電気自動車は都市の道路排出量を3分の1以上削減、新しいライフサイクル研究が明らかに
従来のガソリン車からバッテリー式電気自動車（BEV）への切り替えにより、都市の道路ネットワーク全体の化石エネルギー需要と温室効果ガス排出量を30％以上削減できることが、画期的な研究によって明らかになった。これは、電力のクリーン化や画期的なバッテリー化学の進化を待つことなく達成可能である。
今月5月に『中国自動車工程学報』（Chinese Journal of Automotive Engineering）に掲載されたこの研究は、道路と車両を個別に評価する従来の手法を脱却したものである。長安大学の傅培（フー・ペイ）氏と上席著者である陳怡嵩（チェン・イーソン）氏が率いるチームは、中国・西安の都市幹線道路10キロメートル区間を15年のライフスパンでモデル化した。アスファルトやセメント、建設機械だけでなく、その上を走行する「あらゆる車両のあらゆるコンポーネント」――シャシーの鋼鉄やアルミニウムから、配線の銅、バッテリーパックのリチウムまで――を考慮に入れた。その結果、都市の交通流を維持するためのエネルギーと排出における「真のコスト」の全体像が明らかになった。
「これはもはや単なる排気ガスの話ではありません」と、長安大学汽車学院の教授である陳怡嵩氏は言う。「車両の排気ガス排出量のみに基づく政策決定は、危険なほど不完全です。交通のグリーン化を図っていると思っていても、道路建設に含まれる炭素やバッテリー生産からの排出を無視すれば、ある種の汚染を別のものと取り替えているだけか、あるいはさらに悪く、目に見えない環境負債を生み出している可能性があります」
従来の内燃機関車（ICEV）シナリオが基準となる。繁忙な都市回廊を代表する、1日16,291台の車両が行き交う10kmの道路区間では、ライフサイクル全体の化石エネルギー消費量は32億6000万メガジュール（MJ）に達し、温室効果ガス排出量はCO₂換算（CO₂-eq）で2億1600万キログラムに及ぶ。これは、約4万7000世帯の米国平均世帯の年間排出量に相当する。
しかし、ここで認識が変わる。同じ道路を「BEVのみ」が走行する場合（交通量とインフラは同一）、総エネルギー需要は22億MJに減少し、32.5％削減となる。さらに印象的な的是、炭素排出量はCO₂換算で1億3800万kgに急減し、36.1％の削減となる。これは、単に排気管からの排出を止める以上の、システム全体の効率向上による削減である。
これほど劇的な改善をもたらす要因は何か？ モデリングによれば、その答えは「運用段階」にあり、製造段階ではない。現在、BEVの生産は、主にリチウム、コバルト、ニッケルなどのバッテリー材料やセル形成に必要なエネルギーにより、ICEVの製造よりもエネルギーと炭素の集約度が確かに高い。しかし、この研究は、これらの初期コストが車両の15万キロメートルの使用期間中に圧倒的に相殺されることを示している。
現在でも石炭への依存度が高い中国の電力ミックス下では、BEVは「全体として」明らかにクリーンなままである。その理由は、内燃機関が本質的に非効率的だからだ。ガソリンのエネルギーの約65～70％がエンジンと排気ガスを通じて廃熱として失われる。対照的に、電気モーターはグリッドエネルギーの85％以上を運動に変換する。炭素を多く排出する電力供給であっても、充電して燃料を燃焼させるよりも、バレルtoホイールで勝るのである。
データがこれを裏付けている。ICEVシナリオでは、「車両運用」段階がライフサイクル全体の排出量の実に64％を占め、そのほとんどが排気管からのCO₂によるものである。BEVに置き換えると、この数値はわずか32％に激減する。確かに、発電による上流側の排出量は増加し、バッタリー生産は車両の製造フットプリントに約18％を追加するが、正味の効果は依然として非常に大きい。
ハイブリッド車（HEV）はより微妙な結果を示す。従来型ハイブリッド（HEV）とプラグインハイブリッド（PHEV）の両方で中程度の改善が見られる：HEVはICEVと比較して総排出量を約27％削減し、PHEVは約24％削減する。HEVとPHEVの間の予想よりも小さい差は、実際の使用パターンを反映している可能性がある：多くのPHEV所有者は、ほとんど充電せず、事実上、より重く、より複雑なハイブリッド車として運転していることが研究により示唆されている。追加されたバッテリーと電気モーターは、電気走行によるメリットを完全にはもたらさず、製造時の負担を増加させる。
