令和３年(第２１回)海上技術安全研究所研究発表会

GHG削減船の実現に向けた検討

GHG削減プロジェクトチーム
平田 宏一
国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所 海上技術安全研究所

講演内容

１．はじめに
２．内航船のGHG排出３．GHG削減技術の概要と課題
４．各種GHG削減技術を導⼊する船舶の検討
５．代替燃料利⽤技術
６．まとめ

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１．はじめに IMOのGHG削減戦略では，2030 年までに国際海運全体の燃費効率を40 %以上改善，2050年までにGHG 排出量を50 %以上削減（2008年⽐），さらに今世紀中のできる限り早い時期にGHG排出をゼロとするといった⽬標を掲げている。
 内航海運においては地球温暖化対策計画で2030年度までにCO2排出量157 万トン削減（2013年⽐）を⽬標に掲げ，省エネ技術の開発と省エネ船舶の普及が図られてきた。

本講では，主に内航船に着⽬する。
① GHG削減技術の導⼊実⽤性が⾼く，理想的なGHG削減船を検討する。
② 代替燃料を利⽤する動⼒システムの検討
動⼒システムの特徴を踏まえて，船種・航⾏距離・船のサイズを踏まえた適⽤性を検討する。

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3２．内航船のGHG排出 船種毎の隻数および合計総トン数のデータから，船種毎の1隻あたりのCO2排出量並びに船種毎の総CO2排出量を概算した。
 1隻あたりのCO2排出量は，⼤型船が多い⾃動⾞専⽤船，セメント専⽤船，フェリーが⼤きい。
 船種毎の総CO2排出量は，隻数が多い⼀般貨物船や⼤型船が多いフェリーが⼤きく，これらのCO2削減対策が海運全体の総排出量低減に有効である。

1隻あたりのCO2排出量の推定（2019年）

船種毎の総CO2排出量の推定（2019年）
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●内航貨物船のCO2排出量
 749GTおよび約5,000GTのセメント運搬船における，約1年間のデータを整理し，それぞれの運航モードにおけるCO2排出量（燃料消費量）をまとめた。
 運航中のCO2排出量は70〜75%程度，純停泊中のCO2排出量は10〜15%程度，荷役時のCO2排出量は10%程度での割合ある。
 船種や航路によって異なるが，運航時ばかりでなく，停泊時や荷役時の省エネ技術も有効であると考えられる。
※ 本セメント運搬船は荷揚げ時に主機駆動コンプレッサを使⽤するため，荷役中のCO2排出量がやや多い。

749GTセメント運搬船のCO2排出の内訳（2020年）

5,000GTセメント運搬船のCO2排出の内訳（2020年）
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３．GHG削減技術の概要と課題

 CO2削減技術のいくつかを新造船だけでなく既存船にも適⽤する必要がある。

既存燃料
カーボンフリー燃料

 それぞれの技術開発と実装に取り組むことで，短期のGHG削減と中・⻑期のカーボンニュートラルを実現できる。

現在

その他の技術

 GHG削減には様々な選択肢がある。

短期（2030〜）

⽯油燃料船上CO2回収

消費量の削減天然ガス

中⻑期（2050〜）

バイオ燃料

持続可能なカーボンリサイクル技術

再⽣技術

燃料供給量の増加

⽔素

CO2処理
合成メタン

建造隻数の増加

主な課題

燃料電池
混焼エンジン

専焼エンジン

エンジン開発専焼エンジンアンモニア
代替燃料供給・バンカリング

インフラ設備構築

設備建設
再⽣可能エネ
ルギー利⽤

蓄電池

カーボンフリー燃料を利⽤する動⼒シス
テムの開発

既存船適⽤
普及率up

（標準搭載）

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⾼効率化による燃料消費量削減

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４．各種GHG削減技術を導⼊する船舶の検討
導⼊するCO2削減技術

 様々な既存技術の内航船への導⼊を検討し，そのとき省エネ効果を試算した。
 省エネ効果が数%の技術を組み合わせることで，トータル22%のCO2削減と試算される。

No.

