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F utures' Literacy

深刻化・多様化するエネルギー問題の解決へ

創る、蓄える、循環させる、エネルギーの未来技術「未来への警鐘」にはとどまらない、エネルギー問題は喫緊の社会課題

近年、地球規模の課題となっているエネルギー問題は、業界や規模を問わず、あらゆる企業にとって重要なテーマ。 限りある化石資源に頼った現状から脱却を図り、持続可能な発展を実現するために、創エネ、蓄エネ、省エネの各分野で新たなエネルギー技術への挑戦が続けられている。今回は、これら「エネルギーの未来技術」の中から、次代の主役として期待される先進テクノロジーを紹介しよう。

なのがエネルギー分野での取り組みだ。日本のエネル2050 年

ギー（発電量）比率は、約8 割までが石油や石炭、天然ガスなど化石燃料による火力発電に占められていて、世界各地で豪雨や猛暑といった異常気象が相次ぐ温室効果ガスの主要な排出源となっている（図2参照）。

中、その要因として温室効果ガスの排出量増加による産業や生活に欠かせない電力の安定供給を維持しな気温上昇が指摘されている。温室効果ガスの削減は、がら脱炭素を実現するために、CO2 を排出しない新た国や企業単体の努力だけでなし得るものでなく、人類なエネルギー技術の確立が急がれている。

すべてが手を取り合って取り組むべき課題である。そエネルギーを取り巻く課題は「脱炭素」だけではな

こで、削減に向けた国際的な枠組みとして、2015 年

い。ウクライナ侵攻を機に、ロシア産化石燃料の輸入に開催されたCOP21において「世界的な平均気温上を禁止する動きが世界各国に広がっている。資源大国

昇を産業革命以前に比べて2℃以下に保つとともに、であるロシアにとって痛手であると同時に、輸入国に1.5℃に抑えるよう努力する（2℃目標）」を掲げた「パリとっても資源価格の高騰や供給不足などマイナス影響協定」が採択された。

が生じており、エネルギーの安全保障に対する危機感

こうした国際的な潮流を受けて、日本政府は2020が強まっている。特に、日本はエネルギー自給率が約年10 月、2050 年までに「カーボンニュートラル」を目12％（2018 年度）とG7で最も低く、輸入に依存して指すことを宣言した。カーボンニュートラルとは、二いる化石燃料の逼迫・値上がりは、産業や暮らしに深酸化炭素（CO2）をはじめとした温室効果ガスの排出量刻な影響をもたらしつつある。ウクライナ問題に限らから、森林などによる吸収量を差し引き、合計を実質ず、今後の国際状況の変化に際しても、安定したエネ的ゼロにすること（図1参照）。その実現に向けて、各ルギー供給を維持するために、国内で調達可能な新た分野で脱炭素の動きが広がっているが、中でも重要なエネルギーの開発が期待されている。

+CO2+CO2- CO2

図1）
カーボンニュートラルとは2020 年度の電源構成と再生可能エネルギーの内訳
再生可能エネルギー
石炭31.0％

太陽光 7.9%

19.8%
天然ガス
39.0%
原子力
3.9%

水力 7.8%
バイオマス 2.9％

石油等
6.4％

図2）
日本の電源構成（2020年度）

地熱 0.3％
風力 0.9％※出典：資源エネルギー庁総合エネルギー統計（2020年度）

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F utures' Literacyられるのが燃料電池だ。
「電池」という言葉から、電気と反応させて発電。同時に発生する熱も給湯などに利を貯めておく装置と誤解されがちだが、実際は水素を用する仕組みで、高い省エネ効果が期待されている。

エネルギー源とした発電装置である。その仕組みは、水素エネルギーのもう1つの特徴が、調達方法の多脱炭素社会の実現に向けて、CO2 を排出しない新た

理科の実験で学んだこともある「電気分解」とは逆に、様さだ。現在、流通している水素の大半は石油や天然なエネルギー創出に向けた挑戦が広がっている。本命

水素と酸素の化学反応によって水を作る過程で生じるガスなど化石燃料から生成したものだが、メタノール視されているものから意外なものまで、注目のトピッ

電気や熱を利用するものだ（図4 参照）。

やエタノールなどの化学品、さらには下水汚泥や廃プ一部で実用化が始まっている燃料電池自動車（FCV）ラスチックなどからも生成できる。また、製鉄所や化は、燃料電池から得られた電気エネルギーでモーター学プラントなどでも副産物として水素が生じており、を回して走行し、ガソリンスタンドの代わりに水素ス

脱炭素だけでなくエネルギー自給率の向上という面で利用時にCO2 を排出しないことから、次世代エネテーションから水素を供給する仕組みだ。また、家庭も期待されている。

ルギーの柱として期待されているのが水素エネルギー用燃料電池として普及している「エネファーム」は、都水素社会の実現に向けて急ピッチで進められていだ。水素エネルギーを社会のいたるところで利用す

