Hydrogen: Fuel of the Future?

Imagine a car whose exhaust pipe releases nothing but a few drops of water. Such cars already exist. They run on hydrogen, the lightest and most abundant element in the universe, and many governments and companies see it as a key tool in the fight against climate change. Japan, in particular, has invested heavily in what it calls a "hydrogen society." Yet hydrogen has also been criticized as expensive, inefficient, and overhyped. Is it really the fuel of the future, or a distraction from better solutions?

排気管から出てくるのは、わずかな水のしずくだけ。そんな車を想像してみてください。実は、そうした車はもう走っています。水素で走る車です。水素は宇宙でいちばん軽く、いちばん多くある元素です。多くの国の政府や企業が、水素は気候変動との戦いで重要な手段になると考えています。特に日本は、「水素社会」と呼ぶものの実現に多額の投資をしてきました。しかし水素は、高い、効率が悪い、期待されすぎている、とも批判されてきました。水素は本当に未来の燃料なのでしょうか。それとも、もっとよい解決策から目をそらさせるものなのでしょうか。

To answer this question, we first need to understand what hydrogen is and what it is not. Hydrogen is not an energy source in the way that coal or sunlight is. On Earth, it is almost never found on its own; instead, it is locked up in compounds such as water and natural gas. To use it as a fuel, we must first separate it, and that process itself requires energy. For this reason, experts describe hydrogen as an energy carrier, much like electricity, rather than a primary source of energy.

この問いに答えるには、まず、水素とは何なのか、そして何ではないのかを理解する必要があります。水素は、石炭や太陽の光と同じ意味でのエネルギー源ではありません。地球上では、水素が単独で見つかることはほとんどなく、水や天然ガスなどの化合物の中に閉じこめられています。燃料として使うには、まず水素を取り出さなければならず、その作業そのものにエネルギーが必要です。そのため専門家は、水素を一次エネルギー源ではなく、電気と同じような「エネルギーの運び手」だと説明します。

Once it has been produced, hydrogen can be used in two main ways. It can be burned, like natural gas, to produce heat. Alternatively, it can be fed into a fuel cell, a device that combines hydrogen with oxygen from the air to generate electricity directly. In both cases, the main by-product is water rather than carbon dioxide. This is what makes hydrogen so attractive at a time when the world is trying to reach net-zero emissions.

つくった水素の使い方は、主に二つあります。一つは、天然ガスと同じように燃やして熱を得る方法です。もう一つは、燃料電池に送りこむ方法です。燃料電池とは、水素と空気中の酸素を結びつけて、直接電気を生み出す装置です。どちらの場合も、主に出てくるのは二酸化炭素ではなく水です。世界が排出を実質ゼロにしようとしている今、水素がこれほど注目されるのはそのためです。

The catch lies in how hydrogen is made. In the early 2020s, the world used roughly 95 to 100 million tons of hydrogen a year, mostly to refine oil and to make ammonia for fertilizer. Over 99 percent of it was produced from fossil fuels, mainly natural gas and coal, in processes that release large amounts of carbon dioxide. This is often called "gray" hydrogen, and when the carbon dioxide is captured and stored underground, the result is called "blue" hydrogen. Only when hydrogen is made by splitting water with electricity from renewable sources, a process called electrolysis, is it truly "green." At present, less than one percent of the world's hydrogen production is low-carbon.

問題は、水素のつくり方にあります。2020年代の初め、世界では年に9,500万〜1億トンほどの水素が使われていました。その多くは、石油の精製と、肥料にするアンモニアの製造に使われました。そのうち99パーセント以上は、主に天然ガスや石炭といった化石燃料からつくられていて、その過程で大量の二酸化炭素が出ます。これはよく「グレー水素」と呼ばれます。出てきた二酸化炭素を回収して地下にためた場合は、「ブルー水素」と呼ばれます。再生可能エネルギーの電気で水を分解してつくったとき、つまり電気分解でつくったときにだけ、水素は本当の意味で「グリーン」になります。今のところ、世界でつくられる水素のうち、低炭素のものは1パーセントにも届きません。

Why, then, are so many countries interested in hydrogen? The main reason is that some parts of the economy are very difficult to run on electricity alone. Batteries are heavy, so they are poorly suited to large ships, long-distance aircraft, and heavy trucks that travel great distances. Some industries also need extremely high temperatures or chemical reactions that electricity cannot easily provide. Steelmaking is a good example. Traditional steel production uses coal to remove oxygen from iron ore, and the steel industry is responsible for around seven percent of the world's greenhouse gas emissions.