モード

省エネ効
果 [%]

1

⾼効率エンジンの採⽤

2.5

2

⼆重反転プロペラ

4.0

3

省エネダクト2.04船型・船⾸形状改善

5.0

空気潤滑

2.556運航

低摩擦塗料

2.57

⾵圧抵抗低減形状

1.08ウェザールーティング等

3.5

9

補機インバータ制御

0.6

10

排熱回収発電1.511

⾼効率機器の採⽤

5.0

運⽤効率改善2.012荷役131415

各種技術を導⼊した船舶のイメージ削減技術の導⼊例

停泊補機インバータ制御

5.0

陸電利⽤

25.0

⼤容量蓄電池搭載

3.0

運航時のCO2
排出量を22%削減

荷役時のCO2排出量を7%削減
停泊時のCO2排出量を31%削減※ 省エネ効果はそれぞれのモードにおける割合としている。

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7●GHG削減技術導⼊によるCO2排出量の試算例
 既存船の寿命を25年として，今後建造される新造船の50%を20%CO2削減船，その他の新造船および既存船を10%CO2削減とした場合の試算結果を⽰す。
 2030年時には現在の3/5の既存船が残るため，新造船ばかりでなく，既存船のCO2削減も重要である 。
※ 船種毎のCO2削減の違いや隻数の変化は考慮していない。

GHG削減船導⼊によるCO2排出量の試算例

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●GHG削減技術の導⼊ 様々な既存省エネ技術を内航船へ導⼊することができる。

※ 各削減技術の横幅は，導⼊のしやすさを踏まえたCO2削減量を表している。

⼤型船のサイズ それぞれの省エ
ネ効果は，船種や船のサイズの他，対象船の運航形態のよって⼤きく異なる。

⼩型
エンジン効率改善

プロペラ効率改善

船体抵抗低減運航効率改善補機・その他

運航時の削減技術

荷役時の削減技術

停泊時の削減技術

荷役・停泊時の削減技術

GHG削減技術国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所 海上技術安全研究所

9５．代替燃料利⽤技術
 船舶に代替燃料を使⽤する際のタンク⼨法や燃料供給量を推定するために，各種燃料の体積あたりの発熱量などをまとめている 。
 同⼀の航続距離を運航する場合，天然ガスやアンモニアは従来船の2倍程度，⽔素は4〜6倍程度のタンク⼨法となることが課題である。
各種燃料の物性値
⽔素燃料の有機ハイドライ
ド貯蔵

アンモニア（液体）---22.5 MJ/kg

70.8 kg/m3

770 kg/m3

695 kg/m3

700
Nm3-H2/m3

717
Nm3-H2/m3527
Nm3-H2/m3---

2.75 t/tfuel0000

38.4 GJ/m3（100 %）

22.6 GJ/m3（59 %）

7.6 GJ/m3（22 %）

8.6 GJ/m3（22 %）5.7 GJ/m3（22 %）

15.6 GJ/m3（41 %）

1.0

1.7

5.0

4.5

6.62.5重油

天然ガス（液体）

圧縮⽔素（70MPa）

発熱量42.7 MJ/kg

49.2 MJ/kg

密度（液体）

900 kg/m3

460 kg/m3---

⽔素密度------

CO2排出係数3.114 t/tfuel

体積あたりの発熱量（重油⽐）
燃料タンク内容積（重油タンク⽐）

液体⽔素

121 MJ/kg

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10●749GT⽔素燃料貨物船の検討例
燃料油タンク（100kL）
タンクコネクションスペース

 例えば，熱量⽐で50%の⽔素を利⽤することを想定し，既存重油タンクの1/2を液体⽔素タンクに置き換える（No.3）。
 CO2削減50%の⽔素運転は4⽇程度となる。

 残りを重油で運航した場合，トータルのCO2削減は15%程度となる。
※ ⽔素バンカリングの頻度が⾼ければ，CO2削減50%を維持できる。
No.

