水素燃料電池ロードマップにおける CO2 フリー水素の位置づけ水素燃料電池戦略ロードマップ (2016 年 3 月改訂 ) においてはより CO2 の排出が少ない水素供給構造を実現していくため将来的には再生可能エネルギーの活用等を進めていくことが必要とされている 2040 年頃をターゲット

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あきおかつま
5 years ago
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1 資料 2 第 1 回 CO2 フリー水素 WG 事務局提出資料平成 28 年 5 月 13 日資源エネルギー庁省エネルギー新エネルギー部燃料電池推進室

2 水素燃料電池ロードマップにおける CO2 フリー水素の位置づけ水素燃料電池戦略ロードマップ (2016 年 3 月改訂 ) においてはより CO2 の排出が少ない水素供給構造を実現していくため将来的には再生可能エネルギーの活用等を進めていくことが必要とされている 2040 年頃をターゲットとしてトータルでの CO2 フリー水素供給システムの確立を目指すこととされているが Power to Gas 技術を目下の社会課題への対処に応用しつつ将来の CO2 フリー水素の利活用に向けた足がかりとしていくことが必要本 WG ではこうした将来の目指すべき姿に向けた技術的制度的課題について時間軸とともに整理し対応の方向性を定めることとしたいフェーズ 1 水素利用の飛躍的拡大 ( 燃料電池の社会への本格的実装 ) フェーズ 2 水素発電の本格導入 / 大規模な水素供給システムの確立フェーズ 3 トータルでの CO2 フリー水素供給システムの確立 09 年家庭用燃料電池 /14 年 FCV 市場投入 2020 年東京オリンヒックで水素の可能性を世界に発信 2030 年 2040 年 2017 年業務産業用燃料電池 : 市場投入 2020 年頃エネファーム自立化 (PEFC80 万円 /SOFC100 万円 ) ハイフリット車の燃料代と同等以下の水素価格の実現 FCV4 万台程度 : 水素ステーション 160 箇所程度 2025 年頃ホリュームソーン向けの FCV の投入及び同車格のハイブリッド車同等の価格競争力を有する車両価格の実現 FCV20 万台程度 : 水素ステーション 320 箇所程度 2020 年代後半に水素ステーション自立化 2030 年頃 FCV80 万台程度開発実証の加速化水素供給国との戦略的協力関係の構築需要拡大を見据えた安価な水素価格の実現 2020 年代後半海外からの水素価格 ( プラント引渡価格 )30 円 /Nm 年頃海外での未利用エネ由来水素の製造輸送貯蔵の本格化発電事業用水素発電 : 本格導入水素供給体制の構築見通しを踏まえた計画的な開発実証 2040 年頃 CCS や国内外の再エネの活用との組み合わせによる CO2 フリー水素の製造輸送貯蔵の本格化 1

3 水素の製造方法 CO2 フリー水素現在 : 工業プロセスで既に実用化中期 : 未利用エネの活用長期 : 再エネの活用化石燃料 ( 石油天然ガス等 ) 副生水素 ( 製鉄化学等 ) 未利用エネルギー再生可能エネルギー ( 風力太陽光等 ) 化石燃料を高温で水蒸気と反応させることで水素を製造苛性ソーダ等の製造時に副生物として水素が発生鉄鋼製造プロセスのコークス精製時に水素リッチな副生ガスが発生褐炭などの低品位炭原油ガス田随伴ガスなどの未利用エネルギーから水素を製造 ( 将来的には C CS 等の CO2 排出を低減する技術を活用 ) 未利用の副生水素を活用水に再生可能エネルギー等による電気を流すことによって水素を製造 ( 水の電気分解 ) 2

