主任研究員 新添 麻衣
石炭やガソリン、天然ガスなどの化石燃料は、炭素（C）と水素（H）から成る様々な種類の“炭化水素”の混合物である。それゆえ、燃焼する（＝酸素と結びつく）とCO2が生じる（＜図表1＞参照）。温室効果ガスの代表格として削減が急がれるCO2だが、これを資源として利活用する道を開こうというのがCCUS1あるいはカーボンリサイクルと呼ばれる取組である。
本稿で取り上げるe-Fuelもその1種で、CO2を原料とする合成燃料の総称である。CO2を水素と化学合成すると、液体または気体状の炭化水素が作られる。この炭化水素は化石燃料の代替として利用出来る（＜図表２＞参照）。e-はドイツ語の再生可能エネルギー“Erneuerbare Energie”の頭文字とされ、合成プラントの稼働を再エネなどのカーボンフリー電源で賄うことで、生産工程でのCO2排出をゼロにする。
運輸交通部門は世界のCO2排出量の24.8%（2018年）2を占めており、脱炭素化に向けた社会的要請は年々強まっている。複数の国・地域で2035年前後に乗用車の新車販売規制が導入されることは前号で報告したとおりで3、化石燃料から電気や水素へのシフトは先進国を中心に引き続き強く推進されていくと見られる。
しかし、世界全体では新興国の経済成長や人口増に伴って乗用車の需要は今後も増加が見込まれている（＜図表3＞参照）。
また、物流は新興国のみならず先進国でも需要拡大が予想されている。商用車は大型になるほど積載量も移動距離も増加するため、バッテリーには適さず電動化の推進が難しいとされる（＜図表4＞参照）。そのため、化石燃料で走る車両が保有台数の大半を占める時代が当面続くことが予想されている。
炭化水素のe-Fuelは燃焼するとCO2が生じる。したがって、Tank to Wheel（車両使用時のみ）の評価では、走行時にCO2排出の無いBEV（バッテリー式電気自動車）や水素を用いるFCV（燃料電池自動車）には敵わない。しかし、近年重視されるWellto-Wheel（車両使用時と、その手前の燃料の生産工程などを含む）の評価4では、排出されるCO2を原料に使われたCO2で相殺できるため、内燃機関搭載車でも排出量実質ゼロ（カーボンニュートラル）と見做せる可能性がある。ハイブリッド車やプラグインハイブリッド車にも適用できる。大型車と同様の理由で電動化が難しい船舶や航空機への適用も期待されている。
合成手法が確立している点も実用化の見通しを明るくしている。代表的な手法のフィッシャー・トロプシュ法5は1920年代にドイツで開発され、第2次世界大戦では石炭から、戦後は中東、アフリカなどで天然ガスから液体燃料を生産するために広く用いられてきた6。この手法を応用したCO2からの燃料生成は20世紀終盤から研究されていたが、近年、再エネの発電コストの低下と、水素の活用機運の高まりによる水素価格の低下が期待できるようになり、経済合理性のある商用-Fuelの生産も現実味を帯びてきた。
特にEU圏では実用化が喫緊の課題となっている。改正再生可能エネルギー指令（REDⅡ、2018年）が、運輸交通部門で消費されるエネルギーの14％以上を2030年までに再エネで供給するよう燃料供給業者に義務付けたのだ。この14%をBEV等への買替え促進だけで突破できる国は少数と見られ、既存の車両に広く適用できるe-Fuelへのニーズが高まっている。
化石燃料の代替として実用化が先行するバイオ燃料だが、廃材や残渣由来のみでは需要を賄えず、安定供給のためにはトウモロコシ・サトウキビなどの作物や木材が大量に必要になる。前者は生産量が極端に多い米国とブラジル以外の国では調達の持続可能性に懸念があり、燃料需要の拡大が食料や飼料価格の上昇を招いたこともある7。
また、バイオ燃料の需要拡大が森林の伐採や農地の拡大というILUC（Indirect Land Use Change、間接的土地利用変化）を招き、かえって環境破壊が進んでいるとの批判も強まっている。EUでは、バイオ燃料化を目的とする林業・農業の実施と材木・作物の輸入は最低限にすべきとの方針が示された8。この点からも天然資源を棄損しない化学合成のe-Fuelの実用化が急がれるようになった。
化学合成でできる炭化水素は数百種類あるが、e-Fuelに最適な物質は何であろうか。ノーベル化学賞を受賞したジョージ・オラー博士9は、メタノールこそ化石燃料の代替に最適であるとして“メタノールエコノミー”構想を1990年代に提唱した（＜BOX＞参照）。博士の予見したとおり、メタノール合成をベースとしたe-Fuelプラントの建設が進んでいる。
