CO₂フリー水素を街で安全に使いこなす

CO₂フリー水素を街で安全に使いこなす

2020/03/31

CO₂フリー水素を街で安全に使いこなす 建物から出るCO₂を削減する水素エネルギーシステム

産総研の福島再生可能エネルギー研究所（FREA）では、太陽光や風力で発電した電気を水素に変換して貯蔵し、必要に応じて熱や電気として使うための技術開発を進めている。現在、清水建設と共同で進めている水素エネルギーシステムの実証実験の概要と、水素を効率的に貯蔵する水素キャリア技術を紹介する。

太陽光で発電した余剰電力を使いこなしたい

　気がつけば、大型の太陽光発電施設をそこかしこで見かけるようになった。晴天の日には大量に発電し、世の中に太陽光エネルギーをたくさん供給しているように見える。しかし、自然エネルギーを実社会の中で使っていくのは、それほど容易なことではない。

　なぜなら、既存の電力供給システムは出力が安定していないと対応できず、自然エネルギーのような、天候や時間によって大きく変動する出力に対応する仕組みとはなっていないからだ。いくら太陽光が降り注いでいても、需給バランスの調整力不足や送電容量が足りなかったり、蓄電技術が不十分であったりするため、出力を抑制せざるを得ないのが現状だ。

　「発電した電気をすべて使い切ることもできなければ、余った電気をためることもできない。そのため、大量に発電できる日なのに発電を止めざるを得ないこともあります。再生可能エネルギーの利用を増やしたいにもかかわらず、利用しきれないエネルギーは多く、今後もさらに増えていくと考えられます。このような使用量と供給量のミスマッチを解消し、社会に再生可能エネルギーを大量導入していくために、発電した電力を有効に使いこなす技術を早急に生み出す必要があります」

　前田哲彦が率いる水素・熱システムチームでは、福島再生可能エネルギー研究所（FREA）において、再生可能エネルギーによる発電、余剰電力の貯蔵、貯蔵エネルギーの安全利用などの個別の技術を組み合わせることで、発電から利用までのトータルでエネルギーを使いこなすシステムの開発に取り組んでいる。

水素を安全に貯蔵できる燃えない水素吸蔵合金

　FREAでは再生可能エネルギーを貯蔵する方法として、太陽光などで発電した電気で水を分解して水素に変換し、水素と各種の物質を結合させ、液体や固体として貯蔵する方法の開発に積極的に取り組んでいる。実際に熱や電気として使うときには、化学反応を起こしてその液体や固体から水素を取り出し、燃料電池に移して利用することになる。

　さまざまな水素の貯蔵方法が模索される中、前田が選んだのは金属にためるという方法だった。それは再生可能エネルギーからつくったCO₂フリー水素を、実際に建物や街区で使っていくことを想定してのことだ。

　水素は非常に発火・爆発しやすいため、貯蔵するときには厳しい安全基準が求められる。また、水素は非常に軽く体積が大きいため、貯蔵するには高圧をかけて圧縮したり、低温で液化したりしてコンパクトにしなければならない。そのため、消防法や高圧ガス保安法などの法規制に対応できる施設と専門家による管理体制の整備が必要となる。しかし街で広く使いたいと考えた場合、新たに大掛かりな施設を建設することやすべての場所に専門家を配置することは、現実的ではない。

　「オフィスビルやホテル、病院などといった街中の建築物で水素エネルギーを利用するためには、水素を安全に貯蔵できることが何よりも重要です。そこで私たちは、常温常圧で保存でき、燃えることもない、新しい水素吸蔵合金を開発したのです」

　従来の水素吸蔵合金は、水素の吸蔵と放出を繰り返すと合金が微粉状になり、着火して可燃物となる可能性がある。そのため、水素吸蔵合金として有名なランタンニッケル系の合金は、消防法による危険物として扱う必要があった。

　しかし、産総研で新たに開発した水素吸蔵合金は吸蔵・放出を何回繰り返しても微粉化せず、消防法の危険物規制の対象外だと認証されたのだ。しかも、金属に取り込むことで水素の体積は常温時の1/1000まで小さくなり、貯蔵する場所を取らずにすむ。

　「こうしてできた水素エネルギーの最適な貯蔵法とその利用を街の中でどう実用化していこうかと考えていたとき、建築物のゼロエミッション化を進めている清水建設さんがFREAに見学にいらしたのです」

