水素利用についての現状調査
2014/12/17
内容
水素サイクル
– 製造 – 輸送 – 国内需給見通し 海外の状況
– アメリカ • 政策方針 • インフラ整備 • 製造 • 輸送 • コスト競争力 – ドイツ • 政策方針 • インフラ整備 • 製造 • Power to Gas プロジェクト水素の製造１：副産物として
苛性ソーダ製造時
・ 2NaCl + 2H2O → Cl2 + H2 + 2NaOH ・ 高純度の水素が得られる 化学工業用途 又は 自社工場内の燃料として使われる分が大半 苛性ソーダの生産量に依存 化学原料 45% 燃料 47% 放出 5% その他 3% 食塩電解副生水素の用途水素の製造１：副産物として
鉄鋼製造時
– コークスを精製する過程で水素50%のガスが発生 – 約70億Nm3の副生水素が発生している コークス炉ガスの多くが製鉄所内で既に利用されている 水素として外販するには精製して純度を高める必要がある水素の製造２：既存設備の利用
石油精製のための水素製造装置
– 精製に用いる水素は、副生水素だけでは足りない – ナフサ等を分解して追加的に水素を製造 – 外販量は設備の余力に依存 アンモニア製造のための水素製造装置
– アンモニア製造に利用する分を除いて余力があれば利用可能 – 原料は化石燃料 – 国内のアンモニア製造が減少しているので将来的な供給は厳しい水素の製造３：新規設備
化石燃料の改質
– 炭化水素の化石燃料を高温で水蒸気と反応させてH2を製造 – 純度は95〜97%程度 – 燃料電池や工業用に用いるには精製が必要 水の電気分解
– 中小規模のものは既に普及している – 大規模なものは研究開発段階 – 1m3の水素の製造に5〜6kWhの電力が必要であり、高コスト水素の製造４：将来技術
光触媒
– 太陽光により水から水素を取り出す – 現状の変換効率は約1% – 実用的なプラントには10%の変換効率が必要、H33年目標 ISプロセス
– ヨウ素と硫黄を用い、900℃程度の温度で水を直接分解 – 変換効率は67%（理論値）、実際約40% – 熱源に高温ガス炉を用いればCO2は排出しない（2030年実用化目標） – 2020年頃に実用システムの原型を提示することを目指す製造方法まとめ
1. 副生水素を利用
– 既に製造所内で利用されているものが多い – この水素を外部で利用するには、代替の燃料が必要になってしまう2. 既存設備を利用して製造
– 製造余力がどれだけあるかによる – 追加の燃料は必要3. 新規設備を作って製造
– 新たに設備コスト・燃料・電力コストが必要になる4. 将来技術
– 実用化にはまだ10年ほどかかる見込み各製造方法の経済性（参考値）
水素の輸送
高圧ガス
– 既存のトレーラーでは20MPa – 燃料電池車で利用する場合には最終的に70MPa以上への昇圧が必要 になるので、運搬時の圧縮に用いたエネルギーも無駄にならない – 最高充填圧力は現在の35MPa→45MPaへと規制緩和される見込み 液化
– 水素は-253℃で液化、体積は気体の約800分の1 – 技術開発により輸送・貯蔵時の気化割合を減少させる必要がある – 工業用の水素利用に占める割合は増加水素の輸送
有機ハイドライド
– 水素をトルエン等に化合させて輸送 – 体積は気体の600分の1程度 – 水素化・脱水素にエネルギーが必要 – 常温常圧での輸送・貯蔵が可能 パイプライン
– コンビナートや近傍の化学工場等の間でパイプラインを通じて融通 している例もある – 大規模な利用には安全性のさらなる確保が必要 – 北九州市の「水素利用社会システム構築実証事業」の一環として 整備された水素タウンにおいては、近傍の製鉄所で生じる副生水 素を水素ステーションや実証用の家庭用燃料電池に供給水素の輸送：各キャリア比較
高圧ガス 液化水素 有機ハイドライド エネルギー効率 2015 52% ー ー 2030 55.7% 55.7% 52.1% CO2排出量 （kg-CO2/m3-H2) 2015 1.87 ー ー 2030 1.7 1.16 1.72 • チェーン全体（採掘・輸送・精製からステ－ションでの充填まで） • 70MPaステーションの場合 • 高温空気燃焼技術（HiCOT）の実用化により高圧ガスによる輸送は将来 的に効率が上がるとみられている国内需要見通し（短期・中期）
みずほ情報総研による推計
• 推計①：FCVが目標値どおり社会に導入されたケース （2015年：1000台、 2030年：200万台）
供給量推計
• 水素の利用が定置用燃料電池や燃料電池自動車にとどまるのであれ ば、２０３０年の水素の自家消費を除く需要（＝年間３０億Nm3程度）は、 国内の供給ポテンシャルで満たすことが可能と推計
アメリカ：政策方針
政府として水素・燃料電池導入の動きはある
– Advanced Energy Initiative (2006)
– 官民パートナーシップH2USAの発足 (2013)
米国エネルギー省(DOE)の水素・燃料電池関連予算
– 毎年約1億ドルを計上
水素インフラ整備状況（カリフォルニア）
• 明確にFCV普及計画と水素ステーション整備が進められているのは カ リフォルニア州のみ • 米国エネルギー省はインフラ整備、研究開発等の資金を側面支援 • コネチカット州、ニューヨーク州のように州内のFC産業を支援している州 はあるが、明確な計画を有している州はない カリフォルニアロードマップ（2012, CaFCP） – 2016年初めまでに68カ所の水素ステーションを戦略的に整備 2013 ZEV Action Plan（2013, CaFCP）