4 再生可能エネルギーを取り巻く状況長期エネルギー需給見通し (2015 年 7 月 ) では 2030 年度における再生可能エネルギー比率を 22~24% と見込んでいる電力需要電源構成 ( 総発電電力量 ) 徹底した省エネ 1,961 億 kwh 程度 ( 対策前比 17%) 経済成長 1.7% 程度 / 年省エネ + 再エネで約 4 割 12,780 億 kwh 程度省エネ 17% 程度再エネ 19~20% 程度 ( 総発電電力量 ) 10,650 億 kwh 程度再エネ 22~24% 程度地熱 1.0 ~1.1% 程度バイオマス 3.7~4.6% 程度風力 1.7% 程度太陽光 7.0% 程度電力 9666 億 kwh 電力 9808 億 kwh 程度原子力 18~17% 程度 LNG22% 程度石炭 22% 程度原子力 22~20% 程度 LNG27% 程度石炭 26% 程度水力 8.8% ~9.2% 程度 2013 年度 2030 年度 ( 実績 ) 2030 年における導入見込量総発電電力量 ( 億 kwh) 再エネ 2,366~2,515 石油 2% 程度石油 3% 程度 2030 年度発電電力量 ( 億 kwh) 導入量 ( 万 kw) 水力 939~981 4,847~4,931 太陽光 749 6,400 風力 182 1,000 バイオマス 394~ ~728 地熱 102~ ~155 [ 出典 ] 長期エネルギー需給見通し小委 3

エネルギーミックスに基づき今後も再エネの導入を拡大していく中これらの課題の解決策として中長期的には再エネを水素に転換するPower to

5 余剰再エネ問題とPower to Gas技術の活用可能性一方で出力変動の大きい再生可能エネルギーの導入拡大による既存系統網への負担増により出力制御マクロの需給バランスの問題や送配電網への接続保留局所的問題などの課題が生じているエネルギーミックスに基づき今後も再エネの導入を拡大していく中これらの課題の解決策として中長期的には再エネを水素に転換するPower to Gas技術の活用可能性を探るべきではないか出力抑制指令を実際に行った事例種子島連系制約の状況九州電力管内の例平成2８年３月時点系統連系制約マップ出典電力広域的運営推進機関出典九州電力 4

6 ドイツにおける P2G 取組ドイツにおいては既に余剰再エネに起因する電力系統問題が顕在化しており積極的に実証プロジェクトが進められているドイツが P2G の取組を進める背景には再エネ供給地と需要地間を結ぶ電力グリッドが脆弱である一方で国内のガスグリッドが発達していることに加え電力取引市場において安価な電力を調達可能である等水素エネルギーを安価に製造輸送貯蔵しやすい環境があると考えられるドイツでの主な P2G 実証事例プロジェクト名実施者電解方式入力電力 (kw) 水素発生量 (m3/h-h2) 水素の製造利用方法 Audi e-gas projekt ( 事例 1) Etogas,EWE, Energie 他アルカリ 6,000 1,300 風力を用いて製造した水素とバイオガスプラントから排出される CO2 を活用してメタン化 CNG 車へ供給 Hybridkraftwerk Prenzlau Enertrag 他アルカリ風力を用いて水素を製造し風力発電の出力低下時に水素混焼コジェネを稼働 Windpark RH2-WKA NOW, HasseEng. 他アルカリ 1, 風力を用いて水素を製造しコジェネで地域へ熱電を供給 Pilotanlage Falkenhangen E.ON アルカリ 2, 風力を用いて水素を製造し天然ガス網へ 2% 以内で注入 Energie Park Mainz ( 事例 2) Linde, Siemens 他 PEM 6,000 1,000 風力を用いて水素を製造し天然ガス網水素ステーション等へ供給 Wind Gas Hamburg ( 事例 3) E.ON, Hydrogenics 他 PEM 1, 風力を用いて水素を製造し天然ガス網へ供給 [ 出典 ] 各種資料を基に資源エネルギー庁作成 5

