新エネ・システム最前線

北九州市、「再エネ水素」の製造・運用を実証

IHI、太陽光・風力・ごみ発電から低コストで水素製造

2022/03/03 05:00
金子憲治=日経BP総合研究所 クリーンテックラボ

1.2kmの水素パイプライン

 菅前総理大臣のカーボンニュートラル宣言で、水素を活用したエネルギーシステムが脚光を浴びている。福岡県と北九州市は、約10年前から水素に着目し、連携して実証事業などに取り組んできた。

 北九州市東田地区もその舞台の1つで、日本製鉄の遊休地を活用し、2011年から「北九州水素エコタウン」が稼働している。日鉄の工場で発生する副生水素を燃料電池車(FCV)向けの水素ステーションに供給するとともに、1.2kmものパイプラインを市街地まで敷設して直接、水素を供給し、博物館や実証住宅に設置した定置型燃料電池システムで活用している(図1)。

図1●1.2kmもの水素パイプラインを敷設した
図1●1.2kmもの水素パイプラインを敷設した
(出所:北九州市)
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 また、福岡市や久留米市内でも、水素ステーションの運営や、商業施設での燃料電池フォークリフトなどで水素を活用してきた。

 ただ、これらの実証で使われてきた「副生水素」は、工場で使われる化石資源の利用過程で排出されるものなので、「CO2フリー」ではなかった。こうした化石由来の水素は、「グレー水素」と呼ばれる。燃料電池による発電システムは、エンジンなど内燃機関に比べて効率が高いため、省エネに貢献するものの、「グレー水素」では脱炭素は難しい(図2)。

図2●水素を供給して燃料電池システムを稼働する住宅のある「水素タウン」
図2●水素を供給して燃料電池システムを稼働する住宅のある「水素タウン」
(出所:日経BP)
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「グレー水素」から「グリーン水素」へ

 こうしたなか、北九州市などは、2021年5月から、「CO2フリー水素製造・供給実証事業」を開始した。これは、既存の再生可能エネルギーを活用した「グリーン水素」利用の低コスト化を目指す環境省の補助事業に採択されたものだ。

 同事業では、 福岡県と北九州市、同市などが出資して設立した新電力会社である北九州パワー、そしてIHI、福岡酸素、ENEOSが参加し、地域の再生可能エネルギーを活用してCO2フリー水素を製造・供給する実証事業に取り組む。2021年11月25日から、ごみ発電(バイオマス)・太陽光・風力の3つの再エネ電源を同時に制御する「水電解活用型エネルギーマネジメントシステム」を活用して水素を製造する実証試験を開始した(図3)。

図3●「CO<sub>2</sub>フリー水素製造・供給実証事業」のイメージ
図3●「CO2フリー水素製造・供給実証事業」のイメージ
(出所:北九州市)
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 同実証事業においてIHIは、2020年度から同システムの開発に取り掛かり、北九州市響灘地区に水素製造設備の設置を進めてきた。水素を製造する水電解装置は固体高分子型で、約65kWhの電力から約10Nm3/hの水素を製造できる。使用する再エネ電源は、フジプレアム製の追尾型太陽光発電(定格出力45kW)と、リアムウィンド(福岡市)が九州大学と連携して製造したマルチレンズ風車(定格出力9kW)のほか、ごみ発電は、もともと北九州パワーが調達して販売している市内3カ所のごみ焼却工場の付帯設備になる(図4)(図5)。

図4●フジプレアム製の追尾型太陽光発電
図4●フジプレアム製の追尾型太陽光発電
(出所:日経BP)
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図5●リアムウィンドが九州大学と連携して製造したマルチレンズ風車
図5●リアムウィンドが九州大学と連携して製造したマルチレンズ風車
(出所:日経BP)
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 このうち太陽光と風力は水素製造装置を設置したエリアに隣接した敷地にあり、発電した電気は自営線で水素製造装置に送電する。また、ごみ発電については、九州電力送配電の電力系統を通じて、託送の仕組みで給電を受ける形になる。

