水素の未来
1. 水素社会の必要性（脱炭素化とエネルギー戦略）
脱炭素化の切り札: 水素は利用時にCO₂を排出しないクリーンエネルギーであり、気候変動対策として期待されています。化石燃料からクリーンエネルギーへのエネルギートランジションの中で、水素は発電部門や大型車など電化が難しい分野の脱炭素化を可能にすると注目されています。
再生可能エネルギーとの協調: 水素は「エネルギーの貯蔵」ができる点も大きな特徴です。例えば太陽光や風力の余剰電力で水を電気分解し水素に変換すれば、長期に渡ってエネルギーを蓄えることができます。再エネの不安定さを水素で補い、季節や天候に左右されないエネルギー供給が可能になります。
エネルギーセキュリティ向上: 日本のようなエネルギー自給率の低い国では、水素は輸入燃料に代わるエネルギー源として安全保障上も重要です。水素は多様な資源から製造できるため、供給元の分散化・多角化が図れますmeti.go.jp。環境問題とエネルギー安全保障を同時に解決し得る水素は、日本にとって「究極のエネルギー」と位置付けられています。
産業競争力への寄与: 水素関連技術（燃料電池など）で先行することは新産業育成にもつながります。日本は燃料電池車や水素インフラなど先進技術を持つため、水素社会の実現は技術優位性を活かした産業競争力強化のチャンスともなります。
2. 水素を“掘る”技術（既存資源からの水素製造）
豪州で製造した液化水素を日本に運ぶ世界初の実証プロジェクト式典（川崎重工等のHySTRA事業）
化石資源からの水素: 現在、最も一般的な水素製造法は天然ガスの改質（水蒸気改質法）です。メタン(CH₄)に水蒸気を反応させて水素を取り出すこの方法は工業的に確立されています。しかし反応の過程で大量のCO₂が発生するため、カーボンニュートラルの観点では課題があります。そこで副生成するCO₂を回収・貯留する「ブルー水素」の取り組みや、メタンを分解して固体炭素を回収する新技術などが研究されています。例えばIHIは鉄鉱石触媒を用いてメタンを熱分解し、固体炭素と水素に分離する技術を開発中です。これによりCO₂排出を抑えつつ低コストで水素を製造することを目指しています。
メタンハイドレートの活用: 日本近海に埋蔵するメタンハイドレート（燃える氷）も潜在的な水素源です。メタンハイドレートから取り出したメタンに触媒を作用させ、CO₂を出さずに水素を生成する研究が進んでいます。北見工業大学は2020年、採取したメタンハイドレート由来のメタンから二酸化炭素を出さない直接改質反応によって水素製造に成功しました。この際、炭素は副産物としてカーボンナノチューブに回収しており、環境負荷を低減する画期的技術です。実用化されれば、日本独自の資源からクリーン水素を「掘り出す」ことが可能になります。
未利用炭素資源の利用: 化石資源由来でも未利用のものを活用する動きもあります。豪州では膨大な未利用褐炭を水素源とし、日豪間で国際水素サプライチェーン構築の実証が行われました。2022年には、褐炭から製造した水素を液化し専用船「すいそ ふろんてぃあ」で豪州から日本へ初めて海上輸送し、陸上タンクに荷揚げすることに成功しています。この実証により、大量の水素を海外から調達し運ぶインフラの可能性が示されました。将来、CO₂を回収する設備と組み合わせれば、海外の豊富な資源からブルー水素を安定供給する道が拓けます。
3. 水素を“創る”技術（再生可能エネルギー等からの水素製造）
人工光合成パネル（光触媒で水を分解し水素を製造する100㎡規模システムの概念図と実証設備）