では、なぜこれほど多くの国が水素に関心をもっているのでしょうか。主な理由は、経済の中に、電気だけで動かすのがとても難しい分野があることです。電池は重いので、大型の船や、長い距離を飛ぶ飛行機、遠くまで走る大型トラックには向いていません。また、とても高い温度や、電気では起こしにくい化学反応を必要とする産業もあります。製鉄はそのよい例です。昔ながらの製鉄では、鉄鉱石から酸素を取り除くのに石炭を使います。そして鉄鋼業は、世界の温室効果ガスの排出量の約7パーセントを占めています。

Hydrogen offers a possible solution. If hydrogen is used instead of coal to remove the oxygen, the main by-product is water. In Sweden, a project called HYBRIT announced in 2021 that it had produced steel in this way and was ready to deliver it to customers. Japanese steelmakers are also researching ways to use hydrogen in their furnaces, although these methods are still costly and not yet used on a large scale.

水素は、その解決策になるかもしれません。酸素を取り除くのに石炭のかわりに水素を使えば、主に出てくるのは水になるからです。スウェーデンでは、HYBRIT（ハイブリット）という事業が2021年、この方法で鉄鋼をつくり、客に届ける準備ができたと発表しました。日本の鉄鋼会社も、炉の中で水素を使う方法を研究しています。ただ、こうした方法はまだ費用が高く、大規模には使われていません。

Hydrogen could also help to overcome one of the biggest weaknesses of renewable energy: its dependence on the weather. On sunny or windy days, solar panels and wind turbines sometimes produce more electricity than people need. This surplus could be used to make hydrogen, which can be stored for weeks or months and turned back into electricity when demand rises. Batteries, by contrast, are better suited to storing energy for hours rather than for whole seasons.

水素は、再生可能エネルギーの最大の弱点の一つ、つまり天気に左右されるという問題を乗りこえる助けにもなりえます。晴れた日や風の強い日には、太陽光パネルや風車が、必要以上の電気をつくってしまうことがあります。この余った電気で水素をつくれば、何週間も何か月もたくわえておき、電気が必要になったときに電気に戻せます。これに対して電池は、季節をまたいでためるより、数時間ほどエネルギーをためておくのに向いています。

Japan has been one of hydrogen's strongest supporters. As a country with few natural resources, it imports most of its energy, and its government hopes that hydrogen, whether produced at home or imported from a wide range of partners, can make its energy supply both cleaner and more secure. In 2017, Japan became one of the first countries to publish a national hydrogen strategy, and it has expanded its plans since then.

日本は、水素を最も強く推し進めてきた国の一つです。天然資源が少ない日本は、エネルギーの大部分を輸入しています。国内でつくるにせよ、さまざまな相手国から輸入するにせよ、水素によってエネルギーの供給をよりクリーンで、より安定したものにしたい、と政府は考えています。2017年、日本は世界でもいち早く国の水素戦略を発表した国の一つとなり、その後も計画を広げてきました。

Japanese companies have also achieved several notable firsts. In December 2014, Toyota began selling the Mirai, often described as the first fuel cell car to be mass-produced and sold to the public. Since 2009, Japanese homes have been able to install fuel cell systems called Ene-Farm, which extract hydrogen from city gas and produce both electricity and hot water. In 2020, a large facility that uses solar power to make hydrogen opened in Namie, Fukushima Prefecture; at the time, it was described as one of the largest of its kind in the world. And in early 2022, the Suiso Frontier, the world's first ship designed to carry liquefied hydrogen, brought its first cargo from Australia to Kobe.

