業界の動き
F-REI が福島で実現したいエネルギー技術開発目標
はじめに
福島国際研究教育機構（F-REI: Fukushima Institute for Research, Education, and Innovation）は、福島復興再生特別措置法に基づき、令和5年（2023年）4月、国が新たに設立した特殊法人である（1）。
F-REI（エフレイ）は、福島をはじめ東北の復興を実現するための夢や希望となる取組みを進め、我が国の産業競争力を世界最高の水準に引き上げて経済成長や国民生活の向上に貢献する、世界に冠たる「創造的復興の中核拠点」を目指すことを使命としている。
これらの使命を全うすべくF-REIは、福島の優位性を発揮できる、①ロボット、②農林水産業、③エネルギー、④放射線科学・創薬医療、放射線の産業利用、⑤原子力災害に関するデータや知見の集積・発信の5分野の研究開発・産業化、人材育成に取り組んでいる。
本稿では、F-REIが、福島に貢献したいエネルギー研究開発内容について述べる。この2年間は、11件の外部委託研究が中心であったが、F-REIの研究施設建設が福島県浪江町の16万9,000平方メートルの用地に2025年の4月から着工し、直営研究開発も本格化してきている。
エネルギー分野における研究開発の基本方針
福島復興再生特別措置法に基づく「新産業創出等研究開発基本計画」など（2）（3）の方針を踏まえ、エネルギー研究分野では、福島を日本のカーボンニュートラル先駆けの地とするため、再生可能エネルギーを中心にエネルギーの製造・貯蔵・輸送・利用に関わる研究開発を行う。特に水素・アンモニアを使ったエネルギーの利活用とCO2を液体燃料などの原料とする研究を推進する。それら研究開発の成果の社会実装を目指し、リスク評価、安全技術基準などに必要な科学的知見の提供も研究課題とする。さらに、再生可能エネルギーの活用をベースとするカーボンニュートラル、ネガティブエミッションの実現可能性を実証し、それらの広域展開によりサステナブルな社会の実現に貢献することを研究開発の究極の目標に据えている。
このような基本方針、最終目標のもと、研究成果を福島浜通り地域など15市町村を中心とした福島県下に展開し、さらには東北地方から日本全体、最終的には世界全体のカーボンニュートラル、ネガティブエミッションの実現を中心とするエネルギー問題の解決に貢献する研究開発を戦略的に推進することとしている。
福島で実現したいエネルギー技術開発目標
研究開発の基本方針・目標を踏まえ、F-REIとして福島で実現したいエネルギー技術開発目標として、図1に示す三つの具体的な研究開発課題に挑戦している。
図1 福島のために実現したいエネルギー技術開発目標
大型藻類を活用するブルーカーボンによるネガティブエミッションの推進
福島県の太平洋沿岸・沖合海域で、大型藻類である昆布の種苗育成・陸上養殖、および、海上での大規模養殖法を技術開発し、ブルーカーボンの推進、海底に沈下する枯れた昆布によるCO2固定能の評価手法を開発・確立し、ブルーカーボンによるネガティブエミッションの実現を推進する。
種苗生産では、まず昆布の表面から出てくる遊走子を雌雄別の配偶体へと成長、受精させて昆布の種苗を陸上で育成・養殖させる技術を高度化する。次に育成した種苗をロープなどに固定し、海洋沿岸域で大規模、広域的かつ深度方向も活用した高密度養殖法技術を開発する。選び抜かれた昆布の種苗は成長速度が速く、わずか1年で長さ10mに成長し、かつ、その成長過程で成長点である根本付け根から遠い先端部分から徐々に枯れて、全体の3分の1程度は海底に沈下する。海底に沈下した部分の2割程度は、難分解性であるため、そのまま海底に保持される。100年以上海底で炭素分を保持できれば、ブルーカーボンとしてCO2の海底固定の実現が期待できる。
海底に蓄積した藻類の状態を調査することにより、海底での炭素固定の割合を学術的観点から定量的に明らかにし、ブルーカーボンの評価手法を確立する。その成果を基に、国際標準を提唱する。ブルーカーボンの定量的な評価法に関し、国際的な議論が活発化しており、議論に主体的に参画しながら、国際標準の制定・普及を主導することを目指す。
