長時間稼動が可能なドローンも!第三次エネルギー革命への期待

第三次エネルギー革命においては、新たな動力源としての燃料電池が誕生のほか、再生可能エネルギーを利用した水素の活用が進むと想定されている。では、第三次エネルギー革命が創出する産業とは――。本記事は、『第三次エネルギー革命』(株式会社エネルギーフォーラム)より一部を抜粋し、再生可能エネルギーの行方とそこに見えるビジネスチャンスについて、世界最大級のグローバル経営コンサルティング会社、デロイトが解説する。

様々な「燃料電池アプリケーション」の開発が進む

エネルギー利用の革新①

 モビリティ:高容量/コンパクト・短時間充填が求められるアプリの実現

 

既に国内外の複数の市場において、燃料電池を利用した製品が内燃機関製品やバッテリー製品を代替し始めている。非常用電源は北米や欧州だけでなく、インドなどの新興国市場においても導入が進んでおり、フォークリフトは、北米を中心に稼働時間が長い食品業界などで普及が進んでいる。

 

また、近年では、燃料電池自動車も開発が進んでおり、トヨタ自動車からMIRAI、ホンダからクラリティが市場に投入された。このように、様々な燃料電池アプリケーションの開発が進んでいるが、どのアプリケーションにおいて、燃料電池化のニーズがあると考えられるだろうか(図表1)。

 

[図表1]水素・燃料電池技術のニーズ検証プロセス

 

まず、電動化の主なメリットを考えてみると、モーターによって瞬時に最大出力を出すことができる(高トルク)、排ガスを出さない(環境性)、そして内燃機関と異なり機械のかみ合わせなどが少なく、騒音が少ない(静粛性)といった点が考えられる。次に、バッテリーと比較した燃料電池の主な特徴を整理してみよう。燃料電池が優れている点としては、高圧水素による短時間充填、高いエネルギー密度による軽量・コンパクト化または高容量化が挙げられるであろう。

 

これらの観点から、アプリケーションをモビリティと電源に分類し、それぞれのニーズや影響を考察していきたい。モビリティに関しては、基本的には四輪車(シニアカーを除く)、二輪車、輸送機械、建機、農機、ロボット、ドローンなどの分野においてニーズが高いと想定される。実際に四輪車、二輪車、輸送機械やドローンにおいては、既に複数の企業が参入している状況にある(図表2)。

 

このような領域において、燃料電池化が進むことでどのようなメリットが実現されるだろうか。

 

[図表2]モビリティに関する水素・燃料電池ニーズ

 

四輪車:短時間充填・高容量化により乗用車・商用車のクリーン化が実現

 

四輪車については、各国における環境規制を背景に、電動化が求められる傾向にある。例えば、米国カリフォルニア州では、自動車メーカーに一定比率のゼロエミッション車の販売を義務付ける規制が既に存在しており、他州にも広がりを見せつつある。このような動きは、他の経済大国でも見られ、欧州でもドイツやオランダなどでは、2030年までに内燃機関車両の販売を禁止する案も検討されており、中国においては新エネルギー車(ENV)規制により、カリフォルニア州と同様に一定比率のゼロエミッション車販売をメーカーに義務付ける方針にある。

 

電動化によって大気汚染の削減などのメリットを享受できるが、これまでのバッテリー搭載型の電気自動車では、航続距離や充電時間といった、利便性の面で課題を抱えていた。特にトラックなどの商用車を電動化する上では、バッテリー容量の問題から商用ニーズに対応することが困難であり、電気自動車の導入が遅れていた。このような問題に対して、水素・燃料電池は短時間充填、高容量化といった優位性を有しており、自動車のゼロエミッション化を進めるきっかけとなり得るだろう。

 

一般的な乗用車の場合は、1日あたりの走行距離や積載する貨物も限られているため、一般的に航続距離が300km程度と言われている電気自動車でも対応が可能である。しかし、休日などで長距離走行が必要となる場合には、途中での充電が必須となり、急速充電器でも30分以上の時間を要する。また、大型の乗用車やトラック・バスなどの商用車やゴミ収集車などの特殊用途車の場合、1日の走行距離が数百km、積載量が数トンに及ぶことも想定されるため、より高いエネルギー密度を有し、充填時間が短い燃料電池システムにより電動化することが必要になると想定される。

 

