製品進化とマネジメント風景第46話水素社会への紆余曲折とシナリオマネジメント

2021.07.04 コラム

CO2排出低減については、腰の重かった日本においても、掛け声から実際の活動に重点が移りつつあります。クリーンエネルギーあるいはグリーンエネルギーとして、以前から水素はしばしば話題になるものの、しばらくすると消えていくことを繰り返してきました。今回は本物でしょうか？

人類が毎年消費しているエネルギーを大雑把に俯瞰すると、1/3はエネルギー源の産出に使われ、残りの2/3が人類の活動や生活に消費されています。さらに、後者である人類の活動や生活に消費されているエネルギーのうち、電力が使用されているのは1/4あり、残りの3/4は電力以外の形態で占められています。

つまり、仮に全ての電力生産を化石燃料から再生可能電力に変更してクリーンな形にしたとしても、全エネルギーの1/6（=2/3×1/4）にしかなりませんので、CO2排出への影響は限定的です。残りの5/6に相当する電力以外のエネルギー利用を変えないといけないということです。

電力エネルギー以外のエネルギー利用は主に熱の利用であり、燃料を燃やす形で消費されています。バイオマス燃料も使用されていますが大部分が化石燃料です。大量のCO2が排出されるので、ここに手を当てる必要があります。そこで、使用する燃料を、化石燃料から水素に置き換えようという考えが出てきました。そうすればCO2排出は減るだろう。水素の製造プロセスで発生するCO2排出の話を脇に置けば、ここまでは説得力があります。

実際には、水素の製造には何らかのエネルギー投入が必要であり、当然、CO2が発生する可能性があります。CO2排出を抑えた、あるいは排出ゼロとして水素を生産することは本当に実現可能なのか？　あるいは、実現するまでにどのような道を辿り、どれくらいの時間がかかるのか？　時々、無責任な言い分（後述）を聞きますが、今の所、水素社会を実現する道筋について説得力のある説明はなされていません。

脱炭素については、企業にせよ学術界にせよ、専門分野ごとにそれぞれの立場での主張がなされていると思います。専門人材は有益な存在です。しかし、専門人材とは1つの専門に特化した人であり、それは1つの道具しか持っていない人であるということを意味します。誤解を恐れずに言えば、何でもその道具で解決しようとするので、部分最適に陥りやすいという欠点を持っています。部分最適な考え方は部分しか見ていないので、他の部分で大きな抜け漏れが生じやすく、人類全体に大きな悪影響を及ぼすテールリスクを見落とす懸念があります。

テールリスクというのは、滅多に発生しないが、発生すると致命的問題を引き起こすリスクのことです。具体例としては、2009年の金融危機や2011年の東日本大震災に起因した原子力発電所破損が挙げられます。後者については、地震や津波が来ても、バックアップ電源が機能すれば発電所を安全に停止できたとされますが、そのバックアップ電源が津波で損傷する場所に設置されるという致命的なミスがありました。この種のリスクは専門人材でなくても気付けるはずです。きっと気付いている人はいたと思いますが、滅多に起こらないことを理由にその声はかき消されたのだろうと私は推定しています。しかし、それが世界を揺るがす大事故を引き起こしてしまいました。

水素社会をつくる途上に、上記のようなテールリスクが無いかどうかを十分に見極める必要があります。そこで、現在考えられている水素生産方法について1つ1つ検討していきましょう。

水素を生産する技術は歴史的には以下の経過を辿っています。第1世代の技術では、水素は化石燃料を処理して入手します。石油系燃料ではエネルギーと水蒸気を投入し、CO2と水素を発生させます。石炭を乾留してコークスと水素を得る方法もあります。こちらは鉄鋼生産で実施されている方法です。ただし、どちらにしても化石燃料から水素を入手する場合には必ずCO2が発生するので、これを何とかしなければなりません。さもなければ燃やすのと大差ありません。

