次世代車のCO2削減効果、電池電気が首位に
自動車産業が脱炭素化に向けて加速する中、ドイツの自動車工学・パワートレインシステム研究所（FKFS）による新たな包括的な研究が、次世代車技術の長期的な環境性能に関する重要な知見を提供している。トビアス・シュトル博士を中心とし、FKFSおよびシュトゥットガルト大学自動車工学研究所（IFS）のハンス・ユルゲン・ベルナーとアンドレ・カザル・クルツァーが共同で実施したこの研究は、三つの主要なパワートレインシステム――バッテリー電気自動車（BEV）、燃料電池自動車（FCEV）、合成e燃料を使用する内燃機関ハイブリッド車（ICE-ハイブリッド）――の完全なライフサイクルにわたる炭素排出量を評価した。
2024年10月発行の『同济大学学報（自然科学版）』特別号に掲載された本論文は、製造段階からの排出量と、さまざまな電力系統シナリオにおけるエネルギー生産・使用を統合した「ゆりかごから車輪まで」の分析を提示している。この包括的アプローチは、排気管からの排出量を超え、再生可能エネルギーへの移行によって形作られる将来の輸送における真の環境コストを評価するものだ。
この研究結果は決定的な時期に公表された。欧州連合（EU）は2035年までに新規乗用車のCO2排出量を100％削減することを義務付けており、事実上、化石燃料のみで走行する新車の販売を段階的に廃止する。こうした規制の推進は電動化パワートレインの採用を加速させた一方、自動車メーカーが完全なバッテリー電動化に代わる選択肢（水素燃料電池やカーボンニュートラルな合成燃料を含む）を模索する中で、どの技術が最も持続可能な道筋を提供するかについての議論も激化させている。
シュトル氏らのチームは、排気管からの排出量がゼロであることが温室効果ガスへの影響ゼロを意味しないことを強調する。あらゆる車両の環境フットプリントは、そのエネルギーがどのように生産されるかに大きく依存する。電気自動車にとっては、電力系統の炭素強度が決定的な要因となる。同様に、水素やe燃料の場合、生産に使用される電力の源が気候変動への全体的な便益を決定する。
公正な比較を確保するため、研究者らはFVV「パワートレイン2040」プロジェクトのデータに基づき、2040年を想定した代表的なCセグメントセダン3車種を選定した。各車両はそれぞれのエネルギー担体に最適化されている：BEVにはリチウムイオン電池、FCEVには水素燃料電池、e燃料車には小型化された内燃機関ハイブリッドである。すべての車両はEU域内で製造され、使用寿命は20万kmと仮定された。
最も重要な発見の一つは車両重量に関連する。BEVの構成は大型のバッテリーパックにより最も重量が大きかった。燃料電池車はこれに続き、水素貯蔵タンクと燃料電池スタックがかなりの質量を加える。対照的に、e燃料ハイブリッドは液体燃料の高いエネルギー密度と、完全電気モデルに比べて小さなバッテリーにより、最も軽量であった。重量差はエネルギー消費、特に市街地および複合走行条件に直接影響する。
研究では、4つの標準化された走行サイクル――実走行排出ガス（RDE）、通勤、高速道路、市街地走行――にわたるエネルギー効率を評価した。これらは典型的な使用パターンを反映するよう加重付けられており――RDE50％、通勤20％、高速道路20％、市街地10％――である。opt. MO-ECMSアルゴリズムを含む高度なシミュレーションツールを使用し、チームは各パワートレインの「井戸から車輪まで」の総合効率を計算した。
結果は、BEVが平均効率51％で最高となり、FCEVが22％、e燃料ハイブリッドがわずか11％で続いた。これらの数値は各システムに内在するエネルギー損失を反映している。バッテリー電気自動車は送電電力の損失を最小限に抑えながら直接運動に変換する。燃料電池車は排気管での排出はゼロであるものの、水素の製造（電気分解）、圧縮、貯蔵、電力への再変換における非効率性に悩まされる。一方、e燃料はさらに多くの工程を必要とする：大気からのCO2回収、電気分解によるグリーン水素の製造、液体燃料の合成（メタノールからガソリンへの変換またはMtGプロセス）、精製、輸送、そして最終的にエンジン内での燃焼である。各段階でエネルギー損失が発生し、結果として総合効率がはるかに低くなる。