P2G 技術の特徴水電解 + 水素タンクの複合システムは競合する蓄電池技術との比較優位の観点では時間経過によるロスが少なく水素タンクなどの拡張性が高いなどの理由から現在大規模かつ長期間の蓄エネ領域における適用可能性が高いと見られている今後我が国において再生可能エネルギーの導入が拡大していく中で系統連系等の問題への対応策の有望なアイテムの一つになりうると期待される

7 P2G 技術の特徴水電解 + 水素タンクの複合システムは競合する蓄電池技術との比較優位の観点では時間経過によるロスが少なく水素タンクなどの拡張性が高いなどの理由から現在大規模かつ長期間の蓄エネ領域における適用可能性が高いと見られている今後我が国において再生可能エネルギーの導入が拡大していく中で系統連系等の問題への対応策の有望なアイテムの一つになりうると期待される各種電力貯蔵技術の位置づけ貯蔵期間水素 (P2G) によるエネルギー貯蔵の特徴大規模かつ長期のエネルギー貯蔵で有利地形や地質など環境条件による影響小 CAES 圧縮空気エネルギー貯蔵貯蔵規模 [ 出典 ] Energieträger der Zukunft Potenziale der Wasserstofftechnologie in Baden-Württemberg (ZSW,2012) を基に資源エネルギー庁作成 6

P2G の効率 P2G は電気を異なる二次エネルギー形態である水素に変換し利用時に電気等に再変換するため基本的なエネルギーロスが大きく単純なエネルギー効率は低いものの利用が難しい再エネ余剰電力の活用につなげることが可能 P2G の実施に当たっては水素によるエネルギー貯蔵

8 P2G の効率 P2G は電気を異なる二次エネルギー形態である水素に変換し利用時に電気等に再変換するため基本的なエネルギーロスが大きく単純なエネルギー効率は低いものの利用が難しい再エネ余剰電力の活用につなげることが可能 P2G の実施に当たっては水素によるエネルギー貯蔵輸送の特性を踏まえ経済性も含めて効率的なエネルギーシステムとなるよう検討が必要 P2G の効率 T&D Transmission and Distribution [ 出典 ] Technology Roadmap Hydrogen and Fuel Cells (IEA, 2015) 7

9 再エネ由来水素 (P2G 技術 ) の活用我が国においても再エネの系統接続問題が顕在化しており P2G 技術を活用することで無駄なく再エネ導入量の拡大を図ることを検討またこれによって CO2 フリー水素チェーンの実現に向けた足掛かりとすることが可能特定のケースにおいて経済性効率性を確保できる場合がないか既存インフラの活用を含めた P2G 技術の利活用の方策について検討すべきではないか P2G 活用方策 ( 例 ) 1 水素製造による需要創出 ( ディマンドリスポンス ) 再エネによる系統の調整電源への負担の軽減 2 水素製造貯蔵による自然変動電源の変動出力の吸収 ( 短期 ) 余剰再エネの最大利用エネルギーの地産地消 3 水素製造貯蔵による自然変動電源の変動出力の吸収 ( 中長期 ) 余剰再エネの季節を超えた利用 4 経済価値の低い不安定電力を活用した水素製造変動出力を水素製造で吸収し安定部分は電気として利用 8

10 P2G 活用シーン 1: 系統負荷軽減 ( ディマンドリスポンス ) 米カリフォルニア州における Duck Curve に代表されるように再生可能エネルギーの拡大に伴い火力発電等調整電源への負荷が増大ディマンドリスポンスの一種として水素製造利用を調整力として活用することで調整電源への負荷を軽減することが可能さらに例えば製造した水素を混焼発電等に利用することで系統電源の燃料節減につなげることが可能と考えられる Duck Curve( カリフォルニア ) 水素による負荷変動吸収 ( イメージ ) エネルギー変換 ( 水素電力 ) 水素混焼発電等総負荷実質負荷 ( 総負荷 - 再エネ ) エネルギー変換 ( 電力水素 ) 水電解再エネ再エネに対応する負荷を創出水素活用による燃料節約 [ 出典 ] DEMAND RESPONSE AND ENERGY EFFICIENCY ROADMAP (CAISO, 2013) 9

