來源：日經電子，2019年3月刊，該文基於當時寫作的信息，現在可能發生變化
被叫做氫社會2.0的新的氫社會建設已經開始。現在除了燃料電池以外，儲能電池和可再生能源也起到了重要的作用。世界開始向著不依賴化石能源，且能源利用成本很低的方向發展。
“氫社會”的概念已經被提出有幾十年了。在這個社會裡，以氫為能源的主軸（圖1）。然而，就在幾年前，這一概念有所改變，現在人們提及氫社會時所指的概念會有所不同。
圖1已經看到的“蓄電池+氫氣社會”的全貌
該圖展示的社會形態構想中，將儲能電池電解水生產氫氣、再利用燃料電池發電的技術進行了組合。鋰離子電池（LIB）等電池可用於平衡可再生能源的短期波動，P2G和FC可用於平衡長期波動。通過將剩餘的電能轉換為氫，可以引入大量的可再生能源，並且實現電力系統的均衡。減輕了輸電線路的負擔，也可以在客戶現場按照需求實現發電、長期儲存、甚至可以用作工業原材料。
在二者之間有兩個主要的差異。一個是新的氫社會同時也是電池社會，儲能電池在城鎮裡也同時得到普及。如下所述，這也是頭一回和鋰離子二次電池一起思考，因為從理性的經濟的角度上來說是可行的。豐田汽車也設想了未來電池和燃料電池共存的場景（圖2）。
圖2. 豐田還致力於蓄電池和燃料電池的共存
豐田汽車近期在各種展覽會上展出的近未來社會的構想。 它還顯示了FCV以外的FC應用，例如FC無人機和FC列車。 家庭和建築物中不僅安裝了FC，還安裝了儲能電池。
另外一個差異是大規模製氫的方法和之前的不太一樣。之前，用高溫水蒸氣和天然氣（甲烷）重整制氫是主要的方法注1）。但這種方法生產出的氫並不便宜。這是因為天然氣的成本被算進重整的成本里了，且由於控制難度大，成本也會相應增加。同時對化石能源的依賴也不會改變。如果說有什麼優勢的話，就是二氧化碳的排放可以被限制在重整工廠裡，同時如果二氧化碳捕捉、儲存技術成熟以後，可以大幅的降低二氧化碳排放注2）。
注1）例如，CH4＋2H2O→CO2＋4H2這一種反應。
注2）另一方面，各種社會基礎設施變化是昂貴的。除了這些痛苦之外，能源採購的成本也會增加，如果獲得的利益不明確，那麼實現的動機也很模糊。無論政府揮舞旗幟多久，公司仍然在只發聲不行動的，這是不合理的。
可再生能源激增的首選
而從另一方面來說，在新的氫能社會裡，制氫的主要場景是由可再生能源發電來電解產生的 注3）。由於這種形式將能量轉換為氫氣，也被成為P2G(Power to Gas)。這種形式在之前已經被提起過，但直到幾年前，這個概念還有點不切實際，略顯”科幻“。
注3）還有從澳大利亞褐煤中取出的利用價值低的氫，進口到日本並做為補充供應的假設
這是目前最有力的選項。在日本海外，可再生能源是成本最低的能源，電能的價格經常是負的。在日本，2019年初大概引入了50GW的可再生能源。甚至在九州由於太陽能發電量太多，以至於情況最終變成了對發電量輸出加以限制。
現在，大多數推進氫能社會的人都認真的說，利用這種可再生能源的剩餘能量，可以用P2G大量生產氫氣。 豐田前瞻技術開發公司，環境技術規劃辦公室，專業合夥人廣瀨雄彥先生之前是比利時氫能協會的發起人，該組織目的是為了促進世界氫社會的建設。他表示，”為了降低全世界的CO2排放，大多數的發電系統都有必要是可再生能源，但是在緩衝能量輸出波動方面，氫是一種非常有效的方式。
制氫衝刺已經開始