日本の企業は、注目すべき「初めて」もいくつか成しとげてきました。2014年12月、トヨタはミライの販売を始めました。ミライは、大量生産されて一般に売り出された最初の燃料電池車だとよく言われます。2009年からは、日本の家庭で「エネファーム」という燃料電池のシステムを取りつけられるようになりました。都市ガスから水素を取り出し、電気とお湯の両方をつくる仕組みです。2020年には、太陽光の電気で水素をつくる大きな施設が、福島県浪江町で動き始めました。当時、この種の施設としては世界最大級だと言われました。そして2022年の初めには、液化水素を運ぶためにつくられた世界初の船「すいそ ふろんてぃあ」が、最初の積み荷をオーストラリアから神戸に運びました。

Despite these achievements, hydrogen faces serious obstacles. The first is cost: green hydrogen remains much more expensive than gray hydrogen, because electrolysis requires large amounts of cheap renewable electricity as well as expensive equipment. The second is efficiency. Every time energy is converted from one form to another, some of it is lost. Making hydrogen from electricity, compressing or cooling it, transporting it, and then turning it back into electricity in a fuel cell wastes a large share of the original energy. Several studies suggest that a fuel cell car uses roughly two to three times as much electricity per kilometer as a battery electric car.

こうした成果はあるものの、水素には大きな壁がいくつもあります。一つ目は費用です。グリーン水素は今も、グレー水素よりずっと高くつきます。電気分解には、安い再生可能エネルギーの電気が大量に必要なうえ、高価な設備もいるからです。二つ目は効率です。エネルギーは、ある形から別の形に変えるたびに、その一部が失われます。電気から水素をつくり、それを圧縮したり冷やしたりして運び、燃料電池で再び電気に戻す。この過程で、もとのエネルギーの大きな部分がむだになってしまいます。いくつかの研究によると、燃料電池車が1キロメートル走るのに使う電気は、電気自動車のおよそ2〜3倍になります。

Hydrogen is also difficult to store and transport. Because it is the lightest of all elements, a large volume is needed to hold even a modest amount of energy. It must be compressed to very high pressure, or cooled to minus 253 degrees Celsius to turn it into a liquid. Its tiny molecules leak easily and can make some metals brittle, so pipelines and tanks must be specially designed. It also catches fire very easily, which means that strict safety rules are essential.

水素は、ためたり運んだりするのも大変です。すべての元素の中でいちばん軽いので、それほど多くないエネルギーをためるにも、大きな体積が必要になります。とても高い圧力で圧縮するか、マイナス253度まで冷やして液体にしなければなりません。分子がとても小さいので漏れやすく、一部の金属をもろくしてしまうこともあります。そのため、パイプラインやタンクは特別な設計が必要です。また、とても燃えやすいので、厳しい安全のルールが欠かせません。

These problems are especially visible in the car market. While sales of battery electric cars have grown rapidly around the world, fuel cell cars remain rare. By November 2022, about 21,000 Mirai had been sold worldwide, whereas millions of battery electric cars are now sold every year. Hydrogen stations are expensive to build, and even in Japan they are far less common than gas stations. As a result, many experts now believe that hydrogen will play a bigger role in trucks, ships, and factories than in ordinary passenger cars.

こうした問題は、自動車の市場で特にはっきり表れています。電気自動車の売り上げが世界中で急に伸びている一方で、燃料電池車は今も珍しい存在です。2022年11月までに世界で売れたミライは、約2万1,000台でした。これに対して電気自動車は、今では毎年何百万台も売れています。水素ステーションは建てるのにお金がかかり、日本でさえガソリンスタンドよりずっと少ないのが現状です。そのため今では多くの専門家が、水素は一般の乗用車よりも、トラックや船、工場で大きな役割を果たすだろう、と考えています。

Critics also question whether the hydrogen being promoted is truly clean. The first cargo carried by the Suiso Frontier, for example, was made from brown coal in Australia. Supporters explained that in the future, the carbon dioxide released in the process would be captured and stored, but critics argued that until this happens, such hydrogen cannot honestly be called clean. Similarly, plans to mix ammonia, which is made from hydrogen, with coal in power plants have been criticized by some environmental groups for extending the life of coal power rather than replacing it.

