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International Institute forCarbon-Neutral Energy Research

A World Premier Institute

水素エネルギーの今後の技術展望と求められる技術

水素エネルギー社会形成研究会 平成28年度第2回セミナー

板岡健之

エネルギーアナリシス部門九州大学カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所

2016年9月13日

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エネルギーに関する概況と課題

将来のエネルギー社会と水素

水素エネルギーの導入の意義と課題

環境性向上への対応

柔軟性向上への対応

まとめ

目次

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エネルギー関する概況と課題

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世界のエネルギー消費は経済の成長とともに増加している。先進国では停滞、途上国では増加傾向

アジア太平洋州で大きく増加

中国が最大の消費国、石炭は世界の約半分を消費

今後はインドで大きな伸び（特に石炭）が予想される

石油が最大の一次エネルギー源（主に輸送用）だが、石炭（主に途上国発電用） 、天然ガス（主に先進国発電用）はさらに大きく増加。

再生可能エネルギー・原子力も増加傾向

シェールガス・オイルの開発等により、天然ガス、石油の可採年数は増加傾向。石炭の可採年数はもともと長い（100年以上）。化石燃料の価格はリーマンショックでの低下後、大きく上昇し、また現在大きく下げている。

IEAでは2020年までに原油が$80/バレルで均衡しその後さらに上昇することを想定しているが、2010末で$50/バレル前後のシナリオも用意。

エネルギーに関する世界の概況

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CO2（GHG）排出の大幅な削減低炭素エネルギー技術への転換

パリ合意ほぼ全世界の国が参加し気温上昇を2℃以下に抑えることを目標（1.5℃へ向けて努力）

法的拘束力なし

現状の国別の排出削減量の合計と目標には大きなギャップ（約束草案合計で2030年で570億トン、2050年に240億トンにする必要）

世界の人々の近代的なエネルギーの利用（国連、持続可能な開発目標）世界人口の17%（12 億人）が電気を利用できない状況世界人口の38%（27 億人）が調理に伝統的な固形バイオマスを利用せざるを得ない

→室内汚染→健康被害

エネルギーに関する世界の課題

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出典：経済産業省編，エネルギー白書2015

世界のエネルギー消費量（地域別、一次エネルギー）

7

世界のエネルギー消費量（一次エネルギー種別）

直接出典：経済産業省編，エネルギー白書2015

8

世界の年間クリーンエネルギー投資額の推移（技術別）

0

50,000

100,000

150,000

200,000

250,000

300,000

350,000

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

US$M

year

Carbon Capture & StorageMarineLow Carbon Services & SupportGeothermalBiofuelsSmall Hydro (<= 50 MW)Biomass & WasteEnergy Smart TechnologiesWindSolar

IEAによると2014年の世界の新規発電容量の約半分は再生可能エネルギーが占めている（World Energy Outlook 2015)

出典： Bloomberg Energy Finance のデータを基に作成

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最終エネルギー消費の減少経済（GDP）とのリンクがなくなってきた

電力消費の継続的増加二次エネルギーにおける電気の割合の増加

化石燃料依存率の増加ほとんどの原子力発電所の停止中

エネルギー自給率の低下原子力発電所の停止の影響大

太陽光発電（PV)設置量の増加 （FIT）の影響

GHG排出削減の停滞

エネルギーとしての水素の利用の開始

電力小売市場の自由化

エネルギーに関する日本の概況

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エネルギー・セキュリティの向上エネルギー自給率の向上

一次エネルギーの多様化

エネルギーコストの削減化石燃料・再生可能エネルギーともに高価

GHG排出量の大幅削減2030年26%削減（2013年比）2050年80%削減（1990年比）石炭火力をどうするか（コスト、セキュリティ対策の面と環境性）

安全性・災害対応性の向上原子力発電の利用／廃止

エネルギーに関する日本の課題3E+S

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日本の部門別最終エネルギー消費と実質GDP

出典：経済産業省編，エネルギー白書2015

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日本の一次エネルギー供給と電力化率の推移

直接出典：経済産業省編，エネルギー白書2015

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日本の発電電力量の推移（一般電気事業用）

直接出典：経済産業省編，エネルギー白書2015

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日本の年間クリーンエネルギー投資額の推移（技術別）

0

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

30,000

35,000

40,000

45,000

50,000

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

US$M

year

Carbon Capture & StorageMarineSmall Hydro (<= 50 MW)BiofuelsGeothermalBiomass & WasteWindLow Carbon Services & SupportEnergy Smart TechnologiesSolar