このため、国内外では、燃料電池を利用した自動車の開発・導入が進められており、近年では、トラックのような商用車についても燃料電池化の取り組みが進んでいる。環境省では、「平成28年度CO2排出削減対策強化誘導型技術開発・実証事業」にて、福岡県福岡市内で燃料電池化した2トントラックを配送業務に用いる実証事業を展開しており、2018年から実際の走行を行っている。そのほかの動きとして、2016年8月には、住友商事が燃料電池メーカーである米国のUS Hybrid社と商用車向け燃料電池の量産について戦略的業務協力契約を結んでいる。

 

また、2017年には、大型商用トラックから排出される大気汚染物質が課題となっている米国カリフォルニア州ロサンゼルス港で、トヨタ自動車が燃料電池システムを搭載した大型商用トラックの実証実験を行うと発表しており、この車両によって、水素満充填時で約320kmの通常運行と、総重量約36トンでの走行が実現可能と言われている。こうした取り組みが進むにつれ、大きな音と排気ガスを出しながら走行する車両を見かけることも少なくなっていくだろう。

 

輸送用機械:短時間充填・コンパクト化により物流コスト削減に貢献

 

輸送用機械については、特にフォークリフトにおいて高容量/充電短縮を背景に、前述の通り稼働時間が長い食品業界などを中心に北米で代替が実際に進み始めており、最近では、世界的なインターネット小売事業者である米国のAmazon社なども積極的に燃料電池フォークリフトの導入に取り組み始めた。Amazon社は、配送センターにおける燃料電池フォークリフト導入を促進するため、物流向け燃料電池メーカーである米Plug Power社の株式を最大23%買い取る権利を獲得したと発表した。

 

株式以外でも、Amazon社は2017年中だけで、Plug Power社の「GenKey」システムを導入するために、約7000万ドルを投資することを発表しており、この取引によってPlug Power社の売り上げが前年比で2倍程度になる可能性があるとした。

 

現在、室内向けフォークリフトについては、バッテリー式が主流となっているが、Amazon社のように24時間体制で倉庫を稼働させている企業の場合、フォークリフトの稼働時間も必然的に長くなり、バッテリーが途中で切れてしまう。

 

従来は、予備バッテリーを多めに確保することで対応していたが、バッテリー保管場所の確保やバッテリー交換時間の確保(15分程度を要する交換作業が1日に2~3回必要)が運営上の問題となっていた。燃料電池フォークリフトに変更することで、前述のAmazon社の場合は倉庫を従来よりも約10%広く利用できるようになり、10分以上を要していたバッテリー交換も3分程度で済むようになるという。

 

実際に、バッテリー式のフォークリフトよりも経済性に優れるとのレポートも国立再生可能エネルギー研究所より発表されている。また、Amazon社は、PlugPower社とともに「燃料電池を利用したアプリの拡大についても検討していく」と述べており、フォークリフトだけでなく、前述のような配送用商用車なども燃料電池化していく可能性があり、燃料電池を利用することで、トータルで環境に優しく、経済的な物流システムが構築されるかもしれない。

 

一方で建機・農機といった分野においては、ニーズがあると想定されるものの、高いエネルギー出力密度を求められるという技術的な壁も存在するため、明確に参入している企業はあまり見当たらない状況となっているため、今後の動向に注目したい。

 

ロボット・ドローン:高容量化により新たなアプリケーション産業の創出に貢献

 

水素・燃料電池技術による革新は、第二次エネルギー革命における内燃機関と同様に、従来技術では発展し得なかった、まったく新しい産業を創造する可能性がある。

 

前述のように、燃料電池化の主なメリットとしては、短時間充電・軽量コンパクト・高容量が挙げられる。言い換えれば、バッテリーにおける充電時間の長さ、重量・サイズ、容量といった課題によって、十分に実現していない産業があるとした場合、燃料電池化によって新たな産業が創出される可能性があるかもしれない。このような条件に当てはまる産業として、例えば、ロボット(ドローンを含む)が想定されるだろう。

 

ロボットは、用途では災害対応ロボット、サービスロボットなど、利用方法では操縦型、自律型、装着型など様々な分類があるが、共通する課題として「小型軽量のバッテリー開発」が存在している。

 

日本では、「日本再興戦略」の一環としてロボット革命が掲げられており、ロボット市場を製造分野で現在の2倍、サービスなど非製造分野で20倍に拡大することを目標としている。このロボット革命を実現すべく、ロボット革命実現会議が開催されてきたが、その中で「長寿命の小型軽量蓄電池技術」が課題として認識され、解決し得る技術のひとつとして非接触充電技術などとともに小型燃料電池も含めた議論がなされている。

 

ここでは、例としてドローン(無人航空機)が燃料電池化された場合、どのようなメリットが生じるか、考察を深めていくこととしよう。

 

