将来のエネルギー・トランジションにおける水素の現実的な役割 -- Nature誌のレビュー記事

NatureのReviews / Clean technology 2025年4月22日号にPerspective“Realistic roles for hydrogen in the future energy transition”「将来のエネルギー・トランジションにおける水素の現実的な役割」が掲載されています。

主著者はImperial College LondonのNathan Johnson、それにエネルギーに関する論客のMichael Liebreich、気候エネルギー政策の専門家UC-BerkleyのDanniel Kammenなどが加わって、全部で6名、引用文献291件、全21ページの大作です。

“Realistic roles for hydrogen in the future energy transition”
     Nathan Johnson, Michael Liebreich, Daniel M. Kammen, Paul Ekins, Russell McKenna & Iain Staffel
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     https://www.nature.com/articles/s44359-025-00050-4

論文内容は、多くの評価・データに基づく的確な検討など充実しており、引用文献も多く、参考になるレビュー論文と思いましたので、下記項目により紹介します。

1. "Abstract"（要旨）の和訳
2. ”Key Points”（キーポイント）の和訳
3. 図の抜粋
4. "Summary and future perspectives"（まとめと将来展望）の和訳
5. 全体の要約

１．"Abstract"（要旨）の和訳

水素は50年間にわたって革新的な燃料として推進されてきたが、その使用は石油精製と肥料製造に限定されている。水素が地球規模の脱炭素化を推進するためには、多くの障壁を克服する必要がある。本稿では、水素の生産から利用に至るまでの課題を検討し、その環境的および経済的な評価、論争点、不確実性を分析する。企業や政府が「クリーン水素」の現状および将来的な競争力を評価するためのエビデンスを提供する。

燃料電池車や家庭用暖房といった用途は、直接電化による代替手段の急速な進展により、最も有望性が低い応用分野である。一方で、水素は産業用途、長期間のエネルギー貯蔵、長距離輸送といった分野で可能性を有しているが、その競争力は、広範な導入によって大幅なコスト削減が実現されることに依存している。

現時点での水素製造コストの推定値は最大で5倍ものばらつきがあり、輸送・貯蔵コストを加味すれば、2030年の目標達成は困難であると考えられる。また、水電解やメタン改質（CCS付き）による水素製造は、全体システムや上流段階での温室効果ガス排出を増加させる可能性があり、加えて水資源の枯渇や有機汚染の問題もある。今後の研究は、こうした不確実性の解消に向けて取り組むべきであり、競争力のある優先分野に戦略的に水素を展開することが求められる。

２．”Key Points”（キーポイント）の和訳

・水素は多用途に使用可能な柔軟性を持つが、クリーン水素の導入は、直接電化などの代替手段と比較して、コストおよび持続可能性の観点で最も効果が見込まれる分野に戦略的に限定して行うべきである。

・システム的障壁を克服するためには、供給・需要・インフラが同時に発展する必要がある。しかし、水素の物理的特性――低エネルギー密度、可燃性、漏洩性、金属脆化性――は、あらゆる段階においてコスト、安全性、社会的受容性の課題をもたらす。

・数十年にわたり、クリーン水素経済の予測は「スケール拡大によるコスト削減」に依存してきた。しかし実際には、製造コストはエンジニアリングとエネルギー入力に大きく依存しており、加えて輸送、貯蔵、利用にかかるコストもある。これらは、太陽光発電や蓄電池のように急激なコスト低下を示す可能性は低い。

・クリーン水素が脱炭素化の目標に貢献するためには、サプライチェーン全体を通じて低排出でなければならない。システムレベルでの評価では、クリーン水素製造に伴う上流段階や副次的な温室効果ガス排出、さらには広範な環境影響が問題として浮上している。持続可能なクリーン水素の実現には、複数の前提条件が満たされる必要がある。

・短期的には、再生可能電力は水素製造に回すよりも、発電・暖房・輸送などに直接使用する方が温室効果ガスの削減効果が高い。長期的には、水素が余剰再エネ電力の電力系統への統合を通じて、その導入を促進する役割を果たす可能性がある。

・低炭素水素は、既存用途（石油化学や肥料など、世界のCO?排出の約2％に相当）の脱炭素化に不可欠である。また、鉄鋼、重量物輸送、長期貯蔵など、他の選択肢が極めて高コストとなる用途でも重要である。水素戦略は、これらの分野を優先的に支援することで、最大の効果を発揮すべきである。

３．図の抜粋

現在の水素製造・用途

b. 現在の水素生産量は年１億トン（100 Mt）弱で、主に原料用途に使用されているが、エネルギー量にすると世界の最終エネルギーの3%程度。
c. 現在の製造の原料は主に天然ガスと石炭、それに化学プロセスの副生水素。クリーン水素は1%程度。
d. 用途は石油精製、アンモニアの製造原料、メタノール製造原料など。

水素の導入予測の変化

左側の線に示されるように2000年頃までの水素の導入予測には大きな期待が示されていた。
右側の最近の予測でも相当大きな値もあるが、平均的には2050年に300Mt程度で現在の生産量（100 Mt弱、生産の実績は点線）の3倍程度。