現在考えられている方法はCCS (Carbon Capture & Storage)技術により、地中に貯留するという対策が主流だと思います。このコンセプトは、石油や天然ガスが何百万年も地中に眠っていたことから説得力があります。特に炭酸塩に固形化して貯留した場合には安全性が高く、何かの拍子にCO2が地中から吹き出してくるリスクもありません。炭酸塩化にはコスト面での課題がありますが、テールリスクは無いと認識しています。

これに対して、CO2を気体の形で貯留する場合はどうでしょうか？少なくとも、地震が起こりやすい場所では止めるべきでしょう。地下の岩盤に割れ目が入ってCO2が吹き出す可能性があります。日本などの地震国ではCCSの適用が難しいため、地震が起こらない他国に依存せざるを得ません。これは、自国の排出したゴミを他国に埋めるような感じがして個人的に気に入りませんが、１つの現実的な方法だと思います。とは言え、プレートテクトニクスが示唆するように、地震がない国でもマントルの上を少しずつ移動しているわけですから、絶対に地震が起こらないとは言いきれません。貯留したCO2が一気に吹き出すテールリスクを考慮すると、気体の形で貯留するCCSでは、その貯蔵量に上限を設定し、分散化するのが妥当だと思います。

第2世代では、電力を投入して水を電気分解することにより酸素と水素を発生させます。既に実用化されており、直接的な排出物としてCO2はないので第1世代よりは環境性に優れています。ただし、電気分解のために電力が必要です。化石燃料を燃やして電力を生産するのでは意味がありませんから、電力は再生可能電力を使うことを想定します。しかし、現在生産されている再生可能電力は、人類が使用するエネルギーの10%程度にしかなりません。IEAは2040年になっても20%程度と予測しています。この予測も正しいかどうかは分かりませんが、IEAは一定の根拠に基づいて語っています。この数字を信用すると、再生可能電力を使った水素生産量は相当限定されることになるでしょう。この道筋で進んでいくには、再生可能電力の普及スピードがIEAの予測の数倍で進むことが必要条件です。

第3世代は人工光合成です。植物の光合成は、水、CO2および太陽光から酸素と炭化水素を作りますが、人工光合成では水と太陽光から酸素と水素を作ります。エネルギー源として電力を使用せずに太陽光を使うので、非常に環境性に優れています。ただし、今の所、水素生成効率が低いので、とてつもなく広い場所が必要であるという課題が残っています。これら第2世代と第3世代の水素製造法については、別途、詳しく議論したいと思います。

さて、仮に水素を大量に製造できたとして、輸送あるいは貯蔵するのでしょうか。水素は単位重量当りのエネルギー密度が石油の3倍弱と高いですが、一方で体積当たりのエネルギー密度が低く嵩張ります。気体状態では3000倍の体積、液化しても4倍弱の体積が必要です。液化を保つには-250℃レベルの低温を維持する必要があります。かなり大変そうですが、幸いなことに今日ではLNG（液化天然ガス）を大量に扱っています。LNGは-160℃レベルに冷やされて液化して貯蔵・輸送されています。よって、この既存技術を改良することにより、液化水素を扱うことが可能になると考えられます。アンモニアなどに変換して輸送や貯蔵するという話も技術的には実現可能です。

水素という嵩張る燃料は、セメント工場や火力発電所のような、大規模で動かない設備には向いています。このような設備での利用において残された大きな問題は、天然ガスとのコスト競争力です。

一方、あちこちで小規模に熱を生成したい場合には、その場所まで水素を輸送して貯蔵する必要があります。輸送機器の場合も、水素ステーションが必要であるだけでなく、嵩張る燃料を自らに搭載しなければなりません。体積を減らすには数百気圧に圧縮するか、冷やして液化することが求められます。不可能ではありませんが、水素の扱いにくさが目立ってきます。水素燃料を扱いやすい燃料に変換したいという考え方が出てきても不思議ではありません。そこで水素と回収したCO2から炭化水素燃料を作るE-fuelというコンセプトが出てきました。このEはドイツ語起源だそうで、再生可能電力を使用すると意味が込められているそうです。しかし、前述したように、現時点では再生可能電力は希少資源であるため矛盾を含んだコンセプトです。