ドローンは、既にいくつかの分野においては実用化され始めており、例えば、測量や農業(農薬散布)などの分野においては活用が進んでいる状況である。但し、現状においては数十分程度の飛行が限界であり、用途は限られる状況にあると言える。

 

例えば、近年ではAmazon社が発表したドローンによる荷物配送サービスである「Prime Air」計画が話題となっている。これはドローンを使い、重さ5ポンド(約2.27kg)までの荷物を30分以内に届けるというコンセプトであるが、規制のほかに技術的な制約によって実現が難航している状況にあり、その技術的な制約のひとつが前述の通り高容量化や充電時間である。現在のドローンの飛行時間は20分程度であり、これに荷物の重量が加わった場合、さらに飛行時間は減少することになるため、配送の途中でバッテリー切れとなってしまう可能性が高い。

 

また、配送できた場合でも1回ごとにバッテリーを交換することが必要なるため、充電時間も考慮すると1台のドローンについて、大量の予備バッテリーが必要となってしまう。したがって、ドローンは様々な可能性を秘めているアプリケーションではあるものの、その提供価値は限られている状況にあると言えるだろう。例えるなら、第一次エネルギー革命における「石炭を用いた蒸気自動車」のような状態と言えるかもしれない。

 

現在では、自動車の動力は内燃機関が一般的であるが、最初に事業として開始されたのは蒸気自動車であった。ウォルター・ハンコックは、距離や安全性などの問題がありながらも、蒸気バスを開発・実用化し、世界初の都市バスとしてロンドン市内で定期運行を始めたことで、自動車は馬車に代わる乗り物として受け入れられ始めたと言われている。

 

その後、自動車の動力は、内燃機関に置き換わり性能が向上したことで、バス以外にもタクシーや個別配送業など、用途が拡大されていった。ドローンも現在はバッテリー搭載により実用化され始めた段階であり、燃料電池化により稼働時間や積載能力が向上することで用途が広がり、ドローンの需要がさらに高まることが想定される。

 

事実、既に複数の企業がドローンへの燃料電池搭載に着手し始めている。例えば英国のIntelligent Energy社は、米国のラスベガスで開催されたCES 2016において、ドローン用レンジエクステンダー(航続距離延長装置)のプロトタイプを発表しており、従来20分程度の飛行時間を数分の水素充填で数時間に延長することに成功している。また、中国MMC社も3時間以上飛行可能なHyDrone 1800を開発している。

 

このように燃料電池を用いることで、長時間稼働が可能なドローンなど、これまでにはない新しいアプリケーション産業が創出されていくことが期待される。

「モビリティ」「電源」それぞれのニーズと影響

エネルギー利用の革新②

 電源:クリーンかつレジリエントな電源の実現

 

これらの観点から、アプリケーションをモビリティと電源に分類し、それぞれのニーズや影響を考察していきたい。電源としては可搬型電源・独立電源・定置型電源と大きく3点の市場が想定される。可搬型は、主にモバイル機器バッテリーや携行充電器、屋外イベントなどで用いられる発電機の代替を、独立電源は、携帯電話基地局など系統電力網がない地域での電源利用を意味している。これらの市場における燃料電池化ニーズは高いと想定され、既に様々な企業が製品開発/市場投入を試みている(図表3)。

 

高容量・短時間充電・コンパクト以外に、燃料電池化が進むことで、どのようなメリットがこれらの領域にもたらされるのだろうか。

 

[図表3]電源に関する水素・燃料電池ニーズ

 

高効率・レジリエントな分散型電源が出現

 

定置電源としての燃料電池のメリットとして、まず挙げられるのは、分散型電源としての効率の高さという点である。日本では、既に「エネファーム」の名称で知名度が高まっている家庭用燃料電池を筆頭に、戸建て住宅への導入が進んでいる。

 

燃料電池普及促進協会によると、家庭でエネルギーを消費することを想定した場合、従来通り火力発電を使用した場合、電力のみが利用可能でエネルギー効率が35~40%程度になることに対して、エネファームを使用した場合では電力に加えて熱を利用することが可能になるため、70~90%の効率となる。東京ガスの試算によると、年間5万~6万円程度の光熱費節約になるという。

 

資源エネルギー庁によると、2015年5月時点で家庭用燃料電池は約12.5万台普及しており、設置費用は工事費込みで約145万円、投資回収期間は約18年とされていたが、政府の補助金により普及が進み、2018年7月には累計25万台となった。普及拡大に伴って更にコスト削減が進み、投資回収期間が短くなることで、従来の家庭用給湯機やコージェネレーションを代替していき、より普及が進んでいくことを期待したい。

