海外の主要な水素エネルギーシステム技術開発プロジェクト


海外における水素エネルギー技術の開発は古くから行われてきたが、1986年に規模の大きいシステム開発プロジェクトであるドイツのSWB(Solar Wasserstoff Bayern)プロジェクトとHYSOLARプロジェクト、また同年にはドイツを中心とするEUとカナダとの共同プロジェクトであるEQHHPP(Euro Quebec Hydro-Hydrogen Pilot Project)計画が発足し水素技術の開発が活発化した。カナダではEQHHPPのほかにカナダ政府がHydrogen R&D Program(CNHP)を民間の協力を得て推進しており、研究開発はNatural Resources of Canada(NR Can)が担当している。 米国では1990年からエネルギー省(DOE)の支援による研究開発が活発に行なわれるようになり、HTAP(Hydrogen Technical Advisory Panel)や産業界、学界の協力によりHydrogen Programを推進している。各国プロジェクトの代表的開発成果としては水素燃料のバスがドイツ、米国、カナダなどで市バスに試験的に投入されたほか、ドイツではM*nchen空港ほかで実際に水素を利用する計画が進められている。各国の開発動向は次の通りである。

1 海外のプロジェクトに共通する特徴
1) 既存の技術を活用して実用システムを作り、市中で実際に利用して問題の摘出と解決 を図るほか、市民に対する啓蒙を行なって将来の市場導入を容易にする。
2) 環境改善効果が大きく水素利用が容易な水素自動車の開発導入に重点を置いている。
3)国、州政府などの公的機関が開発資金を負担して積極的に開発を支援している。
4) 水素の供給源としては短期、中期にはスタンドアローンの水電解、天然ガス改質、バイオマスガス化などで水素を供給する。再生可能エネルギーの利用による大量供給は長期の目標とする(米国は2050年)

2. EU−カナダ共同のEQHHPP計画

[計画の概要]
EQHHPP計画はカナダで100MWの水力発電による電力によって水素を16、000t/年生産し、ヨーロッパへ海上輸送してエネルギーとして利用することを目指した計画で、EU各国とカナダ(Qu*bec州)との共同プロジェクトとして1986年に発足した。

 Phase 1  1986〜1987年 アセスメント
 Phase 2  1989〜1991年 システム研究
 Phase 3.0 1992〜1993年 水素の大量輸送と利用技術の研究開発
 Phase 3  1994〜1998年 研究開発の継続と水素自動車のデモンストレーション

当初目指した水素の大量輸送は資金問題などで出来なかったが、輸送方法の検討、液体水素の貯蔵タンクのモデル試験、自動車、航空機、船舶、製鉄分野などで水素利用技術の開発を行い、水素自動車はドイツで1996年から市バスとして使用するなどの成果を挙げた。そして当初計画を1年延長して1998年でプロジェクトを終了する予定となっている。

[推進組織と費用の負担]
 EU委員会とQuebec州政府のほか、カナダ15、ドイツ23、イタリア2、フランス2、ベルギー1、スペイン2、スイス1 合計46の企業、団体、研究所が参加した。推進団体としてはEU側とカナダ側にJoint Management Groupが組織され、EU側はドイツのLBST(Ludwig Bolkow Systemtechnik)、カナダ側はHydro Quebecが全体の取りまとめを担当した。
プロジェクトの開発資金の各負担額は下記の通りである。

・EU委員会:16百万ECU(約19.7億円) EU産業界:14.5ECU(約17.8億円)
・Quebec州政府:5.1百万ECU(約6.3億円)
・カナダ産業界:2.5百万ECU(約3.1億円)
・総額38.1百万ECU(約46.9億円)

[計画の基本方針]
・ 可能な限り早期実現を目指すため、既存技術や既存機器を利用すること。試験設備や実証設備は既存の規模のものを建設すること。

[Phase 2におけるシステム研究]
カナダの水力発電による電力料金が2セントECU(約2。5円)/kWhの時、ヨーロッパ到着後の水素価格は14.8セントECU(約18.3円)/kWh(熱量)が示され、この値は妥当なものとして評価された。コスト試算の条件を下記に示す。