一些具體的努力已經開始。2019年1月31日起，福島縣的產業技術綜合研究所 福島可再生能源中心將用100%可再生能源製造生產氫氣，向東京輸送無二氧化碳的氫氣，以供燃料電池汽車的運行。這也是計劃於2020年7月在福島縣南美市全面運營的P2G研究設施“FH2R†”的先期宣傳。
** ** FH2R（福島氫能研究領域）** = NEDO、東芝能源系統、東北電力和巖谷產業共同促進的一個項目，如項目下使用10MW的太陽能光電的電力來電解水制氫。
圖3 可再生能源大規模生產氫氣的時代
(a)日本利用可再生能源大規模生產氫氣的努力。 (b)福島縣浪江町正在建設水電解設施“福島氫能研究場”,將於2020年7月運行，最高功率達10MW，制氫規模可達1200Nm3/小時。水電解技術由東芝提供。在白天，使用太陽能，在夜間，使用電網電力。主要目的是研究電力系統均衡，但生產的氫氣將在2020年夏天的東京奧運會和殘奧會上提供給運動員村。2019年，做為呼應，同屬福島縣的產業技術綜合研究所的福島可再生能源中心生產的無CO2的氫氣供給在東京運行的FCV的活動也開始了。
在海外也有這樣的趨勢。在德國，幾個100MW規模的P2G設施項目將在2018年啟動，並將於2022年左右投入運營。該國政府也在探討在2030年應用2G-3GW級別的P2G。
分散型的P2G同時開展
不僅僅在大型發電站，在終端氫氣站和小型燃料電池發電廠也可以使用可再生能源生產氫氣。
（a）本田的“智能氫氣站” 電力使用者在現場利用可再生能源生產和使用氫的運動已經出現。本田開發了“智能氫氣站（SHS）”，基於可再生能源生產氫氣並供應給汽車。
（b）東芝的氫氣生產和儲存，FC發電/儲存集成容器“H2One” 已經在日本20各地點推出。東芝在東日本鐵路公司的川崎市的武藏溝口車站安裝了安裝三個H2One蓄電池，P2G / FC和儲氫一體化容器。
（c）德國（下薩克森州北部） 位於德國北部的下薩克森州從2018年秋季起開始運營FC列車，估計10兆瓦的風力發電可為15輛FC列車提供足夠的氫氣
（d）中國・大連市 2016年，中國負責可再生能源和燃料電池國家項目的同濟大學在大連引進了一個氫能站，該站用光伏和風力發電生產氫氣。
圖4 在電力用戶側制氫和發電
目前在日本20個地方開發了“智能氫氣站（SHS）”，用小型水電解裝置當場制氫。東芝開發了一種一體機，包括蓄電池、水電解設備、儲氫裝置、FC發電系統和熱水儲存系統，並開始在站點內安裝。德國計劃向燃料電池列車提供用可再生能源產生的氫氣。
引入500GW的可再生能源具備可能
對於可再生能源運營商，基於可再生能源的P2G也是順水推舟。這是因為在日本引入的大部分可再生能源都是過剩的。這種情況下，在天氣狀況良好的情況下，唯一的辦法就是不公平的低價賣出或者扔掉。如果將電力用於水電解，那麼發電運營商和氫的使用者將成為雙贏關係，同時獲得很多益處。
具體來說，首先，這樣對引入的可再生能源的電力系統或傳輸線路的容量沒有限制(圖5)。一些大學的研究者認為可以入日本的可再生能源將達到500GW，現在的10倍，基本上是日本電力系統最大容量的三倍。
圖5 引入氫/燃料電池的四個主要影響
我們總結了將氫/燃料電池與蓄電池結合使用的社會影響。平整不僅實現了時間平整，還實現了空間平整。例如，有可能在海外可再生能源成本很低的地方生產氫氣，並將其輸入日本。除了燃料電池汽車的擴散之外，做為工業原料的使用得到促進，可以大大降低CO2的排放，同時可以大大降低做為燃料單獨每年花費20萬億日元的石油進口成本。
