電化によるエネルギー移行 – ネットゼロ実現の重要な要素

電化とは、従来は化石燃料などの電気以外のエネルギー源に依存していた技術やプロセスを、太陽光、風力、水力といった再生可能なエネルギー源で発電された電力を動力源とするものに移行させる取組みです。電化の主なメリットとして、温室効果ガス（GHG）排出量の削減が挙げられます。

2050年までにエネルギー分野でネットゼロ排出目標を達成するには、二酸化炭素排出量削減のために利用可能なあらゆる手段を講じる必要があります。電化はエネルギー分野において、2022年から2030年までの風力および太陽光（PV）に次いで、2030年から2050年までの最も影響力の大きな二酸化炭素排出量削減策になると考えられているため、非常に重要な役割を担っていると言えます。また、電化は21世紀末までの気温上昇を1.5 °C以内に抑えるというパリ協定の目標達成のためにも欠かせません。

電化による二酸化炭素排出量削減の多くは、化石燃料依存からの再生可能エネルギー使用への移行によるものです。この移行は、現在すでに開発されている大規模化が可能な技術で実現できます。

カーボンニュートラルを達成するには、あらゆる産業分野において効率改善、二酸化炭素の回収・貯留（CCS）、および水素への燃料の切替えといった複数の方法に取り組む必要があります。

世界的な目標であり、地域によっては義務化されているネットゼロ目標の達成には、現在化石燃料が使用されている輸送、暖房、および産業分野でのGHG排出量削減が必要ですが、二酸化炭素の削減は容易ではなく、コストもかかります。以降のセクションでは、特定の産業におけるエネルギー移行の方法についてご説明します。

割合は地域によって多少異なりますが、化石燃料が広く使用されている輸送分野は、主要なGHG排出源として常に上位に名を連ねます。小型自動車では電化が進んでいるとは言え、これは輸送分野全体のエネルギー使用量の1%未満に過ぎません。逆を言えば、小型車から大型車にいたるまで、多大な改善の余地があります。

中国、ヨーロッパ、および米国は現在の自動車およびEV（電気自動車）の最大市場であり、特に中国は政府による強力な政策と奨励策、および国内の石油供給量の不足を受け、世界で最多のEV販売数を誇っています。

EVにはいくつかの問題があります。最大の障壁は充電インフラの不足と、主にバッテリの価格に起因する高額な初期費用です。電気自動車の普及は、電気の需要増加を招き、地域の電力グリッドに負荷をかけるおそれがありますが、太陽光発電によるマイクログリッド容量を拡大することで負荷軽減が可能です。

大型車の場合は、さらなる障壁があります。例えば、EVのバッテリは重量が大きいため、トラックの厳しい荷重要件による制約があります。また、長距離トラックは1日に何千キロをも走行するため、頻繁に長時間充電する必要があり、しかも充電インフラが不足していると、長距離移動は不可能です。充電時間を短縮し、バッテリのパワーと重量の比率を改善する革新技術なしでは、化石燃料を使用するトラックでの現在の貨物輸送を重荷重EVによって代替することは困難です。電気トラックの運用コストは低いとは言え、総所有コストも重要です。高額な初期投資も、輸送業者にとっては障壁となります。

航空業界では、十分な距離を飛行可能にするバッテリを搭載すると膨大な重量となるため、そもそも電化が検討されていません。その代わりとして、航空業界では排出量を抑制するためサステナブルなバイオ燃料やオペレーション最適化について試験を重ねています。

建物では冷房、冷蔵、照明、および計算機器に電気が使用されていますが、プロパンガス、天然ガス、または軽油を動力源とする暖房や温水システムについては電化の余地が残されています。

温暖な気候では効率的な暖房および冷房が可能な電気ヒートポンプが家庭向けに長年使用されてきましたが、氷点下での効果的な動作に問題があります。しかし、可変インバータ駆動コンプレッサ技術などの昨今のイノベーションにより、-12 °C （10.4 °F）以下の気候条件でもシステムの性能を引き出せるようになっています。

地中熱ヒートポンプの効率は卓越していますが、天然ガス用の機器に交換する設備投資が高額であることが障壁となります。高額な初期投資が前提である建物の新築は、多くの場合、この分野での電化の最良のタイミングです。また、カーボンフットプリントを削減し、長期的な運用コストを節約できると考えれば、これらの追加設備投資も妥当であると言えます。

よりクリーンな発電を組み合わせた、ヒートポンプ技術による建物の電化は、気候目標達成に向けた重要な方策の一つです。

産業分野において、多くの設備を電化し、ネットゼロエネルギーを使用して化石燃料への依存度を低下できるという可能性は、ほとんど認知されていません。電化を推進できる最大の領域は、食品の乾燥、飲料品製造、製紙、および軽工業といった低温加熱プロセスです。これらのプロセスでは、約400 °C （752 °F）まで加熱する必要があります。

