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株式会社日立総合計画研究所

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パワーツーガス (Power to Gas)

所属部署:研究第二部 エネルギー・環境グループ
氏名:前田 建

パワーツーガスとは

「パワーツーガス」とは余剰電力を気体燃料に変換(気体変換)して貯蔵・利用する方法です。近年、化石燃料の高騰や地球温暖化防止の観点から、太陽光・風力・地熱など自然エネルギーを利用する再生可能エネルギーの普及・拡大が進んでいます。再生可能エネルギーのうち風力発電や太陽光発電などは気象条件によって発電量が変動するため、発電量が電力需要を上回るときは余剰電力を貯蔵する必要があります。従来の余剰電力貯蔵には、揚水式水力発電、蓄電池、フライホイールなどが利用されてきましたが、それぞれ、立地の制約、大容量化・コスト低減に課題、短時間供給に限定という欠点があるためパワーツーガスがこれらに代わる新たな貯蔵方法として期待されています。

パワーツーガスの仕組みと主な利用先

パワーツーガスの気体変換には、(1)電力で水を電気分解して水素を取り出す方法、あるいは(2)水の電気分解で得られた水素と二酸化炭素を触媒により化学反応させメタンを生成する方法があります。(1)の水素は大量生産の主要な方法として、アルカリ電解質を用いた水の電気分解が採用されています。電気分解では、水(2H2O)が水素(2H2)と酸素(O2)に分解され、この反応に必要な電子の移動を、風力発電や太陽光発電の余剰電力によって発生させます。(2)のメタン生成では、(1)の水素(4H2)と二酸化炭素(CO2)が反応し、メタン(CH4)と水(2H2O)が発生します。メタンは既存の天然ガスインフラを利用できるのが長所ですが、長期貯蔵が難しいこと、生成のための設備導入・製造コストの増加とガス変換効率の悪化をもたらすことが問題となります。水素は重量当たりのエネルギーがメタンの2倍以上ありますが、原子量が小さく体積当たりのエネルギーはメタンの3分の1程度であり、貯蔵時の体積低減が課題となります。パワーツーガスで得られる気体燃料の利用は、定置型燃料電池を介した発電およびコジェネレーションや、水素スタンド・CNG(Compressed Natural Gas、圧縮天然ガス)スタンドでの自動車向け供給が考えられています。

資料:各種資料より日立総研作成
図1:パワーツーガスによるエネルギー変換

地球温暖化防止という環境改善の見地から、世界では風力発電および太陽光発電の増加とともにパワーツーガス利用が広がりつつあり、普及に向けた検証が行われています。

表1:世界に広がるパワーツーガス利用
ドイツ 温室効果ガス低減に向けて高い目標を掲げ、プレンツラウ風力水素プロジェクトやアウディe-gasプロジェクトなど9件以上の大規模パワーツーガスを実証しています
デンマーク 風力発電による余剰電力を水素に変換して貯蔵し、電力の不足時に燃料電池コジェネレーションを利用して電力と廃熱を一般住宅35世帯に供給する、ロラン島水素貯蔵プロジェクトを実行しています
米国 カリフォルニア州の燃料電池パートナーシップでは、2016年初頭までに68カ所の水素スタンド稼動を目標としており、一部で大規模太陽光発電による水素製造・供給設備を24時間稼動しています

資料:各種資料より日立総研作成

パワーツーガスの導入拡大を促す水素価格の下落

表2:水素の貯蔵方法
貯蔵状態 技術 体積(標準状態の気体水素比) 温度(℃) 圧力(バール)
有機ハイドライド 水素をトルエンに溶かして液体化 1/500 25 1
圧縮水素 水素を圧縮して高圧ガス化 1/500 25 700〜1000
液体水素 水素を冷却・圧縮して液体化 1/800 -253 1〜10
金属水素化物 熱放出による金属への水素吸蔵 1/1000 25 5〜60

資料:Thomas Ackermann編「風力発電導入のための電力系統工学」オーム社(2013年11月20日)より日立総研作成

パワーツーガスは従来の余剰電力設備に対して、環境改善の見地に加えて電力貯蔵に要するインフラ整備コストや流動コストでの優位性からも導入が拡大すると考えられます。パワーツーガスの普及は、製造コストと変換効率でメタンに勝る水素の価格下落が鍵を握ります。水素が燃料価格で優位に立つためには輸送コスト低減が重要になります。現在では、有機ハイドライド法による水素貯蔵・輸送の開発が進んでいます。有機ハイドライド法では、水素をトルエンに溶かして、常温・常圧で液体として安定状態となるメチルシクロヘキサンを生成し、貯蔵・輸送します。輸送後の脱水素反応では、触媒を用いて再び水素を取り出し、残ったトルエンを再利用します。JX日鉱日石エネルギーは、製油所で自社生産している水素をトルエンに溶かして液体化し、トレーラーで水素スタンドに運ぶ技術を開発したことを2014年1月に公表しました。水素スタンドでの燃料電池車への供給時に、独自開発した触媒を使って水素を取り出す方法を提案しています。2020年にこの技術を実用化し、水素の流通価格をガソリン並みの1Nm3(注)当たり約60円にすることを目標としています。また、千代田化工建設は、白金ナノ化技術を用いて開発した脱水素触媒で95%という高い水素発生効率(回収できる水素量)と約1年までの触媒長寿命化を達成し、有機ハイドライド法のコスト低減の見込みを得たと公表しました。このような実証実験など国・企業の取り組みによる水素価格のさらなる下落が本格的な水素社会の到来を促し、パワーツーガスの経済性が確立すると考えられます。

.注:ノルマルリューベ(標準状態0℃、1気圧(101325Pa)における体積)

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