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International Institute forCarbon-Neutral Energy Research
A World Premier Institute
水素エネルギーの今後の技術展望と求められる技術
水素エネルギー社会形成研究会 平成28年度第2回セミナー
板岡健之
エネルギーアナリシス部門九州大学カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所
2016年9月13日
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エネルギーに関する概況と課題
将来のエネルギー社会と水素
水素エネルギーの導入の意義と課題
環境性向上への対応
柔軟性向上への対応
まとめ
目次
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エネルギー関する概況と課題
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世界のエネルギー消費は経済の成長とともに増加している。先進国では停滞、途上国では増加傾向
アジア太平洋州で大きく増加
中国が最大の消費国、石炭は世界の約半分を消費
今後はインドで大きな伸び(特に石炭)が予想される
石油が最大の一次エネルギー源(主に輸送用)だが、石炭(主に途上国発電用) 、天然ガス(主に先進国発電用)はさらに大きく増加。
再生可能エネルギー・原子力も増加傾向
シェールガス・オイルの開発等により、天然ガス、石油の可採年数は増加傾向。石炭の可採年数はもともと長い(100年以上)。化石燃料の価格はリーマンショックでの低下後、大きく上昇し、また現在大きく下げている。
IEAでは2020年までに原油が$80/バレルで均衡しその後さらに上昇することを想定しているが、2010末で$50/バレル前後のシナリオも用意。
エネルギーに関する世界の概況
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CO2(GHG)排出の大幅な削減低炭素エネルギー技術への転換
パリ合意ほぼ全世界の国が参加し気温上昇を2℃以下に抑えることを目標(1.5℃へ向けて努力)
法的拘束力なし
現状の国別の排出削減量の合計と目標には大きなギャップ(約束草案合計で2030年で570億トン、2050年に240億トンにする必要)
世界の人々の近代的なエネルギーの利用(国連、持続可能な開発目標)世界人口の17%(12 億人)が電気を利用できない状況世界人口の38%(27 億人)が調理に伝統的な固形バイオマスを利用せざるを得ない
→室内汚染→健康被害
エネルギーに関する世界の課題
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出典:経済産業省編,エネルギー白書2015
世界のエネルギー消費量(地域別、一次エネルギー)
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世界のエネルギー消費量(一次エネルギー種別)
直接出典:経済産業省編,エネルギー白書2015
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世界の年間クリーンエネルギー投資額の推移(技術別)
0
50,000
100,000
150,000
200,000
250,000
300,000
350,000
2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015
US$M
year
Carbon Capture & StorageMarineLow Carbon Services & SupportGeothermalBiofuelsSmall Hydro (<= 50 MW)Biomass & WasteEnergy Smart TechnologiesWindSolar
IEAによると2014年の世界の新規発電容量の約半分は再生可能エネルギーが占めている(World Energy Outlook 2015)
出典: Bloomberg Energy Finance のデータを基に作成
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最終エネルギー消費の減少経済(GDP)とのリンクがなくなってきた
電力消費の継続的増加二次エネルギーにおける電気の割合の増加
化石燃料依存率の増加ほとんどの原子力発電所の停止中
エネルギー自給率の低下原子力発電所の停止の影響大
太陽光発電(PV)設置量の増加 (FIT)の影響
GHG排出削減の停滞
エネルギーとしての水素の利用の開始
電力小売市場の自由化
エネルギーに関する日本の概況
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エネルギー・セキュリティの向上エネルギー自給率の向上
一次エネルギーの多様化
エネルギーコストの削減化石燃料・再生可能エネルギーともに高価
GHG排出量の大幅削減2030年26%削減(2013年比)2050年80%削減(1990年比)石炭火力をどうするか(コスト、セキュリティ対策の面と環境性)
安全性・災害対応性の向上原子力発電の利用/廃止
エネルギーに関する日本の課題3E+S
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日本の部門別最終エネルギー消費と実質GDP
出典:経済産業省編,エネルギー白書2015
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日本の一次エネルギー供給と電力化率の推移
直接出典:経済産業省編,エネルギー白書2015
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日本の発電電力量の推移(一般電気事業用)
直接出典:経済産業省編,エネルギー白書2015
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日本の年間クリーンエネルギー投資額の推移(技術別)
0
5,000
10,000
15,000
20,000
25,000
30,000
35,000
40,000
45,000
50,000
2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015
US$M
year
