渋川市環境森林課
市民環境大学の講義

日本における燃料電池自動車を用いた自動車保有台数のCO2削減可能性
ゴンザレス ファン
知能機械創製部門 理工学府
群馬大学
2023年2月5日

目次
1. 自動車技術開発における現在の状況と傾向
2. 水素を用いたエネルギーシステムのCO2排出量の削減

3. 水素燃料電池自動車の普及
4. 持続可能な水素生産システムの設計

2

1. 自動車技術開発における現在の状況と傾向

交通部門のエネルギー消費量

参考文献: IEA, OECD, 2017, Energy Technology Perspectives
2017; Catalysing Energy Technology Transitions

交通部門の中で、乗用車と貨物自動車のエネルギー消費量が一番大きい4世界における自動車保有台数の予測
世界の自動車保有台数は10億台を超えた

自動車保有台数の半分以上は乗用車乗用車保有台数は将来増加する傾向にある
参考文献: Sperling and Gordon, 2009, Two Billion Cars: Driving
Towards Sustainability, Oxford University Press5

世界自動車普及率の進化
日本における自動車普及率は飽和状態に近い

次世代自動車の普及は、ほとんど、現在使用している自動車の入れ替えに限定されている参考文献: Dargay et al., 2007, The Energy Journal, 28 (4), pp. 143-170

6先進国における新車販売台数

現在使用している自動車の入れ替えの新車販売台数が一番大きい
高齢化や消費者の好みの変化、また市場は飽和状態のため、現在使用している自動車の入れ替え以外の新車販売台数は減少している
7

自動車使用におけるタイムライン 1859～
参考文献: Sperling and Gordon, 2009,
Two Billion Cars: Driving Towards
Sustainability, Oxford University Press
参考文献: http://corporate.ford.com

参考文献: http://toyota.jp

1990 年代後半にハイブリッド自動車が導入されるまでは、自動車技術について大きな変化はなかった

参考文献: http://nissan.jp
8

世界における乗用車保有台数

世界で使用されている乗用車の99％以上は内燃機関自動車

参考文献: IEA, OECD, 2017, Energy Technology Perspectives
2017; Catalysing Energy Technology Transitions9

世界の電気自動車（BEV, PHEV）の自動車保有台数

参考文献: IEA/OECD, EVI, 2022, Global EV Outlook 2022: Securing supplies for an electric future10

世界の燃料電池自動車の自動車保有台数

参考文献: IEA/OECD, EVI, 2022, Global EV Outlook 2022:
Securing supplies for an electric future11道路交通部門の化石燃料消費量

世界の交通部門で消費した93EJの中で、71EJは道路交通部門で使用した
参考文献: IEA, OECD, 2012, Energy Technology Perspectives
2012; Pathways to a clean energy system

道路交通部門で消費したエネルギーはほとんどガソリンとディーゼル12

世界における交通部門のCO2排出量

交通部門は世界のCO2排出量の25％を排出し、その中の75％は道路交通で排出されている参考文献: IEA, OECD, 2018, CO2 Emissions from Fuel
Combustion Highlights 201813

日本における交通部門のCO2排出量

交通部門は日本のCO2排出量の18％を排出し、その中の86％は道路交通で排出されている参考文献: GIO, NIES, 2018, Japan’s GHG Emission Data
(FY1990-2016) Final Figures14

2. 水素を用いたエネルギーシステムのCO2排出量の削減

15

将来のエネルギーシステム

水素はエネルギーシス
テムの脱炭素化に貢献することができる

Source: IEA, OECD, 2015, Technology Roadmap: Hydrogen and Fuel Cells

16道路交通部門での水素の使用
道路交通部門において，脱炭素化を実現するために水素の使用が重要である

Source: IEA, OECD, 2015, Technology Roadmap: Hydrogen and Fuel Cells

17水素の経済評価に関する研究2003年から水素の経済評価に関する研究は急激に増大した

Source: El-Emam and Özcan, 2019, Journal of Cleaner Production, 220, pp: 593-609

以前の研究ではコスト，エネルギー消費量，CO2排出量が評価されたが、水の使用量は評価されてない
18

日本における脱炭素化に関するポリシー

2050年までにカーボンニュートラル社会
Source: https://mainichi.jp/english/articles/
20201026/p2g/00m/0na/081000c