水力発電電力:100MW、 水電解効率:74%(実質効率)、 負荷率:95%
年償却率:11.7%(利子率8%、15年償却)、 設備投資額:415×106ECU
Hamburg渡し水素量:74MW=614GWh/年、 水素輸送効率:74% 

カナダ側水素供給設備の概要は次の通りである。 ・電力設備 水力発電:100MW、 利用率:95%、  年間電力量:823×109kWh
・水電解設備 電力:100MW、 効率:75〜85%、 水素製造量:21,000〜24,000m3/h
・水素液化設備 1,800〜2,100kg/h、 電力消費量:40MW
・輸送設備 液体水素タンク輸送船:全長180m バージ用タンク(3000m3)5基積載
・輸送量:12,500〜15,500m3/航海 船速:15ノット 航海日数:24日

[水素利用ほか技術開発の概要]
以下に述べるような多種多様な技術の研究開発が行われている。

a. 貯蔵タンクと液体水素輸送技術の開発(液体水素輸送貯蔵用大型タンクと自動車用液体水素タンクの開発)
b. 水素エンジンバスの開発とデモンストレーション
c. 水素デイーゼルエンジンバスの開発とデモンストレーション
d. 燃料電池バスの開発とデモンストレーション
e. 水素スターリングエンジンハイブリッドバスの開発とデモンストレーション
f. ハイタンエンジンバスの開発とデモンストレーション
g. 水素バスの運行による運転、燃料供給の課題抽出、市民の啓蒙
h. 燃料電池駆動船の開発とデモンストレーション
i. 航空機用水素ジェットエンジンの開発
j. 製鉄産業のCO2低減のための水素利用
k. 水素と普通燃料との環境コスト比較
l. 安全対策と安全基準の研究
m. 水素市場と水素配送供給システムの研究

3. カナダ

EQHHPPのほかにカナダ政府はCanada Center for Minerals and Energy Technology (CANMET)がThe Canadian National Hydrogen R&D Program(CNHP)をとりまとめ、実際の研究開発はNatural Resources of Canada(NR Can)が推進している。この計画ではアルカリ水電解、ハイタンガス、磁気冷凍、水素貯蔵、センサー、低温材料、PEM燃料電池、燃料電池バスの開発とデモンストレーションほかの研究開発が行われている。

1) Ballard Power Systems社のPEM燃料電池開発プロジェクト

1991年にカナダ政府ほかの援助を受けて世界で初めての実用的PEM燃料電池を開発し、それを搭載した水素燃料の燃料電池バスを開発した。その後Commercial Prototypeの大型バスが開発され1997年8月Chicago市の市バスに3台試験投入され、1997年秋にはVancouver市にも投入される。

[開発計画]
Phase 1 (1991〜1993年) 125HP 32ftバス開発
Phase 2 (1994〜1995年) 275HP 40ftバス開発
Phase 3 (1996〜1997年) Commercial Prototype開発。Chicago市とVancouver市 の市バスに各3台を1997年に試験投入する。

[プロジェクトスポンサー]
・カナダ政府(NR Can、CANMET)
・British Columbia Ministry
・BC Transit
・California's South Coast Air Quality Management District(SCAQMD)

[その他の動向]
・カナダ政府はPEM定置用燃料電池の商品化を支援するため1996年にBallardにCan. $30 million (約21億円)の出資をした。Ballardはすでに天然ガス改質250kW PEM燃料電池を開発し試験機の運転を1997年8月に開始した。
・ ドイツのDaimler-BenzはBallardの株式25%を取得し、さらに自動車用燃料電池の新会社をBallardと共同で設立し株式の75%を保有した。そして自動車用燃料電池工場の建設を計画している。

2)Vancouverプロジェクト

水素がクリーンで高効率のほか、経済的にも環境面にも魅力ある燃料であることをデモンストレーションすることを目的としたプロジェクトである。Vancouver市でBallardの燃料電池バスを市バスに3台投入するほか、スタンドアローンの水電解水素スタンドを開発し、1997年秋から実用的運行を開始する。