還有一個優點是便於實現“時間均衡”，可再生能源的產量根據天氣的波動存在很大的問題，但在輸出波動中，波動週期少於一天的“高頻”部分倍鋰電池吸收，在雨水天氣超過一天的“低頻”部分，這一類的波動可以通過控制氫氣的產生來進行吸收。這使得將可再生能源做為“基礎負載電源”具備可行性。
除此以外，還可以實現“空間均衡”。在日本九州的太陽能發電和北海道、東北的風力發電分佈不均的問題就可以得到有效的解決。氫氣也可以進行運輸。這可以將故事不僅僅侷限於日本，還可以在澳大利亞、智利等地利用可再生能源制氫再進口至日本。
“剩餘”氫氣進入汽車和化學工廠
如果可再生能源的輸出達到500GW或者更多，即使所有的能量需求都由可再生能源滿足，仍然有可能性會發生一些變化注4）。可能會出現由於氫氣產量過高以至於過剩的情況。
注4）：日本的年耗電量大約為1萬億千瓦時（1000 TWh)。假設500G瓦是太陽能，那麼年發電量總額大概就是600TWh，設備運行率為12%，僅為所需數量的60%左右。如果200GW是太陽能發電，300GW是風力發電（設備運行率為30%），則年發電量為1028TWh，超過需求量。
NEDO的下一代電池、氫燃料電池、和氫氣組的首席研究員，大平英二先生表示，日本的電力消耗僅佔總能耗的1/4。另外1/4是汽車等交通工具，而其餘的一半是以工業和熱的形式消耗了。“在馬上用電的情況下，我們可以使用鋰離子二次電池，但如果再其他應用或者長期儲存的情況下，我們可以把他轉換為氫氣”，NEDO的大平先生建議根據不同的目的使用不同的方式。
電池使氫更便宜
未來氫氣的生產成本可能急劇下降。當下，使用可再生能源電解制氫已經被指出“無法建立經濟可行性”。這一判斷的基礎是最初的水電解運行效率被認為很低。特別是對於過剩的電力，可能存在5%或者更低的運行效率。而另一方面，為了使水電解最大化，必須使裝置的規模等於輸出的波動的峰值。“這就是為什麼我們無法收回投資成本，氫氣的生產成本將非常高。”
東京大學國際高等研究所的古山先生和可持續性科學國際合作研究所的副教授菊池康紀在2018年12月宣佈他們已經找到了推翻這一理論的條件(圖6)。關鍵是連接到電力系統的固定式儲能電池。如果儲能電池相對便宜，則可以以低成本平衡一天的波動。然後水電解裝置的體積可以相應降低，同時運行效率也可以得到提升。氫氣的生產成本得到顯著下降。
圖6 蓄電池的氫氣生產成本更低
（a）通過蓄電池的輸出均衡來降低設備成本並提高運行率 物質材料研究機構和東京大學的研究人員已經證明了將P2G/FC與蓄電池結合使用的必要性。如果沒有LIB等蓄電池進行平整，水電解系統需要引入與可再生能源發電峰值相匹配的規模的設備。然而，在這種系統下，由於水電解系統的容量利用率低，所以投資回報期大幅延長，制氫的成本仍然很高。另一方面，通過用蓄電池減小輸出波動後使用水電解裝置，可以以高運行率使用小規模的設備，並且可以在短時間內恢復投資。最終實現氫的生產成本下降。
（b）具體的試算舉例 通過這樣的組合，預計2030年左右的氫氣將在30日元左右，而且與汽油相比具備成本競爭力。
具體而言，2030年，日本預計的太陽能發電成本為7日元/kWh，蓄電池的系統成本為2萬日元/kWh，水電解系統的功率成本為5萬日元/kW，假設使用壽命為10年，則氫氣的生產成本估計為約30日元/Nm3。這相當於目前汽油成本的三分之一左右，NIMS的古山表示“未來會更加便宜”。