メタノール（CH3OH）は、沸点64.4℃、凝固点－97.6℃常温常圧で液体を維持するため、貯蔵や運搬に適している。既存インフラを軽微な改修でほぼそのまま利用でき、既存のエンジンも問題なく作動する10。ガソリンの半分程度のエネルギー密度しかないため、ガソリン1ℓと同じエネルギーを得るにはメタノールが2ℓ消費されるが11、BEVのバッテリーやFCV向けの高圧水素ガスと比較すれば数倍のエネルギーを有している。当初はガソリンやディーゼル等に低率で混合した利用が想定されていることから、燃費の面に大きな影響はないと考えられる。シーメンスの最新の研究によれば、15～20%程度の混合であれば既存のエンジンの改造は必要ないという12。このメタノールをさらに精製、改質してガソリンやジェット燃料等の性質に近づけることも可能である。
合成燃料に長い歴史を持つドイツでは、水素戦略の一環としてe-Fuelの実用化に向けた大掛かりな動きが続いている。自動車メーカーではVolkswagenグループのAudi、ポルシェ、ベントレーなど高級車ブランドを中心に研究が進む。BMWも米イェール大学発のe-Fuel生産のスタートアップPrometheus Fuelsに出資を行っている13ほか、サプライヤーのボッシュ等も研究に取り組む14。メルセデスは「電動化対応を先送りするための言い訳だ」としてe-Fuelに否定的だが15、業界団体の自動車工業会(VDA)ではe-Fuelの実用化を脱炭素化の重要施策と位置付け、普及に向けた市場整備の支援を政府に求めている16。
研究歴が長いことで知られるのはAudiだが17、商用プラントを建設中なのはポルシェである。ポルシェは2,000万ユーロを投じてシーメンス、エクソンモービル等と共に南米チリにメタノール合成プラントを建設している18。チリ南部は風況が良く、風力発電、電気分解による水素の生成、CO2との合成、燃料製品としての精製をすべて1拠点に集約して行う。CO2は大気中から回収するDirect Air Capture（DAC）で調達する。ドイツ政府から800万ユーロの資金提供も受け、2022年には代替ガソリン年間13万ℓの量産に着手する。その後、2024年までに5,500万ℓ、2026年には5億5,000万ℓの生産を目指す。
シーメンスは地中海沿岸のモロッコにも水素とメタノールの大規模プラントを建設する。水力、風力、太陽光発電の適地が多く、欧州向けの生産・輸出を担う重要拠点とする計画だ19。欧州ではEU指令でガソリンの3%までメタノールの混合が認められており、低率での実証研究は進めやすい環境にある。
本年3月半ば、交通デジタル・インフラ省のショイアー大臣は2035年までに自動車における化石燃料の使用を段階的に廃止していく考えを示した20。そして、EVの拡販やそのためのインフラ拡充を進める一方で、将来に向けてドイツの高い内燃機関技術の競争力を維持し続けるために、合成燃料（e-Fuel）の早期の大量生産と実用化が求められると述べ、競争力のあるクリーンな代替燃料の開発を促進する制度設計に着手するとしている。e-Fuelの実用化に向けて一段と弾みがつきそうだ。
中国からも年間5,000t（換算 約630万ℓ）規模の生産能力を持つメタノールプラントの稼働試験に成功したとのリリースがある21。メタノールの国内需要量も高く、推進中の再エネと水素を活用し、自国の産業部門や運輸交通部門の脱炭素化を図る。中国ではメタノールの混合率15%～100%までの自動車が事業用車両を中心に存在し、規制枠組みが既にあるため、こちらも実用化に向けた実証研究が進みそうだ。
一般的には高い価格が普及のネックと言われ、2015年時点では4.5～7ユーロ超／ℓと見積もられていた22。しかし、直近ではシーメンスは1.3ユーロ／ℓ程度23、ボッシュも2030年には1.2〜1.4ユーロ／ℓで提供可能との見立てを公表しており24、急激に価格が下がってきている。e-Fuelは製造までに大量の電力を必要とする。水を分解して水素を作り、その水素をさらにCO2と合成させ、その後は製品化するための精製のプロセスを踏む。燃料価格を下げるためには、再エネ発電を安価で行える土地に大規模プラントを建設するのが定説になってきている。国内の再エネ比率4割のドイツが国外にプラントを建設しているのはそのためで、潤沢な再エネ資源に恵まれた国以外は輸入に頼らざるを得ない。