収穫した残りの昆布は、食用やアルギン酸化合物などの抽出に、また腐食した昆布はメタン発酵させたり、バイオ炭や液体燃料製造プロセスにおけるエネルギー源としての体系的な利活用を推進する。これらの例示のように、「大型藻類を大量養殖し、それを使い尽くす。」という大きな方針を実現することを目指す。図2はそれら全体を俯瞰的に図示したものである。
図2 「大型藻類を大量育成し、それを使い尽くす」ブルーカーボン技術
大型藻類によるCO2吸収量は、成長が1年に10mになるマコンブを対象に、深さ方向に15m、また、海面でも2次元的に高密度で成長させることにより、1haあたり3万本の昆布（長さ10m、幅20cmの大きさ）で、CO2が約10トンの吸収量になる。生産物が10トンの吸収の時、総生産量は15トン分の吸収になり、総生育量の3分の1は枯れて海底に沈下するのでその量は5トン、その2割程度が海底に蓄積されると期待されるので、1ha当たり1トンのCO2が海底に100年はそのままの状態で保存される。それはブルーカーボンのCO2固定となり、CCS（CO2の回収・固定）としてカウントできると期待される。このCCSとしての体積量の科学的算出根拠の提唱と、その国際標準化を進めていく。
このブルーカーボン事業での大型藻類の育成を岩手県大船渡市の海域で既にスタートさせており、漁師の方々と連携して、昆布が深さ方向に張ったロープでも育つことが証明されている。今後、福島県内の浜通りの海を活用した産業化を目指した研究開発を進めていく。また、相馬地方で産出するヒトエグサなども対象に、これらの育成技術をサポートして実現させることも目指している。
森林バイオマス資源を活用した液体燃料製造と炭素の地中貯留・利活用の実現
福島県の広大な阿武隈山地に賦存する森林バイオマス資源を活用して、輸送用機器や燃料用のカーボンニュートラルな液体燃料を製造することを目指している。
まず、ネガティブエミッションの観点から、CO2排出低減への最適な土地の利用方法も検討した。具体的には、水田による稲作、畑作によるエネルギー生成可能な植物の育成、そして森林バイオマス活用でのCO2固定量のオーダーを見ると、図3のようになる。
図3 CO2排出低減のための土地利用の最適化
水田における稲作では、水田がメタンの発生源になっており、CO2換算で約5t/haのオーダーの温暖化ガスが発生するとされている。これを、水稲育成中の中干しなどの夏場の水抜きを励行することで、メタン発生菌を減少させ、メタン発生量の半減を目指した稲作技術が検討されている。一方、稲作で発生する稲わらやもみ殻は、田んぼにすきこむことが多い。稲わらは、約10t/haのCO2を固定できるが、田んぼにすき込んだ場合、微生物による分解で大気中にCO2として排出されるだけになり、植物に固定したCO2は有効に貯留できない。稲わらやもみ殻は、カーボンニュートラルな燃料であり、この稲わら・もみ殻をボイラで石炭代替燃料として活用した場合、また燃焼排ガスからCO2を回収し、温室に入れ、野菜などの成長促進に活用した場合、CO2排出削減に貢献できる。F-REIでは、稲わらやもみ殻の50％程度を活用して、化石燃料代替としてハウス栽培の温室暖房やCO2供給に活用して、稲作をする水田が温暖化ガスの発生源ではなく、CO2の吸収源となるような技術開発を目指している。
一方、大型成長植物のソルガムは、エネルギー生成植物であるが、定量的にどの程度のCO2を固定できるかが明確になっていない。福島におけるCO2固定量を実験的に明らかにしていきたい。化石燃料の代替燃料として使用したり、バイオ炭にしてネガティブエミッションに活用しうる。
また、森林バイオマスは、1haあたり年間約9トンのCO2を吸収・固定し、栽培から50年近く経過した伐採時には、1haあたりの木材に固定した約490トンのCO2を確保できる。この値は、稲作やソルガムの1haのCO2固定量に比べて、一桁大きい値になっており、単位面積当たりの土地に、どれだけCO2を固定できるかという観点では、森林バイオマスにしてCO2を固定化する方法が、潜在的に有効であることが分かる。CO2を大量に固定する土地利用の観点から、森林バイオマスとして、単位面積あたりのCO2 固定量を数十年かけて増大させ、それを伐採して活用する方法は、効率的な地球温暖化防止対策の観点でも重要である。