タンク
⼨法1変更

23変更
なし

4

液体⽔素タンク（100kL）※ 液体⽔素タンクの断熱や配置は考慮していない。

749GT⽔素燃料貨物船の検討例（No.3）

設定モード

性能

特徴・備考

100%⽔素利⽤（FCまたは専焼エンジン）

既存船と同じ航続距離900kLの液体⽔素タンク（重油の4.5倍）が必要

タンク⼨法が⼤きくなる。

100%⽔素利⽤（専焼エンジンなど）または重油運転の併⽤
既存重油タンクの1/2（100kL）に液体⽔素85%負荷時，約2.5⽇の⽔素運転が可能

⽔素運転時間が短い。

50%⽔素利⽤（⽔素混焼エンジンなど）
既存重油タンクの1/2（100kL）に液体⽔素85%負荷時，約4⽇の⽔素運転が可能，残りの重油で約12⽇の運転が可能
全航続距離は既存船の1/2

検討初期段階としては妥当と考えられる。

50%⽔素利⽤（⽔素混焼エンジンなど）
既存重油タンクの3/4（150kL）に液体⽔素85%負荷時，約7⽇の⽔素利⽤運転，残りの重油で約5⽇の運転が可能
全航続距離は既存船の1/3連続航続距離がやや短い。

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11●代替燃料を利⽤するGHG削減内航船の検討

短期 燃料や動⼒システムの種類毎に，GHG削減率，実⽤時期，タンク容積・航続距離，燃料供給のしやすさ，機器構成等を踏まえて，実現性が⾼いと考えられるGHG削減船を取りまとめた。
GHG削減

呼称

低（20%程度）

⽔素混焼ディーゼルエンジン船中（50%程度）

LNG燃料エンジン船

中⻑期

⽔素混焼率10〜30%程度の⽔素・重 技術的ハードルがやや低く，早期に実現油混焼エンジンを搭載できる。
既存技術で対応できる。

⽔素混焼ディーゼルエンジン船

⽔素混焼率50%程度の⽔素・重油混焼エンジンを搭載

⽔素混焼率を⾼めることでGHG削減率を⾼める。

⽔素燃料電池ハイブリッド船

⽔素燃料電池と重油炊きディーゼル発電機を組み合わせた電気推進船

バランスがよく，中・⼩型の船舶への適⽤性が⾼い。

蓄電池だけのエネルギーで推進短距離航路の船舶に有効である。

主に⽔素燃料電池で推進⽐較的⼩さい船舶に有効である。

蓄電池と⽔素燃料電池のハイブリッ
ド電気推進船バランスがよく，既存技術で対応しやすい。

バイオ燃料炊きエンジンを搭載

技術的ハードルが低く，燃料供給ができれば既存船を適⽤しやすい。

⽔素・バイオ燃料混焼船

バイオ燃料炊きエンジンの⼀部を⽔素混焼（10〜50%）

燃料供給のバランスが取りやすくなる可能性がある。

アンモニア専焼エンジン船

アンモニア専燃エンジンを搭載

⼤型船への適⽤性がやや⾼い。

⽔素専燃エンジンを搭載中・⼩型の船舶への適⽤性がやや⾼い。

⽔素燃料電池船
⽔素燃料電池・蓄電池ハイブリッド船
バイオ燃料船⾼（100%）

特徴・適⽤性LNG専焼ガスエンジンを搭載

電池推進船
⾼（100%）

概要

⽔素専焼エンジン船

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●各項⽬の評価基準
点数

混焼率（GHG削減率）

実現性（実⽤時期）

タンク容積・航続 不純成分を含む⽔ 燃料供給のしやす
距離
素の利⽤可否さ

機器構成（導⼊コスト）5

開発が容易
100%GHG削減を（2025年までの達成普及が可能）

4

最⼤80%程度のGHG削減を達成

開発がやや容易（2030年までの普及が可能）

350%GHG削減

開発がやや必要（2025年までにプロト機が運航）

2

最⼤30%程度のGHG削減を達成

開発が必要（2030年までにプロト機が運航）

120%以下のGHG
削減

タンク容積が4倍開発がかなり必要 以上，または航続複数の代替燃料
⽔素燃料電池（不複数の複雑な機器（2040年までに 距離が1/4以下（⽔素＋アンモニ純成分不可）が必要
プロト機が運航） （⽔素100%利ア）⽤）