 

業務用燃料電池に関しては、効率の高さに加え、災害時や系統停電時における電力確保といった観点から、データセンターや病院などの需要家が関心を持ち始めている。定置型燃料電池は、水素や天然ガス/バイオガスなどを利用して発電するため、非常時において系統電力が停止した際でも、施設に電力を供給し続けることが可能であり、レジリエンス強化につながる。

 

現状では設備コストの削減が進んでおらず、日本では導入が遅れているが、米国ではBloom Energy社が「長期電力購入契約」といった新たなビジネスモデルを提唱し、注目を集めて導入が進んでいる。従来では、定置型燃料電池を導入する場合、ユーザー側が初期費用を負担して導入する代わりに、エネルギーコストの節約やレジリエンス強化といったメリットを享受することが一般的であった。

 

「長期電力購入契約」では、本体の費用や設置工事費用、メンテナンス費用、燃料となるバイオガスなどの費用はすべてBloom Energy社が持ち、発電量に応じた収益を受け取る仕組みになっている。料金は地域の系統電力より安価に設定されるため、顧客は負担なく非常時にも対応した安定電源の確保と、電力価格の変動リスク回避が可能となる。

 

Bloom Energy社が提供する定置型燃料電池は、通常のコージェネレーションと異なり、電力のみが利用可能なモノジェネタイプである代わりに、発電効率が非常に高く、通常のコージェネレーションシステムでは2~30%と言われる発電効率において60%を実現している。この発電効率に加え、州や政府からの補助金を享受することで、競争力ある価格を実現していると想定される。

 

実際に多くの大手IT企業が導入を開始しており、2017年には米Apple社が「iCloud」向けデータセンターにBloom Energy社の製品を採用してバイオガスにより発電しており、併設するメガソーラーと合わせ、電力の100%をクリーンなエネルギーで賄っている。第三次エネルギー革命が進むにつれ、このように従来通りの系統電力契約に留まらず、経済的かつクリーンで災害に強い燃料電池を求め、企業が個別に分散型電源事業者と契約し、調達するケースも増えていくことになるであろう。

 

クリーンで保守性に優れる非常用電源の実現

 

独立電源についてもニーズが高く、新興国市場においては、携帯電話などの基地局向け電源として導入が進んでいる。インドでは、系統電力が不安定で停電が頻発することもあり、基地局などでは、長時間の停電に備えるため、バッテリーに加えて、非常用電源としてディーゼル発電機などが導入されていた。

 

しかし、環境負荷を懸念したインド通信省により、通信各社に対して基地局電源にクリーンエネルギーを一定割合導入することが義務化され、燃料電池の導入が急速に進みつつある。

 

また、独立電源としての燃料電池システムは、環境性のほかに、保守性の面からも優位性を有している。可動部が多く、定期的なメンテナンスが必要なディーゼル発電機に対して、燃料電池は、化学反応による発電のため故障が少なく保守性が高い。

 

この特徴は、非常用という特性上、常に故障しないことが求められ、さらに遠隔地に配備され、メンテナンスに労力を要する基地局などの非常用電源において、重要な要素となり得る。遠隔地を含む全国に数百、数千と設置された基地局を何度もメンテナンスで周回することが不要となり、事業者にとっての負担が大きく軽減されるだろう。

 

このような基地局向け燃料電池システムを手掛けるカナダのBallard Power Systems社によれば、ディーゼル発電機とバッテリーを採用する場合と燃料電池を採用する場合のライフサイクルコストを比較すると、初期費用は燃料電池のほうが高いが、3年程度で総出費は逆転するという。

 

携帯電話など向けの基地局は、先進国/新興国を問わず増加する傾向にあり、燃料電池の活用が進む分野として期待される。

 

高容量なモバイル/ウェアラブル機器の登場

 

可搬型に関しても、特にモバイル機器向けバッテリーについては、持ち運び可能という機能を実現すべく、小型化することが求められ、貯蔵するエネルギー容量が限られるといった課題が存在している。そのような課題に対して、燃料電池はひとつの解決手段となり得る。

 

前述のIntelligent Energy社は、スマートフォン向けの携行充電器の開発に加え、スマートフォン内蔵向けの燃料電池システムの試作も既に行っており、燃料電池システムの内蔵によって、およそ1週間充電が不要になると言われている。

 

そして、燃料電池化によるスマートフォンをはじめとしたモバイル機器やウェアラブル機器などへの影響は、単なる充電時間の短縮延長に留まらないかもしれない。現在、スマートフォンなどのモバイル機器に搭載されるCPU市場においては、「消費電力を抑える設計」が重要視されている。