– 電気自動車も含めたZero-Emission Vehicleの普及加速
水素インフラ整備状況（カリフォルニア）
カリフォルニアロードマップ（2012, CaFCP） – 2016年初めまでに68カ所の水素ステーションを戦略的に整備 – 適切なネットワークが構成されるよう水素ステーションの配置を最適化 • カリフォルニア州内に９カ所の水素ステーション(2014年7月現在) http://cafcp.org/sites/files/CaFCP_RoadMap2012_JP_CaFCPUP_0.pdf水素インフラ整備状況（カリフォルニア）
http://www.pref.fukuoka.lg.jp/uploaded/life/132456_50400426_misc.pdf • 水素ステーションの数が 100 カ所に達するまで毎年 20 億円を予算化することが 可決している • トヨタ自動車が米国カリフォルニアのベンチャー「ファーストエレメント•フューエル 社」を通して米国でのインフラ整備を展開 • 2015年以降については新たな28カ所分の予算（約50.3億円）計上済み • カリフォルニア州エネルギー委員会から約29.8 億円の助成を受け州内に 19 カ所 の水素ステーションを 2015 年秋までに整備することを計画水素製造
http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/12014_current_us_hydrogen_production.pdf (DOE Hydrogen and Fuel Cells Program Recordより)
約1000（億Nm3/年）の水素を米国内で製造 販売されているのはそのうち約40% 2016年の推定販売水素量は、およそFCV1600万〜1900万台分 530 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 2009 2010 2011 2016（推定） （億m3/年） 自家消費 販売用
水素製造 - 大規模集約型
• 石油や天然ガスの改質によって製造
月あたり販売量 (kg) 価格($/kg) 西部 東部 236-709 6.98 10.16 709-1418 6.35 9.31 1418-2363 5.71 8.04 2363以上 4.87 6.98 液体水素販売価格 月あたり販売量 (kg) 価格($/kg) 西部 東部 118-236 18.41 19.68 236-473 17.56 18.83 473-709 16.72 17.99 水素ガス販売価格 http://www.ttcorp.com/pdf/marketReport.pdf 主な水素製造所の分布水素製造 – 小規模分散型
水の電気分解
– 合計容量2300kg/day (2008) – 国内販売水素の0.03％ – 広く分布 石油や天然ガスの改質
– 合計容量4198kg/day (2008) – 国内販売水素の0.05% 電気分解による生産の分布 改質による生産の分布 http://www.ttcorp.com/pdf/marketReport.pdf水素製造 – 再生可能エネルギー利用
太陽光や風力で発電し電気分解 – 容量小さい（0〜3kg/hour 程度） バイオガスを改質 – 容量大きい（20〜100kg/hour 程度） 各地で様々なプロジェクトが進行 風力 バイオガス 太陽光 複数の自然エネルギー電源 http://www.ttcorp.com/pdf/marketReport.pdf輸送
小規模（0.5-50kg）
• 高圧ガスをシリンダー容器に入れて輸送
50kg以上の場合
• 高圧ガスをチューブトレーラーに入れて輸送
• 低温で液化してタンカーで輸送
シリンダー規格 容積（L） 圧力（気圧） 容器重量(kg) 体積（m3) 5kWでの稼働時間(hour) K 43.6 154 56.2 5.6 1.59 T 49.6 163 70.3 7.4 1.91 容器重量(kg) 体積（m3） 5kWでの稼働時間(hour) チューブトレーラー 165 1,982 約20日間 液体水素トレーラー 2836 33,980 約1年 http://www.ttcorp.com/pdf/marketReport.pdf輸送
高圧ガスか液化水素か？
• ガス
輸送コスト高＋利用時コスト安
• 液化水素
輸送コスト安＋利用時コスト高
輸送量：約3540〜8500万m
3が境界
輸送距離：100〜200マイルが境界
高圧水素が必要な顧客にとってはガスの方が有利なことが多い http://www.ttcorp.com/pdf/marketReport.pdf輸送
パイプライン
• 建設費用が莫大（$100万/マイル） • 一旦建設すれば輸送費は圧倒的に安価 米国内のパイプラインの分布 • パイプラインの93%がテキサス州と ルイジアナ州に集中 - 水素は主に石油の精製によって製造 - この２州に石油精製施設が集中 http://www.ttcorp.com/pdf/marketReport.pdfコスト競争力