備考

ほぼ使⽤燃料のエ
現状では供給⽅法
⽔素エンジンが有厳密には運航形態 最新情報に応じて ネルギー密度に関より具体的な調や供給形態（液利，燃料電池が不の考慮が必要
適宜更新が必要連（航路に応じたor ガス）が不明 査・検討が必要
利評価が必要）確

メンテナンス性

現状の重油炊きエ
⽔素エンジン（不現状の重油炊きエ
現状の重油炊きエ 現状の重油炊きエ ンジンと同等，ま純成分があってもたは単⼀燃料で複ンジン船と同等ンジン船と同等ンジンと同等
問題ない）
雑な機器がない⇔

多量の⽔素供給など⇔

アンモニアやLNG
電気推進船＋単⼀などの液体代替燃の代替燃料機器
料⇔⇔

ほとんど重油と同複数の燃料を使う
じ，少量の代替燃 新たな機器が必要 が，複雑な機器は料を供給ない⇔⇔⇔

タンク容積が2倍，または航続距離が1/2程度（LNG燃料船程度）

複数の複雑な機器が搭載されている⇔代替燃料を使⽤する際のメンテナン
ス性が不明

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13●各種船舶への適⽤性
 様々な船舶があるため，船種・サイズに対する適⽤性の評価は難しい。
 概ね下表のような船舶を想定し，適⽤性を検討した。
評価

特徴
（想定）

⼤型船への適⽤性（3000GT〜）

中型貨物船への適⽤性（〜749GT）

・⻑距離航路を航⾏する。 ・機器の設置スペースに・機器の設置スペースに やや余裕があり，設計のは余裕があるが，⼤型タ ⾃由度が⾼い。
ンクの搭載はやや難しい。

⼩型貨物船への適⽤性（〜499GT）

⼩型船舶への適⽤性（20GT未満）・機器の設置スペースに ・短距離航路を航⾏する。
制限があり，新たな機器 バンカリングがしやすい。
や⼤型タンクの搭載が難 ・推進出⼒は数百kWとする。（⼩型⾼速船は想定しい。
・⽐較的短距離を航⾏し， しない。）
バンカリングはややしやすい。

◎

適⽤性が特に⾼い○

適⽤性が⾼い△

適⽤可能✕

適⽤性が低い

---現時点では判断できない
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●動⼒システムの定量的評価の例
 各システムに対して主観的なランキング（点数付け）を⾏っている【⼀部抜粋】。
中型貨物 ⼩型貨物 ⼩型船舶
⼤型船へ船への適 船への適 への適⽤燃料供給 機器構成
実現性 タンク容
メンテナ 総合評価 の適⽤性
⽔素の不性
⽤性
⽤性のしやす （導⼊コ（実⽤時 積・航続ンス性 （平均） （3000純成分（749G （499G （19GTスト）
さ距離期）GT））T）T）

整理
No.

呼称

ベース燃料混焼率（GHG削減率）

1

⽔素混焼ディーゼルエンジン船

⽔素・重油20%24444443.7

○

○

○

○

2⽔素混焼ディーゼルエンジン船

⽔素・重油50%

32343443.3△○

△

△

バイオ燃料

100%

535---

3554.3△△○○

⽔素・バイオ 100%

53443443.9△○○△

7バイオ燃料船

8⽔素・バイオ燃料混焼船

10

⽔素専焼エンジン船

⽔素100%

52152453.4△

○

○

○

11

⽔素FC・DGハイブリッド船

⽔素50%

34323343.1△○

○

○
○

12

⽔素燃料電池船

⽔素100%

54112353.0△△△16アンモニア専焼エンジン船

アンモニア100%

534---

3443.8○△✕✕18LNGエンジン船

LNG

20%

154---

3453.7○○△△20⽔素タービン船

⽔素100%

51153353.3○

✕

✕

✕

蓄電池

100%

541---

3353.5✕△△○

⽔素・蓄電池 100%

55113243.0

✕

△△

○

22電池推進船

23

⽔素FC・LiBハイブリッド船※ 現状における国内外の技術開発状況に基づく主観的評価であり，今後の技術開発によっては評価が異なってくる可能性がある。

15

国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所 海上技術安全研究所●カーボンニュートラル技術適⽤マップの検討
 ⽔素燃料は⼩型から⼤型の船舶まで幅広く利⽤できる。