Carbon Capture & StorageMarineSmall Hydro (<= 50 MW)BiofuelsGeothermalBiomass & WasteWindLow Carbon Services & SupportEnergy Smart TechnologiesSolar
出典: Bloomberg Energy Finance のデータを基に作成
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発電
低炭素電源の導入再生可能エネルギー
コスト削減
PVや風力発電の不安定な出力への対応(蓄電、DR、DSM等)CCS(二酸化炭素回収貯留技術):石炭対策
コスト削減
制度整備
ガス火力の活用:調整可能電源(初期の低炭素対策→CCS)発電効率向上
産業プロセス効率の向上
低炭素な熱供給
CCSの利用
運輸効率向上 (電気・モーターの利用:内燃機関の効率向上)
燃料の低炭素化(EV:低炭素電力、FCV:低炭素水素、バイオ燃料)新たな燃料に対応したインフラ整備
業務・家庭高効率冷暖房・給湯
建物の断熱性の向上
スマート技術、エネルギーマネジメント
エネルギー技術に関する課題
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将来のエネルギー社会と水素
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技術によるGHG排出削減シナリオ
出典:IEA, Energy Technology Perspective 2015 (2015)
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未来の統合型インテリジェント電力システム
出典: IEA, Energy Technology Perspective 2014 (2014)
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将来の運輸部門における技術(GHG制約下:6DS→2DS)
出典:IEA, Energy Technology Perspective 2015 (2015)
2020将来のエネルギー社会のビジョン:“Carbon Neutral Society”
I2CNER Energy Vision for Japan
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2次エネルギーとしての水素エネルギー:燃料電池を中心として
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出典)Fuel Cell Today, “Water electrolysis & Renewable Energy Systems” 2013
再生可能エネルギー:風力、太陽光、水力、地熱
水素貯蔵
燃料電池
電解槽
交通燃料
電力供給網
ガス供給網
合成燃料生産
嫌気性消化装置
燃料電池 またはコンバインドサイクル発電
水素の産業利用(エネルギーではない)
分散発電(さらに 熱電併給)
※生成された熱の流れは示されていない暖房
水電解装置から製造した水素を中心としたエネルギーネットワーク
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水素エネルギーの導入の意義と課題
出典: トヨタ自動車(株)
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背景環境対策(特に温暖化対策)の必要性
エネルギーセキュリティへ対応の必要性
燃料電池技術の進歩
クリーンでガソリン車と同程度の利便性を持つ輸送用燃料:ゼロエミッション(クリーン)
高エネルギー効率(クリーン:T to W)短い充填時間(利便性:運搬性)
長い走行距離(利便性:貯蔵性とエネルギー密度)
柔軟性(貯蔵性、運搬性等)のある2次エネルギーの必要性不安定な出力を持つ再生可能エネルギー利用の必要性
なぜ、二次エネルギーとして電気に加えて水素が必要か?
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産業ガスとして長い歴史
流通、取扱いに経験とデータの積み重ねがある安全性担保の基礎
新たな利用法:二次エネルギー
エネルギーとしての特徴ロケット燃料としての利用のみ
産業プロセスで発生するが余剰分の多くはエネルギーとして利用されている
初期の需要の多くを賄える可能性
電気と比較して、貯蔵性に特徴
電気と親和性が高い
さまざまな製造方法がある
大量輸送の必要性
利用方法基本は燃料電池
水素の二次エネルギーとしての利用
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クリーン(環境性)?:化石燃料から作る限りそれなりのCO2の発生
ライフサイクルではエネルギー効率でHVにやや勝る程度電気から作るとエネルギー効率はEVに相当劣る運輸部門でのCO2排出削減に貢献するには大幅な普及が必要
柔軟性?電気と親和性が高いが、電気⇄水素で大きな損失が発生貯蔵装置が重い、高い
容器を含めると重量エネルギー密度はそれほど高くない
液体水素でも体積エネルギー密度はガソリン等より低い
常温で液体のエネルギーに比べると取扱いが面倒
高圧での取扱い
保安設備のコストが高い保安設備
高圧
水素脆性
水素燃料電池技術の課題
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クリーンエネルギー自動車単体でのGHG排出量
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環境性向上への対応
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低炭素化:低炭素一次エネルギーからの水素製造再生可能エネルギー電力(太陽光、風力等)からの水素製造
余剰電力(ただの電力)の利用:世界で将来大量に発生する可能性
設備稼働率と負荷変動対応性が課題
再生可能エネルギーが豊富な国からの輸入の可能性
キーテクノロジーは水電解装置 課題は:
コスト
スケールアップ
負荷変動対応性
効率向上
化石燃料+CCSCCS実施可能性が鍵海外での適地で水素製造+CCSを実施、輸入の可能性
豪州褐炭水素プロジェクト
原子力熱利用ISプロセス原子力の社会受容性が鍵
効率向上水素供給・利用チェーン全体での効率向上が重要
環境性への対応
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日本の再生可能エネルギー賦存量
