水素発電とは？
仕組みやメリット・デメリット、実用化に向けた取り組みを解説

水素発電とは、水素を燃料として発電する方法です。水素は、酸素と反応する過程でエネルギーを発生させますが、この過程でCO2（二酸化炭素）は排出しません。

水素発電の具体例としては、石炭や天然ガスに代わって水素を燃料とする水素発電所や、水素を燃料として走行する燃料電池自動車（FCV）などが挙げられます。

2023年、日本では「水素基本戦略」の改定が行われました。水素は、熱利用の脱炭素化や再生可能エネルギーの効率的な活用など様々な場面での活用が期待されています。

既存の火力発電が水素発電へ移行すれば、将来的に水素需要を押し上げる可能性があります。水素エネルギーの実用化は現時点では一部にとどまっていますが、水素発電は今後の水素社会の実現にとって重要な技術です。

水素についてより詳しく知りたい方は、以下の記事もあわせてご覧ください。

▶関連記事：水素エネルギーとは？メリット・デメリットと企業の活用事例から見る将来性を解説

発電の燃料となる水素は、製造過程に着目すると以下の3種類に分けられます。

• グレー水素：石油や天然ガスなどの化石燃料を基に製造される水素
  
• ブルー水素：化石燃料を基に、製造時に発生するCO2を回収・貯留・利用して排出を抑えた水素
  
• グリーン水素：再生可能エネルギーを利用し、水を電気分解して製造される水素

現在製造されている多くの水素は、比較的安価に製造可能な「グレー水素」です。しかし、グレー水素は製造時に多くのCO2が排出されるため、ブルー水素やグリーン水素への転換が検討されています。

近年、水素製造技術は、再生可能エネルギーを利用した「グリーン水素」の製造を中心に技術開発が進んでいます。

例えば、水電解技術は再生可能エネルギー由来の電力を利用して水を電気分解し、グリーン水素を製造する方法です。

水電解技術では、アルカリ水電解の他、プロトン交換膜電解（PEM）やアニオン交換膜電解（AEM）、固体酸化物電解（SOE）などの方式が研究され、より効率的な水電解技術の開発が模索されています。

さらに、近年では原子力のエネルギーを利用した水素製造の研究も進められています。これは、原子力発電の電力を活用した水電解ではなく、原子炉のひとつである高温ガス炉を応用し、900℃以上の高温で水素を大量に製造する技術です。

また、天然ガスの直接熱分解により、水素製造過程でCO2を排出せず、カーボンブラックなど利用価値の高い固体炭素を製造する技術など、様々な水素製造技術開発が進められています。

▶関連記事：グリーン水素とは？用途や課題、国内外で進む取り組みをわかりやすく解説 

水素発電には、以下のような方法が代表的な方法が挙げられます。

• ガスタービン発電
  
• 汽力発電
  
• エンジン発電
  
• 燃料電池

各発電方法の仕組みを解説します。

ガスタービン発電は、「水素」または「水素と他の燃料」を混焼させ、ガスタービンを回して発電する方法です。小型の発電機でも高い出力が得られ、始動時間が短い点がメリットです。

汽力発電（蒸気タービン）と組み合わせたコンバインドサイクル発電が実現できれば、導入することで高効率の発電が期待されます。現在、火力発電所に導入されている最新鋭のコンバインドサイクル発電では、世界最高水準にあたる約62%※の発電効率が実現されています。

ガスタービンでの水素発電は、国内ではENEOS株式会社や川崎重工業株式会社、三菱重工業株式会社などの企業が開発を進めています。

※出典：電気事業連合会「コンバインドサイクル発電」

汽力発電は、「水素」または「水素と他の燃料」をボイラーで燃焼させた際に生じる熱を利用して高温・高圧の蒸気を発生させ、蒸気タービンを回して発電する方法です。

汽力発電は蒸気の膨張力を活かした発電方法で、600℃以下の比較的低い温度帯の熱エネルギーが利用されます。国内で水素による汽力発電を進めている企業は、株式会社JERAや三菱重工業株式会社などが代表的です。

エンジン発電は、燃焼時に気体が膨張する力を利用してピストンを動かし、発電する方法です。

水素発電の分野では、250kWの水素混焼発電機や2～8MW級の大出力水素燃焼エンジン発電システムなどの技術開発や実用化が進んでいます。国内では、三菱重工業株式会社や川崎重工業株式会社が水素エンジン発電に取り組んでいます。

燃料電池は、「水素と酸素」を化学反応させる際に生じる電力を直接取り出す発電方法です。水の電気分解とは逆の化学反応を利用する方法で、発電時には水のみが生成されます。

燃料電池の研究は長い歴史を持ち、特に1990年代から技術開発が活発化しました。近年では、燃料電池自動車や定置用燃料電池、携帯用燃料電池や高温形燃料電池など、幅広い分野の電源として実用化が進んでいます。