最終的なユーザーの購入価格については、ドイツも日本と同様、ガソリン価格の半分を税金が占めているため25,26、ガソリンや軽油と同等の価格帯になるかどうかは税制次第と言えよう。ドイツでは、水素とe-Fuelに対して税制優遇を求めるロビーイングが始まっている27。
中長期的なコスト高要因として懸念すべきは、合成時の触媒に用いられる希少金属の確保かもしれない。鉄、コバルト、銅などが用いられるが、触媒は1～2年で交換する必要がある。特にコバルトは、バッテリー材料にも使われるため近年価格が高騰している。フィッシャー・トロプシュ法の改良は続けられており、本邦でも富山大学は触媒におけるコバルトの含有量を従来の30~40％（重量比）から5～10%以下まで削減できる手法を開発し28、東京大学は触媒に金属を用いない合成手法を考案している29。このような合成手法の一層の改良が望まれる。
短期的には、製鉄やセメントなどの産業部門、火力発電所などCO2の大量排出が避けられない事業者の排気から高濃度のCO2を取り出すことが可能である。しかし、こうした事業者も排出量削減に取り組んでいる。ドイツ勢のプラントは当初からDACを前提としているものが多いが、特に2030年以降はCO2調達のために、プラントの立地を問わずDACが必須の技術になると考えられている30。
メタノールは鋼鉄を腐食させないが、アルミ、亜鉛、マグネシウムに対しては腐食させる性質がある。また、樹脂に対して強力な溶剤として働くため、ゴムなどの部品を軟化し破損を早めるリスクがある31。既存車両への利用を解禁するためには、燃料と接する部品の耐久性から混合率を検討する必要がある。
尤も、日本では2001年から数年間、100%のメタノールを燃料とする自動車が低公害車として推奨されたことがあった。初年度の自動車130台、メタノールスタンド34か所という規模以上に普及することはなかったが32、メタノールの性質が車両部品等に与える影響は既に研究されているものと考えられる。
運輸交通部門の車両の買替えは一朝一夕では進まない。この現実を踏まえた時、e-Fuel活用はカーボンニュートラル実現への方策の１つとして大いに可能性がある（＜図表５＞参照）。自動車、船舶、航空機それぞれに適した化石燃料の代替物質を化学合成で提供できる。ドイツのエネルギー省が実施した研究では、2050年に運輸交通部門がカーボンニュートラルを達成するためには、グローバルベースで＜図表６＞に示すエネルギー分担であるべきだとされている。研究者らは、電気以外の形態の燃料のニーズは一定規模で存在し続けるにも拘らずe-Fuelの重要性が過少評価されていると主張する33。
米国でも、エネルギー省傘下の国立アルゴンヌ研究所がe-Fuelの生産方法の低コスト化と貨物輸送を対象にエンジンへの影響の研究に着手すると発表している34。SAE International（自動車技術者協会）もe-Fuelは短期的にも中期的にも運輸交通部門のCO2削減に大きく貢献するものと認めており、今後動きが出てくる可能性がある35。
日本では、代替燃料として水素を長らく政策の中心に据えてきたため、大規模なカーボンリサイクル事業は検討されてこなかった経緯がある36。しかし、2019年に転機があり、年初のダボス会議で安倍前首相がCO2を資源として活用することの重要性を語った37。以降、2020年1月の「革新的環境イノベーション戦略」、同年12月の「2050年カーボンニュートラルに伴うグリーン成長戦略」ではカーボンリサイクル技術の開発と低価格でのe-Fuelの生産・商用化が政策課題に掲げられるようになった。
自動車工業会も内燃機関の脱炭素化もCO2削減手段であるとして、バイオ燃料と合成燃料の将来的な活用を視野に入れる長期ビジョンを2019年に公表している38。トヨタ、ホンダ、日産がe-Fuelの研究に着手との報道もあり39、マツダは欧州でe-Fuel関連のロビーイング団体に加盟した40。航空機向けでは、全日空、東芝、出光興産らがe-Fuel実用化に向けた検討に着手すると発表している41。
前号でも触れたとおり、化石燃料はエネルギー効率が良く、取扱いやインフラも確立されているため、これを完全に代替できる燃料は未だ見つかっていない。車種や用途、インフラへのアクセスしやすさなどを踏まえて最適なエネルギーを選択していく必要があり、運輸交通部門のカーボンニュートラル化は様々なパワートレインの組み合わせで実現されると考えられる。e-Fuelがその一角を担うことができるのか、実用化に向けた国内外の動向は今後も注視したい。
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