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クリーン燃料

文章最終更新日:2023年12月25日

トレンド概要

クリーン燃料は電動化が難しい分野の打開策だが、経済合理性が成立する領域は小さい

近年、各国はCO2排出量を実質ゼロにする「カーボンニュートラル」に向けた取り組みを加速させている。国際エネルギー機関(IEA)によると、運輸セクターは最終用途部門におけるCO2排出量の1/3以上を占め、電気自動車(EV)を中心とした輸送機械の電動化が進んでいる。

しかし、全ての輸送機械を電動化することは難しい。特に充電設備などのインフラが整わない新興国や、大量の電池を必要とする大型トラック、航空機、船舶分野は、電動化における普及の遅れや技術的課題が多い状態にある。そのため、既存の内燃機関でも使用可能で、カーボンニュートラルに資する燃料である「クリーン燃料」の必要性が増してきた。

本トレンドでは、工場などの排出源や空気中から回収したCO2と再生可能エネルギー(再エネ)由来の水素を用いた合成燃料の「e-fuel(Electrofuel)」、電動化が特に難しい航空機に対し、ジェット燃料の代替として注目されている持続可能な航空燃料「SAF(Sustainable Aviation Fuel)」を中心に取り上げる。これらの燃料は製造時にCO2そのものやCO2を取り込んだバイオマス原料、廃油などのサステナブル原料など石油以外の原料を用いて製造することで脱炭素に寄与する。なお、e-fuelは黎明期、SAFは廃油由来のものが初期普及期である。

現状として、クリーン燃料はコスト課題が大きい。そのため、モータースポーツや航空など、経済合理性が成立する領域は小さいと考えられる。特にe-fuelはエネルギー効率の技術的課題がコスト高に繋がっている。レポート内では技術的な課題や現状のコスト、普及領域について言及していく。

なお、サトウキビやトウモロコシを原料とした既に普及しているバイオ燃料については「バイオ燃料業界」、温室効果ガス排出の全体像については「カーボンニュートラルの現実性・経済性」、世界のエネルギー動向については「国際エネルギー動向、激動を経て未来を見通す(2022年12月)」を参照。

内燃機関・EV・代表的なクリーン燃料のイメージ比較

出所:Uzabase作成

注:青枠は特にカーボンニュートラルに資する部分

燃料ごとにフェーズや用途は異なり、e-fuelは黎明期、SAFは初期普及が始まる

クリーン燃料の主な品目は下表に示す通りで、種類によってフェーズや、主用途が異なる。

2000年代後半頃から既にCO2を吸収したバイオマスを利用して製造するバイオ燃料は注目されていた。しかし、第1世代では食料と原料が競合すること、可食部を使わない第2世代でも栽培のために多くの土地が必要なことが、課題として指摘されてきた。

これに対し、大気中または排出されたCO2と再エネ由来の水素を原料とするe-fuelは、原料や土地不足の懸念がなく、温暖化の原因であるCO2を直接使用できることから近年急速に研究開発が進んでいる。特にAudiなどのドイツの企業が先陣を切った領域で、グローバルでEVシフトをする中でドイツは内燃機関関連の技術も多く、内燃機関部品産業を守る観点からも注力したと見受けられる。ただし、後述する通り、膨大なエネルギーを要するなど課題も多く、まだ黎明期である。

また、航空向けは要求される品質規格が厳しく、従来のバイオ燃料では対応ができていなかった。しかし、近年国際規格に対応する航空燃料であるSAFが複数種類製造可能となった。2021年に、国際航空運送協会(IATA)が2050年までに温室効果ガス排出ゼロの目標を掲げ、SAF普及を推進しており、同年12月にはユナイテッド航空が世界初のSAF100%での飛行に成功するなど初期普及が始まっている。近年は航空業界各社が調達契約を結び始めているほか、SAFの使用割合に関する目標を定め始めている。

(特許動向については「特許:合成燃料(e-fuel、合成ガス燃料含む)」、「特許:バイオ燃料 バイオジェット燃料・SAF」参照)

