水素

水素はゲームチェンジャーです。グリーンエネルギーを供給し、貯めることで、地球を変える可能性があります。トラックや船、飛行機を動かし、さらには都市にエネルギーを供給するためにも使えるかもしれません。でも水素革命を現実にするには、人類はいくつもの技術的・経済的な課題を乗り越えなければなりません。さあ、原子の世界へ旅に出て、水素に世界を変える力があるのか見てみましょう！

宇宙の本を開いたら、最初の章に水素が出てくるはずです。なぜなら、水素は宇宙をつくる基本の材料のひとつだからです。星にある原子の90%を占め^[1-4]、地球では水素は水、植物、そしてすべての生き物のDNAをつくる主な成分のひとつです^[4-7]。

しかも、ものすごくエネルギーの高い燃料なので、NASAは宇宙探査ロケットの燃料に使っています^[8,9,10]。水素はすでに、人類を新たな高みへ運んでいるわけです。しかも最高なのは、CO₂をまったく出さないことです！

では、なぜ世界でいちばん選ばれるエネルギーではないのでしょう？ うーん、そんなに単純ではありません。

天然の鉱床はあるものの^[11-17]、地球から純粋な水素を取り出すのは難しいです。たいていは、ほかの元素と結びついて化合物になっています。たとえば酸素と組むと、水、つまりH₂Oになります。炭素と組めば、メタン、つまりCH₄としても知られる化石ガスにもなります。

なので純粋な水素を手に入れるには、結びついている元素から分けなければなりません。水から水素を取り出すと、酸素が放出されます。化石ガスから分けると、炭素が放出されます。つまり、水素を燃料として使うことが地球に良いか悪いかは、その水素をどうつくるかにかかっています。

現在、水素燃料をつくる主な方法は、グレー、ブルー、グリーンの3つに分けられます： ^[18-21]

今ではそのほとんどが化石燃料からつくられていて^[22-28]、最も一般的なのは化石ガスからつくられるグレー水素です。でも、ガスでも石炭でも石油でも、化石燃料から水素をつくると大量のCO₂が大気中に放出されます^{[19,26,27,28]}。残念ながら、これらの方法が水素生産全体の99%以上を占めています^[23,24,28]。痛い！

実は、グレー水素だけでも、その生産で出るCO₂はイギリスとオーストラリアを合わせた量より多いのです^[28,29]！

近年、二酸化炭素回収・貯留として知られる技術の進歩によって、発電所から排出されるCO₂を回収し、地下に貯められるようになりました^[30,31,32]。これを水素生産と組み合わせたものが、ブルー水素と呼ばれます^[33,34]。

でもこの方法はCO₂排出を減らせる一方で、今のところメタン（CH₄）が漏れやすく^[34-37]、20年間で見れば大気への影響は80倍以上にもなりえます^[38,39,40]。ある研究では、やり方を間違えるとCH₄排出があまりに増え、最初から化石燃料を燃やしたほうがましになる可能性さえ示されました^[35]。

科学者たちが本当に探している、クリーンエネルギーのエル・ドラドは、グリーン水素と呼ばれるものです。これは電気分解という化学プロセスで、水からつくられます： ^[41-45]

水、つまりH₂Oが入った大きな水槽を想像してください。水素を取り出すには、まず酸素との結びつきを切る必要があります。そのために電気を使って水分子の結びつきを分解し、貴重な水素ガスをつくります。簡単です！

このすべてを、太陽光や風力のような再生可能エネルギーで、ほぼ排出ゼロで動かせます^[41-45]。

このグリーン水素には、世界を変える可能性があります^{[21,28,43,44,45]}。世界の排出量の約3.6%と7.2%を占める^[48]石油化学製品の生産や製鉄^[44-47]といった産業では、化石燃料の代わりにグリーン水素を使って、脱炭素化が始まっています。国によっては、肥料に使われる化合物であるアンモニアの生産を脱炭素化するために投資しており、さらに世界の排出量を1-2%減らせる可能性があります^{[44-46,49-53]}。