しかし、効率は方程式の一部に過ぎない。この研究の中核的貢献は、車両生産（ゆりかごから工場ゲートまで）と運用エネルギー使用（井戸から車輪まで）を組み合わせた「ゆりかごから車輪まで」の排出量モデリングにある。研究者らは、脱炭素化の程度が異なる4つの異なる電力系統シナリオを検証した：5g CO2-eq/kWh（完全再生可能系統の理論的最小値）、50g CO2-eq/kWh（高度に脱炭素化されたシステム）、200g CO2-eq/kWh（現在のEU平均）、400g CO2-eq/kWh（現在のドイツの系統強度）である。
最も排出量の多いシナリオ（400g CO2-eq/kWh）では、BEVは従来のガソリンハイブリッド車を大幅に上回る性能を示した。炭素集約的な系統であっても、電気駆動システムの優れた効率性はより低い総排出量につながる。FCEVも化石燃料ハイブリッド車を上回ったが、系統の排出量が350g CO2-eq/kWhを下回った場合のみであった。EUで生産された燃料を使用するe燃料ハイブリッドは、113g CO2-eq/kWhを下回った場合にのみ競争力を持つようになった。
最も顕著な結果は低炭素系統シナリオで現れた。電力がよりクリーンになるにつれ、BEVと他の技術との間の排出量差は狭まるが、バッテリー電気自動車は一貫して最低の総フットプリントを維持した。5g CO2-eq/kWhでは、BEVの「ゆりかごから車輪まで」の排出量は約20g CO2-eq/kmであり、FCEVの35g、EU生産のe燃料ハイブリッドの50gと比較された。
興味深いことに、この研究は、南米で生産された燃料を使用するe燃料ハイブリッド――太陽光と風力資源が豊富で、e燃料プラントをほぼゼロ排出で稼働させることができる――は、EUの現在の系統平均である200g CO2-eq/kWhのもとでも、排出量を45g CO2-eq/kmまで低減できる可能性があることを発見した。超低炭素シナリオでは、この選択肢はFCEVの性能に近づき、地理的に最適化された生産が、特に既存の車両フリートにとって、輸送の脱炭素化において戦略的役割を果たす可能性があることを示唆している。
この研究からの重要な洞察は、製造と運用の排出量の間のトレードオフである。バッテリー電気自動車は、主にバッテリー製造により、最も高い生産フットプリントを持つ。FCEVがこれに続き、排出量は燃料電池触媒と高圧水素タンクに関連する。e燃料ハイブリッドは、より小さなバッテリーと従来型のエンジン構造により、最も低い生産への影響を持つ。
しかし、この利点は時間の経過とともに急速に減少する。生産排出量は固定されているが、運用排出量は走行する毎に蓄積する。クリーンな電力で駆動する高効率BEVでは、製造による初期の炭素負債は数年で償却される。対照的に、e燃料車のより低い生産排出量は、はるかに高いエネルギー消費と関連する上流の排出量によって相殺される。
この研究はまた、エネルギー貯蔵と輸送可能性の重要性を強調している。BEVは非常に効率的であるが、堅牢な充電インフラに依存し、寒冷地や長距離輸送用途では課題に直面する。水素はより速い給油と高いエネルギー密度を提供するが、コストのかかる新たなインフラを必要とし、効率性のハードルに直面する。しかし、e燃料は既存の燃料流通ネットワークと内燃機関技術を活用できるため、従来の車両、航空、海運にとって潜在的に魅力的な選択肢となり得る。
シュトル氏と同僚らは、e燃料が大気からCO2を回収し燃料にリサイクルする循環型炭素経済を可能にする一方で、その拡張性はエネルギー利用可能性によって制限されるため、自動車部門全体を賄うのに十分なe燃料を生産するには、他の脱炭素化努力と競合する可能性がある膨大な量の再生可能電力が必要になると警告する。したがって、著者らは、e燃料は電動化が非現実的な部門のために取っておくことが最善であるかもしれないと示唆している。