⼤型

アンモニア専焼エンジン船

LNG⽔素エンジン

船のサイズ

 短距離航路の船舶においては蓄電池の利⽤，⻑距離航路の船舶においてはアンモニアやバイオ燃料が期待できる。

アンモニア貨物船

LNG燃料エンジン船
⽔素専焼エンジン船

⽔素混焼ディーゼルエンジン船

中型
蓄電池

バイオ燃料船⽔素燃料電池・ディーゼルハイブリッド船

⽔素・バイオ燃料混焼船

⽔素燃料電池・蓄電池ハイブリッド船

バイオ燃料

⼩型電池推進船

短距離

⽔素燃料電池船

⽔素燃料電池

航路
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⻑距離16

●カーボンニュートラル技術適⽤マップの検討
旅客船

⼤型

LNG
アンモニア専焼エンジン船

⽔素エンジン
蓄電池

船のサイズ

 短距離航路の旅客船においては，蓄電池や⽔素を使⽤しやす
く，静粛性に優れた燃料電池の利⽤が期待できる。

LNG燃料エンジン船
⽔素専焼エンジン船

⽔素混焼ディーゼルエンジン船

中型

バイオ燃料船⽔素燃料電池・ディーゼルハイブリッド船
⽔素燃料電池・蓄電池ハイブリッド船

バイオ燃料

⼩型電池推進船

⽔素燃料電池

⽔素燃料電池船

短距離

アンモニア

⽔素・バイオ燃料混焼船

航路

⻑距離

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17●カーボンニュートラル技術適⽤マップの課題① ⽔素燃料は⼩型から⼤型の船舶まで幅広く利⽤できる可能性が⾼い。ただし，カーボンフリー燃料を普及させるためには，動⼒システムの技術開発ばかりでなく，⼗分な燃料供給インフラ設備の構築と燃料供給のしやすさが重要である。
② 現状のエンジン開発状況を踏まえると，アンモニア燃料は⻑距離航路の⼤型船に有望であると考えられる。なお，今後の技術開発によっては使⽤範囲が拡⼤する可能性がある。
③ バイオ燃料の供給量は不明である。供給量が少ない場合，燃料消費が多い⼤型船への適⽤は難しく，中・⼩型船への適⽤が妥当である。
④ 前ページまでの検討には中・⻑期の適⽤が含まれている。短期的にはハイブリッド船が有望である（右図参照）。

国⼟交通省「内航カーボンニュートラル推進に向けた検討会」資料
https://www.mlit.go.jp/maritime/content/001411773.pdf

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18６．まとめ 内航船舶のカーボンニュートラル化への取り組みと課題，今後の検討事項をまとめる。

① 様々な既存省エネ技術を内航船へ導⼊することによって，20%程度のCO2削減が可能であると試算される。
② 現在，⼀部の船舶だけに利⽤されている省エネ技術を既存船にも適⽤し、普及率を上げる必要がある。
③ 短距離航路の船舶においては蓄電池の積極的な利⽤が対策となり得る。
④ ⽔素燃料は⼩型から⼤型の船舶まで幅広く利⽤できる可能性が⾼い。カーボンフリー燃料を利⽤した短期的な対策として，⽔素混焼ディーゼルエンジン船や⽔素燃料電池とディーゼル発電機などを組み合わせたハイブリッド電気推進船が有望である。
⑤ ⽯油燃料や天然ガス，バイオ燃料などの燃焼時にCO2を発⽣する燃料を利⽤する場合，持続可能なカーボンリサイクル技術の開発が必要不可⽋である。
本講で紹介したGHG削減の検討にあたっては，国⼟交通省の「内航カーボンニュートラル推進に向けた検討会」における議論を参考にしています。関係各位にお礼申し上げます。

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