水素製造のコスト

現在のクリーン水素プロジェクトにおけるコストは黒●。英国・日本・米国の目標コストは青色の線なので、プロジェクトでのコストと目標コストには大きな差がある。

水素の輸送に伴うCO2排出量の増加

船舶による輸送（上）では水素液化の転換プロセスのエネルギーが大きい。パイプラインによる輸送（下）では配管敷設などが大きく、距離に比例して増加。

4．"Summary and future perspectives"（まとめと将来展望）の和訳

このレビューの重要な限界のひとつは、水素とその代替手段をアプリケーションごとに明確に比較することの難しさである。水素技術は、開発段階が大きく異なるさまざまな用途にわたって検討されており、必ずしもすべての用途に低炭素の競合手段が存在するわけではない。このような比較は、データの不足、不確実性、対象範囲やシステム境界の設定の難しさなどにより、複雑さを増している。また、コストが高くても、時間、地域、ステークホルダーによって重要性が異なる他の利点によって補われる可能性がある。我々は水素の用途を現時点での代替手段と比較しながら位置づけたが、経済的および環境的影響において多様な選択肢を定量的にマッピングするための研究領域は、今後さらに掘り下げるべき豊富なテーマである。

現在入手可能な証拠に基づけば、クリーン水素の支援は、石油精製や肥料製造といった回避困難な用途（これらは世界のCO₂排出の2％を占める）を優先すべきである。また、製鉄、長距離の重量輸送、長期エネルギー貯蔵といった競争力のある分野への支援も重要である。クリーン水素の大規模な製造と導入を実現するためには、コストおよび排出強度の低下が不可欠である。水素の物理的特性は、輸送および貯蔵インフラの技術的課題とコスト増大を引き起こす。さまざまな安全かつ効率的な水素貯蔵媒体が開発されており、地質貯蔵は長期エネルギー貯蔵に有望な選択肢として浮上しているが、低コストの大規模水素輸送技術はまだ確立されていない。天然ガスパイプラインの再利用により輸送コストを削減することは可能だが、技術的・経済的・安全上の課題が依然として大きい。現在のコストや技術仕様の多くは理論的なものであり、水素ネットワークを大規模に展開するためには、基礎的な化学や材料科学のブレークスルーと長期的なコミットメントが必要である。

水素製造のエネルギー消費を大幅に削減する技術的改善は、熱力学的制約によって限界がある。ただし、廃熱を利用できる場合には固体酸化物電解セル（SOEC）など新しい技術が高い効率を実現する可能性を示している。水素製造における気候影響、特に機器製造に伴うサプライチェーン上の排出や漏洩については、どの生産経路を優先すべきかを明らかにするために、より明確な評価が求められる。これは、メタン漏洩の地理的変動や、水素生産が電力系統の脱炭素化に与える影響をより深く理解することを意味する。これらの要因は、今後のクリーン水素プロジェクトの排出認証に含めるべきである。他の環境影響についても未解明の点が多い。資源使用量の削減には、触媒技術や材料科学の進展が必要であり、さらにPFAS（有機フッ素化合物）による汚染も、新たな懸念として浮上しており、今後の研究が求められている。

水素への支援が断続的であったために、これまでに中止・頓挫したプロジェクトも存在するが、過去の失敗が水素の将来的役割を否定するものではない。将来の水素供給量やコストに対する不確実性が大きいため、用途ごとの優先順位付けは難しい。我々は、クリーン水素が安価かつ利用地点で豊富である場合に限って、多用途での使用が可能になると考えるが、それを実現するのは非常に困難である。むしろ短期的には水素の供給が限られる可能性が高いため、代替のない脱炭素手段が存在しない分野に絞って使用すべきである。サプライチェーンの発展が鍵を握っており、供給・需要・インフラが同時に拡大しなければ、ボトルネックが発生し、市場や調達・納入にリスクをもたらす。投資家や開発者にとってのリスクを低減するには、**導入の明確な目標と、それを支える政策手段（市場確約や差額契約など）**が必要である。政策と産業界の両方が、迅速なスケールアップとコスト削減を優先し、水素が明確な利点を提供する領域にのみ導入を進めるべきである。

将来的な研究は、ここで示されたフレームワークと既存の研究を基礎にして、水素の用途ごとの競争力をより正確に定量評価する方向で進むべきである。水素およびその代替技術の性質をより適切に特徴づけることで、モデルにおける技術表現が向上し、エネルギーシステムの脱炭素化を最適化する能力が高まる。また、クリーン水素のバリューチェーン全体にわたるコストと排出を明確に把握することで、各用途における限界的排出削減コストを文脈ごとに推定することが可能となる。これはクリーン水素と他の低炭素技術を比較する際の中核的な指標となるが、意思決定においては、公共の受容性、サービスの質、公平性など、技術以外の要素も考慮すべきである。

クリーン水素の生産規模は拡大しつつあり、用途の優先順位付けも進んでいる。しかし、根本的な不確実性は依然として残る。1975年、DellとBridgerは「水素に関する国際的な計画」の必要性を提唱し、そこでは「水素の製造・輸送・利用に関する技術的・工学的問題、既存産業への影響、新たな水素産業の立ち上げにおける課題、そして何よりも資本要件と財政的影響」が論じられていた。これらの問いは、今日においても極めて重要なままである。

