東日本大震災前の2010年は19.9%(2010年)であったので、原子力発電所の稼働停止等により大幅に低下しています。不足する電力を補うため、輸入に頼っている液化天然ガス(LNG)を燃料とした火力発電への移行が原因で、化石燃料への依存度が高くなり、二酸化炭素を中心とする温室効果ガスの排出量も、2010年から約6000万トン増加し、13億6400万トンでした(資源エネルギー庁)。
水素は水素ガス(H2)の形では地球上にほとんど存在せず、水(H2O)を始めとする様々な物質を構成する元素として大量に存在しており、生物の体を構成する主要元素です。もちろん、古代の生物に由来する化石燃料中にも大量に含有されています。例えば天然ガスの主成分であるメタン(CH4)には炭素原子1個に対して水素原子が4個も含まれています。したがって、水素ガス(H2)を手に入れるためには、水素を含む化合物からエネルギーを使って取り出す必要があるのです。
工業的には、メタンを高温で水蒸気と反応させて水素を取り出していますが(水蒸気改質)、4個の水素分子(H2)の生成に伴って、1個の二酸化炭素が必ず副生します。同様の原理は、「エネファーム」の愛称で有名になった家庭用燃料電池にも採用されており、水素を発生させながら蓄電しています。
そして何よりも、電気分解に使用する電力が化石燃料をエネルギー源とした火力発電から得られたものでは、地球温暖化ガス対策の意味がありません。この点は、水力・太陽光・風力などの再生可能エネルギーに代替えして、二酸化炭素フリーで水素ガスを製造すれば解決できます。またこの代替えは、自然環境に左右されて出力変動が大きな(供給量が一定しない)再生可能エネルギーを、水素エネルギーとして「貯蔵する」ことにもなるのです。
もう一つ研究が盛んに進められている方法として、「光触媒による水の分解」があります。ソーラーパネルを使って電気エネルギーに変えるのではなく、金属触媒を利用して太陽光エネルギーを直接水素にする方法です。まだ基礎研究の段階で、太陽光エネルギーからのエネルギー変換率が低いため太陽光発電にはかないませんが、飛躍的に反応効率を改善する触媒の開発が期待されています。
化石燃料と水に絞って、現在実施されている、あるいは開発中の「水素を取り出すための方法」をいくつか紹介してきました。地球温暖化ガスの削減を考えると、水を水素源として、再生可能エネルギー、あるいは深夜電力などの余剰エネルギーを使って、それもできる限り少量のエネルギーで水素を製造できるようにする技術開発が極めて重要です。現在、世界中、産官学を問わず多くの研究者が、将来のエネルギー源確保と地球環境の保全を目指して、様々な方法や反応の開発にしのぎを削っています。
次回、「第3話」では、私たちの研究グループが進めている「機械エネルギーを利用して水から水素ガスを製造する新反応」や「有機化合物から水素を効率良く取り出すための方法」と地球温暖化ガス削減に向けた基礎研究について紹介します。