水素発電には、いくつかのメリットがあります。主なメリットは以下のとおりです。

• 発電時にCO2が発生しない
  
• 幅広い原料から製造できる
  
• 貯蔵・輸送できる
  
• 国内産業の成長につながる

それぞれ解説します。

水素は、発電する際のプロセスでCO2を排出しません。発電時に大量のCO2を排出する化石燃料と比較すると、クリーンなエネルギーであり、カーボンニュートラルの実現に欠かせないエネルギー源として期待されています。
 

水素は地球上に存在する様々な資源に含まれています。そのため、水や石油、天然ガス、メタノール、廃プラスチックなど幅広い資源を原料として製造が可能です。資源の枯渇が問題視される化石燃料と比較して、安定的な供給が期待できます。
 

太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーは、発電量が日照や風の条件に大きく左右されるという課題があります。さらに、大規模な電力を長期間にわたって貯蔵することが難しい点も、普及拡大における課題のひとつです。

一方、水素は長期間の貯蔵や遠距離への輸送が可能です。再生可能エネルギーを利用して水素を製造し、電力が必要な時に必要な場所でその水素を燃料として発電できるようになれば、再生可能エネルギーの課題を克服することが可能になります。

また、貯蔵や輸送が可能なため、災害時に大規模な停電が起きた際の非常用電源としても有効です。

日本は2011年から2020年までの期間中に、水素に関する世界の特許のうち24％を占めており、EU（28％）と並んで世界をリードしています※。水素は、日本の技術力を活かせる分野であり、国内産業の成長に貢献することが期待されています。

※出典：独立行政法人 ジェトロ（日本貿易振興機構）「欧州特許庁（EPO）、水素技術に関する特許出願技術動向調査報告書を公表」

水素発電は複数のメリットがある反面、実用化にはいくつかのデメリットや課題を抱えています。水素発電を実現する上でハードルとなる主なデメリットは、以下のとおりです。

• 水素の燃焼特性に応じた技術開発が必要である
  
• 水素の製造工程でCO2が発生する
  
• 供給コストの高さをクリア克服する必要がある

それぞれ解説します。
 

水素は天然ガスや石油などの化石燃料と比較して、異なる燃焼特性を持っています。具体的には、燃焼範囲が広い、燃焼速度が速い、着火しやすいなどです。発電時に水素を安全に燃焼させるためには、水素の燃焼特性に応じた技術開発が欠かせません。

水素発電の実用化に向け、現在は水素と他の燃料を組み合わせる水素混焼発電の開発が進められています。将来的には水素のみで発電する水素専焼発電の社会実装を目指している状況です。
 

世界で製造されている水素の多くはグレー水素であり、CO2排出量の低いクリーンな水素の割合は2023年時点で1%に達していません※。グレー水素は化石燃料を原料とするため、水素製造時に多くのCO2が発生する点が課題です。

課題を克服するため、製造工程にCCS・CCUS技術（CO2を回収・貯留・利用する技術）を組み込む「ブルー水素」や、再生可能エネルギーを活用した「グリーン水素」を利用し、さらなる脱炭素化を実現する取り組みが進められています。

CCS・CCUSについてより詳しく知りたい方は、以下の記事もあわせてご覧ください。

▶関連記事：CCS・CCUSとは？違いやCO2排出量削減に向けた国内外の取り組みを紹介

※出典：独立行政法人 ジェトロ（日本貿易振興機構）「クリーン水素プロジェクトは増加するも伸び悩む水素需要」

水素は一般的な水素ステーションで100円/Nm³の供給コストがかかるとされており、化石燃料と比較してコストが高い点がデメリットです。

水素発電の普及には、安価な原料の使用、大量製造や大量輸送を実現するサプライチェーンの構築を通じて、供給コストを化石燃料と同程度まで下げる必要があります。

政府は水素分野に積極的に投資を行い、2030年までに30円/Nm³、2050年までに20円/Nm³以下への供給コスト削減を目指しています※。

※出典：資源エネルギー庁「第1節 水素社会の実現に向けた取組の加速」

水素発電の分野では、国内外で社会実装に向けた実証実験が進められています。以下では、水素発電の主な取り組み例を紹介します。
 

高砂水素パークは、世界ではじめて水素製造から発電まで一貫した検証が可能な施設です。製造・貯蔵・利用の3つのエリアで構成されており、2023年9月から本格稼働しました。

2023年11月には、都市ガスに水素を30％混合した燃料によるJAC形ガスタービンを稼働させる実証運転に成功し、水素発電の社会実装に向けた取り組みを進めています※。