出典： Bloomberg Energy Finance のデータを基に作成

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発電

低炭素電源の導入再生可能エネルギー

コスト削減

PVや風力発電の不安定な出力への対応（蓄電、DR、DSM等）CCS（二酸化炭素回収貯留技術）：石炭対策

コスト削減

制度整備

ガス火力の活用：調整可能電源（初期の低炭素対策→CCS)発電効率向上

産業プロセス効率の向上

低炭素な熱供給

CCSの利用

運輸効率向上 （電気・モーターの利用：内燃機関の効率向上）

燃料の低炭素化（EV：低炭素電力、FCV:低炭素水素、バイオ燃料）新たな燃料に対応したインフラ整備

業務・家庭高効率冷暖房・給湯

建物の断熱性の向上

スマート技術、エネルギーマネジメント

エネルギー技術に関する課題

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将来のエネルギー社会と水素

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技術によるGHG排出削減シナリオ

出典：IEA, Energy Technology Perspective 2015 (2015)

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未来の統合型インテリジェント電力システム

出典： IEA, Energy Technology Perspective 2014 (2014)

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将来の運輸部門における技術（GHG制約下：6DS→2DS）

出典：IEA, Energy Technology Perspective 2015 (2015)

2020将来のエネルギー社会のビジョン：“Carbon Neutral Society”

I2CNER Energy Vision for Japan

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2次エネルギーとしての水素エネルギー：燃料電池を中心として

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出典）Fuel Cell Today, “Water electrolysis & Renewable Energy Systems” 2013

再生可能エネルギー:風力、太陽光、水力、地熱

水素貯蔵

燃料電池

電解槽

交通燃料

電力供給網

ガス供給網

合成燃料生産

嫌気性消化装置

燃料電池 またはコンバインドサイクル発電

水素の産業利用（エネルギーではない）

分散発電(さらに 熱電併給)

※生成された熱の流れは示されていない暖房

水電解装置から製造した水素を中心としたエネルギーネットワーク

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水素エネルギーの導入の意義と課題

出典： トヨタ自動車（株）

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背景環境対策（特に温暖化対策）の必要性

エネルギーセキュリティへ対応の必要性

燃料電池技術の進歩

クリーンでガソリン車と同程度の利便性を持つ輸送用燃料：ゼロエミッション（クリーン）

高エネルギー効率（クリーン：T to W)短い充填時間（利便性：運搬性）

長い走行距離（利便性：貯蔵性とエネルギー密度）

柔軟性（貯蔵性、運搬性等）のある2次エネルギーの必要性不安定な出力を持つ再生可能エネルギー利用の必要性

なぜ、二次エネルギーとして電気に加えて水素が必要か？

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産業ガスとして長い歴史

流通、取扱いに経験とデータの積み重ねがある安全性担保の基礎

新たな利用法：二次エネルギー

エネルギーとしての特徴ロケット燃料としての利用のみ

産業プロセスで発生するが余剰分の多くはエネルギーとして利用されている

初期の需要の多くを賄える可能性

電気と比較して、貯蔵性に特徴

電気と親和性が高い

さまざまな製造方法がある

大量輸送の必要性

利用方法基本は燃料電池

水素の二次エネルギーとしての利用

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クリーン(環境性）？：化石燃料から作る限りそれなりのCO2の発生

ライフサイクルではエネルギー効率でHVにやや勝る程度電気から作るとエネルギー効率はEVに相当劣る運輸部門でのCO2排出削減に貢献するには大幅な普及が必要

柔軟性？電気と親和性が高いが、電気⇄水素で大きな損失が発生貯蔵装置が重い、高い

容器を含めると重量エネルギー密度はそれほど高くない

液体水素でも体積エネルギー密度はガソリン等より低い

常温で液体のエネルギーに比べると取扱いが面倒

高圧での取扱い

保安設備のコストが高い保安設備

高圧

水素脆性

水素燃料電池技術の課題

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クリーンエネルギー自動車単体でのGHG排出量

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環境性向上への対応

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低炭素化：低炭素一次エネルギーからの水素製造再生可能エネルギー電力（太陽光、風力等）からの水素製造

余剰電力（ただの電力）の利用：世界で将来大量に発生する可能性

設備稼働率と負荷変動対応性が課題

再生可能エネルギーが豊富な国からの輸入の可能性

キーテクノロジーは水電解装置 課題は：

コスト

スケールアップ

負荷変動対応性

効率向上

化石燃料＋CCSCCS実施可能性が鍵海外での適地で水素製造＋CCSを実施、輸入の可能性

豪州褐炭水素プロジェクト

原子力熱利用ISプロセス原子力の社会受容性が鍵

効率向上水素供給・利用チェーン全体での効率向上が重要

環境性への対応

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日本の再生可能エネルギー賦存量

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太陽光発電：普及量

0200400600800

1,0001,2001,4001,6001,8002,000

2012 2015 2020 2025 2030 2035 2040

RoWRest of LatAmChileMexicoBrazilUSAustraliaSE AsiaIndiaJapanChinaMEAEurope

■小規模太陽光発電累計導入量見通し (GW)