「電化」の次は「水素」

 水素製造装置の設置された響灘地区には、北九州市の第三セクター・ひびき灘開発と東レエンジニアリングの共同出資による出力約1.5MWのメガソーラーと、東レエンジニアリングとフジプレアムの共同出資による約6MWのメガソーラーが運営されている。太陽光パネルはすべてフジプレアム製で、そのうち45kW分が追尾型システム、パワーコンディショナー(PCS)は東芝三菱電機産業システム(TMEIC)製を採用している。

 これら合計7.5MWのメガソーラーでは、2014~15年にかけ、「ゼロエミション交通システム」と呼ばれる実証事業が実施された。これは、メガソーラーに併設して急速充電器と大型蓄電池を設置し、太陽光発電の電気を直接、電気バスに充電し、路線バスとして市内で運行したものだ(図6)。

図6●「ゼロエミション交通システム」では太陽光の電気を直接、バスに充電した
図6●「ゼロエミション交通システム」では太陽光の電気を直接、バスに充電した
(出所:日経BP)
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 今回の「CO2フリー水素製造・供給実証事業」は、「ゼロエミ交通システム」の設備を設置した場所を再び実証事業に活用した。45kW分の追尾型太陽光システムは、東レエンジニアリングとフジプレアムの共同出資による約6MWのメガソーラーの一部になる。

 前回の「ゼロエミ交通システム」では、再エネの電気をそのまま電気バスに充電したが、今回の実証では、再エネ電気で水素を製造し、FCVや定置型燃料電池システムで利用する。脱炭素を実現するキーテクノロジーとして「電化」と「水素」が注目されるが、響灘地区のメガソーラーは、その両方の実験場として活用されることになる(図7)(図8)。

図7●「CO<sub>2</sub>フリー水素製造・供給実証事業」で設置した水電解装置
図7●「CO2フリー水素製造・供給実証事業」で設置した水電解装置
(出所:日経BP)
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図8●「CO<sub>2</sub>フリー水素製造・供給実証事業」で設置した水素ホルダー
図8●「CO2フリー水素製造・供給実証事業」で設置した水素ホルダー
(出所:日経BP)
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水素はカードルで運搬

 「ゼロエミ交通システム」では、電気バスが響灘地区まで定期的に走ってきて、急速充電するという運用だったが、「CO2フリー水素製造・供給実証」では、製造した水素を13MPaで圧縮してカードル(水素ボンベの集合体)に150m3貯め、トラックで北九州市、福岡市、久留米市にある水素ステーションまで輸送する。

 北九州市東田地区の水素ステーションに運ばれた水素の場合、FCVへの充填に加えて、水素パイプラインを通じて、副生水素に混ぜて「北九州水素エコタウン」内の施設にある定置型燃料電池システムに供給されることになる(図9)(図10)(図11)。

図9●製造した東田地区の水素ステーションに運び、ここからパイプラインで実証住宅などに供給する
図9●製造した東田地区の水素ステーションに運び、ここからパイプラインで実証住宅などに供給する
(出所:日経BP)
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図10●「水素タウン」の実証住宅に設置された燃料電池システム
図10●「水素タウン」の実証住宅に設置された燃料電池システム
(出所:日経BP)
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図11●東田地区の博物館に設置された燃料電池システム
図11●東田地区の博物館に設置された燃料電池システム
(出所:日経BP)
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 今回の実証では、連続して稼働させるのではなく、毎月、1週間程度稼働して150m3の水素を製造し、実証期間全体で約1800Nm3程度を製造する予定という。

 製造する水素の量はそれほど多くないものの、天候によって出力の変動する太陽光と風力、焼却する量で発電量の変わるごみ発電という、出力特性の異なる3つの電源を使い、水電解装置で効率よく水素を製造する、という課題に取り組む。