2020年に 「$2.01〜$4.31/gge」 で燃料電池車は参入可能（DOE） 水素価格 $3.68〜 $4.49/gge （DOE2012年資料） – 最低価格は最安の天然ガスを利用した場合のコスト 水素価格（$/gge） FCV燃費（mile/gge） ＋ 目標値との価格差（$/mile） ＝ ガソリン価格（$/gal） HCV燃費（mile/gal） ＜算出方法＞ http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/11007_h2_threshold_costs.pdf http://hydrogen.energy.gov/pdfs/12024_h2_production_cost_natural_gas.pdf※ gge：gallons of gasoline equivalent
FCV燃費 59 (miles/gge) アルゴンヌ国立研究所の試算
HEV燃費 42 (miles/gal) 同上
ガソリン価格 3.13 ($/gal) Annual Energy Outlook 2009
価格差 0〜0.04($/mile) 燃料電池・水素容器の価格と寿命が目標（$30/kW、$0.50/kWh、15万マイル)に至らない($40/kW、$12kWh)場合の価格上昇幅 寿命 150,000 (mile)
EUの水素政策
the European Hydrogen Roadmap （2008）
– 水素の有効活用によりCO₂削減やエネルギー安全保障をコスト面でも効率的 に実現できる – 2050年までの研究開発やインフラ構築等のアクションプラン 輸送 FCV50万台導入、1000カ所以上の水素ステーション設置 生産 水素の50%を再生可能エネルギー等のゼロエミッションなものから生産 貯蔵 水素による蓄電をグリッド規模の蓄電の一部として500MWまで導入 市場 採算の良い水素ソリューションを提供する 熱・動力 定置型燃料電池を利用する5万世帯以上が熱・動力を生産できる
2020年までの目標 （Fuel Cell and Hydrogen Technologies in Europe)
http://www.fch-ju.eu/sites/default/files/111026%20FCH%20technologies%20in%20Europe%20-%20Financial%20and%20technology%20outlook%202014%20-%202020_0.pdf
水素・燃料電池技術革新プログラム（NIP）予算
BMWI（ドイツ連邦交通・デジタルインフラ省）とドイツ連邦経済技術省 （BMWi）が共同で出資 2007〜2016の10年間で合計14億ユーロ（官民で7億ユーロずつ）を水素 関連技術開発に投資 ファンド管理機構としてドイツ水素燃料電池機構（NOW）がある http://www.nedo.go.jp/content/100567362.pdf NIP政府支出額の推移 [千ユーロ]水素インフラ整備計画
ドイツの水素インフラ整備計画
パイプラインを利用
水素製造
ドイツ水素製造量： 215億m
3（2007年）
副生水素68億m
3 副生水素のうち外販可能な分は0.4%程 度という調査（1999）もある http://www.ika.rwth-aachen.de/r2h/images/d/df/Roads2HyCom_R2H2006PU_-_%28Part_II%29_-_Industrial_Surplus_H2.pdf 欧州の水素製造所 販売量が約40億m3とすると FCV60〜70万台分 EU全体の水素製造量（2007） [billion m3／年]• 風力発電の導入量が増え（日本の約10倍）、グリッドへの負荷も増加 • 風力発電設備が北ドイツに集中、南部への高圧送電設備不足 余剰電力で電気分解を行って水素を製造 • 水素を既存の天然ガスパイプラインにを5％程度混入させて利用 • CO2と共にメタンを合成してパイプラインで輸送し利用
風力発電の利用 （Power to Gas プロジェクト）
http://www.meti.go.jp/committee/kenkyukai/energy/gas_infra/001_06_00.pdf http://www.dir.co.jp/research/report/esg/esg-place/esg-hydrogen/20141028_009078.pdfまとめ
水素のほとんどは化石燃料の改質によって作られる
水素のエネルギーあたりコストがガソリンと同程度に下がる必要
がある
輸送はパイプラインが圧倒的に低コスト
日本はパイプラインが少ないので、液化または高圧で運ぶことに
なる
再生可能エネルギーからの水素製造にはコスト課題が残る
