水素製造技術の進化と化学工業における活用

水素製造技術の歴史的推移

19世紀に水素が商業化されて以来、その製造法は化石燃料依存型から再生可能エネルギー連携型へと段階的に進化してきました。
最初期には石炭を原料とするコークス炉ガスから副生される水素が中心でした。
20世紀に入ると天然ガスを水蒸気で改質するスチームリフォーミングが普及し、熱効率とコストの面で主流技術となりました。
近年は脱炭素化の潮流を背景に、CO2排出を抑えたブルー水素や、再エネ電力で電解を行うグリーン水素が注目されています。

現在主流の水素製造プロセス

スチームリフォーミング（SMR）

天然ガスと高温水蒸気を触媒反応させ、水素と一酸化炭素を生成します。
設備がコンパクトで量産性に優れ、世界の水素の約7割を供給しています。
ただしCO2が大量に発生するため、近年は回収・貯留（CCS）技術を組み合わせたブルー水素化が進められています。

部分酸化・オートサーマルリフォーミング

酸素を用いて原料ガスの一部を燃焼させることで熱を内部供給します。
触媒と熱源を一体化できるため装置の小型化が可能で、海上プラントや分散型化学工場向けに研究が活発です。

電解水素製造

アルカリ水電解とPEM（固体高分子）電解が代表的です。
再生可能エネルギーと組み合わせることでCO2フリーのグリーン水素を実現できます。
PEMは応答速度が速く、変動する太陽光・風力発電への追従性が高いため、パワートゥガス用途で導入が拡大しています。

高温ガス炉・熱化学サイクル

次世代原子力や太陽熱集光により千度近い熱エネルギーを得て、水を熱分解する手法です。
ヨウ素–硫黄（I–S）サイクルなど複数工程を経て高効率水素を生成しますが、材料劣化や安全性の課題が残ります。

低炭素水素への転換を支える周辺技術

二酸化炭素回収・貯留（CCS）

SMRや石炭ガス化で発生するCO2をアミン吸収や膜分離で回収し、地中に圧入します。
輸送コストと貯留層の選定がカギとなるため、化学工業の集積地近辺でのクラスター化が進んでいます。

再生可能エネルギーの統合

風力や太陽光は発電量が変動するため、余剰電力を電解装置で水素に変換し、貯蔵するパワートゥガスが有力です。
この仕組みが化学プラントの熱源・還元材としての水素需要と結びつくと、大規模な系統安定と産業脱炭素を同時に達成できます。

水素輸送・貯蔵技術

高圧ガスボンベ、液化水素、メチルシクロヘキサン（MCH）などの有機ハイドライド、アンモニアなど複数のキャリアが検討されています。
化学工業では既存のアンモニア設備を活用できるため、液化よりも常温常圧の有機ハイドライドが優位となるケースが増えています。

化学工業における水素活用の最前線

アンモニア合成

ハーバー・ボッシュ法は大量の水素を必要とします。
従来はSMR由来の水素でしたが、グリーン水素を用いてカーボンニュートラルアンモニアを生産する実証が世界各地で進行中です。
得られたアンモニアは肥料だけでなく、火力発電や船舶燃料へ直接燃焼混焼する用途にも広がっています。

メタノール・オレフィン製造

CO2とグリーン水素を直接合成したメタノールは、プラスチックや燃料の原料となります。
さらにMTO（メタノールトゥオレフィン）プロセスと組み合わせることで、石油に依存しないポリオレフィンチェーンを構築できます。
CO2リサイクルと水素供給を同時に実現する点がSDGsに適合すると評価されています。

製鉄・銅製錬の還元材

高温水素で酸化鉄を還元する直接還元アイアン（H2-DRI）は、石炭由来コークスを代替し、大量のCO2排出削減が見込めます。
化学工業が製鉄所と連携し、副生ガスを相互利用するエコインダストリアルパークの形成が検討されています。

半導体・電子材料プロセス

極高純度水素はシリコンウエハのエピタキシャル成長や金属膜形成に不可欠です。
グリーン水素化によってクリーンルーム排ガスのカーボンフットプリントが低減し、デジタル機器のライフサイクル全体が環境配慮型になります。

水素サプライチェーン構築の課題

第一にコスト競争力です。
グリーン水素生成コストは2023年時点で1kg当たり5ドル前後と、化石由来の半分以下を目標とするには再エネ価格だけでなく電解装置の量産が必要です。
第二に安全規制です。
日本の高圧ガス保安法は、水素を圧力と容量で分類し、厳格な設備・運用基準を課しています。
第三に国際標準化であり、ISO, IECだけでなくGHG排出量認証スキームを整合させる必要があります。

今後の展望とまとめ

水素製造技術は化学工業の基盤プロセスと深く結びつき、脱炭素社会の鍵を握る存在になりました。
SMRから電解、熱化学サイクルへと多様化し、それぞれが低炭素化技術と統合されつつあります。
化学プラントは水素の大口需要先として、グリーン水素発電の不安定さを吸収する調整役も担います。
今後は再生可能エネルギーのさらなる低コスト化、触媒・膜材料の耐久性向上、サプライチェーンの国際協調が不可欠です。
産官学が連携し、水素社会と循環型化学産業を同時に実現することで、2050年カーボンニュートラルへの道筋が鮮明になります。