 ごみ発電は、託送供給のため、供給量が短時間で大きく変動することはないが、自営線でつながっている太陽光と風力の電気は、天候次第で出力変動が激しくなる。固体高分子型の水電解装置は相対的に応答性に優れるものの、対応力に限界もある。そのため、今回は、水素製造装置に50kWの蓄電池を組み込み、短周期の出力変動をある程度、緩和させている。

 また、ごみ発電から調達する電気については、卸電力市場の相場などによって電気の価値が変動するため、低価格の時間帯にうまく調達することが求められる。太陽光・風力の電気を無駄にせず、安いごみ発電の電気を使うことなど、「水電解活用型エネルギーマネジメントシステム」を改善していく。実証を通じて「CO2フリー水素」を低コストで製造・供給できるモデルを構築することを目指す(図12)。

図12●IHIが水素製造設備の全体システムを制御する
図12●IHIが水素製造設備の全体システムを制御する
(出所:日経BP)
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 IHIは、福島県相馬市の「そうまIHIグリーンエネルギーセンター」で太陽光と蓄電池、水電解装置を利用したエネルギーマネジメントシステムの開発・運用で実績がある。北九州市のプロジェクトでも、同センターの知見が活用できるという。

水素からアンモニア、メタンへ

 IHIは、再エネからの効率的な水素製造に取り組みつつ、さらにその先を睨んだカーボンニュートラル実現に向けた技術開発に着手している。

 北九州市で始まった「CO2フリー水素製造・供給実証」では、製造した水素を運ぶため、13MPaに圧縮してカードルに貯め、トラックに載せて運んでいる。今後、水素が再エネの運搬手段として社会に広く普及していくためには、こうした水素の「運搬効率の悪さ」を克服する必要がある(図13)。

図13●響灘地区で製造した水素を貯め、水素ステーションに運ぶカードル
図13●響灘地区で製造した水素を貯め、水素ステーションに運ぶカードル
(出所:日経BP)
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 その解決策として現在、提案されているのが水素を-253℃に冷却して液化する方法やアンモニアや有機ハイドライドに変換して、運搬性を高める技術だ。

 IHIでは、これらの技術のなかでも、アンモニアに着目している。すでに肥料の原料などとして水素からアンモニアを製造する手法やインフラが確立しており、液化しやすいため、水素キャリアとしてトータルで最もコストが安くなると見ている。

 加えて、アンモニアは燃えるため、水素に再変換せず、火力発電所や工業炉などでそのまま燃料として利用できる点も魅力という。IHIでは、石炭火力やガスタービンで水素を50%以上混焼する技術にめどをつけており、将来的には100%専焼を目指している。

 こうしたアンモニアの利点は、海外の低コストの再エネを日本に輸入するプロジェクトで発揮される。すでにIHIと丸紅は、オーストラリア・タスマニア州の水力発電からアンモニアを製造し、日本やアジアに運搬して利用するプロジェクトの事業性調査を進めている(図14)。

図14●オーストラリアのグリーンアンモニア実証の流れ
図14●オーストラリアのグリーンアンモニア実証の流れ
(出所:日経BP)
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 さらに同社では、化石燃料の燃焼時に出るCO2を回収・貯留しておき、カーボンフリー水素と反応させることで、メタンやオレフィン(不飽和炭化水素=プラスチック原料の1つ)を合成する「カーボンリサイクル」技術にも取り組んでいる。

 すでに「そうまIHIグリーンエネルギーセンター」では、メガソーラーの電気で製造した水素と、CO2からメタンを合成する「メタネーションプラント」を設置している。こうした技術は、工業都市である北九州にも適用しやすい。

 響灘地区のある九州では太陽光の導入が進み、需給バランス維持のために余剰となった再エネを出力抑制する状況が頻繁に発生している。こうした余剰再エネを有効活用することで、CO2フリー水素を製造し、将来的にアンモニアやメタン、オレフィンに変換できれば、ガス事業や素材など幅広い業種でカーボンニュートラルへの移行を後押しできる。