献

水素発電はCO2が排出されないため、地球温暖化の原因である温室効果ガスの削減に貢献できます。

水素エネルギーは地球にやさしいエネルギー源として注目されており、カーボンニュートラル(温室効果ガスをゼロにする概念)を実現するために重要な存在です。日本では、2050年までにカーボンニュートラルを達成させる動きが加速しています。

カーボンニュートラルの実現には、化石燃料の代替になる水素が必要不可欠です。

水素発電は化石燃料に依存する現在のエネルギーシステムを変革し、持続可能なエネルギーを生み出す方法として期待されています。

さまざまな資源から水素を製造可能で枯渇の心配がない

水素は地球上に存在する豊富な元素であるため、あらゆる方法で製造が可能です。

  • 電気分解によって水から水素を取り出す
  • 石炭や天然ガス、バイオマス資源(メタノールやエタノールなど)から水素を製造
  • 化学工場などの製造過程で発生する水素を有効活用

水素を製造する方法は多岐にわたるため、資源が枯渇するリスクを低減させるだけでなく、持続可能なエネルギー供給の確保に貢献できます。

水素エネルギーの需要が高まることで、エネルギーの安定供給と環境保全の両立が期待できるでしょう。

貯蔵が可能

水素は、液体にすることで多くの量を貯蔵できる点がメリットです。

太陽光発電や風力発電は資源となる光や風を保存できないため、発電された電気をすぐに利用するか、蓄電池に充電しておく必要があります。さらには自然条件に左右されやすく供給が不安定になりがちです。

一方、水素は液体や固体などのさまざまな形で長時間の貯蔵が可能であり、自然条件に左右されずいつでも利用可能です。

また、水素を効率よく貯蔵や輸送するための技術が各所で開発されています。例えば、水素を液体になるまで冷やすことで体積を1/800にする技術もあり、より効率的な貯蔵・輸送を可能にしています。

今後、水素の貯蔵と輸送技術の発展は、水素エネルギー社会の実現に向けたカギになるといえるでしょう。

水素発電のデメリット

水素 発電

水素発電には、コスト面・安全面・インフラ整備に関するデメリットが懸念されます。

ここでは、水素発電の3つのデメリットについて解説します。

コストが高い

水素発電の最大のデメリットは、コストの高さにあります。

現在の水素ステーションでの水素の価格は1立方メートルあたり約100円と、従来の化石燃料に比べて非常に高価です。

政府や関連機関は2030年までに水素の価格を1立方メートルあたり30円にし、将来的には20円まで引き下げる目標を掲げています。しかし、実現にはさまざまな技術革新と投資が必要です。

現状ではコスト削減のための研究や開発が進められていますが、水素エネルギーの普及にはまだ時間がかかるでしょう。

爆発するリスクがある

水素発電のデメリットは、爆発するリスクがあることです。

水素は570℃という高い発火点を持つため、自然発火のリスクは低いとされています。しかし、人的なミスや管理不足により、海外では大規模な爆発事故が発生しています。

  • 韓国の水素工場での爆発事故
  • ノルウェーの水素ステーションでの爆発事故

水素発電は、安全性の確保やコストの両面が今後の課題となるでしょう。

水素供給のインフラ整備が間に合っていない

水素発電のデメリットは、水素供給のインフラ整備が間に合っていないことです。

水素エネルギーの普及は世界にさまざまなメリットをもたらしますが、現在は水素を家庭や事業所に直接送り込むためのインフラが整っていません。ガスや電力などのエネルギーと比較すると、大幅に遅れをとっている状況です。

技術開発が進む業界では水素エネルギーの利用が期待されていますが、インフラの整備が追いついていない現状では可能性を十分に確認できないといえるでしょう。

水素発電によって成り立つ社会の実現には、輸送・貯蔵・供給すべての段階でのインフラ整備が急務ですが、莫大な投資と時間が必要とされます。

水素発電の活用事例

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水素発電の技術はさまざまなシーンで活用され、普段の生活でも目にする機会が増えてきています。

ここでは水素発電の活用事例を3つ紹介します。

燃料電池

水素エネルギーの効率的な活用方法のひとつとして、燃料電池が開発されています。

燃料電池は水素と酸素の化学反応を利用し、電力を直接生成する仕組みです。家庭用として有名な製品にはエネファームがあり、高いエネルギー効率をもつと共に、CO2排出量の削減に貢献できると注目されています。

エネファームは電力だけでなく発生する熱も利用できるため、給湯や暖房にも使用することが可能です。エネルギーが有効活用されている最適な事例といえるでしょう。

燃料電池自動車(FCV)

水素エネルギーを動力源にする事例では、燃料電池自動車(FCV)が挙げられます。

燃料電池自動車(FCV)は水素燃料電池を搭載し、化学反応で発生した電力で走行する車両です。自家用車としては、トヨタのFCV MiraiやホンダのFCV Clarity Fuel Cellが有名で、車両はゼロエミッション(廃棄物の排出を0にする概念)を実現しています。

地域によっては燃料電池を搭載したFCバスSoraの導入が進んでおり、公共交通の分野でも水素エネルギーの活用が拡大している状況です。

燃料電池船

水上交通では、水素エネルギーの活用が進んでいます。その事例のひとつが水素燃料電池をエネルギーとして動く燃料電池船です。

2020年9月からは高出力燃料電池を搭載した、船舶の実用化に向けた実証事業が行われ、海上輸送で生じる環境負荷の低減が期待されています。

燃料電池船の普及は、将来的に化石燃料に依存しない持続可能な海運業を実現するために重要なステップです。

特に長距離を移動する船舶のデメリットである、環境への悪影響とエネルギー効率の悪さを改善できるとして、大きな注目を集めています。

まとめ

水素発電の種類と仕組み、メリット・デメリット、活用事例を解説しました。

水素発電には多くのメリットがあり、地球環境を守るエネルギーとしても利点が多く、効率的に発電ができます。

この記事では、水素発電の仕組みとカーボンニュートラルへの貢献、メリット・デメリットについて解説しましたが、個人で温室効果ガスの削減に貢献したいなら太陽光発電の導入がおすすめです。

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