　——これが大きな転機となった。

清水建設とのタッグでトータルなエネルギーシステムを開発

　清水建設はビルの運用にビルディングエネルギーマネジメントシステム（BEMS）を活用している。BEMSは、太陽光発電設備、蓄電池、キャパシタ、燃料電池、ガスコジェネといった再生可能エネルギーをつくって活用していくシステムと、熱源、熱搬送、送風、換気、照明、OA機器といったエネルギーを利用する設備の双方の運転を一元管理することができ、建築物全体のエネルギー消費量の削減を図っていくシステムである。

　自社の「スマートBEMS」と、より効率的で安全な水素エネルギー利用システムを組み合わせられないか。そう考えていた清水建設のスタッフがFREAを訪れ、目にしたのが、先の水素吸蔵合金だった。

　「これはいける!」そう判断した清水建設と産総研による共同研究が2016年1月にスタートした。水素吸蔵合金を収める大型タンクの開発をはじめ、これを利用した安全な水素エネルギー利用システム——太陽光から水素をつくり、水素を水素吸蔵合金タンクに貯蔵し、必要な時にそこから水素を取り出し、燃料電池を使って発電、燃料電池から放熱される排熱も建物で利用する——の開発が始まったのだ。

　2018年半ばには、産総研の施設内での実験で、エネルギーシステムとスマートBEMSを組み合わせて総合的に運用することで、効率的なエネルギー利用ができることが確認された。

　「ただ、ビルの施工主にシステムを導入してもらうには、実験がうまくいったというだけでは説得力が足りません。やはり、実際の建物でも成果が出ることを示さなくてはならないわけです。そこで、どこかで実証実験をしようということになりました」

　2018年10月、産総研と清水建設の共同研究はステップアップし、産総研内に清水建設の社名を冠した研究室（通称「冠ラボ」）が設置されるに至った。これにより、実用化に向けた連携がいっそう強化されることになる。

郡山市総合地方卸売市場での実証実験がスタート

　FREAのある郡山市は「郡山市エネルギービジョン」を掲げ、新エネルギーに関する施策を進めている。実証実験を行う場所については郡山市に協力を求めることにした。候補として挙がった数カ所の市の施設の中から、敷地面積やエネルギー需要などを考慮し、郡山市総合地方卸売市場に決定した。市場の利用者との調整や、太陽光パネル、水電解装置、水素吸蔵合金タンク、燃料電池の移設を経て、2019年7月から市場の管理棟での実証実験がスタートした。

　市場の朝は早く、日の出前後から多くの人が活動しているが、昼過ぎにはほぼ終了となる。一方、太陽光発電は日が出ている間はずっと発電している。このような時間差があるため、余剰電力を水素としてためて翌日に利用することを実験するのにも適切だった。太陽光発電による電力の直接利用だけでも省エネになるが、水素貯蔵分を加えると、さらに10～15％の省エネになると試算されている。

　現在、システムは年間を通して稼働させているわけではなく、 2日稼働させデータを取り検証する。そしてその結果を見てさらに効率的なエネルギーマネジメントの方法を考え、それを適用するという試行錯誤を繰り返しながら、技術的な要素の確認や運用ノウハウの確立を進めている。

　「現在は発電し、水素を貯蔵するのと同じ場所でエネルギーを使っていますが、普及に向けては、ためた水素を輸送して、別の場所で活用することも重要になってきます。そのためには車に積んだ水素吸蔵合金タンクに水素を急速充填したり、燃料電池からエネルギーを放出するときに冷やすことが必要となるため、急速充填用の合金タンクや冷却技術の開発も並行して進めています」

　水素をつくって、ためて、運んで使う。それが安全かつ容易にできるようになれば、日常用としても災害時の非常用としても水素の活用は進んでいくはずだ。清水建設は今年、自社の施設にこのシステムを導入し、実証実験を次の段階に進める予定だという。

　「温室効果ガスの排出を2050年までに80%削減するというのがこれまでの日本の目標でしたが、世界の潮流もあり、今後はゼロエミッションを目指していくことになるでしょう。もちろんRD20の議長である産総研も、本気でゼロエミッション化を進めていかなくてはなりません。まずは、ここFREAからゼロエミッションを実現していきたいと思っています」

　水素社会の実現に向け、産総研と清水建設の挑戦は続く。