11 出入力 [kw] P2G 活用シーン 2: 自然変動電源の変動吸収 ( 短期 ) 電力の生産と消費の同時性制約から ( 系統側調整電源による吸収が無ければ ) 時間的空間的に多寡の異なる再生可能エネルギー源を有効に消費することはしばしば困難を伴う蓄電池だけでは吸収し切れない自然変動電源からの再生可能エネルギーを水素として貯蔵すればエネルギー利用の時間的シフトにより再エネを余すこと無く消費することが可能エネルギーの地産地消の観点から意義があると考えられまずは離島等のエネルギーセキュリティに係る制約がより厳しい環境等において活用可能性が見込まれる蓄電池と水素を組み合わせたエネルギー貯蔵利用 ( ゆめソーラー館やまなし ) 水素貯蔵利用 [ 出典 ] 山梨県企業局神鋼環境ソリューションパナソニック実証試験提供データから資源エネルギー庁作成 [ 出典 ] 神鋼ソリューションズ 10

) に着目し例えば水素吸蔵合金を用いて自然変動電源出力の季節変動を吸収する取組が進められている再エネ水素により年間を通じてホテルの電力を供給

12 P2G 活用シーン 3: 自然変動電源の変動吸収 ( 中長期 ) 更に太陽光や風力等は季節によってもその賦存量が異なることから年間を通じて一定割合の再生可能エネルギーを安定して利用することは困難が伴う場合があるこの問題に対し水素の貯蔵特性 ( 長期間大容量の貯蔵が可能 ) に着目し例えば水素吸蔵合金を用いて自然変動電源出力の季節変動を吸収する取組が進められている再エネ水素により年間を通じてホテルの電力を供給水素による太陽光出力の季節変動の吸収 ( ハウステンボス変なホテル ) [ 出典 ] 風力発電の連係可能量の算定プロセス ( 東北電力, 2011) [ 出典 ] 東芝 11

13 太陽光発電出力 [kw] 系統売電出力 [kw] 水素製造入力 [kw] P2G 活用シーン 4: 経済価値の低い電力の活用太陽光や風力等天候条件により変動する自然変動電源については現在は FIT 制度の下その変動を系統側で吸収例えば水素の変動吸収性に着目しパワエレ EMS 技術等により出力を経済価値の高い安定部分と低い変動部分とに分離し安定部分は系統で電力として不安定部分は水素製造に活用することが考えられる自然変動電源出力の分離 ( イメージ ) 快晴時の出力晴れ時々曇りの出力 [ 時 ] 不足分は蓄電池等で補償 [ 時 ] [ 時 ] [ 出典 ] 資源エネルギー庁作成 12

14 トータルでのCO2フリー水素供給システムの確立従来そのままの形で我が国に輸送することは困難であった海外の未利用エネルギーを水素の形に変換することで輸送性や貯蔵性を高めようとする取組が進展将来的には CCS等のCO2排出を低減する技術と組み合わせることでトータルでのCO2フリーの水素供給システムを確立することを目指す水素の製造水素キャリアへの変換海外の水素源随伴ガス褐炭水素キャリアの輸送有機ﾊｲﾄﾞﾗｲﾄﾞ水素キャリアの貯蔵水素の取出し水素をトルエンと化合させメチルシクロヘキサンに常圧水素の１５００に圧縮可副生水素水素の製造ガス化水蒸気改質等液化水素水素の精製技術確立済み技術確立済み常温常圧での輸送ケミカルタンカー利用常温常圧での貯蔵石油タンク等利用脱水素設備の大規模化脱水素高効率化が必要水素利用水素発電燃料電池水素を２５３まで冷却することで液化常圧水素の１８００に圧縮可工業ガス等水素キャリアへの変換トルエンと化合 MCH CH３水素液化液化水素液化水素船の開発が必要液化水素タンクの大規模化ボイルオフ低減が必要技術確立済み 13