この研究は、万能の解決策はないことを強調している。最適なパワートレインの選択は、地域のエネルギー構成の炭素強度に依存する。石炭依存度の高い系統を持つ地域では、BEVでさえ従来車に対して気候上の利点を提供するが、系統が脱炭素化するにつれてその便益は指数関数的に増大する。ノルウェーやアイスランドのように再生可能エネルギーが豊富な国では、BEVは排出量をほぼゼロに達成する。水素とe燃料がその完全な潜在能力に到達するためには、それらもクリーンな電力を使用して生産されなければならない。
政策的含意は明らかである。新たな車両技術の気候変動への便益を最大化するために、各国政府は発電の脱炭素化を加速しなければならない。再生可能エネルギー、系統の近代化、エネルギー貯蔵への投資は、電気自動車の普及を促進するのと同じくらい重要である。補助金とインセンティブは、車両自体だけでなく、エネルギー生態系全体を支援するように設計されるべきである。
さらに、この研究は排出量会計におけるより大きな透明性を求めている。自動車メーカーが水素とe燃料を「グリーン」な代替品としてますます推進する中、消費者と規制当局は情報に基づいた決定を行うために正確なライフサイクルベースのデータを必要としている。カーボンニュートラル性のマーケティング主張は、実際の生産方法の文脈で精査されなければならない。
著者らはまた、リサイクルと使用済み管理の重要性を強調している。廃棄に伴う排出量はその比較的小さな影響からこの研究では除外されたが、将来の研究は、バッテリー、燃料電池、車両部品の高いリサイクル率を組み込み、ライフサイクル排出量をさらに削減すべきである。
結論として、FKFS主導の分析は、次世代車両の真の環境性能を評価するための堅牢な枠組みを提供する。これは、クリーンなエネルギー供給と組み合わされたバッテリー電気自動車が、完全なライフサイクルにわたって最低の炭素フットプリントを提供することを確認している。燃料電池車とe燃料ハイブリッドは、特に特定の用途や地域において補完的な役割を果たすことができるが、その気候変動への便益はエネルギー生産の炭素強度に対してより敏感である。
自動車産業が持続可能性への移行を進める中、この研究は極めて重要な参考ポイントとして機能する。これは、関係者に、脱炭素化への道筋が単にエンジンをバッテリーに置き換えることではなく、移動手段を動かすエネルギーシステム全体を変革することについてであることを思い出させる。未来の車両は単に電気であるだけでなく――よりクリーンで、よりスマートで、より持続可能な系統によって動力が供給されるのである。
詳細な車両シミュレーションと包括的なエネルギー連鎖分析を組み合わせたこの研究の方法論は、自動車研究におけるライフサイクル評価の新たな標準を設定する。これはまた、工学、エネルギーシステム、環境科学の間の学際的協力の価値を強調している。
消費者にとってのメッセージは明らかである：電気自動車を選ぶことは持続可能性に向けた一歩であるが、気候変動への完全な便益は電力がどこでどのように生成されるかに依存する。政策立案者にとっての要点は、車両規制は再生可能エネルギー導入を優先するエネルギー政策を伴わなければならないということである。そして産業界にとって、この研究は、水素と合成燃料における革新は価値がある一方、輸送排出量を削減する最も効果的な短期的戦略は、クリーンエネルギーで駆動する車両の電動化に残っていることを確認する。
世界が2040年――この研究の車両予測の地平線――に近づくにつれ、調査結果は指針と緊急性の両方を提供する。輸送における深度脱炭素化を達成する技術は存在する。今必要とされているのは、それを現実のものとする政治的意志、インフラ投資、そして公衆の関与なのである。
トビアス・シュトル、ハンス・ユルゲン・ベルナー、アンドレ・カザル・クルツァー、FKFSおよびシュトゥットガルト大学IFS 同济大学学報（自然科学版）、DOI: 10.11908/j.issn.0253-374x.24726