F-REIが福島のために実現したい技術である、阿武隈山地の森林バイオマスを活用した液体燃料とバイオ炭を製造する技術研究開発は、上記のCO2を大量に固定する土地利用の観点に基づくものである。また、この技術は福島県だけでなく、日本国内および世界で適用できる、汎用的な技術に成長しうると考えている。
具体的な技術開発プロセスを図4に示す。バイオ炭製造装置と小型FT（Fischer-Tropsch）合成装置などを開発し、それをコンテナに搭載し、トレーラーにのせて、森林に入り込む。森林を伐採後、その場でバイオ炭、および液体燃料を製造する。図5に示すように、FT合成で炭素数を制御し、効率良く、液体燃料を製造できる触媒技術などの開発研究も積極的に実施する。特に森林バイオマスは、液体燃料やバイオ炭の形にして活用することで、カーボンニュートラルの推進に貢献することが期待できる。
図4 森林バイオマス利用による液体燃料とバイオ炭製造
図5 小型FT（Fischer-Tropsch）プラントの構成
ただし、阿武隈山地の一部にはセシウムの残存する場所もあるため、残存セシウム量を測定しながら、バイオ炭製造装置と小型液体燃料製造装置などのコンテナを積載したトレーラーを巡回させる。そして原則、森林バイオマスに残存するセシウムは、ガス化プロセスでバイオ炭に吸着させ、セシウムを除去したガスでFT合成し、バイオ液体燃料を製造する。また、セシウム付着のバイオ炭は、森林内の地下部分に貯留することを目指しており、図4のようになる。地下に規定量以下のセシウムを含むバイオ炭を貯留することにより、地下貯留100年で、セシウムの放射線量は10分の1に低減し、バイオ炭としてCO2のネガティブエミッションの実現が可能になる。森林でのバイオ炭によるネガティブエミッションは前例がないため、学術的な観点から科学的にその効果を実証しながら、国際的な合意形成を進め、国際標準に持っていく必要があり、挑戦的な課題である。
航空機や長距離トラック・バスに森林バイオマス資源を活用した輸送用カーボンニュートラル液体燃料や工業炉用カーボンニュートラル液体燃料を用いるなど、カーボンニュートラルな社会において経済性のある利用方法を実現できる。これにより、世界的に見ても大きな貢献を果たすことが可能となる。また、森林の残存セシウム濃度に応じて、バイオ炭吸着処理の割合や方法を変えることで、それぞれの山林ごとのレシピを作り上げ、バイオ炭を埋めていく。今後はバイオ炭を埋める認証制度も構築することを目指していきたい。
高効率な地産地消型中小規模水素エネルギーシステム（「エコ水素」）の構築とその社会実証
福島県は、太陽光発電施設や風力発電施設が多く、その電力を最大限活用するシステム技術の開発が重要である。特に福島県浜通り地域には、100万kWを超える太陽光発電設備が設置されているが、種々の用途に太陽光発電を活用することで、その発電量を有効活用できない「出力抑制」を最大限減らすことが指向されている。このような変動再生可能エネルギーを最大限有効利用する方法として、まず電力として直接使える分は最大限使う。使いきれなかった電力で水電解で水素を発生させ、貯蔵する。そして水素を需要に応じて供給したり、燃料電池を動かすことで電力や熱を生み出す。このような「地産地消型水素エネルギーシステム」を構築することが期待されている。
福島浜通り地域は現在、水素の工業需要は多くない状況にあるので、民生用（業務・家庭用）の電力需要・熱需要の割合が大きいことが想定される。それゆえ、本研究開発では、変動再エネの電力を用いて水電解装置で発生させた水素を水素吸蔵合金で貯蔵し、必要な時に燃料電池で電気と熱を高効率に供給する、中小規模な地産地消型水素エネルギーシステムの研究開発を実施する。