2035からガソリン車は販売禁止
Source: http://www.asahi.com/ajw/articles/13989088#:~:text=Japan%20will%20ban%20the
19%20sale,zero%20carbon%20emissions%20by%202050

自動車に関するエネルギーフローとマテリアルフロー

Source: González Palencia et al., 2014, Applied Energy, Vol. 123, pp. 129-142

20

3. 水素燃料電池自動車の普及

21

研究目的


水素燃料電池自動車が自動車保有台数に及ぼす影響を明らかにする22

エネルギーシステムの概略図

Source: González Palencia et al, 2015, Proceedings of the ICOPE 2015, ICOPE-15-1061

23

モデルのフローチャート

24

ケーススタディー
日本
GDP per capita: USD 38,492
Source: http://data.worldbank.org/indicator/NY.GDP.PCAP.CD

Population: 127,103,388 people
Source: https://www.cia.gov/library/publications/the-world-factbook/Car ownership: 455 car/103 people
Source: http://nlftp.mlit.go.jp/ksj/

Source: IEA/OECD, “Energy Technology Perspectives 2012”, (2012).
25

日本における自動車の種別
車格

総排気量 [cc]

軽自動車
小型自動車
普通自動車≤ 660≤ 2,000> 2,000

自動車の大きさ [m]
長さ
幅
高さ
3.40
1.48
2.00
4.70
1.70
2.00
> 4.70 > 1.70 > 2.00

参考文献: 国土交通省, 1951, 道路運送車両法施行規則（昭和二十六年八月六日運輸省令第七十四号）

普通自動車

参考文献: http://toyota.jp

小型自動車

軽自動車

参考文献: http://honda.co.jp

参考文献: http://honda.co.jp26

自動車の種類

24 種類:
3 車格,
4 ドライブトレイン,
2 車体

27

自動車の燃料消費量
軽量材料を用いたバッテリー電気軽自動車
は、燃料消費量が一番少ない

燃料消費量削減について、電動化の影響はダウンサイジングの影響より大きい

28

自動車の資本コスト
将来、電気自動車の資本コストは減少が予測される軽量材料シフトのため、自動車の資本コストは最大21％増加する

29

シナリオ設定
シナリオ

原動機
ICEV

Base

BEV

BEV

Mini FCHEV••••FCHEV

FCHEVMini BEV

ダウンサイジング

技術普及はロジスティック関数によって計算された。
2020までに新車販売台数の成長率は0.05％/yrとなり、2020後は-1.00%/yrとなる。
全国のモデル。
LEAP (Long-Range Energy Alternatives Planning Systems)を用いたモデル。
30

技術普及

ロジスティック関数を用いて技術普及を計算した

参考文献: González Palencia et al.,2015, Energy, 93 (2), pp. 1489-1504
31使用年数及び年間走行距離

Estimated using data from(MLIT, 2004), (Nishimura, 2011),(MOE, 2011), (MLIT, 2009)32

燃料における価格とCO2排出量係数

価格

CO2排出量係数

Notes. a Gasoline and diesel: CO2 emission factors (Bandivadekar et al, 2008), price (EDMC and IEEJ, 2014) and(IEA/OECD, 2012); b Hydrogen: 100% SMR in 2012; 50% SMR, 25% wind and 25% solar PV in 2050; CO2 emission
factors and price (Bandivadekar et al, 2008) and (Delucchi et al, 2014); c Electricity: 50% renewables and 50%33
fossil fuels in 2050; CO2 emission factors (IEA/OECD, 2013), (Berraho, 2012) and (IEA/OECD, 2012).