水の電気分解（グリーン水素）: 水を電気の力で分解して水素を得る「水電解法」は、再生可能エネルギー由来電力を使えばCO₂フリーのグリーン水素を生み出します。例えば水を電気分解する装置（電解槽）に太陽光や風力の電気を投入すれば、水素と酸素を発生できます。ただし水を分解するには大量の電力が必要であり、現状ではコストが高めです。そこで安価な余剰電力の活用や、大規模な水電解装置の技術開発による効率向上・コスト低減が課題となっています。日本では福島県浪江町に世界最大級の水素製造拠点「福島水素エネルギー研究フィールド（FH2R）」が整備されました。太陽光発電と蓄電池を併設し、10MW級の大型水電解装置で再エネ由来水素を大規模製造する実証が進められています。これは不安定な再エネ電力から需要に応じて柔軟に水素を生産し、エネルギーマネジメントによって最適化する試みです。将来的に再エネ比率が上がれば、水電解による大量のグリーン水素生産が主流となるでしょう。
人工光合成（ソーラー水素）: 植物が太陽光で水とCO₂からエネルギーを作る「光合成」の人工版として、水から水素を直接生み出す人工光合成技術が注目されています。光触媒を用いて太陽光エネルギーで水を分解し、水素（と酸素）を発生させるもので、「太陽光で水素を作る」まさに夢の技術です。この技術は将来的に水電解より低コストで大規模な水素製造を実現できる可能性があると期待されています。近年、研究段階から実用化段階へ向けた大きな前進がありました。2021年には東京大学や信州大学を中心とするプロジェクトで、100㎡規模の屋外人工光合成パネルによる世界初の大規模実証試験が成功しました。粉末状の光触媒パネルに自然光を当て、水を安定的に分解して高純度の水素を発生できることが確認されており、安全面の検証も行われています。これまで室内実験が主だった光触媒技術が、屋外で実証された意義は大きく、ソーラー水素を社会で活用するための重要な一歩となりました。今後は光触媒の効率向上や大面積化、生成した水素の回収システム改良などを進め、実用レベルの人工光合成プラントを目指します。
バイオ水素（微生物による水素生産）: バイオマス資源や微生物を利用して水素を生み出すバイオ水素技術も研究されています。例えば嫌気性菌による発酵（ダーク発酵）で有機物から水素を生成したり、藻類・シアノバクテリアが光合成過程で水素を放出したりする現象を利用します。バイオ水素は常温常圧で反応が進むためエネルギー投入が小さく、原料のバイオマスは成長過程でCO₂を吸収しているので、トータルでCO₂排出ゼロの循環型プロセスとなり得ます。将来の持続可能なCO₂フリー水素製造技術の一つとして位置付けられ、世界中で研究開発が進められています。ただし現在のところ微生物による水素生成量は低く、経済的に大量生産できる技術はまだ確立されていません。遺伝子工学的なアプローチで高収量な菌株を作り出す研究や、発酵と光合成を組み合わせた多段プロセス開発などが進行中です。バイオ水素は将来的に食品廃棄物や下水汚泥などからクリーンエネルギーを生み出す手法としても期待され、地域分散型の小規模水素製造に応用できる可能性があります。
4. 水素を“貯める”技術（効率的な水素の貯蔵・輸送）
水素の物理的貯蔵: 水素は非常に軽い気体でエネルギー密度（体積当たり）が低いため、そのまま大量に貯蔵・輸送するのは非効率です。そこで、水素を高密度に蓄える様々な方法が開発されています。基本的な方法は高圧ガスボンベに圧縮水素として蓄える方法ですが、数百気圧という高圧に耐える容器が必要で、輸送効率やインフラ整備にも課題があります。また液化水素として貯蔵する方法も取られています。水素はマイナス253℃で液体になるため、極低温の断熱容器（デュワー容器）で貯蔵します。液体水素は体積あたりエネルギー密度が気体の約800倍にも高まりますが、冷却・断熱にコストがかかり長期保存で蒸発損失（ボイルオフ）が生じる課題があります。液体水素は日本の宇宙開発（ロケット燃料）でも培われた技術で、近年ではエネルギーキャリアとしての大規模利用（前述の海上輸送プロジェクトなど）にも応用されつつあります。