市ガスやLPガスから取り出した水素を、大気中の酸素るのが、利 用時 だけで なく、生 産 時にもCO2 を 排クを紹介しよう。
1）「水素社会」への期待が高まる水素エネルギーる「水素社会」の実現に向けて、日本政府は2017 年に2H 2 + O 2「水素基本戦略」を策定し、水素の低コスト化や水素サプライチェーンの構築、産業利用の拡大といった方針のもと、産学官が一丸となって様々な取り組みを推進している（図3 参照）。
水素エネルギーの具体的な利用法として、まず挙げ

水素発電

現在未来

水素H H
H H

酸素 O O
図4）
燃料電池の仕組み

燃料電池バス

燃料電池鉄道（CH4＋O2→2H2＋CO2）
するもので、環境的にはグレーO
H H

対し、同じ化石燃料由来でも、CCS（CO2 回収・貯留であることから「グレー水素」と呼ばれている。これに技術）などを駆使してCO2 を大気中に排出せずに作られた水素は「ブルー水素」、水を電気分解して製造するも電力が必要だが、そこに太陽光発電など再生可能エネルギーを利用すれば、温室効果ガスを一切、排出す

アンモニア製造

液体水素ロケット

熱成分であるメタンを熱して水素と二酸化炭素に分解

O 水
H Hン水素」と呼ばれる。もちろん、電気分解するために燃料電池自動車

石油精製・石油化学

電気こと。現在の主流である化石燃料由来の水素は、主水素はそもそもCO2 を生み出さないことから「グリー従来製鉄所出しない、真の意味で CO2 フリーな水素を量産する

2H 2 O
化学反応

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クリーン＆グリーンな新エネルギー創出への挑戦

ることなく水素を供給できるため、最も理想的な水素製造法とされている。

家庭用燃料電池（エネファーム）

ブルー水素やグリーン水素は、グレー水素に比べて製造コストがかかることが課題だったが、近年の技術燃料電池船

革新や用途拡大によって、大幅なコストダウンが期待燃料電池航空機されている。関連技術を持つ企業にとっては、大きな水素タンカー
図3）
水素社会に向けた水素利用シーンの拡大ビジネスチャンスとなるだろう。
水素ステーション

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11深刻化・多様化するエネルギー問題の解決へ

創る、蓄える、循環させる、エネルギーの未来技術

ペロブスカイトは、ロシアで発見された鉱物資源だ2）
「ミドリムシが燃料に？」期待が高まるバイオマス燃料が、一般的な化学物質からも合成できる。ペロブスカ
イトを素材とした半導体は太陽光の吸収係数が高い

自然の力を活用する再生可能エネルギーの中でも、動植物由来の有機物を利用したバイオマスエネルギーため、シリコン半導体に比べて薄型化が可能。軽量でへの注目が高まっている。バイオマス資源も燃焼時にフレキシブルなフィルムタイプの太陽電池が実現すれCO2 を排出するが、原料となる植物が成長時に光合ば、社会のいたるところに設置でき、身の回りで消費成によってCO2 を吸収するため、トータルで見れば相する電力すべてを太陽光でまかなう時代も夢ではなく殺されてゼロになり、カーボンニュートラルなエネルなっている。
さらに特筆すべきは、このペロブスカイト太陽電池ギーとして世界的に普及が拡大しつつある。

を最初に提案したのは日本の科学者だということ。日バイオマス資源は栽培により継続的に調達できるので、化石資源のように枯渇する心配がない。また、木材の端材や間伐材、家畜の糞尿なども活用でき、廃棄微細藻類をディーゼル燃料・ジェット燃料の原料に本発の次世代エネルギー技術として、覚えておきたいキーワードと言える。

物の減少・リサイクルにもつながる。さらには風力や太陽光のように自然環境に左右されないなど、多くのメリットがある一方で、課題もある。1つは、大量に123）次世代太陽電池の主役「ペロブスカイト型太陽電池」供給するには手間やコストがかかること。もう1つは再生可能エネルギーの中でも、早くから実用化が進食料との競合だ。バイオマス資源の中にはトウモロコんできた太陽光発電。2021年には環境省が「2030 年

シやサトウキビ、大豆など食料として利用されるもの

度に太陽光発電の導入目標を約2,000 万kW 分（原子が少なくない。これらをエネルギー資源に利用すれば、力発電所 20 基分に相当）積み増す」と発表するなど、必然的に食料の供給量は減少する。世界的な食料不さらなる普及拡大が見込まれているが、国内の発電量足が懸念される中、食料と競合しないバイオマス資源全体に占める比率は約8％（2020 年度）にとどまっての開発が課題となっている。

いるのが現状だ。

そこで注目されているのが、微細藻類の一種であ

その背景には、平地が少ない日本では大規模な太陽るミドリムシ（学名：ユーグレナ）を原料としたバイ光発電設備の設置が難しいという事情がある。現在、オディーゼル燃料だ。
「ミドリムシが燃料に？」と驚