[プロジェクト参加者]
・ カナダ政府(Natural Resources Canada)
・ BC Hydro
・ B.C. Transit
・ Ballard P. S. ・Electrolyser

3)その他

EQHHPPでは8つの企業、機関が参加し、ハイタン(水素20%、天然ガス80%)燃料の全長12.2mエンジンバスを共同開発した。 そして2台をMontreal市バスに投入して1994年末から試験運行している。

4. ドイツ

ドイツ政府の水素と燃料電池関連の技術開発予算は1997年25 M.DM(約16億円)で、2000年に31 M.DM(約20億円)と漸増する。そのほかBavaria州政府は2000年までに150M.DM(約97.5億円)を水素プロジェクトに投入する計画である。 Bavaria州政府は1986年に太陽水素エネルギーシステム技術を開発するSWBプロジェクトを発足させてから技術開発を積極的に支援しており、下記の二つの実用的大型プロジェクトを新たに発足させている。 1) SWB(Solar Wasserstoff Bayern)プロジェクト

太陽-水素エネルギーを利用するために、太陽電池、水電解による水素製造、貯蔵、水素利用(燃料電池、ボイラー、液体水素スタンド、燃料電池フオークリフト、触媒燃焼)など一貫したシステム技術研究と機器開発を行っているプロジェクトである。

[プロジェクトの目的]
・産業用規模での太陽-水素システム技術の試験、機器の比較試験
・ 構成機器の改良開発
・ プラント試験への機器メーカーの参加機会の提供
・ 太陽-水素技術に対する産業界への刺激
・ 再生可能エネルギー利用に関するノウハウの修得(経済的観点を含む)
・ 一般市民への公認の情報提供

[組織と予算]
1985年に計画が発表され、86年にBayernwerk AGが60%、BMW、Linde, MBB、 Siemensの4社が各10%の株式を持つ研究開発会社SWB GmbHを設立した。研究開発資金はドイツ政府(BMFT)とBavaria州政府がそれぞれ35%、15%を負担している。

・ Phase 1予算(1986〜1991年):64 million DM (約41億円)
・ Phase 2予算(1992〜1999年):81 million DM(約53億円)

[Phase 1計画]
a. 太陽光発電プラント:135kWp(単結晶)、131kWp(多結晶)と電源装置
b. 低圧水電解プラント:アルカリ水電解(111kWel)、PEM水電解(100 kWel)水素発生量合計 47Nm3/h
c. 水電解生成水素、酸素ガス貯蔵システム (5000Nm3 30気圧水素ガスタンク)
d. 水素、水素・天然ガスボイラー(酸素、空気20kW級2基)
e. 燃料電池:6.5kWアルカリ型、79kWリン酸型
f. 水素自動車用液体水素燃料供給システム

[Phase 2計画]
a. 太陽光発電プラント:25、24kWp(アモルファス)、11.3kWp(改良単結晶)ほか
b. 改良高圧型アルカリ水電解プラント(100kWel)
c. 触媒燃焼ヒーター(10kWth)とビル暖房用システム
d. 触媒燃焼バーナーによる吸収式冷凍機
e. フオークリフト用PEM燃料電池(10kW)と燃料貯蔵用水素給蔵合金
f. 水素自動車用液体水素燃料供給システム:新カップリング方式と車への水素供給
SWBの全体システムを別紙1に示す。これらの研究開発は現在も続けられており、1999年にプロジェクトが終了する。

2)HYSOLARプロジェクト

ドイツ政府とサウジアラビア政府は1986年にHYSOLARプロジェクトを発足させて太陽-水素エネルギシステムの共同研究を行い1995年にプロジェクトを終了した。

[プロジェクトの目的]
・ 将来の太陽-水素製造システムと水素の利用について科学的、技術的に必要な要件を明らかにする。
・ ドイツとサウジアラビヤの研究機関の間で高レベルの技術ノウハウを移管するために長期の協力関係を確立する。

[計画の概要]
Phase 1A(1986〜1989年) 研究所設立、基礎研究
Phase 1B(1990〜1991年) 2kW、10kW、350kW太陽電池―水素製造システム
Phase 2 (1992〜1995年) 運転試験、利用技術研究