2012年乗用車保有台数及び販売台数

乗用車保有台数: 5850万台
参考文献: 自動車検査登録情報協会, 2012,
自動車保有台数

新車販売台数: 457万台
参考文献: 日本自動車販売協会連合会, 2013,
新車・年別販売台数34

日本における乗用車保有台数の特性

乗用車保有台数の分布
参考文献: 自動車検査登録情報協会, 2012,
初度登録年別 自動車保有車両数生存関数
参考文献: 環境省, 2010, 環境対応車普及戦略
35

乗用車保有台数
2027年に、乗用車保有台数が約6300万台とピークになる

2050年に、乗用車保有台数が5240～5460万台となる

36

エネルギー消費量

Baseシナリオを比較すると、バッテリー電気軽自動車の普及により、2050には67％のエネルギー消費量を削減できる
37

水素消費量ダウンサイジングを実現すると水素消費量の27％を削減する
38

タンク・トゥー・ホイールCO2排出量

Baseシナリオを比較すると、バッテリー電気軽自動車の普及により、2050には92％のCO2排出量を削減できる
39

ウェル・トゥー・ホイールCO2排出量

Baseシナリオを比較すると、バッテリー電気軽自動車の普及により、2050には77％のCO2排出量を削減できる
40

キャッシュフロー

ダウンサイジングを実現するとキャッシュフローが減少していく41

結言 2012年から2050年の間に、BaseシナリオでCO2排出量が52％減少する。これらの結果の理由は自動車のエネルギー消費量の改善と乗用車保有台数の減少である。
 Baseシナリオを比較すると、バッテリー電気軽自動車及び燃料電池自動車の普及により、2050年にはそれぞれ77％、50％のCO2排出量を削減できる。2050年のキャッシュフロー
はそれぞれ16.3 billion USD/year、-12.6 billion USD/yearになる。
 ダウンサイジングの影響で乗用車保有台数のコストおよびCO2排出量は減少する。

42

4. 持続可能な水素生産システムの設計

43

研究目的


エネルギー消費量、CO2排出量、水の使用量、コストを考慮した水素生産システムを設計する。

44

ケーススタディー

Source: http://nlftp.mlit.go.jp/ksj/

2030年の水素生産量が30万tH2/yearを目標とされている

道路交通部門に関する水素の需要

Source: Ministry of Economy, Trade and Industry Japan,
2017, Basic Hydrogen Strategy.

Source: González Palencia et al., 2016, Applied
Energy, Vol. 181, pp. 96-109; González Palencia etal., 2020, Energies, Vol. 13 (10), paper No 2459.

45

1kg水素を生産するためのエネルギー消費量、CO2排出量、水の使用量、コスト
水素生産において、メタン改質から電気分解へシフトするとエネルギー消費量、水の使用量、コストが増大していく
今までの研究ではWater-EnergyCarbon (WEC) nexusが考慮されていない
Source: Elgowainy et al., 2016, Life-Cycle Analysis of Water Consumption for
Hydrogen Production, 25p; Ruth et al., 2009, Technical Report NREL/TP-6A146612; Jaber et al., 2010, J. Hydrog. Energy, 35, pp.8569-79; Parkinson et al.,2018, J. Hydrog. Energy, 43, pp. 2540-55; Wakeel et al., 2016, Appl. Energy,
178, pp. 868-85; METI, 2019, FY2017 Energy Supply and Demand Report;
EDMC, IEEJ, EDMC Handbook of energy & economic statistics 2019;
Nikolaidis and Poullikkas, 2017, Renew. Sust. Energ. Rev., 67, pp. 597-611;
Samsatli and Samsatli, 2018, Appl. Energy, 220, pp. 893-920; Spang et al.,2014, Environ. Res. Lett., 9, 105002 14p.

46

エネルギーシステムの概略図

47水素生産システムのモデルー目的関数
Overall score

𝑍 = ෍ ෍ 𝛼𝑗 𝑆𝑗,𝑐 𝑤𝑐
𝑗Where:Eq. (1)𝑐𝐻2,𝑗𝛼𝑗 =𝐷𝑚𝑑

Eq. (2)

𝑀𝑎𝑥𝑖𝑚𝑢𝑚𝑐 − 𝐴𝑡𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑡𝑒𝑗,𝑐𝑆𝑗,𝑐 =𝑀𝑎𝑥𝑖𝑚𝑢𝑚𝑐 − 𝑀𝑖𝑛𝑖𝑚𝑢𝑚𝑐

Eq. (3)α:Share hydrogen productionc:Category for evaluation
Dmd: Hydrogen demandj:Hydrogen production technology
H2: Amount of hydrogen produced

Maximum: Maximum value for each attribute
Minimum: Minimum value for each attribute
S:
Score
w:
Weighting coefficient
48
Z:
Overall score水素生産システムのモデルー制約
1. 水素生産量 ≥ 水素の需要
2. 原料の使用量 ≤利用可能な原料
3. エネルギー消費量 ≤ 利用可能なエネルギー資源
4. αj ≥ 0
5. １kg水素当たりCO2排出量 ≤ 最大CO2排出強度

49

シナリオ
Scenarios
Low Cost (LC)Low Energy Use (LEU)
Water-Energy-Carbon (WEC)
Water-Energy-Carbon and cost (WECC)Priority
Cost Energy Water




• Linear Programing static optimization model.
• National-scale.
• Model developed in GAMS (General Algebraic Modeling System).
• Model solved using CPLEX.