このような水素エネルギーシステムは、民生用電力需要の割合の大きい地域での水素活用の中小規模汎用システムとなりうると考えている。特に従来の都市ガス配管のない、プロパンガスでのガス供給地域では、プロパンガスボンベを水素に置き換えることで、カーボンニュートラルを実現する手段となり得る。ただしその場合、大型の蓄電池に比べて、経済性を含め総合的に高い性能を有することが普及のための必須条件となる。高いエネルギー変換効率を実現する革新的な技術開発が重要である。本研究開発では、図6に示すように、入力する電力量に対して、出力電力量の割合が50%以上、また熱供給・活用を含め80%以上の高効率の目標達成を目指すこととしている。現在、太陽光発電からの電力を水電解で水素を生産し、発電に利用する現存技術のトータル効率は30％程度までしか到達していないとみられ、これを50％以上へもっていくことが挑戦的な研究開発課題となっている。
図6 高効率小型水素エネルギーシステム
具体的には、電気・熱エネルギーシステムの最適化では水電解装置にはAEM（アニオン交換膜電解）やSOEC（固体酸化物型電解セル）の活用を検討する。AEM型水電解は高効率が期待でき、希求目標として効率72％を掲げている。燃料電池はPEM（固体高分子）型で実用化、電気と熱の総合効率で70％を実現させることを目指している。
その実現には、図7に示すように、水電解装置・水素貯蔵装置・燃料電池の効率の大幅な向上が必要であることから、電極触媒や電解質膜などの材料開発もあわせて行う。さらに熱エネルギーシステムとしての一体的な設計により高性能化を図る。
図7 水素エネルギーシステムの構成と特徴
この地産地消型水素エネルギーシステムは、福島水素エネルギー研究フィールド（FH2R）が設置されている浪江町をはじめ相双地域と連携した社会実証を行い、水素エネルギー活用の有効性を世界に情報発信することを目指している。
この地産地消型水素エネルギーシステムは、まず家庭やビルでの中小型向けに、燃料電池容量で1kW～10kWのオーダーで実現していく。LPGを活用している地方のエリアで、プロパンガス代替として水素の地産地消型システムの実用化につなげていく。2029年度までの事業として、FH2Rが設置されている浪江町など福島県浜通りの自治体と連携し社会実証を実現していく。併せて水素は工業炉などでの熱利用も検討する。
水素はいまだに製造コストは高いが、運搬を前提としない水素の地産地消型事業を通し、水電解装置、燃料電池などのコスト低減を進める。さらに日本発の技術で世界へこの地産地消型システムを普及させていくことで、水素の大幅なコストダウンの実現を目指す。このような「地産地消型中小規模水素エネルギーシステム」を「エコ水素」と呼称することで、その概念（図8）を普及させたい。
図8 エコ水素エネルギーシステムの特徴
また本研究課題は、福島の現場と連携した研究開発であり、水素の社会実装をも同時並行で実現しながら基盤技術を普及させていくことを目指す。水素の大規模な利活用、普及を推進するには、水素関連技術の安全性の確立が根本的に重要となると考えており、次節に取組みを詳述する。
水素エネルギーシステムの安全科学的検討
福島の地においては、東日本大震災の経験も踏まえ、エネルギーシステムの安全性の確立が極めて重要である。そのためF-REIでは、水素エネルギーシステムの安全性の確立と国際標準化の推進のために、「水素エネルギーシステム安全科学ユニット」を設置し、安全性確立の根拠となる科学的なデータの取得、リスク評価手法の確立などにも積極的に取り組んでいる。
具体的には、福島の特徴を活かした地産地消型水素エネルギーシステムの社会実装に向けて、システムを構成する個々の機器および熱マネジメントを含めたシステム全体のリスクを安全科学の観点から評価し、安全性の一層の確立を図るための研究、技術開発を推進する。特に装置の起動・停止、および再生可能エネルギー由来の電力利用といった非定常な運転状態に対しても高い安全性を確保する必要があるため、過酷環境下での運転データを取得し、モデリングやシミュレーション、AIなどを導入して、リアルタイムでのリスク評価・低減を図る手法の開発に挑む。
