水素経済ナビゲーター

グリーン水素製造の鍵を握る電解技術：タイプ別コスト動向と政策支援の最適化戦略

はじめに：グリーン水素製造における電解技術の重要性

脱炭素社会の実現に向け、再生可能エネルギー由来の電力を用いて水を電気分解することで製造されるグリーン水素への期待が高まっています。グリーン水素は、製造過程でCO2を排出しないため、産業、運輸、発電など幅広い分野での利用により、温室効果ガス排出量削減に大きく貢献する可能性を秘めています。

グリーン水素製造の核心となるのが「水電解技術」です。この技術の進展は、製造コスト低減と製造規模拡大を可能にし、グリーン水素の社会実装速度を左右する重要な要素となります。政策担当者としては、多様な電解技術の現状と将来展望、それぞれの技術が持つコスト構造や効率性、変動する再生可能エネルギーとの連携における特性などを深く理解し、最適な政策支援のあり方を検討することが求められます。

本稿では、主要な水電解技術の種類とその特徴、技術開発・スケールアップに伴うコスト低減の動向、そしてこれらの技術進展を踏まえた政策支援の最適化に向けた論点について解説します。

主要な水電解技術の種類と特徴

現在、グリーン水素製造に用いられる主な水電解技術には、以下のタイプがあります。それぞれの技術は異なる特性を持ち、適用される状況やコスト構造が異なります。

• アルカリ水電解（Alkaline Electrolysis Cell, AEC）:

  • 最も歴史があり、技術的に成熟した電解技術です。
  • 電解質に水酸化カリウムなどのアルカリ水溶液を用います。
  • 比較的安価な材料で構成され、初期投資コストが低いという利点があります。
  • 一方で、運転温度や圧力に制限があり、負荷応答性（電力供給の変動への追随性）が低いという課題があります。大規模設備の実績が豊富です。

• 固体高分子形水電解（Proton Exchange Membrane Water Electrolysis, PEMEC）：

  • 高分子膜を電解質として用いる技術です。
  • 高い電流密度での運転が可能であり、コンパクトなシステム設計が可能です。
  • 特に、負荷変動への応答性が非常に高く、太陽光や風力などの変動性の高い再生可能エネルギー電源との直接連携に適しています。
  • 電極材料に貴金属（白金、イリジウムなど）を使用するため、AECに比べて初期投資コストが高い傾向にあります。

• 固体酸化物形電解セル（Solid Oxide Electrolysis Cell, SOEC）：

  • 酸化物イオン伝導性の固体セラミックスを電解質として用いる技術です。
  • 高温（700℃〜900℃程度）で作動するため、高いエネルギー変換効率を実現できる可能性があります。
  • 製鉄所や化学プラントなどで発生する廃熱を利用することで、さらなる効率向上やコスト削減が期待できます。
  • 技術的にはAECやPEMECに比べて開発途上であり、耐久性や高温運転の課題解決が進められています。

• アニオン交換膜水電解（Anion Exchange Membrane Water Electrolysis, AEMEC）：

  • 比較的新しい技術で、アルカリ水電解の電解質とPEMECの膜構造を組み合わせたような特徴を持ちます。
  • 電極材料に貴金属を使用しないことが可能であり、PEMECの利点である応答性を持ちつつ、コスト低減が期待されています。
  • 現在、実証段階や初期導入段階にあり、今後の技術成熟が注視されています。

電解技術のコスト構造と低減動向

電解槽システム全体のコストは、主に初期投資コスト（設備費）と運転コスト（電力費、メンテナンス費など）から構成されます。グリーン水素の場合、運転コストの大部分を占めるのは製造に用いる電力、すなわち再生可能エネルギー電力のコストです。

技術開発と製造規模の拡大により、電解槽の初期投資コストは着実に低下傾向にあります。特にPEMECやSOECといった比較的新しい技術では、材料開発、セル構造の最適化、製造プロセスの効率化などにより、単位水素生産量あたりの設備費が下がることが期待されています。