主なクリーン燃料の種類

出所:国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構、ドイツ自動車工業会(Verband der Automobilindustrie)資料を参考にUzabase作成

※1:ジェット燃料向けのe-fuelはSAFの一部として扱われることもある

メリットはエネルギー密度の優位性、将来的には大型輸送機械で有用

e-fuelやSAFは理論上、ガソリンやディーゼルのような化石燃料と同等の体積エネルギー密度を持つ。そのため、バッテリーと比較して体積エネルギー密度が高く、バッテリーでは重量がかさみカバーしにくい大型輸送機器での需要が見込まれる。内燃機関など既存のインフラにそのまま使用できるために車体の買い替えが原則不要でスイッチングコストが低いこと、原油のような原料調達問題が無く国内で製造・調達が可能なこともメリットと言える。

また、長期的には暖房市場での灯油の代替や、化学産業の化石ベース原料の代替としても使用できる可能性が示唆されている。

各動力源のエネルギー密度の比較

出所:frontier economics『SYNTHETISCHE ENERGIETRÄGER – PERSPEKTIVEN FÜR DIE

DEUTSCHE WIRTSCHAFT UND DEN INTERNATIONALEN HANDEL』を基にUzabase作成

e-fuelの課題は製造時のエネルギー効率の悪さ

e-fuelが依然黎明期にある理由として、製造時のエネルギー消費量が大きく、コストが高いことが挙げられる。e-fuelの主流の製造方法では、FT合成(Fischer-Tropsch法)という一酸化炭素(CO)と水素(H2)の混合ガスから炭化水素(燃料の成分)を作る化学反応を用いる。FT合成自体は古い手法であるが、e-fuelの場合は

・COは温室効果ガスであるCO2を電解して得るため、電気分解のエネルギーを要すること

・水素も電気分解を用いた再エネ由来であること

から、エネルギーコストが高い。

e-fuelの主流の合成イメージ

出所:Concawe『A look into the role of e-fuels in the transport system in Europe (2030–2050)』を基にUzabase作成

Concawe(欧州石油連盟)によると、電解関連(エネルギー源と電解槽)がコストの約6割を占める。エネルギー効率も悪く、国際クリーン交通委員会によると、活用したエネルギーの5割以上は燃料製造までに喪失すると言われている。さらにFT合成自体も高温・高圧下の反応のためエネルギーを要する。このため、規模拡大によるコストダウンや、収率を向上させるための触媒開発などが検討されている。

e-fuel製造時のコスト分解

出所:Concawe『A look into the role of e-fuels in the transport system in Europe (2030–2050)』

注:液体燃料(PtL)の場合、風力発電併用で、CO2は大気からの直接回収想定時の北アフリカでのシナリオ

SAFは既に一部初期普及するも原料調達と収率は課題

航空燃料のSAFの代表的な製造方法は下記の通りである。航空燃料のSAFは、広義ではバイオ燃料系とe-fuel系を含む製造方法が代表的である。製法ごとに従来原料との混合上限が定められており、現状は最大50%とされている。航空機メーカーは2030年頃までにSAF100%の実現を目指し、既に純SAFでの飛行試験が行われている。

世界経済フォーラム(WEF)によると、現在欧州市場では廃油や植物油を用いた製造方法のHEFA(Hydroprocessed Esters and Fatty Acids)が市場のほぼ100%を占める。2030年までは同様の傾向が維持されるが、2050年にはSAFの約半数がe-fuelになる見通しとしている。HEFAで用いる廃棄油、植物油は資源として限界があるため、アルコールを用いたAtJ(Alcohol to Jet)や、木材チップや都市ごみを用いたFT合成など別の原料を用いた手法も実用研究・量産準備段階にある。しかし、いずれの方法も原料資源に限界がある上、原料からの収率には課題があるため、e-fuelと同等の製法も検討されている。