水素キャリアによる貯蔵: 近年、水素そのものではなく「水素を含む物質」に変換して貯蔵・運搬するアプローチが注目されています。水素をメタンやアンモニアなど他の化学物質に変えて運ぶことで、安全かつ高密度にエネルギーを扱えるという考え方です。代表例が有機ハイドライド（Liquid Organic Hydrogen Carrier, LOHC）です。例えばトルエンという液体に水素を付加して得られるメチルシクロヘキサン (MCH)は、常温常圧で液体のまま扱え、ガソリンのように既存のタンクやローリーで輸送できます。MCHには水素ガスの約500倍の量の水素を溶かし込めるため、効率よく大量の水素を運搬・貯蔵可能です。使う際には再び脱水素して水素ガスを取り出し、トルエンに戻してリサイクルします。日本企業も中心となりMCHの国際輸送実験が行われ、サプライチェーン構築に向けた取り組みが進んでいます。
アンモニア（NH₃）による貯蔵: アンモニアは水素を質量比17.8%含む化合物で、液体アンモニアの体積当たり水素密度は液体水素の1.5～1.7倍にも達しますj-。しかもアンモニアはマイナス33℃程度で液化し、常温でも圧力をかければ液体を維持できるため、液化天然ガス(LNG)や液化石油ガス(LPG)に近い感覚で取り扱えます。既に肥料原料など産業で大量流通している物質であり、貯蔵タンクや輸送船などのインフラも整っています。アンモニアは燃料として直接燃焼させることも可能で、燃やしてもCO₂を排出しない点が特徴です。後述するように火力発電燃料としてアンモニアを混焼・代替するプロジェクトも進んでいます。課題はアンモニア自体の有毒性や、利用時に水素へ戻す（分解する）際のエネルギーコストです。現時点では大量の安価なアンモニアを製造する過程でCO₂排出（ハーバーボッシュ法での化石燃料利用）があり、グリーンアンモニア製造技術の確立も必要です。しかし将来的にはアンモニアが水素のエネルギーキャリアとして大きな役割を果たすと期待されています。日本政府も燃料アンモニアの利用拡大戦略を掲げ、発電所での活用や国際サプライチェーン構築を支援しています。
水素吸蔵合金・その他の貯蔵法: 水素吸蔵合金とは、金属が水素を吸収・放出する性質を利用した貯蔵材料です。例えばレアアースとニッケルの合金などは、気体水素を自らの金属格子内に取り込み、水素化物（メタルハイドライド）を形成します。圧力や温度条件を変えると水素を放出でき、繰り返し利用可能です。水素吸蔵合金はニッケル水素電池（NiMH電池）の技術として実用化済みで、安全かつ低圧で水素を蓄えることができます。ただ重量あたりの水素容量が小さい（合金自体が重い）ため大規模輸送には不向きですが、小型燃料電池の水素源や一部車載用途などで利用されています。その他、水素を貯蔵する新手法として化学的な液体燃料化（ギ酸やアンモニアボラン等に水素を化学結合させ必要時に分解）、地下貯蔵（塩層空洞などに大量の水素ガスを貯める）なども研究されています。水素社会を支えるため、状況に応じた多様な貯蔵技術を組み合わせていくことが重要です。
5. 水素を“使う”技術（エネルギー利用：燃料電池・燃焼など）
燃料電池による発電: 水素利用の中核技術が燃料電池 (Fuel Cell)です。燃料電池は水素と酸素の化学反応によって直接電気を取り出す装置で、「水の電気分解」の逆反応を利用しています。具体的には、水素を燃料極に、酸素（空気中の酸素）を空気極に供給すると、触媒電極上で水素がイオン化し電気を発生、最終的に水が生成します。発電時にCO₂を排出せず、水しか出さないクリーンな発電機です。また反応時に発生する熱も有効利用できます。燃料電池は種類もいくつかあり、主に高温作動の固体酸化物形 (SOFC) と低温作動の高分子形 (PEFC) が実用化されています。例えば家庭用コージェネレーションシステム「エネファーム」**はPEFC型燃料電池で、都市ガスなどから改質して得た水素を燃料に発電し、その際の排熱でお湯も作ります。家庭内で電気とお湯を同時供給できるため、送電ロス削減や省エネ効果が高くCO₂排出削減に寄与するシステムです。日本ではエネファームが2009年に世界に先駆け発売されて以来、累計で数万台が設置されました。燃料電池は住宅だけでなくビルや工場にも大型機種が導入され始めており、非常用電源やデータセンターのバックアップ電源としても利用が広がっています。