[研究開発予算]
Phase 1(1986〜1991年) 56.8 million DM(約37億円)
Phase 2(1992〜1995年) 28 million DM (約18億円)

[プロジェクト参加者]
・ドイツ:Stuttgart大学、DLR, ZSW研究所
・サウジアラビア:KSU, KAAU, KFUPMの3大学、KACST(King Abdulaziz City)

[Phase 1計画]
太陽電池の電力による水電解水素製造システムの開発に重点が置かれた。 a. 350kWデモンストレーションプラント(Riyadh)
b. 10kW試験研究設備(Stuttgart)
c. 2kW試験研究設備(Jeddah)
d. 基礎研究
e. システム研究と利用計画
f. 教育、訓練計画

[Phase 2計画]
水素ガス圧縮機が省略できるかどうか検討するために、従来の低圧アルカリ水電解装置に加えて2台の加圧アルカリ水電解装置が試験された。また、水素利用技術の研究が行なわれた。

a. 太陽-水素製造プラント(350kW、10kw、2kW)の運転
b. 水素利用(触媒燃焼、水素エンジン、燃料電池)研究
c. 基礎研究(光化学エネルギー変換、電気化学エネルギー変換、動的燃焼現象)
d. 水素エネルギーシステム研究
e. 太陽電池システム
3) Munchen空港車両水素化プロジェクト

Bavaria州政府は1995年より空港内で使用するバスや小型車などを水素自動車に切り替える計画を発足させた。空港内に設置する水素製造、貯蔵設備、各種水素自動車は既存のもの、または他のプロジェクトで開発したものを利用して1998年末までには水素自動車の運行を開始し1999年までにバス3台、ミニバン16台、修理用車両16台、特別車両6台を導入する。

[プロジェクトの目的]
・ 水素利用技術が現在でもすでに実用レベルにあることを見せる
・ 水素自動車普及の問題点である水素燃料の経済性を、水素製造と供給システムを結合したインフラにより実証する。
・ 水素自動車が環境汚染を無くすことを実証する。
・ 水素燃料による輸送システムの運転経験を早く蓄積し世界市場で有利に立てる。
・ 信頼性があるリスクの少ない既存機器でスタートし、水素のインフラを拡大することにより他の水素利用システムが導入できる。

[投資予算]
・ 30 millions DM(約19.5億円)

[プロジェクト参加者]
 ・Bavaria州政府
 ・Daimler-Benz-Aerospace(プロジェクト管理、システムエンジニアリング)
 ・空港会社、Lufthansa、
 ・水素機器メーカー、自動車メーカー、燃料供給会社など32社が参加。

[水素供給計画]
・ 水素製造:1)商用電力と20kW太陽電池によるアルカリ水電解
       2)天然ガス改質
・ 液体水素輸送:液体水素工場からコンテナで空港へ輸送
・ 貯蔵:  1)水素吸蔵合金 2)高圧圧縮水素 3)液体水素コンテナ

全体システムフローを別紙2に示す。

4) Bad Bruckenau保養村水素化計画

Bavaria州政府はミュンヘン空港プロジェクトと並行して1995年から保養村の水素化計画を発足させた。この計画は保養村に水素によるエネルギー供給システムを作り、世界で初めて水素エネルギーを実用化するプロジェクトである。村は森林地帯にあるので最終的には木材のガス化により水素を製造する。

[プロジェクトの目的]
・ 村の長所である清潔で健康的な環境を強調する。
・ 熱と電気の生成が環境に与える影響を減少させる。
・ Bavaria州でのパイオニア技術の導入

[プロジェクト参加者]
・Bavaria州政府
・ Daimler-Benz-Aerospace(プロジェクト管理、システムエンジニアリング)
・ Bad Brockenau村

[Phase 1計画] 1995〜2000年
・ 地域給湯暖房用石油ボイラを天然ガスボイラに交換(将来水素燃料に切り替える)
・ 天然ガス改質リン酸型燃料電池(200kW×2)の導入( 同上 )
・ 木材ガス化技術の開発