SAFの製法種類

出所:世界経済フォーラムおよび運輸総合研究所の資料を基にUzabase作成

原料効率は一般財団法人 運輸総合研究所資料の換算値

クリーン燃料はLCA排出量評価やEUの方針転換が普及を後押し、SAFは混合義務化の動き

2020年頃までは世界的にTank-to-Wheel(走行中)のCO2排出量で環境負荷が評価されてきたが、欧州を中心により広いプロセスでの評価基準が提案され、クリーン燃料普及の後押しとなっている。

欧州のCO2排出量規制では、2030年までに2021年比で37.5%減らすことが目標で、2025年以降にWell-to-Wheel(1次エネルギーから走行中まで)、2030年以降はLCA(一次エネルギーから廃棄後のリサイクルまで)で同排出量を規制する議論が進んでいる。このため、クリーン燃料も近年重要視されている。

特に、EUは2035年までにハイブリッド車を含めたエンジン車の新車販売を全面禁止する方針であったが、ドイツを中心に異議が唱えられ、2023年3月には水素と二酸化炭素から作られる合成燃料(クリーン燃料)を用いる場合のみ、2035年以降もICVの新車販売を容認する方針で合意した(バイオ燃料は現状含まない方針)。

e-fuelに対し先行しているSAFについては、欧州では既に下表のように混合義務化の動きがある。2023年4月にはEU域内の空港で供給される航空燃料について定めた「ReFuelEU Aviation」について政治的合意した。同年11月には日本、米国、シンガポールがSAFの普及に向けて連携する方針を示している。

主要各国のSAF導入の取り組み

出所:BAUM Consult Japan資料、各種報道などを基にUzabase作成

マネタイズ

e-fuelで必要なエネルギー量はEVの5倍、2050年においてもコストはガソリンの4倍

Nature Climate Changeに掲載されたFalkoらの研究によると、電力からe-fuelのエネルギーへの変換効率は約16~48%と低く、結果として必要なエネルギー量はEVの約5倍と非常に高い。そのため、再エネが豊富な国の電力を使用するなどの対策が必要になるが、それでもコストは高く、現状は非効率な燃料とも捉えられる。

ドイツエネルギー機構の試算によると、EUにおいてe-fuelはコストダウンが大幅に進むと仮定した2050年においても下表のようにガソリンの3〜4倍のコストとされている。エネルギー効率の課題を解消しない限り、安価での供給は難しいと言えるだろう。

次第にEV化が進む乗用車での普及は特に難しいと見られ、コストダウンとともに内燃機関で対応せざるを得ない大型輸送機械など、市場を見据えての顧客価値の追求が必要と言える。

従来ガソリンとe-fuelの1km走行時の燃料コスト比較

出所:The Deutsche Energie-Agentur『The potential of electricity-based fuels for low-emission transport in the EU』から抜粋

注:原本は€表記で1€=1.2$換算、EUで低温電解を用いた場合の試算

SAFは現状HEFAが最も効率的、別手法も規模拡大によるコストダウンを狙う

Markets and Marketsの分析によると、世界のSAFの市場規模は2023年の約11億ドルから、2030年までに約168億ドルに成長すると見られている。世界経済フォーラムは、EUで2030年までにジェット燃料の1割がSAF(ほぼ100% HEFA)に、2050年にはAtJ、FT合成、PtLも普及しジェット燃料の最大75%がSAFになる見通しを出している。

ただし、価格面ではどの製法においても従来の燃料を下回るのは難しい。個別で見ると、HEFAは2030年まで最も効率的な手法だが、生産コストが原料の価格に左右されコスト削減が難しい。固形廃棄物を使ったFT合成は設備投資が生産コストの80%以上を占め、規模拡大が重要視されやすい。また、初期は原料のごみは輸送経費などを除けばほぼ無料で入手できるが、価値が高まるとコストが上昇する可能性がある。AtJのキーは原料であるエタノールのコストに左右されやすい。e-fuelの一種であるPtLは先述の電力コストが課題で、この点の削減など効率性向上が鍵となる。