特にAEM水電解、水素吸蔵合金を用いた水素貯蔵、および燃料電池からなる水素エネルギーシステム全体の安全性確立を最終的な目標と見据えている。図9に示すようにJIS Z 8051:2015に準じて、ハザードの同定、リスクの評価、安全対策の実施、再度のリスク評価を行うことで、残存リスクを低減させるという、リスクをなくすための反復プロセスを推進する。そこでは、非定常状態に加え、システムを構成する各機器間のインターフェースにおいて、見落としがちなリスクが潜んでいることにも配慮する。そして、水素エネルギーシステムの劣化原因のミクロなメカニズムを解明するとともに、その解明結果に基づき、多くのセンサーを活用し、科学的にリスク要因を低減させ、リスクをなくすための努力を継続する。
図9 水素エネルギーシステムの社会実装を目指した安全性確立のためのリスク低減反復プロセス
研究開発推進上のポイント
これら本稿で取り上げたエネルギー分野の研究開発課題は、いずれもCO2の削減ポテンシャルが高く、市場規模や社会に与えるインパクトも大きい。IEA（国際エネルギー機関）などの2050年の具体的な予測では、今後必要な世界のCO2削減総量500億トンのうち、ブルーカーボンで5～14億トン、水素で16億トンのCO2削減ポテンシャルを持っている（4）。
このように市場規模が大きいことから、このチャレンジングな課題解決の実現を導く技術開発の社会的なインパクトは極めて大きい。
以上に説明した研究課題の多くは、外部機関への委託研究として既に着手しており、今後、F-REIの研究施設の整備を待ちながら、研究者の直接雇用・クロスアポイントメントによる研究開発へと段階的に移行させる予定である。また、国際、国内公募による研究者募集にも着手している。
さらに、阿武隈山地の森林バイオマス利用では、原子力災害に関するデータや知見の集積・発信に関する研究分野との連携により、分野横断型・融合研究テーマとして、異分野の研究開発課題や研究者との協力、連携による強みを最大限に活かせる仕組みが機構内に整えられつつある。
冒頭で述べたとおり、F-REIは研究開発の成果を地元産業の振興や新産業創出として結実させ、福島をはじめ東北の創造的復興を目指している。同時に、カーボンニュートラルな世界の実現の必要性、そのためのエネルギー産業の創出の重要性を広く社会に浸透させ、次代を担う若い世代を育てることも併せて目指したい。
おわりに
F-REIのミッションは、極めて高い目標から成り立っているが、福島・東北の復興のため、そして世界のために、「創造的復興の中核拠点」として貢献できるよう、全力で取り組んでいく所存である。特にエネルギー技術においては、三つの大きな目標を、福島のために実現したいエネルギー技術課題として提案しており、その課題解決実現のために世界最高水準の研究者を招へいしてのチーム編成と、その陣容に相応しい研究環境の構築に邁進している。関係各位のよりいっそうのご支援、ご協力をお願いしたい。
参考文献
（1） 福島国際研究教育機構（F-REI）パンフレット.
https://www.f-rei.go.jp/assets/contents/f-rei_brochure_japanese.pdf
（2） 新産業創出等研究開発基本計画（令和4年8月26日内閣総理大臣決定）.
（3） 福島国際研究教育機構の中期目標を達成するための計画（中期計画）（令和5年4月7日）.
（4） 持続可能な社会の実現に向けた技術開発総合指針2023, 新エネルギー・産業技術総合開発機構, 技術戦略研究センター(TSC) Foresight, 2023年8月.
＜名誉員＞
矢部 彰
◎福島国際研究教育機構（F-REI） エネルギー分野長
◎専門：エネルギー工学、熱工学
秋田 調
◎福島国際研究教育機構（F-REI） エネルギー分野 副分野長
◎専門：エネルギー工学、電気工学
錦谷 禎範
◎福島国際研究教育機構（F-REI） エネルギー分野 副分野長
◎専門：エネルギー工学、化学
山口 和也
◎福島国際研究教育機構（F-REI）
森林バイオマス活用有機合成研究ユニットリーダー
◎専門：エネルギー工学、触媒化学
内本 喜晴
◎福島国際研究教育機構（F-REI）
エコ水素エネルギー材料・デバイス研究ユニットリーダー
◎専門：エネルギー工学、電気化学
＜正員＞
迫田 直也
◎福島国際研究教育機構（F-REI）
水素エネルギーシステム安全科学ユニットリーダー
◎専門：エネルギー工学、熱工学
キーワード：業界の動き