15 CO2 フリー水素 WG 検討スケジュール ( 案 ) 第 1 回第 2 回 6/22 第 3 回第 4 回第 5 回第 6 回第 7 回第 8 回時期議題内容 5/13 1WG 趣旨説明検討の目的射程 2P2G を巡る現状 8 月上旬 9 月中旬 10 月中旬 11 月中旬 12 月中旬 1 月下旬 1 再生可能エネルギーを巡る現状と将来見通し余剰の考え方 2P2G の適地や環境 /P2G の系統負荷軽減効果 1 自然変動電源から水素を製造する際の課題発電予測 2 再エネ短周期成分の活用 1P2G 技術の現状と見通し 2 他の競合技術との比較分析 1CO2 フリー水素の定義について 2CO2 フリー水素のアプリケーション ( 地産地消都市における利用について ) 1 海外の CO2 フリー水素について 1 海外の P2G 事例 ( 出張報告 ) 2 取組方針の整理報告書骨子案 WG 開催趣旨目的アウトプットスケジュール海外動向 NEDO プロ概要説明地域毎の再エネの導入見通し P2G 技術の活用ポテンシャルの評価将来発生しうる余剰電力の系統への影響や対策について発電予測技術について再エネの短周期成分の分離活用方策について水電解技術水素貯蔵技術純水素燃料電池について蓄電池等の蓄エネルギー技術との比較工場の CO2 フリー化等 CO2 フリー水素の利活用方策について再エネ由来水素副生水素等の LCA 既存のエネルギーインフラを踏まえた CO2 フリー水素の地方における地産地消都市への輸送の考え方等を整理 EOR 技術海外からの水素輸送について秋の出張報告骨子案の審議プレゼン候補者 ( 敬称略 ) 1 METI 2 NEDO 1 日本エネルギー経済研究所エネルギー総合工学研究所 2 東北電力九州電力 12NTT ファシリティースユーラスエナシーホールティンクス富士電機 1 JSW 旭化成東レ東芝 2 JSW 旭化成東芝 1 トヨタ自動車 2 JX エネルギー岩谷産業東芝 1 川崎重工業千代田化工建設 1 METI NEDO 2 METI 1 報告書案の審議報告書案の審議 1 METI 今後の議論の状況に応じて適宜変更があり得る 14

16 第 2 回第 3 回 6 月 22 日 8 月上旬開催予定議題再生可能エネルギーを巡る現状と将来見通し余剰の考え方 P2G の適地や環境 /P2G の系統負荷軽減効果自然変動電源から水素を製造する際の課題発電予測再エネ短周期成分の活用現状背景 Question 平成 27 年 7 月に決定された長期エネルギー需給見通しでは 2030 年度における再生可能エネルギー比率を 22~24% と見込んでいる一方で再生可能エネルギーの導入拡大に伴う接続保留などの問題が顕在化している平成 26 年 10 月末時点での太陽光発電の認定量は全国で約 7,077 万 kw また太陽光風力などの再生可能エネルギーは自然条件によって出力が大きく変動する特徴があり今後の導入量の拡大による系統への影響が懸念される再生可能エネルギーの現在までの導入状況今後の導入見通し課題と対応方針について再生可能エネルギーの余剰電力は現在及び将来においてどのようなケースにおいて生じることが想定されるかまた系統連携問題の現状及び CO2 フリー水素への期待について P2G 技術の電力安定化のための活用可能性について風力太陽光発電にかかる予測技術と P2G 技術の活用可能性について自然変動電源の短周期成分の分離と P2G 利用の可能性について 15