水素自動車・モビリティ: 燃料電池を搭載した**燃料電池自動車 (FCV)**は、水素で走る次世代エコカーとして開発が進められています。トヨタの「MIRAI（ミライ）」やホンダの「クラリティ フューエルセル」などが市販され、国内外で普及が図られています。FCVは走行時に排出するのは水だけで、航続距離もガソリン車に匹敵（ミライは1回の水素充填で約650km走行）し、充填時間も3分程度と短いのが特長です。特に大型車や路線バス、トラックなど商用車への適用も期待されており、トヨタや日野、自動車各社が燃料電池バス・トラックの実証を行っています。既に東京都内では燃料電池バスが定常運行し、物流でも燃料電池トラックの試験運用が始まっています。水素ステーション（充填所）の整備も進められており、国内では2025年時点で約160か所の水素ステーションが稼働しています（主に大都市圏や高速道路沿い）。また、燃料電池フォークリフトやドローン、鉄道車両（JR東日本の試験車「HYBARI」など）への応用も見られ、水素モビリティの裾野が広がっています。
非常用電源としての活用: 水素エネルギーは災害時のバックアップとしても有用です。燃料電池車は走行だけでなく「走る発電所」としての機能も持ち、車載の燃料電池を通じて外部に電力供給が可能です（外部給電機能）。例えばトヨタ・ミライ1台に満タンの水素があれば、一般家庭の約1週間分の電力をまかなえる容量があります。燃料電池バスならその4倍もの電力を供給でき、避難所など大規模施設の非常用電源として移動・展開することもできます。実際、災害時にFCVを派遣してスマートフォン充電サービスを提供する実証も行われています。家庭用燃料電池も停電時には非常用電力を供給できるタイプがあり、分散型エネルギーシステムとしてレジリエンス強化に役立っています。水素社会が進めば、非常時に地域のFCバスや燃料電池設備で電力を融通し合うような新しいエネルギーセーフティネットも構築できるでしょう。
産業・発電分野での利用: 水素は産業プロセスや大規模発電にも活用が検討されています。製鉄ではコークスの代わりに水素を利用する「水素還元製鉄」（プロジェクト名: COURSE50やスウェーデンHYBRITなど）が進展しており、鉄鋼業からのCO₂排出を大幅に減らす可能性があります。発電分野では、既存のガスタービンや石炭火力発電に水素または水素由来燃料を混ぜて燃やす水素発電の技術開発が進んでいます。例えばJERAは石炭火力発電所で燃料の20％をアンモニアに置き換える世界初の実証を愛知・碧南火力で開始し、石炭の一部をアンモニア燃焼に転換することで約20％のCO₂削減に成功しました。アンモニアは燃焼時にCO₂を出さず、設備改造も一部（バーナー等）の変更で済むため、既存インフラを活かして段階的に脱炭素化できるメリットがあります。今後は混焼率をさらに高め最終的に100%アンモニア・水素燃料化を目指す計画です。また、川崎重工業は純水素で燃焼するガスタービン技術を開発中で、2025年前後には中型タービンで100%水素燃焼発電の実証が期待されています。将来的には、水素エンジンを搭載した発電機や船舶、航空機も登場する可能性があります（実際にエアバス社は水素旅客機コンセプトを公表）。このように水素利用技術は交通・家庭から産業・発電に至るまで多岐にわたり、水素社会の実現を支えます。
6. 水素社会のまちづくり（地域実装とインフラ統合）