水素のバリューチェーンのあらゆる段階には大きな障壁が存在し、代替のクリーン技術の方がより安価かつ利便性が高い場合も多い。水素はエネルギーシステムにおいて無数の役割を果たす可能性があるが、我々は、水素が他の低炭素技術と比べて明確な気候的・経済的メリットをもたらす用途にこそ、研究と投資を集中させるべきだと考える。たとえば、クリーン製鉄や低排出輸送のような技術中立的な政策設計を採用し、水素が最も競争力ある脱炭素手段となると見込まれる分野においてのみ、水素を優先的に支援すべきである。

5．全体の要約

水素に託された希望と現実

21世紀における脱炭素社会の構築において、水素（H?）は多くの戦略的議論の中心に位置づけられてきた。エネルギーキャリアとしての水素には、再生可能エネルギーの不安定性を補完する能力、重工業や輸送分野における脱炭素手段、さらには系統調整機能としてのポテンシャルが期待されている。しかし、その導入には経済性、供給網、エネルギー効率、技術成熟度といった側面で数々の課題が存在する。このレビュー論文は、水素の導入が現実的に意味を持つ領域を明示し、逆に過度な期待を排し、戦略的に絞り込むことの重要性を強調している。

水素の用途分類 ― どこで使うのが現実的か

水素利用の適正分野は、以下の三つの軸で分析されている：
① 既存で水素を使用している分野（アンモニア製造など）
② 化石代替が困難な分野（高温熱、鉄鋼製造、長距離トラック・航空機）
③ 低炭素のために非効率でも導入が容認される分野（長期季節的エネルギー貯蔵など）

特に、産業部門では、グリーン水素による製鉄（DRIプロセス）や化学品合成の脱炭素化において重要な役割を果たす可能性が高い。輸送分野では、乗用車よりも、燃料密度が求められる航空・船舶・長距離輸送での利用が現実的であるとされる。対して、電気自動車やヒートポンプで代替可能な分野での水素の導入は費用対効果に乏しい。

水素の製造手段とその制約

将来の水素の製造手段には、主に次の2つがある。
・化石燃料由来（天然ガスの水蒸気改質）CCS付き　「ブルー水素」
・再エネ電力による水電解　「グリーン水素」
現時点でのグリーン水素のコストは高く、一般的には4?8ドル/kg程度とされている。

ブルー水素については、CO?回収率や供給チェーン全体での漏洩（メタン等）が問題となる。また、CCSの展開規模には限界がある。グリーン水素の普及には、再エネ価格の低下・電解装置の効率向上・系統連携の高度化が前提条件であり、今後10?20年の技術革新とインフラ整備が不可欠である。

水素の貯蔵・輸送とインフラ課題

水素の物理的特性（極低密度・漏洩しやすさ・金属脆化性など）により、貯蔵および輸送は他エネルギーキャリアと比して高コストかつ困難である。高圧ガス、液体水素、アンモニアやLOHCなどの化学キャリアに変換する手法はあるが、それぞれ効率・設備・回収プロセスに課題を抱える。

特に国際輸送では、液体水素輸送船やアンモニア転換技術に加え、受け取り側での再転換プロセスも含めて整備が必要となる。また、パイプライン敷設のための社会的合意や安全基準もボトルネックとなり得る。

持続可能性とシステム効率の視点

電気から水素、再び電気へという形の「Power-to-Gas-to-Power（P2G2P）」変換では、全体効率が3割を下回ることもある。よって、効率優先の視点からは、可能な限り直接電化を優先すべきである。

水素利用が正当化されるのは、「電化困難」かつ「CO?排出削減の代替手段が乏しい」場合に限る。再エネ電力の利用可能性と一致しない水素戦略は、むしろ社会全体の脱炭素化に逆行する可能性もある。

経済性と市場導入の見通し

水素の社会導入にかかるインフラ投資や補助金の規模は膨大である。仮に世界全体で水素を脱炭素化に広く活用する場合、年数兆ドル単位のインフラ整備と技術開発が必要になる。

しかし、用途を「コスト効率の高い分野」に絞れば、持続可能性と経済性のバランスがとれる。脱炭素化コスト（$/t-CO?削減）での水素の位置づけを他手段（電化、バイオ燃料、CCSなど）と比較した上で、限定的導入が現実的である。

水素を「選択的に」活用する戦略へ

水素はエネルギートランジションにおける万能解ではない。むしろその導入には高コスト・低効率・複雑なインフラ要件が伴う。したがって、「水素がなければ脱炭素化できない分野」に焦点を当てて戦略的に活用すべきである。

特に、産業用高温熱、航空・海運、季節的貯蔵といった領域において、水素は他手段に比して現実的な役割を担う可能性がある。これに対して、乗用車や住宅用熱供給など電化可能な分野への水素導入は避けるべきである。技術的な可能性と社会的実装のリアリティを見極め、水素利用を「賢く限定する」ことが、実効性ある脱炭素化の鍵となる。