[Phase 2計画 水素供給システム] 2000年〜
・ 木材のガス化による水素製造(原料の木材所要量は年間5、800tで、木材屑や間伐材から半径10kmの圏内で調達可能)

[Phase 2計画 水素利用システム] ・ 水素ボイラーによる地域給湯暖房(保養地のホテル群)
・ 焼結金属工場への水素供給
・ 水素自動車
・ 水素燃料リン酸型燃料電池によるコージェネレーション

 全体システムのフローを別紙3に示す。

5)その他

EQHHPPでMAN社が開発した液体水素燃料の水素エンジンバスを1996年4月からErlangen市の市バスに投入し試験運行している。エンジンは140kW、バスの全長11.5m、液体水素を搭載しており、一充填走行距離は250kmである。

5. 米国
米国における水素エネルギー技術開発は1990年にSpark Matsunaga水素法が成立した後、1992年にDOEのHydrogen Programが策定されてから本格的な開発が行われるようになった。そして現在、DOEは短期、中期、長期の水素導入量計画を設定しHTAPと産業界、学会の協力を得てその実現を図るための研究開発を推進している。

[水素導入計画]
・ 2005年:自動車用、化学工業用0.6Q/年(石油54百万バレル相当)の水素を導入する。(1Q=1.005 Exajoule)
・ 2010年:米国で販売する車の25%を水素自動車にする。
・ 2010年:バイオマスと都市ゴミのガス化で0.2Q/年の水素を導入する。
・ 2010年:技術開発により各Emissionの排出量を下記の通り削減する。NOx:61、000t/年、CO:1、000、000t/年,CO2:46 million t/年
・ 2050年:再生可能エネルギーにより10Q/年の水素を導入する。

[DOE予算]
・ 1995年:$10 million (約12億円)
・ 1996年:$14.5 million(約17.4億円)
・ 1997年:$15 million (約18億円)
 多くのDOEのプロジェクトにはカリフォルニアのSCAQMDが共同出資している。

[技術開発項目]
・ 水素製造:熱分解またはガス化、太陽リアクター技術の効果によるハロゲンからの水素製造、太陽電池による水素製造、都市ゴミのガス化(Texaco)、高温水電解、太陽-光触媒による水からの水素製造、改良型メタン水蒸気改質(Air Products)
・ 貯蔵:常温貯蔵のCarbon nanostructures、軽量-低温の水素吸蔵合金、ガス精製と車両用Glass Microspheres、冷却圧縮水素貯蔵、配送システム
・ 水素利用:ハイブリッド車用水素エンジン、オンサイト用エネルギー貯蔵システム組込み用燃料電池、水素製造・貯蔵の安全解析、漏洩検査用センサー、用途別のEmissionと効率決定モデル、PEM燃料電池スタック、燃焼プロセス、安全対策技術、水素燃料供給スタンド、リモート電源・システム解析:LCC、信頼性、安全、コスト、貯蔵、インフラ、他燃料とのシステム比較、再生可能水素製造の技術的、経済的評価 ほか

[デモンストレーションプロジェクト]
・ Chicago市バスとして3台の水素燃料電池バスが1997年に運行開始した。(Chicago市は将来2000台の市バスを水素燃料電池バスに転換する計画である)。Ballard社製燃料電池バス、275HP全長40ft 、60人乗り、圧縮水素ボンベに燃料を貯蔵している。
・ Augusta市バスとして水素エンジンハイブリッドバスが1997年に運行を開始した。WH−Blue Bird Body製70kW水素エンジンハイブリッド(MH−水素15kg搭載)システム小型バス。32ft 27人乗り。Augusta Richmond County Public Transitが運行する。
・ PalmDesertでの燃料電池カート3台と太陽−水電解水素供給スタンドを1998年に完成させる予定。
・ Nevada州で水素エネルギーなどを利用するClean City計画が検討されている。


主要な海外の水素関連プロジェクトのまとめ
プロジェクト国名プロジェクト概要 参加者期間
[EQHH]

