水素 - エネルギー転換の推進力

水素は宇宙で最も小さく、ありふれた化学元素です。1766年にイギリスの化学者 物理学者のヘンリー キャベンディッシュにより発見されました。周期表で最初に登場し、「H」という記号と元素番号1が割り振られています。地球上では通常、水素分子H₂の状態で他の元素と結合していることが多く、すべての生物とその構成要素である水 (H₂O) に含まれています。

単体では無色、無臭で、空気より軽い揮発ガスです。ただし、無毒ですが無害というわけではありません。強可燃性物質なので、反応を制御しなければ引火して爆発することがあります。しかし、エネルギー キャリアとしての利用価値はまさにこの「反応性の高さ」にあります。水素にはもう1つの利点があります。豊富に存在し、世界のあらゆる場所で柔軟に生産可能な点です。

世界のCO₂排出削減とスムーズなエネルギー転換は今日の気候変動問題対策における二大テーマになっています。インフィニオンでは近い将来のエネルギー システムにおいて、水素が重要な役割を果たすと確信しています。特に、CO₂排出削減においてはエネルギー業界と自動車業界の脱炭素化、すなわちCO₂を排出するエネルギー源からの脱却と化石燃料によるエネルギー生産の段階的な廃止に大きな可能性を見出しています。水素技術の最適化とその先の開発においては水素産業が重要な役割を果たします。水素がエネルギー転換において重要であり、未来のエネルギーとされている理由を3つ紹介しましょう。

一般的に、水素は常に他の元素と結合した状態にあり、水、天然ガス、原油などの中に存在しています。結合していない純粋な状態の水素をエネルギー キャリアとして製造するには、エネルギーと特殊な手法を使って分離する必要があります。インフィニオンのパワー半導体は電力供給のエネルギー効率を向上し、電気分解によって気候中立な水素製造をサポートしています。水素の製造には以下の手法が使用されます。

1. 気分解法

電解槽の中で電圧をかけることで、水をその構成要素である水素と酸素 (H₂O = 水素原子2個と酸素原子1個) に分解し、負極に集まった水素分子を収集します。酸素は正極に集まります。同時に、この製造プロセスの電気エネルギーは化学エネルギーに変換され、水素の中に保存されます。

2. メタン熱分解法

天然ガス (CH₄) の主成分であるメタンを酸素のない高温の反応炉内で水素と固体炭素に分解します。分解した水素は使用または貯蔵のために輸送し、残った炭素 (C) パウダーは固体微粒子の副産物として保存して後で原材料として再利用します。そのため、炭素は大気中に放出されず、微粒子として固定されます。

3. 改質法

現在、最も開発が進み、効率の高い手法です。天然ガス (CH₄) などの炭化水素に水蒸気やバイオガスと反応させる手法で、水蒸気改質法とも呼ばれます。水素の製造中に発生する CO₂は地下のタンクに貯蔵します。このプロセスはCCS (炭素の回収 貯留) と呼ばれます。貯留に適した地層に炭素を注入すると、長い時間をかけて混合して鉱物化し、脱炭素を実現できます。その他、再利用する方法もあり、CCU (炭素の回収 利用) と呼ばれています。発生した CO₂は化学物質や産業用原料として使用され、生産の脱炭素化に役立ちます。循環経済においてはリユースによって化石資源の代替となり、その使用量が抑制されます。

製造プロセスの中で温室効果ガスの排出が発生するかどうかは非常に重要です。水素は環境への負荷と製造手法の違いによって、グリーン、ブルー、ターコイズ、グレーに分類されます。

グリーン水素とは風力や太陽光などの再生可能エネルギーを使用してCO₂ニュートラルに電気分解を行うことで製造された水素のことです。温室効果ガスがまったく発生しないため、グリーン (環境に優しい) 水素と呼ばれています。電気分解以外に、バイオマスのガス化や発酵、バイオガスの改質によっても製造可能です。

インフィニオンではチップ生産において、キャリアとプロセスガスとしてグリーン水素を気候中立な形で製造することを持続可能性における目標としています。2021年からこの取り組みを継続しており、オーストリアのフィラッハにある拠点で初のオンサイト水素製造用の電解工場を建設し、半導体産業における省資源生産の進化に向けて重要な一歩を踏みだしました。

インフィニオンのイノベーションと革新的技術は気候変動問題対策の目標達成と持続可能な社会の実現に貢献しており、グリーン水素向けの半導体ソリューションのユースケースにもそれが示されています。

ブルー水素とは製造中に発生したCO₂を貯留または再利用して環境に戻さないような改質プロセスで製造する水素です。このプロセスはCCS (炭素の回収 貯留) と呼ばれます: 発生したCO₂は貯留可能な地層などに貯留します。CO₂を貯留するため、この製造方法は気候中立であると見なされています。