太陽電池材料の95％を占めるシリコン半導体は、太かれるかもしれないが、ミドリムシは農地を用いずに陽光を吸収するために一定の厚さを必要とし、薄くし安定生産が可能であり、面積当たりの収穫油量も極めて曲げたり、軽量化したりが困難なため設置場所が制て大きい。近年の研究開発によって、軽油などとの混限される。太陽光発電を飛躍的に拡大させるには、「設合燃料ではなく100％バイオディーゼル燃料としての置容易性」という課題をクリアした次世代太陽電池の利用も可能になるなど、今後の利用拡大が期待されて開発が不可欠であり、その本命として脚光を浴びていいる。

るのが「ペロブスカイト太陽電池」だ。

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ペロブスカイト太陽電池の特長
■ 軽い

■ 薄い

■ フレキシブル▶曲げられる■ ローラブル▶巻ける■ シースルー▶透明にできる■ 変換効率が高い

フィルム型モジュールのイメージ■ 製造コストが低い■ 設置場所を選ばないF utures' Literacy

さらなる小型大容量化が可能だ（図5 参照）。

が、廃熱の多くは活用が難しい室温付近（100℃以下）「電解質は液体」という常識を覆した全固定電池の登であり、そのまま大気中に放出されている。近年では、場により、電気自動車の安全性や航続可能距離がさら温度差を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変エネルギーに関する社会課題を解決するためには、に高まるなど、脱炭素社会の実現への貢献が期待され換する「熱電発電」の研究が進み（図6 参照）、室温付ている。

近の熱でも効率的に電気に変換できる「室温熱電材料」

創エネだけでなく、蓄エネ、省エネの分野でも技術革新が求められる。それぞれ最前線の動きを紹介しよう。

リチウムイオン電池

セパレータ

発電で生じた電力を、身の回りで効率的に利用する二次電池には、乾電池、自動車やスマホに搭載されまいに電力を供給したりと、自律型の電力供給システ

充電
放電

ムが広がっていけば、社会全体の省エネ化が進展する
負極

充電

正極

放電

固体電解質
図5）
リチウムイオン電池と全固体電池の構造比較

が電解質を通って正極と負極の間を移動することで、高温側熱源
N 型半導体P 型半導体電極

電極

低温側放熱器るバッテリー、産業用など大型の蓄電池まで様々な形状があるが、いずれも原理的には変わらない。活物質

はずだ。

電極次電池」と、繰り返し充電・放電が可能な「二次電池」という分類だ。

る。例えば、IoT 機器からの発熱を利用して工場内にリチウムイオン負極なるが、まず理解しておきたいのが、使い切りの「一正極類法は様々で、形状や用途、業界によっても用語が異が開発され、廃熱利用の可能性が一挙に広がりつつあ

全固体電池

電力を供給したり、エアコンなどの廃熱を利用して住

1）リ チウムイオン電池に代わる次世代電池「全固体電池」ためには、電気を蓄える電池が必要になる。電池の分

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創エネだけでなく蓄エネ、省エネにも新たな動きが2）室温レベルの廃熱も有効利用！
進化した廃熱電力変換技術

電気の流れを生み出している。活物質には様々な素エネルギー資源に乏しい日本では、早くから省エネ材が利用されているが、近年、主流となっているのがに対する取り組みが広がり、「省エネ先進国」として世リチウムイオン電池だ。リチウムイオン電池はエネル界から認められる一方、近年ではその成果が頭打ちにギー密度が高く、小型・軽量化が容易で長時間の使用なりつつある。政府は「徹底した省エネルギー社会の電流図6）
半導体を利用した熱電変換の仕組みが可能、繰り返し充電しても劣化しにくいなど多くの実現」に向けて省エネ技術の研究開発を推進すべく、創エネ、蓄エネ、省エネの各分野で急速に進む次メリットがある一方で、電解質に有機溶剤を用いてい資源エネルギー庁と新エネルギー･産業技術総合開発世代のエネルギー技術開発。これらをいち早く活用るため、液漏れによる発火・爆発の危険性がある。

機構（NEDO）の連名による「省エネルギー技術戦略」

し、脱炭素の実現やエネルギー自給率向上を後押しす

近年、注目を集めている「全固体電池」は、その名のを策定。環境変化や技術動向を踏まえて定期的に更新ることは、産業社会の一員であるすべての企業にとっ通り、電解質も含めて、すべて固体で構成された電池されており、2019 年に新たな重要技術として加えらて重要なテーマと言える。今後も最新情報を積極的にのこと。液漏れの心配がないうえに、固体電解質自体れたのが「廃熱の高効率電力変換技術」だ。

キャッチアップし、持続可能な社会づくりに貢献しなが両極を絶縁するセパレータの役割を果たすため、形産業現場や暮らしの中で生じる廃熱をエネルギーと状の自由度が高まり、薄型にしたり、層状に重ねたりと、して再利用できれば、大きな省エネ効果が期待できるがら、競争力の強化に役立ててもらいたい。

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