水素をクリーン燃料として製造、貯蔵、利用を拡大するための世界的な取り組みが進められています。
新たな規制の枠組みが生まれつつあるものの、水素のカーボンインテンシティに関しては依然として課題が残っています。
グリーン水素製造の目安となるカーボンフットプリントを算出するために、米国国立再生可能エネルギー研究所（NREL）の最新データを使用しました。
水素をクリーン燃料として利用するというアイデアは新しいものではありません。これまでの水素経済の導入の取り組みは、技術の成熟度不足、経済性の困難さ、支援的な政策の枠組みの欠如などにより、概ね成功しませんでした。今日では、水素の製造、貯蔵、利用に必要な機器が商業的に実用可能となっており、大規模に製造する世界的な取り組みも加速しています。
さらに、パリ協定、そして最近では欧州グリーン・ディール、インフレ抑制法（IRA）、欧州水素銀行の設立といった規制の枠組みにより、水素産業は急速に現実のものとなりつつあります。特にIRAは、1kgのH2あたり最大3ドルの補助金を提供する強力な経済的推進力となっています。大きな取り組みが進められているものの、水素産業は依然として数多くの技術的、経済的、政策的な課題に対処できていません。こうした課題の一つが、水素のカーボンインテンシティと色による分類に関するものです。
エネルギー技術のカーボンフットプリント
過去20年間で、化石燃料とそのカーボンフットプリントに対する社会の認識は高まってきましたが、再生可能エネルギーによる発電が完全にゼロカーボンではないことを、私たちはつい忘れがちです。一般的に、再生可能エネルギー技術のカーボンフットプリントは、化石燃料による技術と比べて大幅に低いものの、特定のケースでは、ライフサイクル全体での二酸化炭素排出量が大きくなる場合があります。
これらの排出の大部分は製造プロセスから生じています。現在の製造プロセスは、化石燃料による電力や、部品の加工に用いられるさまざまな形態の炭素に大きく依存しています。例えば、これらの技術の大部分に使用される鉄鋼は、世界の二酸化炭素排出量の約7～9%を占めています。また、ポリシリコンの製造では、石炭を使用してシリカを還元し、冶金級シリコンを生成します。これは、さらに太陽光パネルやその他の半導体用途に転換することを目的としています。
再生可能エネルギー発電における二酸化炭素排出のその他の主要な発生源としては、これらの技術を製造地から導入地まで輸送することが挙げられます。さらに、再生可能エネルギー技術の一部では、導入や追加のコンクリート構造物のために強固な基礎が必要となる場合があります。例えば、貯水池型の水力発電事業では、コンクリートのダム、洪水吐、発電所建屋が必要となります。
地熱発電のカーボンフットプリントが高いとされるのは、多くの場合、地熱発電所の運転中に地下の二酸化炭素が放出されることに関連しています。世界銀行によると、地熱発電による平均的なCO2排出量は 1kWhあたり122gCO2であるものの、一部の地熱発電所では当初、1kWhあたり最大1,200gCO2を排出する可能性があります。ただし、これらの排出量は時間の経過とともに減少すると予測されています。
コロラド州にある米国国立再生可能エネルギー研究所（NREL）は、発電による温室効果ガス排出のライフサイクル評価を実施し、再生可能エネルギー源や原子力による排出は、化石燃料による発電と比べて二酸化炭素のフットプリントが大幅に低い一方で、一部の再生可能エネルギー技術では、1kWhあたり200g CO2e を超える水準に達する可能性があるとの結論を導きました（図1）。
エネルギー源別の水素製造におけるカーボンフットプリント
これらのNREL数値を用い、電解槽の電力消費量を1kgのH2あたり48～58kWhと想定して、生成された水素1kgあたりのカーボンフットプリントを導出しました。算出には、水素の輸送、圧縮、または水素誘導体へのさらなる転換に伴う排出は含まれていません。電解槽やその他の関連機器の製造に伴う排出、および電解槽施設の導入に伴う排出も除外されています。そのため、これらの数値はより高くなる可能性があります。
再生可能エネルギーや原子力を用いた水素製造は、化石燃料による電力を用いた水素製造と比べて、カーボンフットプリントが大幅に低いものの、場合によっては、再生可能水素をカーボンフリーと呼ぶことは困難です（図2）。バイオマスは興味深い事例であり、二酸化炭素排出量は、マイナス48kgから約76kgのCO2e/kg H2まで幅があります。このため、バイオマス由来の水素は、カーボンインテンシティの観点から、カーボンネガティブであるか、化石燃料由来の水素に匹敵するものとなります。
本稿の目的は、さまざまな発生源から製造される水素の炭素排出量について、非常に大まかな評価と比較を行うことですが、読者の中には、まず電力を生成するためにバイオマスや化石燃料を使用し、その後その電力を電気分解によって水素に変換する方法を疑問視する方もいるかもしれません。ガス化や水蒸気メタン改質による水素製造は、上記で示したものよりも低いフットプリントとなる可能性が高いと考えられます。そのため、Rocky Mountain Instituteによる以前の研究から、化学的水素生成におけるカーボン処理フットプリントの値を比較しました。
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進化する認証制度
低炭素水素の認証をめぐっては、現在も議論と開発が続いています。カーボンフットプリントに基づき、水素には異なる色の分類が与えられています。使用される認証制度によってカーボンインテンシティは異なります。独自の認証制度を持つ国もあれば、他の国では依然として策定中です。さらに、国際機関やTÜV Südなどの認証機関も独自の認証枠組みを開発しています。
図2に示されたカーボンインテンシティを踏まえると、これらの認証制度は妥当なものでしょうか。この問いへの答えは図3にあり、それは状況によります。グリーン水素機構が想定する最も低い閾値である1.0kg CO2e/kg H2を採用した場合、最小の極端なケースでは、すべての再生可能エネルギーと原子力が1.0kg CO2e/kg H2未満の閾値を満たすことができます。しかし、最大の極端なケースでは、この要件を満たせる技術は一つもありません。H2 1kgあたりの二酸化炭素排出量の閾値として最も寛容なのは、中国水素連盟が想定する値です。4.9kg CO2e/kg H2という閾値は、最も極端なケースにおいても、水力、風力、海洋エネルギー発電によって依然として満たすことができます。
水素プロジェクトを進める際には、水の電気分解によって再生可能エネルギーから製造された水素が、必ずグリーンまたは低炭素に分類されると想定するだけでは不十分であることに留意する必要があり、バリューチェーンの各段階で水素のカーボンフットプリントを把握することが必要です。再生可能エネルギーの導入が進むにつれ、これらの技術のための原材料の採掘や加工に用いられる再生可能エネルギーの量が増えるため、再生可能エネルギー発電のカーボンフットプリントは減少するでしょう。同じことは、機器の輸送や再生可能エネルギー発電設備の導入にも当てはまります。
水素の認証制度は、まだ比較的未成熟であり、利用可能なプロジェクトが不足しているため、実際の用途で広く検証されていません。水素産業が成熟するにつれ、これらの認証制度は、生産者、顧客、規制当局のニーズを満たすように進化していくでしょう。