CO2



50

入力データー原料、エネルギー資源コスト

原料エネルギー資源

Using data from (EDMC, 2019) and (METI, 2013)
51

入力データー資本コスト

Using data from (Nikolaidis and Poullikkas,2017) and (Parkinson et al., 2018)

52

入力データー水素1kg当たりエネルギー消費量、資源の使用量

エネルギー消費量

資源の使用量Using data from (Jaber et al, 2010), (Ruth et al., 2009) and (Parkinson et al., 2018)
53

入力データー設備利用率

Using data from (Ruth et al., 2009)54

入力データー利用可能な資源
エネルギー資源原料
Natural gas [Mt/year]
Water [billion m3/year]

Availability
2.29
1.11

110
22.1132
13.9

Feedstock use
Energy[unit/MJ]
use[MJ/MJ] Water Naturalgas [kg][L]
0.004 0.0012
0.066
00
1.857
00.0066.042
00.487
7.333

420
1444

0.294
1.530

Availability[PJ]

Natural gas
Wind electricity
PV electricity
Geothermalelectricity
Hydroelectricity
Grid electricity

4.267
0.632

00Source: Elgowainy et al., 2016, Life-Cycle Analysis of Water Consumption for Hydrogen Production, 25p; Ruth et al., 2009, Technical Report NREL/TP-6A146612; Jaber et al., 2010, J. Hydrog. Energy, 35, pp.8569-79; Parkinson et al., 2018, J. Hydrog. Energy, 43, pp. 2540-55; Wakeel et al., 2016, Appl. Energy,178, pp. 868-85; METI, 2019, Annual Energy Report 2018; Spang et al., 2014, Environ. Res. Lett., 9, 105002 14p; MLIT, 2018, Utilization of Water Resources,4p; NEDO, 2013, Renew. Energy Technol. White Pap.; Lee et al., 2016, Water Consumption Factors for Electricity Generation in the United States, 28p;
55
METI, 2019, Japan’s Energy 2018; 10 Questions for Understanding the Current Energy Situation, 19p.

水素生産システムの設計
LC scenario

LEU scenario

SMR ≥ 50% 水素生
産量 if CO2 intensity≥ 8 kg-CO2/kg-H2.

WEC scenario

WECC scenario
グリッド電気を用いた電気分解が選択されてない
56

水素生産システムのパワー

太陽光発電、風力発電の設備利用率は低
いため、水の使用量を考慮すると水素生産システムのパワーが増大していく

57

エネルギー消費量

電気分解のエネル
ギー消費量はメタン改質のエネルギー消費量より大きいため、水の使用量を考慮すると水素生産システムのエネルギー消費量が増大していく

58

水素生産コスト
水素生産コストの最小値は1.6 USD/kg-H2（ CO2 intensity of 18
kg-CO2/kg-H2）

ゼロエミッションの水素生産コストは9.2 と13.6 USD/kg-H2となる
59

水の使用量
水素１kgのCO2排出量が減少すると水の使用量が増大していくエネルギー資源の生産が最も大きな水の使用量の割合となる
60

結言

水素1kgあたりのCO2排出量が8 kg-CO2/kg-H2 以下の場合は、全てのシナリオで水素生産量の50％以上がメタン改質で生産される水素生産コストの最小値は1.6 USD/kg-H2 となる．ゼロエミッションの水素生産コストは9.2と13.6 USD/kg-H2となるエネルギー消費量、CO2排出量、水の使用量、コストが高いため、グリッド電気を用いた電気分解はモデルによって選択されない61

ご清聴ありがとうございました!
Contact: gonzalez@gunma-u.ac.jp

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