専門家たちは、輸送システムでの利用も調べています。電気自動車が優秀なので車の優先度は低いですが、長距離トラック、国際海運、長距離航空機の優先度はもっと高いです。重いバッテリーを動力に使えないため、グリーン水素は理想的な代わりになります^{[21,28,44,45,54]}。

理論上は（そして持続可能な方法でつくられるなら）、水素燃料を使ったときの直接排出は水だけです。実際、この水はNASAのスペースシャトルでも使われ、宇宙飛行士が本当に飲んでいます！ ^[55,56]

では、落とし穴は？

水素をただ燃やすと、空気中の窒素も反応して、有害な大気汚染物質である窒素酸化物を生むことがあります^[57-61]。

それでも化石燃料を燃やすよりはクリーンですが、いちばんクリーンなのは燃やさずに、水素の化学エネルギーを直接電気へ変える水素燃料電池を使うことです^[62-65]。これなら効率が良いだけでなく、窒素酸化物の排出もゼロ、もちろんCO₂もゼロです！ ^{[57-59,63-65]}

よさそうですよね？ では、今つくられている水素のうちグリーンなのはなぜ1%未満なのでしょう？ ^[23,24,28] なぜみんな、この環境にやさしいタイプに飛びつかないのでしょう？

今のところ、水素は高価で、生産にはたくさんの電気が必要です^[66-69]。スマホを再生可能エネルギーで直接充電する代わりにグリーン水素で動かしたいなら、まず再生可能エネルギーの電気を水素に変え、それから燃料電池でまた電気に戻す必要があります。これをすると、最初から太陽光パネルでスマホを直接充電していた場合に得られたエネルギーの、最大70%を失うかもしれません！ ^[70,71,72]

グリーン 水素は、あまりコスパが良くなさそうです。では、なぜ家庭や都市に電力を供給するために使うべきなのでしょう？

答えは、水素のとても強力な性質のひとつにあります… 将来使うために、大量のエネルギーを貯められることです。

風力タービンには風が必要で、太陽光パネルには日光が必要なので、暗くて風のない日には、電力の供給を続けるためにガスや石炭の出番になることがよくあります。でも、もっとグリーンなアイデアがあります：

柔軟なスマートグリッドを通じて家庭に再生可能エネルギーを届け、余るほどのエネルギーを生み出せる数の風力・太陽光発電所をつくります。余った電力はグリーン水素の施設へ送られ、水素づくりに使えます。その水素は貯蔵でき、太陽光や風力だけでは需要を満たせないときに発電に使えます^[73-76]。

それだけではありません、水素は古い鉱山や岩塩の洞窟、さらには枯渇した石油・ガス田に、長期間、大量に地下貯蔵できます^[77-80]。つまり、寒い冬の時期も含めて一年中使えるのです。

これは季節間貯蔵と呼ばれ、すでに多くの国が投資しています^{[23,81,82,83]}。いつかは、化石燃料への依存をなくす助けにさえなるかもしれません。さらに、この巨大な水素の備蓄があれば国のエネルギー自立度が上がり、エネルギー輸入への依存が減るので、明かりを保つためにほかの国を頼る必要がなくなります^[84,85,86]。

でも、蓄電池でも同じことができるのでは？

そうとも限りません。都市のために数週間や数か月分の予備エネルギーを貯めるのに必要な蓄電池は、ものすごく、ものすごく高くつきます^[87-90]。一方で水素は、大規模に貯蔵すればとても安くでき、このエネルギー貯蔵の問題を解決できるかもしれません^[91,92]。

では水素は、地球の脱炭素化に役立てるのでしょうか？ 再生可能エネルギーからつくられたグリーン水素であること^[93]、そしてコストが現実的であること^[66-69]が条件です。それを実現するには、インフラを広げて更新し、再生可能エネルギーを大規模に導入する必要があります。

でも、良いニュースがあります！ 風力と太陽光による電力は、今では化石燃料より安くなっています^[27,94-97]。そして電解装置の最近の技術進歩のおかげで、グリーン水素の生産コストも急速に下がっています^[98-102]。

つまり人類がこの新しい技術を後押しすれば、グリーン水素は、私たちが待ち望んできた輝く星のひとつになるかもしれません。