便利店和酒店利用燃料電池發電
為了實現一個新型的氫社會，已經有一些在城市間的便利店和酒店裡安裝燃料電池發電裝置的舉動。到目前為止，松下和東芝能源系統已經開發了“Enepharm”裝置，該裝置通過重整城市的燃氣並通過燃料電池來進行發電注5），但也開發基於純氫發電的燃料電池裝置。這兩者都使用固體高分子型燃料電池（PEFC）類型，但不適用能量進行重整，松下設備的發電效率為57%，東芝能源系統產品的發電效率為50%或更高，兩者都是傳統的PEFC類型，但效率要高於“Enepharm”。
注5）東芝已經於2017年7月結束了Enefarm的銷售。
（a）松下
（b）東芝
圖7 松下和東芝參與純氫燃料電池發電機
松下（a）和東芝（b）純氫燃料電池發電機及其應用擴展工作如圖所示。 松下採用城市天燃氣重整制氫供給其家用燃料電池系統“ENE-FARM”，將發電規模增加到5千瓦，並將其出售給便利店和公寓的公共區域。 東芝開發了熱電聯產系統“H2Rex”，除發電外還可供熱（熱水），並於2018年5月將其引入神奈川縣川崎市的一家酒店。
松下目前正在川崎市的氫氣站安裝1號機組，並在其展示廳內使用該制氫裝置生產的氫氣。在未來該公司計劃向氫氣站周邊的便利店、公寓等新建一條氫氣管道，並且利用燃料電池發電機發電。
然而，在2018年1月，東芝能源系統在7-11本社的店鋪內引入了一個純氫氣燃料電池發電機H2Rex。在同年5月，H2Rex被引入羽田機場附近的一家酒店，還能提供將發電過程中產生的熱量作熱水的功能。據說可以供應該酒店30%的能源需求。氫氣通過氫氣管道由昭和電工的廢塑料工廠供應，該工廠距離約5公里。
燃氣輪機也可使用氫氣
PEFC型的氫燃料電池發電機的發電效率為57%，固體氧化物燃料電池發電效率使65%，基於PEFC和SOFC的“良好技術”的質子傳導陶瓷燃料電池（PCFC）預計將高達75%。效率超過火力發電廠燃氣輪機的65%。那麼，是否有可能增加燃料電池發電機來取代火力發電廠呢？
NEDO的大平先生表示，”在20世紀80年代出現過這種想法，但燃氣輪機可以從規模中受益，對燃料電池發電則是不可想象的，因為功率和成本是成正比例的。”目前，在燃氣輪機中使用氫氣的演示實驗正在進行中（圖8）。
（a）神戶港島氫氣熱電聯產系統
氫的使用不僅僅限於使用FC的發電的探索已經開始，在神戶港島，正在進行使用氫氣輪機的示範試驗。
（b）英格蘭中部進行的大規模製氫和管道規劃
圖8 努力實現氫氣大規模分佈的進展
在英國，2014年至2016年，在該國中部的利茲市進行了一次“H21利茲城門”示範實驗，將供應給家庭和建築的天燃氣轉換為氫氣。目前，正在進行的”英格蘭北部H21（NOE）項目“比其大10倍，正在進行中，還規劃了非常大的8TWh的儲氫容量。
據大平表示，氫燃料電池和氫燃氣輪機的功率分歧點在1MW。燃料電池發電裝置更適合家庭到中型建築，對於大型建築和社區才是氫燃氣輪機應用的場景。
例如，在英國中部地區，包括6個城市，將天然氣轉換為氫氣的項目正在大規模進行注6）。從現在開始，將有可能聽到全世界氫社會建設的聲音。
注6） 該項目的主要氫氣來源於天然氣的重整。H21 NoE還考慮引入1.5GW的水電解槽，但令人失望的是成本過高。