サステナビリティ
海水から水素と淡水をつくる太陽光技術
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淡水と水素の需要に応える
人口が増える多くの地域で、淡水の不足が深刻になっている。水不足は国際的な緊張を高める要因にもなり得る。例えば、ナイル川の水利用をめぐるエジプトとエチオピアの対立がある。
海水淡水化は広がっているものの、大量のエネルギーを必要とする。太陽光パネルを多数設置するだけでは、安価な水の供給を実現できないことも多い。
産業や大型機械の燃料として使える、貯蔵可能な再生可能エネルギーも求められている。水素はその候補だが、コストが高く、これまで大規模な普及には至っていない。
ここでも太陽光は役立つが、電気分解による水素製造には依然として高い費用がかかる。
太陽光を利用する新たな電解技術は、この二つの課題を同時に解決しようとする。淡水ではなく海水を原料に、水素と淡水の両方をつくる。
ジョンズ・ホプキンス大学、ミシガン州立大学、コーネル大学、リーハイ大学、MITの研究者は、この方法を学術誌Energy & Environmental Scienceに発表した。論文の原題は「Over 12% efficiency solar-powered green hydrogen production from seawater」。
海水を有効活用する
海は地球表面の約70％を覆っている。海水は多くの人にとって比較的身近でもある。世界人口の40％以上が海岸から100キロ以内、半数以上が200キロ以内に住んでいる。
出典: StatsMapsNPix
「この技術を考案したのはそのためです。地球上で最も豊富な資源は何かと考えました。太陽光と海水は事実上とても豊富で、原料としての費用もかかりません」
ただし、海水は塩分を含み、飲用にも作物の灌漑にもそのままでは使えない。そのため乾燥地域では、大気水収集や廃水の高度処理など、別の淡水源も検討されている。それでも、多くの国に大量の水を長期的に供給するには、淡水化が有力な選択肢となる。日照量の多い地域では太陽光を利用でき、例えばイオン膜を使う淡水化、あるいは直接蒸発させる方式が考えられる。ただし、これらの設備は固定費が高く、製造した水の価格を押し上げる。
「水とエネルギーは、どちらも日常生活に不可欠です。しかし通常、エネルギーの生産を増やそうとすると、水の消費も増えます。
一方で飲料水も必要です。世界人口の3分の2が水不足に直面しているのです」
また、一般的な水素製造用の電気分解には高純度の蒸留水が必要で、海水をそのまま投入することはできない。
太陽光のより効果的な利用
淡水化の経済性には課題がある。太陽光を集める大規模で高価な設備を建てながら、製造する水の価格は低く抑えなければならない。
研究チームは、淡水をつくる太陽光設備から、より価値の高い水素も同時に得ようとした。
太陽光パネルが利用できる日射は一部に限られる。すべての波長をシリコンで電力に変換することはできず、変換効率を100％にすることも不可能だ。
利用されなかった日射は設備を温める。その熱によってパネルの効率がさらに下がる可能性があり、多くの設計では比較的低い温度のほうが効率よく動作する。
一つの装置で同時につくる
そこで研究チームは、太陽光と海水を使う一つの装置から、電力、水素、淡水を同時に得られるかを検討した。一方の工程で生じる余熱などを、別の工程に生かす発想だ。
提案された装置では、各工程が次のように支え合う。
- 水素と淡水を同じ装置で製造し、設備と費用を共有するとともに、より広い波長域の太陽光を利用する。
- 原料は海水なので、水素製造のために別途淡水を確保する必要がない。
- 高純度の淡水をつくる工程が熱を吸収し、太陽光パネルを冷やして発電量を増やす可能性がある。
- 海水は水素を製造する電極触媒に直接触れず、腐食や望ましくない化学反応を抑えられる。
- 発電した電力を同じ装置内で直接水素製造に使うため、蓄電池や送電網の増強などへの依存を減らせる。
装置の設計
構想は単純に見えるが、これらの工程を同時に効率よく動かすことは難しい。