※出典：三菱重工業株式会社「最新鋭のJAC形ガスタービンによる水素燃料30％混焼運転に成功」

姫路第二発電所は、2025年3月より関西電力株式会社が水素混焼発電の実証を開始した施設です。水素の混焼率は30%で、既存の火力発電用ガスタービンを活用しています。

2025年6月に実証に成功し、発電された電力の一部は万博会場へ供給されました※。

※出典：関西電力株式会社：「姫路第二発電所での水素混焼発電実証～混焼率 30％の達成～」

株式会社JERAは、火力発電所の燃料に水素やアンモニアを活用し、化石燃料の使用削減および発電時にCO2を排出しない「ゼロエミッション火力」に取り組む企業です。

ゼロエミッション火力を確立するため、2024年に世界初となる大型の商用石炭火力発電機でのアンモニア20％転換の実証を、JERA碧南火力発電所において実施しています。
さらに水素については、2027年以降に実証実験を予定しています※。

※出典：株式会社JERA「大規模水素サプライチェーン構築に係る水素混焼発電の技術検証」

Hotflexはオーストリア・グラーツ市に建設された、高温電解装置と燃料電池で構成されるパイロットプラントです※。

電力企業や大学、クリーンテック企業が共同で進めるプロジェクトで、水素の製造と発電の両方が可能な点が特徴です。

※出典：独立行政法人 ジェトロ（日本貿易振興機構）「世界一の水素大国を目指すオーストリア」

HyNetプロジェクトは、リバプール市やマンチェスター市周辺で生産される水素をパイプラインで供給するプロジェクトです。

供給される水素はCCS・CCUS技術を利用して製造されるブルー水素であり、2026年からの生産開始が予定されています※。

製造した水素は、エッサール・オイルやノース・ウエスト産業クラスターにある多くの企業に供給される計画です。また、2028年頃を目途に、発電用燃料としても、リバプール地域の独立系発電所が天然ガスからHyNetで製造した水素への燃料転換を進める予定です。

※出典：独立行政法人 ジェトロ（日本貿易振興機構）「英国の主要な産業クラスターにおけるCCUS プロジェクトの動向～ウェールズ地域～」

IEA（国際エネルギー機関）の「Net-Zero Roadmap」によると、発電を含む世界の水素等需要量は、2050年には2022年と比較して約5倍になると試算されています※1。

水素分野のさらなる普及に向けて、日本では既存の原燃料との価格差に着目した制度を活用し、15年間で総額3兆円の投資を行う予定です※2。

アメリカではIRA（米国インフレ抑制法）、イギリスではCfD（差額決済契約）などの政府支援が実施されており、世界的な投資競争の影響を受けて、水素発電を含む水素分野の需要は今後拡大すると予想されています。

※出典1：資源エネルギー庁「目前に迫る水素社会の実現に向けて～「水素社会推進法」が成立 （前編）サプライチェーンの現状は？」
※出典2：資源エネルギー庁「水素を取り巻く国内外情勢と水素政策の現状について」

カーボンニュートラルの実現に向け、水素を「つかう」技術である水素発電の実証が進んでいます。水素発電に関連する最新情報を収集したい方は、「H2 ＆ FC EXPO 水素燃料電池展」へご来場ください。

H2 ＆ FC EXPO 水素燃料電池展は、水素を「つくり」「はこび」「ためて」「つかう」など、水素に関するあらゆる技術が出展される展示会です。

• イオン交換膜や電極などの部品・材料
  
• 水素製造装置や水素触媒技術
  
• 高圧水素用鋼管やバルブなどの供給技術
  
• 水素貯蔵タンクや水素吸蔵合金などの貯蔵・供給技術
  
• PEFCやDMFCなどの燃料電池システム・製品

上記をはじめとした幅広い技術・製品が展示されるため、関連情報の収集に適しています。

また、本展にご出展いただくと、水素事業に携わる来場者と直接商談が可能であり、新顧客の獲得につなげることが可能です。関連する製品・サービスをお持ちの企業様は、ぜひ出展をご検討ください。

■H2 ＆ FC EXPO 水素燃料電池展の詳細はこちら
 

サステナブルな社会の実現のため、国や民間企業は様々な取り組みを進めています。水素発電はCO2排出量の大幅な削減に貢献する発電方法として、重要視されている技術です。

水素発電には多くのメリットがあるものの、供給コストの高さや技術的な課題が残っています。社会実装に向けた実証が進んでいる状況であり、今後の動向が注目されています。

H2 ＆ FC EXPO 水素燃料電池展は、水素に関する幅広い技術が出展される展示会です。最新の実証結果や技術動向の把握にぜひご活用ください。

さらに詳しい情報を知りたい方へ
資料請求はこちら

※「H2 ＆ FC EXPO 水素燃料電池展」は、「SMART ENERGY WEEK -スマートエネルギーWeek-」の構成展です。