ターコイズ水素とはメタンの熱分解によって製造する水素のことです。副産物として、CO₂ではなく固体炭素が生成されますが、原料として再利用します。改質法で発生するCO₂の再利用と同様、固体炭素も産業分野で化石由来の原料の代わりに使用することで生産の脱炭素化に役立ちます。さらに、製造において再生可能エネルギーを使用して反応炉を加熱すれば、気候中立なプロセスになります。

グレー水素とは電気分解や改質プロセスの際に化石由来の原料を使用して製造する水素のことです。製造中に発生するCO₂は大気中に放出し、再利用しません。水素1トンにつき、CO₂が約10トン発生します。気候変動に悪影響を及ぼすため、グレー水素と呼ばれています。

燃料電池はガルバーニ電池の一種であり、化学反応を電気エネルギーに直接変換する電気化学的装置です。発電プロセスには継続的に燃料と酸化剤を供給する必要があり、水素 (H₂) と酸素 (O₂) を使う場合は水素燃料電池と呼ばれます。その他に、メタノール、エタノール、天然ガス、ブタンなどの燃料も発電に使うことができます。

燃料電池は陽極と陰極という2つの電極で構成され、その間は電解質で満たされています。水素燃料電池内に電流を発生させるには、外部から直接、回路に水素と酸素を供給します。陽極では水素がその構成要素に分解され、各水素原子が負の電荷を帯びた電子を放出します。電子は導電体を通じて陰極に移動し、水素に蓄えられたエネルギーが電気と熱として放出されます。この電子の移動が電流となり、モーターなどを作動させるのに使われます。電子を失った水素は正の電荷を帯びた水素イオン (H+) として電解質内に放出されます。一方、陰極に供給された酸素分子はその構成要素に分解されます。正の電荷を帯びた酸素イオンは2つの電子を受け取って負の電荷となり、水素イオンと結合して水 (H₂O) になります。こうして無害な水蒸気が「排ガス」として放出されます。このように、水素は気候中立なプロセスの発電に使用することができます。

現代の自家用交通では大半の人が化石燃料で駆動する自動車を使用しています。2018年の世界の二酸化炭素排出量で道路交通部門が占める割合は約18%でした。水素技術は交通分野のグリーン化の一環として開発が進んでおり、バッテリー駆動の電動自動車と並んで排出量の持続可能な削減の鍵を握っています。インフィニオンは車載半導体で市場を牽引すると共に電動モビリティのソートリーダーとして、自動車業界を気候変動問題に対応したカーボンフリーの未来に導いています。また、水素燃料電池分野において、グリーン水素とブルー水素を効率的に使用するためのパワー半導体ソリューションも提供しています。

欧州の鉄道輸送ではフランスの企業アルストムが燃料電池技術の商用化を実現するショーケース プロジェクトとして、旅客鉄道「Coradia iLint」を運行しました。

さまざまな自動車セグメントにおける可能性を考慮すると、水素駆動は化石燃料で走行する大型トラックや長距離商用車の代替として求められるようになるでしょう。海運においても、たとえば貨物船向けの環境に優しい代替燃料となる可能性があります。現時点で、高性能燃料電池車両は最大700kmという長い航続距離を実現しています。しかし、将来的には純粋なバッテリー電動駆動が主流になります。特に航続距離が400kmまでの商用の軽車両と自家用車ではその傾向が強まるでしょう。一方、水素駆動は長距離を走行する大型車両の代替として有望です。インフィニオンではどちらの駆動タイプも世界のCO₂排出削減目標の達成に必要だと確信しています。

燃料電池自動車は水素を燃料として電気駆動に使用します。この技術は水素モビリティとも呼ばれます。発電中は排出量がゼロで、排ガスとして水蒸気のみが放出されます。大手自動車メーカーが販売している水素自動車の数は今のところ、それほど多くありません。水素自動車の航続距離については、たとえばHyundaiのSUV「Nexo」が1回の充填で700km以上です。100km当たりの水素消費量は約0.9kgです。水素モビリティのトレンドは間違いなく上昇傾向にあり、たとえば2022年に欧州で新しい燃料電池工場の建設を予定しているトヨタ モーター ヨーロッパもそれを推進していくでしょう。BMWやホンダ、メルセデスベンツなどのメーカーも積極的に開発を進めています。

この2つの駆動技術の明らかな違いは燃料源から自動車の推進力を得るまでの総合的な効率です。推進エネルギーを取得、供給してそれを運動エネルギーに変換するまでの総合的な効率チェーンを検証したところ、内燃エンジンではエネルギーの17% (ガソリン) から19% (ディーゼル) が運動エネルギーに変換され、残りはサーマル ネルギー、すなわち熱として放出されることが分かりました。一方、燃料電池駆動の総合効率は約32%です。純粋な電動駆動車では発電に使用する主なエネルギー源と車両の総合効率との間に、明確な相関関係があります。たとえば、ノルウェーのように自動車のバッテリー充電に使用する電源が主に水力で構成される場合は総合効率が60%以上になります。逆に、主に化石燃料で構成される電源を使えば、純粋な電動駆動車の総合効率は内燃エンジン車よりも高いものの、燃料電池車以上にはなりません。