飲料メーカーでは、従来天然ガスや化石油を動力としていたプロセスを電化することが可能です。水の加熱や蒸気発生に化石燃料を使用していた製造プロセスには、MVR型蒸発装置、スチームドライヤー、電気ボイラーなどの特殊な装置を使用することが可能です。専門家は、プロセスの稼働に製造者が消費する全化石燃料の50％以上を電化することが可能であり、エネルギー移行の推進に寄与できると考えています。

1,000 °C （1,832°F）以上の高温を発生させる必要がある産業プロセスの電化のペースは、製鉄やセメント製造などの産業において、ライフサイクルの長い装置を代替できる新しい電化技術の開発に左右されます。例えば、従来の高炉に代わる、二酸化炭素排出量が非常に少ない電気アーク炉が開発されています。

あらゆる産業分野において、様々な複雑な経路で温室効果ガス（GHG）が排出されています。これには、発電に化石燃料を使用することによる間接排出や、化石燃料の燃焼や発電、プロセスの副産物としてのGHG、および漏れによる直接排出が含まれます。初期投資や運用コストは高額になりがちですが、電化によってこれらすべての発生源からの排出を削減できます。

電化について議論する際には、バッテリおよびバッテリ技術に触れないわけにはいきません。バッテリは、特に自動車による輸送や、太陽光や風力による断続的なエネルギー供給を円滑化するグリッドにおける蓄電において、エナジー・トランジションの重要な要素です。バッテリは機器やシステム向けの移動可能な電源として、また小型発電機や常設の発電設備、および移動型発電装置を代替できます。

各種の新しいバッテリ設計や近年の材料工学分野の進歩により、バッテリ化学および効率が改善されています。一般的に、エネルギー効率が良く、他の材質と比較すると寿命の長いリチウムイオンバッテリが好まれています。リチウムイオンバッテリはスケールメリットが大きく、現在グリッド規模の蓄電において主に使用されている技術です。

バッテリは陽極、陰極、セパレータ、電解質、および陽極と陰極の2つの集電体で構成されています。電解質がリチウムの陽イオンを陽極から陰極へ、または陰極から陽極へとセパレータを通して運ばれ、陽極と陰極にはリチウムイオンが蓄えられます。リチウムイオンの移動によって陽極に自由電子が生じ、陽極の集電体で電荷が発生します。その後、電気が集電体から作動中の機器を通って陰極の集電体まで流れます。セパレータはバッテリ内の電子の流れをブロックする一方、リチウムイオンは通過させます。

EVとグリッド用途のバッテリ両方に共通するメリットは、揚水発電のように必要に応じて充電、蓄電、および放電できる点です。

電化にバッテリのメリットを活用することで、バッテリ製造に必要な原料に関わる新たな課題が生じます。バッテリ向けの鉱物資源の調達は世界的なサステナビリティに関する大きな問題であるため、これらの鉱物資源は信頼できるバッテリソリューションパートナーによって採掘される必要があります。 

他の多くのバッテリと同様、EV用バッテリには主に「重要鉱物」とも呼ばれるEnergy Transition Material（ETM）が使用されています。現在、多くのEV用バッテリは、リチウム、コバルト、ニッケル、およびグラファイトなど、さまざまな量のETMを含むリチウムイオンバッテリです。化石燃料を継続的に採掘して燃焼させるガソリン車とは異なり、これらの鉱物の多くは循環型経済において再利用やリサイクルが可能です。これら以外の鉱物では、EVの電気モーターや風力タービンの永久磁石などに必要な銅などが挙げられます。

サステナブルなサプライチェーンは、これらの鉱物のトレーサビリティを継続的に向上させる必要があります。バッテリメーカーは、計装に関する監査や認証をサポートするEndress+Hauserの深い専門知識を活用できます。

コスト、技術の実用性、および環境への影響に関する十分な情報や透明性の高い比較は、電化についての意思決定を行う上で重要ですが、これらの要素は不十分であるか欠落していることがほとんどです。多くの業界で、お客様が従来のソリューションか電化ソリューションかを選択する際に、これらの情報および政府による奨励策の有無を単に認識していないか、または認識が誤っています。

幸いにも、電化やその他の低炭素技術は、その進歩とスケールメリットによって産業向けと一般消費者向けの両方で急速に普及し始めています。ネットゼロ目標達成のために、企業と政府は輸送、暖房、および産業分野での二酸化炭素排出量を削減する電化などの方法を活用し、サステナビリティ宣言の策定と支援を継続する必要があります。