■世界の累積太陽光発電設備容量（2013年）

0200400600800

1,0001,2001,4001,6001,8002,000

2012 2015 2020 2025 2030 2035 2040

RoWRest of LatAmChileMexicoBrazilUSAustraliaSE AsiaIndiaJapanChinaMEAEurope

■大規模太陽光発電累計導入量見通し (GW)

下段２図出典：Bloomberg Energy Finance “New Energy Outlook 2015 Solar” (2015)上段２図直接出典：経済産業省編，エネルギー白書2015

■世界の太陽電池（モジュール）生産量（2013年）

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風力発電：普及量

0200400600800

1,0001,2001,4001,6001,8002,000

2012 2015 2020 2025 2030 2035 2040

RoWRest of LatAmChileMexicoBrazilUSAustraliaSE AsiaIndiaJapanChinaMEAEurope

■陸上風力発電累計導入量見通し (GW)

左2図出典：Bloomberg Energy Finance “New Energy Outlook 2015 Wind” (2015)

■洋上風力発電累計導入量見通し (GW)

0

50

100

150

200

250

2012 2015 2020 2025 2030 2035 2040

RoWRest of LatAmChileMexicoBrazilUSAustraliaSE AsiaIndiaJapanChinaMEAEurope

■風力発電導入量の国際比較（2014年末時点）

■日本における風力発電導入量の推移

右２図直接出典：経済産業省編，エネルギー白書2015

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変動（揺らぎ）による不安定性

短周期変動： 一定量導入されると「ならし効果」 が生じる。

長周期変動： 苫前夕陽ヶ丘風力発電所では夏場の発電量は冬場の1割程度。

風力発電の周波数変動

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苫前「風来望第1号機」の長周期変動出所：苫前町ホームページ

苫前「風来望第1号機」の短周期変動出所：苫前町提供データ

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種類アルカリ水電解：実用

PEM（固体高分子形）水電解：実用SOEC（固体酸化物型）水電解：高温水蒸気電解：R&D,一部実用

水電解装置

出典： NEDO(2014)水素エネルギー白書 p109

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水電解装置: SOEC

出典）渡邉久夫, 亀田常治, & 山田正彦. (2013). 再生可能エネルギーを活用する水素電力貯蔵システム. 東芝レビュー, 68(7), 35-38.

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海外からの水素輸入構想

出典：川崎重工業

■ CO2フリー水素チェーンのコンセプト

出典：千代田化工建設

■ 「SPERA水素」のサプライチェーン

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柔軟性向上への対応

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電力貯蔵技術

出典： EDISON INTERNATIONAL Company

スーパーキャパシタ

揚水貯蔵

燃料電池

蓄電池

圧縮空気

■米国における電力貯蔵容量と技術別内訳（計画分を含む）

出典：US DOE資料 直接出典：StepwestCorp (2014) エネルギー保存システム

ﾌﾗｲﾎｲｰﾙ

SMES: 超伝導時期エネルギー保存

■電力貯蔵技術の特徴比較

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電力貯蔵技術

出典）蒲生秀典. (2014). 再生可能エネルギー利用拡大のためのエネルギーストレージの研究開発動向. 科学技術動向, 5-12.

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水素貯蔵種類：特徴・課題高圧ガス：低体積密度・効率向上

水素吸蔵合金ハイブリッドタンク

液化水素：高体積密度・液化効率向上、断熱性向上、ボイルオフ対策

有機ハイドライド：高体積密度・脱水素における省エネ

出典）資源エネルギー庁燃料電池推進室(2014)水素・燃料電池戦略協議会ワーキンググループ（第5回）‐配布資料

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天然ガスパイプラインに水素を混合するか、メタン化して混入

基礎天然ガスインフラが使えるメリット（水素で貯蔵不要）

メタン化にエネルギーが必要

Power to Gas

出典）デロイトトーマツhttp://www2.deloitte.com/jp/ja/pages/public-sector/articles/gv/hydrogen-energy.html

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水素は二次エネルギーとしてエネルギーネットワーク

に柔軟性を与える

クリーンで利便性の高い輸送用燃料として強み

長期的には低炭素水素が適当な価格で供給されなけ

れば水素導入の意義はない

将来大量に余剰となる可能性がある再生可能エネル

ギーの利用には水電解装置の高効率化、低コスト化、

大規模化、変動負荷対応性向上が鍵

水素貯蔵においても高効率化、低コスト化が重要

まとめ