そのため、当面は製造者が規模拡大や技術革新を行う一方で、政策での環境的価値作りや配合義務化、インセンティブ付与が普及のためには必要と言える。

燃料1トンあたりの製造コスト予測

出所:The World Economic Forum『Clean Skies for Tomorrow: Sustainable Aviation Fuels as a Pathway to Net-Zero Aviation November 2020』

注:HEFAの原料は1トン当たり約600~950ドルの幅。水素は太陽熱発電によるもの。

AtJの原料のコストは1トン当たり33~220ドルの範囲で変化する可能性がある

CO2の排出量は削減可能だが、LCA全体では使用期間が長いほどEVの排出量を上回る

eFuel Allianceによると、2030年にEU全体が5%のe-fuelを混合すると、6,000万トンのCO2排出を削減できると言われている。これは、EDGARが公開するデータに基づいて試算すると、2020年のEUの全セクターのCO2排出量の約2%、輸送セクターの約8%の量である。

一方で、走行時にCO2が排出されるため、現状はEV車と比較するとライフサイクル全体での排出量は、使用期間が長くなるほどEVを上回るデメリットがある。技術により排出量は大きく異なり、硫黄分などを含まないためCO2は従来品より少ないとされる報道もあるが、Gunnar Ludererらのシミュレーションでは、e-fuelは製造工程で電力を消費するため従来ガソリンの最大約3倍のCO2を排出するとも言われている(現在のドイツの電源構成で、気体のe-fuelであるe-gasの場合)。

SAFについては、従来品よりは排出量が少ないとされているがCO2排出があることには変わりない。不純物除去など技術的向上余地はあるものの、電動化が進む領域については現状劣勢と言える。次の段落で言及するが、現状e-fuelはスポーツカーなどに普及分野は限られている。

未来

e-fuelはヨーロッパが先行するも、スポーツカーなど分野が限られる

e-fuelでは、ドイツの自動車企業が再エネやCO2回収技術を持つ企業と協業し、先行している。ただし、現状は需要分野が限られEVを優先するプレイヤーが多い。理由として欧州のe-fuelを容認する動きはあるもののコスト課題が大きいことや、グローバルでもHEVやBEVの推進・成長を重視する国が多いことなどが挙げられる。

たとえば、先行企業の一社で2018年に60リットルのe-gasolineの製造に成功したAudiは、大気中のCO2を直接回収する技術を持つClimeworks(CHE)、CO2から燃料を精製する技術を持つSunfire(DEU)と協力関係にある。しかし、2021年にe-gasからは工場を売却して撤退した。さらに、2026年以降の新型車を全てEVにする方針を示すなど、e-fuelで先行はしているものの全体の戦略としてはEVの優先順位が高い可能性が見受けられる。

コスト課題に対する取り組みとしては、Siemens Energy(DEU)が主導する「Haru Oni」という大規模実証プロジェクトが行われている。Porsche(DEU)や電力大手のAME(DEU)が参加しており、2025年に約55万kL/年の生産を計画している。2022年末には初の製品として2600Lのe-fuelが出荷された。日本では出光興産が、2030年までの製品化を目指している。

e-fuelは先述の通りコストが非常に高く現状の使用先は、高出力が必要なスポーツカーなどでのニッチ分野の利用が中心となっている。先進国では乗用車はEVへの切り替えが早いことも見込まれるため、特殊車両や重量車など代替手段が少ない分野に向けての普及が今後は鍵となるだろう。

主なe-fuel参入企業

出所:Uzabase作成

注:黒線は提携関係

SAFは石油系企業の他に原料サプライチェーンを活かした参入も多い

SAFの参入企業はNeste(FIN)、Repsol(ESP)、ENEOS、TotalEnergies(FRA)など石油系企業も多い。一方で、フィンランド森林企業のUPM(FIN)や、藻類を原料としたSAFでは微細藻類の製品に強みを持つスタートアップのユーグレナなど、今まで燃料事業は行っていなかった企業が原料との共通コスト・ノウハウを活かし参入するケースや、ベンチャー企業の参入もあり、石油化学関連にとっては競合になると言える。ENEOSのように原料の有限性を考え、複数の製法でプロジェクト(PtLとHEFA)を行う企業も存在する。先行は欧州企業で日本はやや遅れているが、面積効率の良い藻類などでの参入が目立つ。