推し進められている水素は本当にクリーンなのか、と疑問を投げかける人もいます。たとえば「すいそ ふろんてぃあ」が最初に運んだ水素は、オーストラリアの褐炭（質の低い石炭）からつくられたものでした。推進する側は、将来はその過程で出る二酸化炭素を回収して地下にためると説明しました。しかし批判する人たちは、それが実現するまでは、そうした水素を正直にクリーンと呼ぶことはできないと主張しました。同じように、水素からつくるアンモニアを発電所で石炭にまぜて燃やす計画も、一部の環境団体から批判されています。石炭火力を置きかえるのではなく、かえって長生きさせてしまう、というのです。

Supporters, however, argue that almost every new technology starts out expensive and inefficient. Solar panels were once far too costly for most households, but their price fell dramatically as production increased. They believe the same could happen with electrolyzers and fuel cells, especially as renewable electricity becomes cheaper. They also point out that for some uses, such as steelmaking and long-distance shipping, there may be no realistic alternative to hydrogen or fuels made from it.

しかし推進する人たちは、新しい技術はほとんどすべて、最初は高くて効率が悪いものだ、と反論します。太陽光パネルも、かつてはほとんどの家庭にとって高すぎるものでしたが、生産が増えるにつれて値段が大きく下がりました。電気分解の装置や燃料電池にも同じことが起こりうる、特に再生可能エネルギーの電気が安くなればなおさらだ、と推進する人たちは考えています。また、製鉄や遠くまでの海運のように、水素や、水素からつくった燃料のほかに現実的な選択肢がないかもしれない分野もある、と指摘します。

Many energy experts now take a middle position. They argue that wherever electricity can be used directly, as in passenger cars and home heating, it is usually the cheaper and more efficient choice. In their view, hydrogen should be reserved for the areas that are hardest to clean up, sometimes called "hard-to-abate" sectors. In other words, hydrogen may not be a fuel for everything, but it may be an essential fuel for some things.

今では、多くのエネルギーの専門家が中間の立場をとっています。乗用車や家庭の暖房のように、電気を直接使える分野では、ふつうはそのほうが安く、効率もよい、というのです。この人たちの考えでは、水素は、排出を減らすのが最も難しい分野、いわゆる「ハード・トゥ・アベート」な分野のためにとっておくべきです。つまり、水素はすべてに使える燃料ではないかもしれないが、一部の分野には欠かせない燃料かもしれない、ということです。

For Japan, the question is particularly important. Because the country has limited land for large solar and wind farms, it may need to import much of its green hydrogen, which raises the question of whether its energy security would really improve. On the other hand, buying hydrogen from many different partners could reduce the risk of depending too heavily on a few regions that produce oil and gas. The choices Japan makes in the coming years will shape not only its own energy future but also the global market for hydrogen.

日本にとって、この問いは特に重要です。日本は大きな太陽光発電所や風力発電所に使える土地がかぎられているので、グリーン水素の多くを輸入しなければならないかもしれません。そうなると、エネルギー安全保障が本当に高まるのか、という疑問がわいてきます。一方で、さまざまな相手国から水素を買えば、石油やガスを産出する一部の地域に頼りすぎる危険を減らせるかもしれません。これから日本がどんな選択をするかは、日本自身のエネルギーの未来だけでなく、世界の水素の市場のあり方も左右するでしょう。

What do you think? Some people say that Japan should invest heavily in hydrogen, because it can reduce carbon dioxide in industries such as steel and shipping that are hard to run on electricity. Others say that hydrogen is too expensive and inefficient, and that the money would be better spent on renewable energy, batteries, and saving energy.

あなたはどう思いますか。日本は水素に大きく投資すべきだ、と言う人もいます。鉄鋼や海運のように電気で動かすのが難しい産業で、二酸化炭素を減らせるからです。一方、水素は高すぎるうえ効率も悪いので、そのお金は再生可能エネルギーや電池、省エネに使ったほうがよい、と言う人もいます。

— The End —