そして、特異な存在として水素燃料電池車（FCV）がある。現在の技術とエネルギー情勢下では、FCVは総システム排出量をICEVよりも「増加」させる――25％も増加する。原因は？ 水素製造である。現在、世界の水素の95％以上は「グレー水素」であり、天然ガスを用いた蒸気メタン改質（SMR）によって製造されており、このプロセスでは水素1kgを生産するごとに約10kgのCO₂が排出される。車両の効率性や軽量化に関する楽観的な仮定を置いても、水素に伴う上流側の排出量は、排気管からの利点をはるかに凌駕する。
「FCVの結果は、この技術に対する最終的な判断ではありません」と、水素システム専門のエンジニアであり本研究の筆頭著者である傅培氏は注意を促す。「これは現在の水素経済のスナップショットです。余剰の風力や太陽光発電による電気分解（『グリーン水素』）で水素を製造すれば、状況は一変します。しかし現在のところ、水素供給の脱炭素化と同時にFCVを拡大しなければ、環境面で逆効果となるでしょう」
研究者たちは車種の比較にとどまらなかった。実世界の変数が結論をどのように変える可能性があるかをテストするため、広範な感度分析を実施した――その結果は都市計画担当者や政策立案者にとって示唆に富むものである。
第一に、交通量。直感的に、車両が増えれば排出量も増加する。しかし、この研究は、排出量が「どのように」スケールするかがパワートレインに依存することを明らかにしている。日々の交通量が±10％変動する場合、FCVベースのシステムは排出量の比例的変動が「最も大きく」（+9.2% / -9.2%）、BEVシステムは「最も小さい」（+8.4% / -8.4%）。なぜか？ BEVは運用上の排出量を直接的な化石燃料燃焼から切り離すためである。その排出プロファイルはより安定しており、電力網の平均的な炭素強度によって緩衝されている。どちらも走行マイルあたりの個別の化石燃料投入に依存するICEVとFCVは、より変動が激しい。
第二に、FCVの「技術」進展。研究チームは3つの将来シナリオをモデル化した：水素消費量の削減（100kmあたり1.1kgから0.8kgへ）と車両の軽量化（先進複合材料と設計による最大35％の質量削減）。これらの積極的な改善（2035年レベルのFCVを想定）を仮定しても、ライフサイクル全体の排出量はICEVと同等にまでしか低下しない。BEVを凌駕するには、「超効率的な車両」と「大規模なグリーン水素」の両方が必要である。それは高いハードルだ。
最後に、近い将来の政策にとっておそらく最も関連性が高いものとして、研究チームは「車種構成」シナリオをモデル化した。現在の中国の都市部の車種構成は依然としてICEVが優勢（約90％）で、ハイブリッド、プラグイン、BEVは一桁台のシェア――FCVはほとんど登録されていない（<0.1％）。しかし、都市が普及を加速させたらどうなるか？ 研究者たちは3つのもっともらしい移行経路をシミュレーションした：
- シナリオ1（近い将来）： ICEVが約78％に減少、BEVが約7％に増加
- シナリオ2（中期）： ICEV約49％、BEV約19％
- シナリオ3（野心的）： ICEV約21％、BEV約34％、ハイブリッドとPHEVが着実に成長
排出削減効果は直線的かつ実質的である：シナリオ1では2.9％の削減、シナリオ2では11.8％の削減まで上昇し、シナリオ3では20.2％の顕著な削減となる。車種に追加されるBEV1台ごとが、複合的なメリット――単なる排気ガスゼロ排放だけでなく、道路の磨耗軽減（回生ブレーキによる）、石油精製への需要低下、NOxや粒子状物質などの局地的な大気汚染物質の減少――をもたらす。
見過ごされがちで、この研究が強く強調する点は、道路と車両の貢献度の「非対称性」である。ICEVベースラインで消費される総32億6000万MJのうち、実に77％が「車両」に由来し、道路自体はわずか23％である。同様に、車両はCO₂換算総量の89.5％を占める。これは、従来のインフラに焦点を当てたグリーンイニシアティブの認識を覆すものである。高速道路沿いに木を植えたり、再生アスファルトを使用したりすることは称賛に値するが、それは辺縁的な調整に過ぎない。真のレバレッジポイントはパワートレインなのである。
「道路は舞台であり、車両は役者です」と陳氏は言う。「世界で最も持続可能な劇場を建設しても、演目が石炭に関するものなら、その舞台は依然として汚れています。私たちのデータは、最も迅速かつ深い削減は、舗装の材料を漸進的に調整することからではなく、車種の電化からもたらされることを示しています」
これは道路の持続可能性を完全に否定するものではない。この研究は、道路建設が炭素集約型であること――特にセメント（トンあたり約830kgのCO₂を排出）とアスファルト（改質種ではトンあたり約634kgのCO₂を排出）――を確認している。10kmの道路に対する「資材調達」段階だけで、CO₂換算で約2300万kg近くを排出する。リサイクルや代替バインダー（ジオポリマーセメントやバイオビチューメンなど）は依然として重要である。しかし、その影響は運用上の排出量によって矮小化されている。