蒸発器とプロトン交換膜（PEM）電解槽の間には空気層があり、海水が電極触媒に直接触れるのを防ぐ。
性能を高めるため、研究チームはさらに次の工夫を加えた。
- 毛細管現象を利用する芯材が太陽光パネルに薄い水の膜を保ち、蒸発によってパネルを冷却する。
- 熱で蒸気圧を高め、蒸留水の製造量と水素製造の効率を向上させる。
- 蒸気が液体に戻る際に放出する熱を、水素製造の効率向上に利用する。
- 海水を一方向に流し、淡水化装置に塩が蓄積するのを抑える。
工程の後には、やや塩分の濃い海水が残る。水素製造に使わなかった蒸留水は、水質を確認したうえで淡水として利用できる。
「設計は難しいものでした。淡水化と電気分解、電気分解と太陽光パネル、太陽光パネルと淡水化が複雑に結びついています。太陽光エネルギーと電気・化学・熱エネルギーが、絶えず変換され移動しているのです」
試作装置の実験
太陽熱による蒸留と水の電気分解を組み合わせたHSD-WE装置を試験したところ、10センチ四方のセルは自然光の下で海水から毎時約200ミリリットルの水素を生成した。太陽光から水素への変換効率は12.6％だった。
実験は実際の海水を使って屋外で行われた。天候は変化し、曇った時間帯には水素の生成量が減った。
推計された製造コスト
研究チームは、各地に設置した場合の水素製造量とコストを試算した。そのモデルでは、運転開始から3年後に水素1キログラム当たり約5ドル、設備を15年間使用した場合には約1ドルになると推計している。これは商用設備で実測された費用ではない。比較対象として、当時の一般的なグリーン水素の費用は約10ドルとされた。
従来型のグリーン水素の費用は、電力価格や設備投資に大きく左右される。
HSD-WE装置は太陽光を直接利用し、受動的に働く部品が多い。モデル上は、送電網への接続、給水、貯蔵などに伴う追加費用を抑えられる可能性がある。ただし、大規模な設備でも同じ効果が得られるかは今後の検証が必要だ。
「炭素排出と汚染を避けたいと考えています。同時に費用も重要です。費用が低いほど、大規模に普及する可能性は高まります。今後の設置には大きな可能性があると考えています」
企業紹介：Xylemと水の供給
XYL 価格チャート
Xylemは欧州のVeoliaと並び、水の浄化、排水処理、海水淡水化を手がける大手企業だ。記事で引用された当時の企業情報によると、従業員は2万3,000人超で、そのうち6,000人超が技術者だった。150カ国で事業を展開し、3万5,000社超の産業顧客に直接サービスを提供していた。
主な市場は自治体の飲料水供給と下水処理だが、医療、エネルギー、食品・飲料、半導体などの分野にも専用のソリューションを提供する。
出典: Xylem
Xylemはオゾン発生装置、紫外線ランプ、淡水化膜、超純水製造装置など、水を処理・製造する機器を供給する。ポンプ、配管、ソフトウェアのほか、設置、保守、修理のサービスも提供している。
出典: Xylem
水関連の市場には多くの企業が参入している。Xylemは大手の一社だが、記事で引用された当時の推計では、同社が対象とする約800億ドル規模の市場でのシェアは約10％だった。
同社は売上高の約4％を研究開発に充てている。PFAS（ペルフルオロアルキル化合物およびポリフルオロアルキル化合物、いわゆる「永遠の化学物質」）に関する新たな規制により、数千の水道施設で処理設備の導入が必要になる可能性がある。
水道インフラへの長期投資が同社の事業を支える。Xylemへの投資を検討する際は、最新の業績、株価水準、リスクを確認する必要がある。
Xylem Inc.の最新情報
参照された研究：
1. Xuanjie Wang, et al. (2025) “Over 12% efficiency solar-powered green hydrogen production from seawater”。 Energy Environ. Sci., 2025, 18, 5264–5276. https://doi.org/10.1039/D4EE06203E