また、製造規模の拡大（数MWから数十MW、さらには100MW級のメガワット、ギガワットスケールへ）に伴う量産効果もコスト低減に大きく寄与します。世界各国で大規模なグリーン水素プロジェクトが計画・実行されており、これにより電解槽の製造能力が向上し、単価が低下する「学習曲線」効果が働くと考えられます。

IEA（国際エネルギー機関）などの予測では、技術進展と規模拡大、再生可能エネルギー電力コストの低下が複合的に作用することで、2030年頃には多くの地域でグリーン水素製造コストが化石燃料由来のグレー水素と同等、あるいはそれ以下になる可能性が示唆されています。

技術進展を踏まえた政策支援の最適化戦略

電解技術の多様性と進化は、政策設計においていくつかの重要な論点を提起します。政策担当者は、限られたリソースの中で、どの技術をどのように支援し、全体としてグリーン水素導入を加速させるかを検討する必要があります。

1. 技術開発・実証への継続的な投資:

   • SOECやAEMECのような開発途上技術の早期実用化、既存技術（AEC, PEMEC）のさらなる性能向上・コスト低減には、研究開発および大規模実証プロジェクトへの継続的な支援が必要です。
   • 特に、耐久性向上、貴金属使用量削減（PEMEC）、高温・高圧運転技術（SOEC）などのブレークスルーがコスト競争力を決定づける可能性があります。

2. 初期市場形成とスケールアップ支援:

   • 現状、グリーン水素のコストはグレー水素に比べて高い場合が多く、初期段階では政策による需要側・供給側双方へのインセンティブが必要です。
   • 電解槽の製造スケールアップを促すため、大規模プロジェクトの形成を支援する補助金や税制優遇措置が有効と考えられます。特定の技術タイプに限定せず、競争的な環境で複数の技術が発展できるよう配慮することも重要です。

3. 変動再エネ連携と系統柔軟性への貢献評価:

   • PEMECなどの高い負荷応答性を持つ電解槽は、変動性の高い再生可能エネルギーの余剰電力を有効活用し、電力系統の安定化に貢献するポテンシャルを持ちます。
   • こうした系統貢献価値を適切に評価し、電解水素製造事業者に対するインセンティブ設計に組み込むことが、再エネ大量導入下での水素製造を加速させる上で重要となります。系統運用者との連携や、電力市場設計の見直しも視野に入れる必要があります。

4. 国際標準化とサプライチェーン構築:

   • 電解槽システムや部品の国際標準化は、グローバルなサプライチェーン構築とコスト競争力向上に不可欠です。
   • また、特定の技術に依存せず、多様な電解技術のサプライヤーが国内または国際的に連携して事業展開できる環境を整備することも、リスク分散と安定供給の観点から重要です。

結論：技術選択と政策支援のバランス

グリーン水素製造の中核を担う電解技術は多様であり、それぞれが異なる特性とコスト構造を持ち、技術開発が進んでいます。AECは成熟技術としての安定性、PEMECは変動再エネ連携への適性、SOECは高効率と熱利用の可能性など、それぞれが強みを持っています。

政策担当者は、これらの技術的特徴とコスト低減の動向を的確に把握しつつ、単一の技術に偏るのではなく、複数の技術開発・普及を支援するポートフォリオアプローチを検討することが求められます。変動再エネとの連携強化、産業分野での熱利用ポテンシャル、そして最終的な水素利用用途などを考慮し、それぞれの技術が最も競争力を持つニッチ市場や大規模市場への導入を後押しする政策設計が重要となります。

技術開発への継続的な投資、初期市場形成・スケールアップ支援、変動再エネ連携価値の評価、そして国際標準化とサプライチェーン構築支援をバランス良く組み合わせることで、電解技術を通じたグリーン水素製造コストのさらなる低減と、持続可能な水素社会の実現に貢献することが期待されます。