水素利用

グリーン水素

太陽光・風力・水力などの再生可能エネルギーから得た電力を使い、水を電気分解して得られる水素です。カーボンニュートラルに即し、生成過程でCO2を出さない「環境に優しい水素」です。

グレー水素

天然ガス・石炭・石油などの化石燃料といった、CO2を排出する方法で生成された水素を指します。1トンの水素を製造する場合、10トンのCO2が発生すると言われています。

ブルー水素

グレー水素と同じ方法で得られる水素ですが、放出されたCO2はCCUS（CO2回収・有効利用・貯留）技術を使って地下に貯蔵されます。CO2を放出しないため、カーボンニュートラルに対応した水素です。

ターコイズ水素

プラズマなどを使用し、メタンを熱分解して生成する水素です。メタンは生成の過程で水素と固体炭素に分解されます。固体炭素は保管が可能で、大気に放出されず再利用できるという特徴があります。

レッド/ピンク水素

グリーン水素と同様に、水の電気分解によって作られます。製造過程ではCO2を排出しませんが、原子力発電で得た電力を使用しているため放射性廃棄物が発生します。

水素の製造には様々な方法がありますが、現在は化石燃料をもとに水素を生成する方法が主流です。しかし多くのCO2を排出することから、今後は再生可能エネルギーで発電した電力を使い「水を電気分解する方法」へとシフトすると考えられています。

工業分野における電気分解は、アルカリ水電解(AEC)、固体高分子型電解(PEM)、固体酸化物型電解(SOEC)が主です。これらの方法によって水が水素と酸素に分解され、水素を得ることができます。

アルカリ水電解 (AEC)

アルカリ水電解は、最も一般的に使用されている技術です。電解質として水酸化カリウム溶液(KOH)が使用され、電気を流すことで水素を得ます。少ない投資コストと長い耐用年数が特徴で、原材料も比較的調達しやすいことから、広く普及しています。

固体高分子型電解 (PEMEC)

固体高分子型電解は、アルカリ水電解と比較すると歴史の浅い方式ですが、工業分野で利用されています。電解質膜と電極が一体化した膜電極接合体(MEA)を用いて水電解を行います。これによって酸素と水素が混合せず、水素純度はさらに高くなるメリットがありますが、触媒材料の価格の高さには課題が残ります。

固体酸化物または高温電解 (SOEC)

貴金属触媒を使用しない高効率の電解方式であるSOECは、電解方式の中でも投入した電力量に対して得られる水素が最も多い、エネルギー効率の高い方法です。水蒸気を摂氏900℃に加熱して電気分解を促します。ただし、アルカリ水電解に比べて導入コストが高いことから、今後はより安価な技術普及が期待されています。

水素は、主に圧縮水素または液化水素として貯蔵されます。圧縮水素は水素に圧力を加え、体積を減らして貯蔵する事ができます。貯蔵容器は圧力に耐えるため、高い強度が必要です。水素は圧力が高くなると水素脆化という金属の劣化を引き起こすため、貯蔵容器の材料には十分留意する必要があります。もう一つの液化水素を貯蔵する方法では、水素を-253℃に冷却し液化します。すると体積がおよそ800分の1となり、圧縮水素よりも高密度に貯蔵する事が可能です。その保管技術には金属水素化合物による貯蔵、LOHC（液体有機水素キャリア）、アンモニアやメタノールなどの化学的貯蔵などがあります。

水素は非常に幅広い分野で利用でき、産業界において高い需要が期待されています。想定される用途には、アンモニアやメタノールの製造、鉄鋼やセメントの製造などがあります。また、モビリティ分野においても高い需要が予測されています。高負荷への耐性と長い航続距離が求められる、航空宇宙・海洋輸送などの用途においても水素が利用されています。

水素は、1個の陽子と1個の電子のみで構成された最小かつ最軽量の元素です。よって、輸送中に水素が失われないために細心の注意を払う必要があります。また水素脆性への対応も必須で、材料・圧力・温度・時間に応じて輸送機器の早期疲労が発生するおそれがあります。水素の安全な輸送を実現するためには、用途に応じた材料の選択と適切なコンポーネント設計が重要です。

高度合金化されたオーステナイト系クロムニッケル鋼は、水素用途での使用に適しています。炭素含有量が少なくニッケル含有量が高いことにより、水素に触れた際の腐食にも非常に高い耐性があり、水素脆性を防ぐ効果があります。

水素脆性とは、水素が金属に吸収されることによって金属の靭性が低下し、脆くなってしまう現象です。金属にできた亀裂が伝播すると、早期疲労や突然の材料破損につながるおそれがあります。水素脆性は高張力鋼や高強度鋼などの硬い金属で起こりやすいため、材料・圧力・温度、その他数多くの要因には細かに気を配る必要があります。