その影響は広がっている。気候行動計画を起草する都市政府にとって、この研究は、純粋に道路中心のプロジェクトよりも、EV充電インフラ、バスの電化、購入インセンティブを優先することを主張する。自動車メーカーにとって、これはハイブリッド車によるリスクヘッジをしつつも、BEVへの戦略的転換を正味ゼロの移動手段への最も信頼できる道として検証するものである。そして、投資家にとっては、内燃機関への固執に伴うシステムリスクを強調する：ライフサイクル会計がESG報告で標準化されるにつれ、ICEV重視のポートフォリオは突然の価値減少に直面する可能性がある。
批判的に、この研究は現在の政策指標における盲点も露呈している。多くの都市は、古いディーゼル車を禁止する「低排出ゾーン」を自慢する――しかし、それらのゾーンが単に新しいガソリン車や非効率なハイブリッド車で埋め尽くされるならば、「システムレベル」の排出量削減は最小限である。真の脱炭素化には、「低排出」車両ではなく、「ゼロ排放」車両を義務付ける必要がある。
さらに、この研究は、BEVが電力網と同じくらいクリーンであるに過ぎないという概念に異議を唱える。確かに、石炭依存度の高い電力網はBEVの優位性を減少させる――しかし、決定的に、「それを消し去ることはない」。そして、電力網はどこでもよりクリーンになりつつある。中国は2023年に、世界の他の地域全体を合わせたよりも多くの太陽光および風力発電容量を追加した。電力網が脱炭素化するにつれ、BEVは交換される必要なく「自動的に」よりクリーンになる。対照的に、グレー水素で運行するICEVとFCVは、その全寿命期間にわたって排出プロファイルに固定される。
このモデルが捕捉しない「共益」の問題もある：静かな街路、排気ガス汚染物質からの呼吸器疾患の減少、メンテナンスコストの低下（可動部品の減少）、エネルギー安全保障（電力は国内で調達可能；石油は不可能）。これらは定量化するのが難しいが、都市の居住性にとって極めて重要である。
もちろん、課題は残る。バッテリーの原材料調達――特にリチウム、コバルト、ニッケル――は、採掘の影響とサプライチェーンの倫理に関する正当な懸念を提起する。この研究はこれを認めている：BEVは、その製造段階で、採掘と精製に起因する、より高い「酸性化可能性」と「人間毒性」を示す。しかし、著者らは、これらは循環経済戦略を通じて「管理可能」であると主張する：堅牢なバッテリーリサイクル（主要金属の90％以上を回収）、次世代化学（例えば、中国ですでに主流であるリン酸鉄リチウム（LFP）はコバルト需要をゼロに削減）、そして責任ある調達基準。
代替策――ICEVへの固執――は、単に一連の問題を別の一連の問題――地政学的な石油依存、不安定な燃料価格、不可逆的な気候損害――と取り替えるに過ぎない。
今後を見据えて、研究者たちはモデルを拡張する計画である。次のステップには、V2G（Vehicle-to-Grid）統合――駐車中のBEVがピーク需要時に電力網に電力を供給し、事実上车種を分散型エネルギー貯蔵ネットワークに変える――の組み込み、および自律運転が交通流の効率性とエネルギー使用に与える影響のモデル化が含まれる。
しかし、現時点では、メッセージは明確で、データ駆動型であり、緊急を要する：電化は未来的な理想ではない。それは、都市が「現在」その交通システムの炭素フットプリントを削減するために持つ最も効果的なツールである。そして、移行を加速させるほど、削減量は深くなる。
都市人口が膨らむにつれ――人類の68％が2050年までに都市に居住する見込み（現在の56％から増加）――その重要性は極めて高くなる。渋滞し、汚染され、炭素集約的な道路は、都市がもはや許容できないレガシーシステムである。この研究は、異なるビジョン――燃焼ではなく、電子によって静かに、クリーンに、効率的に稼働する都市の動脈――に対する経験的な基盤を提供する。
正味ゼロへの道は、善意で舗装されているのではない。電子によって舗装されている――そして、この厳密なライフサイクル評価によれば、まさにその通りであるべきなのである。
傅 培（フー・ペイ）、蔡 旭（ツァイ・シュー）、劉 俊哲（リウ・ジュンジェ）、藍 立波（ラン・リーボー）、楊 洋（ヤン・ヤン）、陳 怡嵩（チェン・イーソン） 長安大学 汽車学院、中国 西安 710064；長安大学 交通工程学院、中国 西安 710064 『中国自動車工程学報』（Chinese Journal of Automotive Engineering）、第13巻第3号、2023年5月 DOI: 10.3969/j.issn.2095‒1469.2023.03.14