特に先行しているのはHEFAが主であるNesteで、世界最大手と言われている。既に年間10万トンのSAFを生産開始しており、2023年5月時点で年間100万トンの生産能力を持ち、2024年初めには年間150万トンまで規模を広げる予定としている。

一方で、他の手法も、実用化に向けて開発が加速している。FT合成では、Fulcrum BioEnergy(USA)が2022年5月に世界で初めて埋め立て廃棄物からSAFを製造するプラントの操業を開始した。AtJではLanzaTech(USA) からスピンオフしたLanzaJet(USA)の世界初の AtJ バイオリファイナリーが、2023 年末に稼働開始予定である。また、ユーグレナの藻類と食用油を用いたSAFは、2022年に成田国際空港に導入開始、2023年3月に都営空港に導入を行うなど、普及が進んでいる。今後は、2024年1月に実証プラントを閉鎖、2025年までに商業プラントを完成させる計画を示している。

なお、ユーグレナによると、2022年10~12月のSAFおよびバイオディーゼル価格は2.2~2.7ドル/Lで、軽油の約3倍とされており、コスト効率化は必須に近い。

主なSAF参入企業

出所:Uzabase作成

注:フェーズは代表企業の動きの目安で企業ごとに異なる

 

 

航空でのSAF供給網構築や、船舶でのバイオ燃料を用いた試験実施が続く

燃料を使用する航空会社や船舶でも、SAFを中心としたクリーン燃料確保の動きを見せている。

航空業界では、ANAはJALと国産SAFのサプライチェーンに関わる企業との連携により、SAFの商用化や普及拡大に取り組んでいる。たとえば、アラスカ航空、アメリカン航空、JALなど航空連合「ワンワールド」加盟航空会社のうち9社は、SAFの共同調達を行う。同連合では米国のメーカーが製造するSAFを2024年からの7年間で130万キロリットル調達し、米国発の定期便に搭載するとしている。航空輸送においても、DHL ExpressがWorld Energyから7年間のSAF共有を受ける契約が結ばれるなど、長期間の契約も目立つ。

商社でもSAF供給網確立の動きが見られる。たとえば、NesteからSAF供給を受ける伊藤忠商事は、2022年2月に日本市場向けの独占契約を結んだ。2023年1月には都市ごみからSAFを製造するRaven(USA)から供給を受けると発表するなど調達の幅を広げている。伊藤忠は既にANAやJALなどへSAFを供給している。ただし、カーボンニュートラルに向けて鉄道などの電動化も進むと見られており、短距離便を中心にフライトが減る懸念には留意する必要がある。

船舶においても、2021年に商船三井がオランダのGoodFuels(NLD)とバイオ燃料供給契約を締結し試験航行を開始した。2022年にNSユナイテッド海運は、日本製鉄と豊田通商ペトロリアムの協力を得て、バイオディーゼル燃料で試験航行を行った。このように実証が進んでいるが、同時に製造時でなく燃焼時に二酸化炭素を出さない水素やアンモニアも船舶燃料として検討されている。

青山 武史

青山 武史

グロービス経営大学院大学でMBAを取得し、キャリアを一貫してクリエイティブ、テクノロジー、ビジネスを高度に融合させた新規事業開発やイノベーションの創出を主導して来た。スタートアップ(最高事業責任者)や事業会社(マーケティング最高責任者)等でマーケティングからサービス開発までの新規事業開発の経験を積み、多くの事業で収益規模を拡大し、大手企業とのアライアンスに携わった。現在はYKK APにて新規事業開発部担当部長として、再生エネルギー事業の推進と新規領域の探索を担当。Point0を通して大手企業と共創活動を推進。渋谷未来デザインとSWiTCHとのカーボンニュートラルプロジェクト「CNUD」に参画。個人としても大手エネルギー企業のヘルスケ領域の新規事業開発支援コンサルティング実績多数。

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