せっかく再生可能な電力を生産しても、それを水素に変換した時点で10%以上のエネルギーが熱となって逃げていきます。さらに水素とCO2から炭化水素燃料を作る段階でさらに数十%のエネルギーが損失します。ゆえに、このコンセプトは、再生可能電力が余剰になる日まで実現しないでしょう。E-fuel社会を語る場合には、再生可能電力の生産が余剰になる時期の予想を添えて語っていただく必要があると思います。さもないと、かなり無責任な感じがしてしまいます。

E-fuelの実現は当分無さそうだと説明してきましたが、それでも世の中には、気体燃料は扱いにくいので液体燃料を使いたいというニーズは残るだろうと思います。そうなると残っているのはバイオ燃料です。

バイオ燃料は環境に優しくないという話を時々聞きます。確かに森林を伐採して耕地を作る場合はそのとおりでしょう。バイオ燃料の環境性を評価する指標としては、作物を育成して燃料を製造するまでに投入したエネルギーと、生産した燃料が発生できるエネルギーの比が妥当です。この数値が１を超えれば、一応、カーボンニュートラルということになります。その指標を確認すると、バイオ燃料はやはり環境に優しいといえます。投入したエネルギーには、当然ですが、肥料製造や輸送に要したエネルギーも含まれています。

バイオ燃料として既に事業化されているトウモロコシあるいはさとうきびから製造したバイオエタノールについて、前述の指標数値を確認すると、前者は1.3、後者は9.2という評価です。さとうきびを使うと、投入したエネルギーの約10倍が戻ってくるということです。これらの数字は2002年と1997年に米国農業省が発表した数字であり、ある程度は信用できるのではないかと思います。この結果を見る限り、バイオ燃料はカーボンニュートラルといえます。なお、さとうきびの数字が高いのは、搾り滓をエタノール精製のための燃料として有効利用しているためと考えられています。

バイオ燃料用の植物材料としてはトウモロコシとさとうきびが他をリードしていますが、この2つはC4植物といわれ、地球のCO2濃度が低くなってきたことにより対応して約1200万年前に進化して出現した植物と言われています。地球のCO2濃度は、1億年前は現在の4倍だったそうですがゆっくりと下がってきました。その環境変化に対応した存在だということです。これに対して稲、小麦、大豆は35億年前から進化していないC3植物です。これらの植物にとっては現在のCO2濃度はやや低く、むしろ高まることを望んでいるでしょう。今のCO2濃度ではC4植物の方が優位であり、トウモロコシとさとうきびの時代が続きそうです。しかし、さらにCO2濃度が上がってくると、C3植物の生産性が上がり、バイオ燃料植物としても優位になる可能性があります。

しかし、バイオ燃料にも問題があります。人類が年間消費するエネルギーは、地球上の年間バイオエネルギー生産量の10%レベルにまで達しているという見積もりがあります。1%程度ならば生体系への影響も小さいかもしれませんが、10%だと影響が非線形的に大きくなる可能性があります。人類が必要な全エネルギーをバイオに依存することは生態系に対するテールリスクになりえるということです。よって、バイオ燃料に頼るとしても上限を設定し、厳格に守る必要があると考えます。

水素社会はもちろん電化社会についてもグローバルな視点で検討すると、その実現にまだまだ時間がかかりそうです。本命不在の状態が当分続くということです。製品を駆動するためのエネルギー源として何を使用するかは事業の成長や存続を左右する重要な要素です。事業全体、社会全体を俯瞰してその関係性を見える化し、何が変化すると事業に影響するのかを検討し、変化に柔軟に対応できる組織作りの重要性が高まってきていると考えます。貴社は、柔軟な組織づくりをするためにどのような工夫をしていますか？鍵は多くの異分野の専門人材を上手に統合して成果を出す仕掛けだと私は考えています。