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太陽光発電:普及量
0200400600800
1,0001,2001,4001,6001,8002,000
2012 2015 2020 2025 2030 2035 2040
RoWRest of LatAmChileMexicoBrazilUSAustraliaSE AsiaIndiaJapanChinaMEAEurope
■小規模太陽光発電累計導入量見通し (GW)
■世界の累積太陽光発電設備容量(2013年)
0200400600800
1,0001,2001,4001,6001,8002,000
2012 2015 2020 2025 2030 2035 2040
RoWRest of LatAmChileMexicoBrazilUSAustraliaSE AsiaIndiaJapanChinaMEAEurope
■大規模太陽光発電累計導入量見通し (GW)
下段2図出典:Bloomberg Energy Finance “New Energy Outlook 2015 Solar” (2015)上段2図直接出典:経済産業省編,エネルギー白書2015
■世界の太陽電池(モジュール)生産量(2013年)
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風力発電:普及量
0200400600800
1,0001,2001,4001,6001,8002,000
2012 2015 2020 2025 2030 2035 2040
RoWRest of LatAmChileMexicoBrazilUSAustraliaSE AsiaIndiaJapanChinaMEAEurope
■陸上風力発電累計導入量見通し (GW)
左2図出典:Bloomberg Energy Finance “New Energy Outlook 2015 Wind” (2015)
■洋上風力発電累計導入量見通し (GW)
0
50
100
150
200
250
2012 2015 2020 2025 2030 2035 2040
RoWRest of LatAmChileMexicoBrazilUSAustraliaSE AsiaIndiaJapanChinaMEAEurope
■風力発電導入量の国際比較(2014年末時点)
■日本における風力発電導入量の推移
右2図直接出典:経済産業省編,エネルギー白書2015
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変動(揺らぎ)による不安定性
短周期変動: 一定量導入されると「ならし効果」 が生じる。
長周期変動: 苫前夕陽ヶ丘風力発電所では夏場の発電量は冬場の1割程度。
風力発電の周波数変動
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苫前「風来望第1号機」の長周期変動出所:苫前町ホームページ
苫前「風来望第1号機」の短周期変動出所:苫前町提供データ
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種類アルカリ水電解:実用
PEM(固体高分子形)水電解:実用SOEC(固体酸化物型)水電解:高温水蒸気電解:R&D,一部実用
水電解装置
出典: NEDO(2014)水素エネルギー白書 p109
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水電解装置: SOEC
出典)渡邉久夫, 亀田常治, & 山田正彦. (2013). 再生可能エネルギーを活用する水素電力貯蔵システム. 東芝レビュー, 68(7), 35-38.
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海外からの水素輸入構想
出典:川崎重工業
■ CO2フリー水素チェーンのコンセプト
出典:千代田化工建設
■ 「SPERA水素」のサプライチェーン
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柔軟性向上への対応
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電力貯蔵技術
出典: EDISON INTERNATIONAL Company
スーパーキャパシタ
揚水貯蔵
燃料電池
蓄電池
圧縮空気
■米国における電力貯蔵容量と技術別内訳(計画分を含む)
出典:US DOE資料 直接出典:StepwestCorp (2014) エネルギー保存システム
フライホイール
SMES: 超伝導時期エネルギー保存
■電力貯蔵技術の特徴比較
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電力貯蔵技術
出典)蒲生秀典. (2014). 再生可能エネルギー利用拡大のためのエネルギーストレージの研究開発動向. 科学技術動向, 5-12.
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水素貯蔵種類:特徴・課題高圧ガス:低体積密度・効率向上
水素吸蔵合金ハイブリッドタンク
液化水素:高体積密度・液化効率向上、断熱性向上、ボイルオフ対策
有機ハイドライド:高体積密度・脱水素における省エネ
出典)資源エネルギー庁燃料電池推進室(2014)水素・燃料電池戦略協議会ワーキンググループ(第5回)‐配布資料
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天然ガスパイプラインに水素を混合するか、メタン化して混入
基礎天然ガスインフラが使えるメリット(水素で貯蔵不要)
メタン化にエネルギーが必要
Power to Gas
出典)デロイトトーマツhttp://www2.deloitte.com/jp/ja/pages/public-sector/articles/gv/hydrogen-energy.html
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水素は二次エネルギーとしてエネルギーネットワーク
に柔軟性を与える
クリーンで利便性の高い輸送用燃料として強み
長期的には低炭素水素が適当な価格で供給されなけ
れば水素導入の意義はない
将来大量に余剰となる可能性がある再生可能エネル
ギーの利用には水電解装置の高効率化、低コスト化、
大規模化、変動負荷対応性向上が鍵
水素貯蔵においても高効率化、低コスト化が重要
まとめ