 

従来、CPU市場では、米国のIntel社が圧倒的な存在感を示しており、流通するパソコンの大部分にIntel製の製品が搭載されてきた。しかし、現在のスマートフォンなどのモバイル機器においては、インテル社ではなく、英Arm Holdings社製の製品が搭載され、市場の9割を占めていると言われている。

 

同社は、2016年にソフトバンクグループが買収した、CPUの設計に特化したファブレス企業(工場を持たず、メーカーに設計図を販売する企業)である。CPUに関しては、スペックが急速な進歩を遂げる一方で、バッテリー性能の向上が遅れているため、電源が確保されているパソコンと異なり、モバイル機器のような電源の制約がある市場においては、消費電力の削減が重要な成功要因となっている。

 

パソコン向けにCPUの性能向上に注力してきたインテル社と異なり、ARMホールディングス社は、省電力に強みを持つことで、モバイル機器におけるCPU市場で圧倒的な存在感を持つ企業となったのである。このような状況の中、燃料電池の搭載に伴い消費電力の制約が緩和された場合、どのような影響が起こるのであろうか。もしかしたら、消費電力は大きいが、より高性能のCPUがモバイル機器に搭載されるようになり、さらに高度なアプリがこれまで以上のスピードで登場していくようになるかもしれない。

 

 

 

デロイト トーマツ コンサルティング合同会社は、デロイトの一員として日本のコンサルティングサービスを担い、提言と戦略立案から実行まで一貫して支援するファームです。クライアントの持続的で確実な成長を支援するコンサルティングサービスはもちろん、社会課題の解決と新産業創造でクライアントと社会全体を支援します。

〈執筆者紹介〉

庵原 一水 / Issui Ihara
デロイト トーマツ コンサルティング 執行役員/パートナー
大阪大学大学院工学研究科環境工学専攻修了(工学修士)、早稲田大学大学院環境エネルギー研究科博士後期課程単位取得後退学。建設コンサルタント、公益法人系シンクタンクを経て現職。エネルギー・地球温暖化対策を中心とする環境分野のコンサルティングに20年間従事。中央省庁の政策立案・実行支援から企業の戦略立案・R&D支援などを幅広く手掛けており、官民双方の立場からの政策実現に取り組む。特に、再生可能エネルギー・省エネ技術に関する高度な専門的知見を有しており、国内外の最新のビジネス・政策動向を踏まえた政策/戦略立案、エネルギーシミュレーションに基づく政策/事業評価、官民連携によるR&Dや社会実証のコーディネートなどを得意とする。

大我 さやか / Sayaka Oga
デロイト トーマツ コンサルティング マネジャー
東京工業大学大学院社会理工学研究科価値システム専攻修了、アムステルダム自由大学大学院地球生命科学科環境資源管理専攻修了。環境・エネルギー分野の公益法人における研究員を経て現職。政府や企業による運輸部門のCO2排出量に関する将来予測やロードマップ策定などの戦略立案支援に10年以上従事するとともに、同分野の官民連携による技術開発・実証の支援を多数手掛けている。

越智 崇充 / Takamichi Ochi
デロイト トーマツ コンサルティング マネジャー
北海道大学大学院工学研究科機械科学専攻修了(工学修士)。環境・エネルギー分野の民間シンクタンク、官公庁での温暖化対策担当を経て現職。市場メカニズムを活用した地球温暖化対策の制度の構築・運営、環境経営コンサルティング、技術開発動向調査、低炭素技術のコンピュータシミュレーション評価業務を経験。特に、エネルギーキャリアのCO2削減効果及びコスト分析などを得意とする。

福嶋 勇太 / Yuta Fukushima
デロイト トーマツ コンサルティング シニアコンサルタント
東京農工大学大学院工学府生命工学専攻修了(工学修士)。官公庁における、エネルギーの低炭素化や地産地消に係る調査、計画策定、計画実行の支援に取り組む。その他、民間企業をクライアントとした先進技術調査や事業戦略立案、研究開発体制強化支援、産学連携支援などを経験。

著者紹介

連載第三次エネルギー革命…水素・燃料電池技術開発の行方

第三次エネルギー革命

第三次エネルギー革命

デロイト トーマツ コンサルティング合同会社

株式会社エネルギーフォーラム

水素社会の夜明け前。世界最大級のグローバル経営コンサルティング会社、デロイトが描く「未来予想図」はこれだ! 第1章 はじめに 第2章 「2℃上昇抑制」に向けた本気の挑戦の始まり 第3章 持続可能なエネルギーシステム…

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