・ 水素の製造・輸送・貯蔵について（資源エネルギー庁、2014） http://www.meti.go.jp/committee/kenkyukai/energy/suiso_nenryodenchi/suiso_nenryodenchi_wg /pdf/005_02_00.pdf ・食塩電解工業における副生水素利用の現状（福岡 正雄（トクヤマ）、2003） http://www.hess.jp/Search/data/28-01-016.pdf ・２０３０年を見通した、燃料電池/水素エネルギー社会の展望（資源エネルギー庁、2004） http://www.meti.go.jp/report/downloadfiles/g40412b30j.pdf ・水素需給の現状と将来見通しに関する検討 （みずほ情報総研（NEDO委託）、2013） ・水素キャリアに応じたフィージビリティスタディ（エネルギー総合工学研究所 (NEDO委託)、2009） ・水素社会への期待（大和総研、2014） http://www.dir.co.jp/research/report/esg/esg-place/esg-hydrogen/20140619_008663.pdf
参考
参考
・U.S. Energy Information Administration
http://www.eia.gov/dnav/pet/hist/LeafHandler.ashx?n=PET&s=8_NA_8PH_NUS_6&f=A
・A California Roadmap
http://cafcp.org/sites/files/CaFCP_RoadMap2012_JP_CaFCPUP_0.pdf
・カリフォルニア州における燃料電池自動車普及の取組み
http://www.pref.fukuoka.lg.jp/uploaded/life/132456_50400426_misc.pdf
・ NEDO水素エネルギー白書2014
http://www.nedo.go.jp/content/100567362.pdf
・Annual Evaluation of Fuel Cell Electric Vehicle Development and Hydrogen Fuel Station Network Development
http://www.arb.ca.gov/msprog/zevprog/ab8/ab8_report_final_june2014.pdf
・DOE Hydrogen and Fuel Cell Program Record 11007 (2011)
http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/11007_h2_threshold_costs.pdf
・DOE Hydrogen and Fuel Cell Program Record 12024 (2012)
http://hydrogen.energy.gov/pdfs/12024_h2_production_cost_natural_gas.pdf
・THE US MARKET REPORT
参考
・海外のFCV普及・水素ステーション展開の状況（丸田昭輝（テクノバ）、2012）
http://www.hess.jp/Search/data/37-03-063.pdf
・Towards sustainable energy systems –Overview of German HFC-Developments （German Ministry of Transport and Digital Infrastructure、2014)
http://www.iphe.net/docs/Meetings/SC21/Educational%20Event%20Presentations/Overview-of-FCH2-Developments-in-Germany.pdf
・Roads 2 HyCom “European Hydrogen Infrastructure Atlas” and “Industrial Excess Hydrogen Analysis” (2007)
http://www.ika.rwth-aachen.de/r2h/images/d/df/Roads2HyCom_R2H2006PU_-_%28Part_II%29_-_Industrial_Surplus_H2.pdf
・Fuel Cell and Hydrogen Technologies in Europe (New Energy World Industry Group, 2011)
http://www.fch-ju.eu/sites/default/files/111026%20FCH%20technologies%20in%20Europe%20-%20Financial%20and%20technology%20outlook%202014%20-%202020_0.pdf ・ドイツ 動き始めた再生可能エネルギー電力の水素貯蔵（IEEJ, 2013) http://eneken.ieej.or.jp/data/4976.pdf ・再生可能エネルギーの大量導入を支える水素 （大和総研、2014） http://www.dir.co.jp/research/report/esg/esg-place/esg-hydrogen/20141028_009078.pdf ・ドイツで今後注目されるPower to Gas 事業（三井物産、2013） http://mitsui.mgssi.com/issues/report/r1311du_goto.pdf ・水素インフラや風力発電拡大に期待～独ＮＲＷ州 http://www.nrw.co.jp/file/press/20110222_EnergyShinpou.pdf