出資者:
EU各国
カナダ政府
ケベック州
参加機関

カナダ
EU連合
 ドイツ
 イタリア
 フランス
 ベルギー
 スイス

カナダの水力発電電力で水素を製造しヨーロッパへ輸送・貯蔵して利用するシステムの検討、利用技術の開発。現在は水素自動車ほか利用技術を開発中 カナダ:Hydro-Quebec
    ほか  12
ドイツ:LBS ほか23
イタリア、フランス、スペイン、ベルギー:AirLiquide ほか7


Ph.1:1986−
Ph.2:1989−
Ph.3:1991−
現在継続中




[HYSOLAR]

出資者:
ドイツ政府
サウジKACST
参加機関
ドイツ
サウジアラビア




太陽光発電と水素製造のシステム(350kw)実験プラント設置。基破研究、システム及び利用技術の研究 ドイツ:DLR,
    Stuttgart Unv.
サウジアラビア:
KAACST,Univ.in Riyadh,
   Jiddah,Dhahran
Ph.1A:1986−
Ph.1B:1990−
Ph.2 :1992−1995年に完了

[SWB]

出資者:
ドイツ政府
パパリア州
Bayernwerk
参加機関

ドイツ







太陽光発電−水電解−燃料電池発電の一貫システム実験プラントを設置。(80kw)水素自動車への燃料供給、然料電池フォークリフトの研究縦続中 SWB GmbH
BMW,Linde.Siemens






Ph.0:1985−
Ph.1:1987−
Ph.2 1992− 継続中




[Munchen空港水素自動車プロジェクト]

出資者:
パパリア州
参加機関
ドイツ






空港内に水素製造、貯蔵設備を設置し、空港内の車両を水素自動車に転換する



Daim1e-Benz Aero.
BMW
Lufthanza航空ほか




Ph.1:1995−
Ph.2:1996−
Ph.3:1998−




[Bad Bruckenau水素プロジェクト]

出資者:
パパリア州
参加機関



ドイツ








保貴村の集中給湯暖房を水素燃料のボイラと燃料電池で行うはか、金属工場への水素供給や自動車への水素鰯料供給を行う。水素はバイオマス(木材のガス化)技術で製造する。 Daim1e-Benz Aero.








Ph.0:1995−
Ph.1:1998−
Ph.2:2001−






[Hydrogen VehicleProject]

出資者
EU
参加機関



フランス
イタリア
スウェーデン






液体水素燃料のPEM燃料電池車(Renault Lagunaを改造)を共同開発する。
FC:35−40kW
走行距離:600km車両:Station Wagon
Renault(フランス)
Air Liquide( 〃 )
Ansaldo(イタリー)
Denola( 〃  )
Volvo(スウェーデン)




1995−1997








[Fuel Cell Bus Project]

出資者
EU
参加機関
ドイツ
フランス
イタリア



加圧水素燃料のPEM燃料電池バスを共同開発する。FC:50−60kW
車両:大型バス

Neoplan (ドイツ)
Air Liquide(フランス)
Ansaldo(イタリア)
Denola ( 〃 )


1996−1999





[Clean Air Now / XeroxSolar Hydrogen Vehicle Project]

出資者:
DOE,SCAQMDXerox


米国








太陽光発電一水電解ー水素ガス貯蔵−水素ディスペンサーによる独立した水素スタンドと水素エンジン車の実験プロジェクト。Xroxの車両を水素自動車にして実用試験を行う。 Clean Air Now Xerox








1994−1997








[Chrysler燃料電池車プロジェクト]

出資者:
DOE,SCAQMD
参加機関
米国






水素燃料のPEX燃料電池自動車を開発する。




Chrysler
A11ied Signal





1993−1998






[Chicago市燃料電池バスプロジェクト]

出資者:
Chicago市
米国
カナダ




加圧水素燃料のPEは然料電池大型バス3台を市営バスとしてテスト運行する。実際の運行は1997より開始 Ballard P.S.





1995−





DOE Hydrogen Program




米国





米国の長期水素エネルギー計画
水素製造、貯蔵、利用等の技術開発と水素の市場導入を図る計画
米国の参加者多数





1991−






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