17 第 4 回 9 月中旬開催予定議題 P2G 技術の現状と見通し他の競合技術との比較分析現状背景 Question 水素によるエネルギー貯蔵については大規模かつ長期のエネルギー貯蔵で有利とされまた地形や地質など環境条件による影響を受けにくいという特徴がある電力貯蔵時間が 1 時間 ~ 四季エネルギー貯蔵容量が 5GWh~5TWh 一方水電解装置の大型化については低コスト化といった課題があるまたすでに技術が確立されているアルカリ型に対して研究開発段階の PEM 型や SOEC 型の水電解の大型化については今後技術開発や実証が必要とされるアルカリ PEM SOEC のそれぞれの特徴ポテンシャル棲み分け等についての整理蓄電池とのコスト比較棲み分けについての整理水電解装置の詳細なコスト分析構成要素ごとの価格低減見込み将来ターゲットについて水電解装置のスペック ( 効率入力電力に対する応答性 ) 将来ターゲットについてディマンドリスポンスとしての P2G システムの応用範囲について ( 応答性追従性等 ) 海外プレーヤーの技術水準と競争力比較 16

18 第 5 回 10 月中旬開催予定議題 CO2 フリー水素の定義 CO2 フリー水素のアプリケーション ( 地産地消都市における利用について ) 現状背景 CO2 フリー水素とされるものには水素製造に必要な電力を再生可能エネルギーから調達するものや CCS 等の技術と組み合わせることで水素の製造過程で発生する CO2 を分離回収しトータルで CO2 フリーとするものなどがある副生水素については追加的に CO2 を発生しない点で CO2 フリーであると考えられるが主産物の製造過程で発生した CO2 をどのように帰属させるかが課題となる平成 27 年 6 月に閣議決定された日本再興戦略改訂 2015 において地方に豊富に存在する再生可能エネルギーを活用して CO2 フリーの水素を製造しこれを都市部などへ輸送利用することで CO2 フリーの水素社会モデルの構築を図ることとされている Question 副生水素の取り扱いも含めどこまでの範囲を CO2 フリー水素と定義すべきか CO2 フリー水素の活用が期待されるのはどのような領域か CO2 フリーの地産地消モデル都市への輸送利用モデルとしての展望について 17

19 第 6 回第 7 回 11 月中旬 12 月中旬開催予定議題海外の CO2 フリー水素について海外の P2G 事例現状背景 Question 平成 28 年 3 月に改訂されたロードマップにおいては海外の未利用エネルギーから製造された水素と CCS 等の技術を組み合わせることでトータルで CO2 フリーである水素供給システムの確立を目指すとしている海外からの CO2 フリー水素についてどのような調達モデルがあり得るか ( 経済性評価等 ) 海外からの CO2 フリー水素の将来展望 ( 場所エネルギー源輸送方法等 ) CO2 フリー水素を巡る欧米等諸外国の状況 18

第 3 回 WG での事業者プレゼン概要再エネ発電事業者によるプレゼン概要再生可能エネルギー電源はそのまま水素製造用途とするには高コストであり他方で出力抑制分を活用する場合は供給安定性が低いということを踏まえ計画段階からある程度の規模の余剰電力を見込んで発電プラントを建設運営することも考

第 3 回 WG での事業者プレゼン概要再エネ発電事業者によるプレゼン概要再生可能エネルギー電源はそのまま水素製造用途とするには高コストであり他方で出力抑制分を活用する場合は供給安定性が低いということを踏まえ計画段階からある程度の規模の余剰電力を見込んで発電プラントを建設運営することも考第 4 回 CO2 フリー水素 WG 事務局提出資料平成 28 年 9 月 29 日資源エネルギー庁省エネルギー新エネルギー部新エネルギーシステム課水素燃料電池戦略室第 3 回 WG での事業者プレゼン概要再エネ発電事業者によるプレゼン概要再生可能エネルギー電源はそのまま水素製造用途とするには高コストであり他方で出力抑制分を活用する場合は供給安定性が低いということを踏まえ計画段階からある程度の規模の余剰電力を見込んで発電プラントを建設