日本国内の取り組み: 水素社会を構築するには、個別技術だけでなく地域全体のエネルギーインフラとして水素を組み込むことが重要です。日本では幾つかの自治体・地域が「水素タウン」「水素都市」づくりに挑戦しています。初期の例として、福岡県北九州市の北九州水素タウン実証事業が挙げられます。北九州市八幡東区東田地区では、新日本製鐵の工場副生水素を活用し、全長約1.2kmの水素パイプラインを街区に敷設して近隣の住宅へ水素を安定供給する実証が行われました。2011年前後に始まったこの事業では、実験住宅の燃料電池に直接水素を配管供給し、家庭レベルで水素エネルギー利用を検証しました。現在もそのインフラは研究機関等に開放され、新たな水素機器のテストベッドとして活用されています。このような取り組みは国内初であり、水素供給インフラの安全管理や法規制整備にも貴重な知見をもたらしました。
東京・晴海地区の水素街区: 2020年東京オリンピック・パラリンピックでは水素社会のショーケースとして、水素エネルギーの活用が図られました。選手村（晴海地区）では大会中一部施設で燃料電池に水素を供給し運用、その後のレガシーとして街区全体への水素インフラ整備が進められています。大会後に「HARUMI FLAG」として再開発された晴海五丁目西地区では、国内初となる都市ガス管とは別の水素専用パイプライン網が構築されました。2024年3月より東京ガス子会社の晴海エコエネルギー社が水素供給事業を開始し、集合住宅4街区・商業施設1街区の計5街区にパイプラインで水素を届けています。各建物には燃料電池やボイラが設置され、水素をエネルギー源として電力・熱供給を行います。水素パイプラインによる大規模住宅地への供給は日本初の取り組みであり、エネルギーの地産地消モデルとして注目されています。東京都はこの「水素で暮らすまち」をモデルケースに、水素供給網の安全基準策定や将来的な他地域展開を見据えています。
地域の再エネと水素融合集約: 地方では再生可能エネルギーと水素を組み合わせた地域マイクログリッド構想もあります。例えば福島県では再エネ由来水素を地元で活用するため、福島水素エネルギー研究フィールドで製造した水素を福島県内の施設やモビリティに供給する実証が行われています。北海道苫小牧市でも再エネ電力で水素を製造し、市内のバスや発電機に使う地域内循環のモデル事業が検討されています。地域の特性に応じ、余剰電力を水素に変えて「エネルギー地産地消」や災害時のエネルギーバッファーに活かそうという動きです。こうしたエネルギーインフラ設計では、水素ステーションや配管網、貯蔵タンクなどを都市計画に組み込み、電力・ガス・熱供給ネットワークと統合的に最適運用することが求められます。将来的には、水素を媒介に電力網とガス網が融合した新しい“Hydrogen Grid”のような概念も考えられています。
海外の水素都市・クラスター: 世界でも水素社会の実現に向けた都市・地域プロジェクトが多数進行中です。欧州では「ハイドロジェンバレー」と呼ばれる、水素の生産・流通・利用を一体で推進するモデル地域が各国に登場しています。例えばオランダのロッテルダム港はEU水素戦略のもと「水素港湾都市」構想を掲げ、水素ステーションや燃料電池トラック、港湾用の燃料電池トラクターなどを導入しています。ロッテルダムは従来から水素等エネルギーの輸入港でしたが、「水素を運ぶ港から使う港へ」の転換を図り、大規模な水素受け入れ・消費地になることを目指しています。また水素燃料を船舶に供給する水素バンカリング施設**の計画も進んでおり、物流・海運の脱炭素化と地域経済の活性化を両立させる取り組みです。ドイツでも水素列車が営業運行を開始し、鉄道分野の脱炭素化に貢献しています。米国カリフォルニア州は水素ステーション網を構築しつつあり、公共バスやごみ収集車を燃料電池車へ転換する都市も出てきました。韓国の蔚山（ウルサン）市は「水素都市」を宣言し、家庭用燃料電池補助金や水素バス導入など総合施策を展開しています。このように各国の先進都市・地域が水素インフラと地域づくりを融合させた実証を進めており、それらの知見を日本のまちづくりにも活かしていくことが重要です。