燃料電池と純粋なバッテリー電動駆動の違いは充電ステーションや水素タンクから実際の運転に至る機能チェーンを見るとよく分かります。前述のようにどちらの駆動形態も電動ですが、燃料電池駆動は工程数が多く、駆動中の発電量が大きいという特長があります。燃料電池内でエネルギー変換した後も工程が続くため、総合効率は約48%になります。残ったエネルギーのほとんどが熱エネルギーになります。一方、純粋なバッテリー電動駆動の総合効率は約75%です。電動モビリティについて、詳しくはディスカバリーの「e-モビリティガイド: 知っておきたいこと」をご覧ください。

燃料電池は効率面で劣るものの、寒い季節の暖房として熱エネルギーを利用できるという優位点もあります。しかも、純粋な電動駆動車と異なり、暖房を使用しても航続距離が減少しません。また、低音でのコールドスタートでも水素駆動が勝っています。

効率面だけでなく、実装スペースと重量も駆動ソリューションを選択する上で重要な点です。たとえばAVLの研究とRicardoの研究によると、総重量44トン、航続距離800kmのトラックの場合は実装スペースと重量の点で燃料電池駆動が最適だということです。航続距離の観点では純粋なディーゼル駆動が優位です。これらの研究によると、利用できる貨物スペースと積載量では純粋なバッテリー電動駆動が最も劣る結果になりました。

ただしこうした比較をする際、まだ水素推進イノベーションの新しいサイクルが始まったばかりだということを念頭に置く必要があります。たとえば、新しい複合素材から性能が大幅に向上した水素タンクソリューションが生まれるかもしれません。総合効率を重視するなら、燃料電池の長い航続距離という特長と純粋なバッテリー電動駆動の特長を組み合わせるのが合理的です。短、中距離ではバッテリーのみを使って必要な推進エネルギーを取得し、長距離や追い越し時では燃料電池から追加のエネルギーを取得するというわけです。

燃料電池による水素駆動では水素と酸素が常にセル ブロック内へ供給されます。内燃エンジンにガソリンやディーゼル燃料が供給されるのと似ています。一方、電動機を推進するバッテリーは仕組みが異なり、セル ブロック内に蓄えられた化学エネルギーが電気エネルギーに変換されます。バッテリーについて詳しくはディスカバリーの「バッテリー管理システム: バッテリーを管理する」をご覧ください。

燃料電池は途中で充電せずに長時間継続して運行できる点で優れています。また、水素の充填に必要な時間も今の内燃エンジン車の給油と同程度で、バッテリー充電よりも短くて済みます。

水素モビリティの普及と確立における最大の課題の1つは水素インフラの普及です。今のところ、充填できる場所は限定的です。ドイツの充填ステーション ネットワークには約100箇所の水素 (またはH₂) ステーションがあり、そのほとんどは大都市近郊に限られています。現在、業界の企業連合によって設置が進められており、2025年には約400箇所に拡大する予定です。インフラの現状を見る限り、水素モビリティがまだ開発段階にあることは明らかですが、こうしたインフラ開発のメリットを受けるべく、MANや現代などのメーカーはすでに水素駆動トラックを開発しています。

トラックやバスなど、定期的な長距離運行をする大型商用車の分野では水素推進の普及が脱炭素化に向けた重要な一歩になるでしょう。水素推進にはバッテリーに比べて低重量、数分で完了する高速充填、長い航続距離というメリットがあり、効率的な運行が可能です。

環境に優しいエネルギー構成と未来の脱炭素経済の中で水素が重要な役割を果たせるようにするには、供給能力とセキュリティに大きな投資を行う必要があります。特に、インフラと再生可能エネルギーを急速に拡大するとともに、コスト面で化石燃料に優位に立つように電気分解能力を大幅に高めなくてはなりません。現在、産業や交通分野ではCO₂ニュートラルなグリーン水素が求められていますが、ドイツが持っている気候中立な電力の生産能力だけではまだそれに対応できません。グローバルなネットワーク化とグリーン水素生産能力の拡大が必要です。また、水素の運搬と貯蔵も改善し、長期的なエネルギー損失を最小限に抑える必要があります。

インフィニオンはこの変革をサポートする態勢を整えています。その機会と課題について詳しくは『Infineon Paper on Hydrogen Economy 』をご覧ください。

最終更新: 2022年8月