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電気燃料（ e-fuelsとも呼ばれる）は、内燃機関の代替燃料として機能する合成燃料の一種です。これらは、回収した二酸化炭素または一酸化炭素と、水の分解によって得られた水素を使用して製造されます。[ 1 ]電気分解は、従来の化石燃料エネルギー源だけでなく、風力、太陽光、原子力などの低炭素電力源でも可能です。[ 2 ] : 7 [ 3 ]
このプロセスでは製造時に二酸化炭素を使用し、燃料燃焼時にもほぼ同量の二酸化炭素を大気中に放出するため、全体的なカーボンフットプリントは低い。したがって、電気燃料は、特に長距離貨物輸送、海上輸送、航空輸送における温室効果ガス排出量を削減するための選択肢となる。 [ 2 ]： 9-13
主な対象はメタノールとディーゼル燃料だが、その他のアルコール類や、メタンやブタンなどの炭素含有ガスも含まれる。
電気燃料は、水素と二酸化炭素から人工的に合成された炭化水素です。二酸化炭素は、大気（直接空気回収）、発電所などの点源（炭素回収および利用）、またはバイオマスの3つの異なる供給源から抽出できます。気候変動に配慮した生産を最大化するには、バイオマスによる大気回収または直接空気回収による大気からの直接回収が推奨されます。バイオマスを使用する場合、必要なCO2を得るにはさまざまな方法があります。これは、バイオガスまたはバイオエタノールのバイオーム生産によって実現できます。これらのすべてのプロセスで、CO2は副産物として生成されるため、分離および精製する必要があります。直接空気回収プロセスでは、大気が吸い込まれ、吸着剤に移送され、そこで二酸化炭素が吸収剤または吸着剤と化学結合を形成し、空気から分離されます。その後、吸着剤の再生または脱着中に、熱エネルギーの添加によって二酸化炭素が分離され、さらなる使用または貯蔵のために準備されます。[ 4 ]
水素はさまざまな方法で製造できます。CO2ニュートラルなe-fuelsの場合、グリーン水素を製造することが不可欠です。[ 4 ]再生可能電力の助けを借りて、水の電気分解の一部として、水をその成分である水素と酸素に分離することができます。
e-fuelsを製造するには、水素と一酸化炭素からなる合成ガスが供給され、その後の合成プロセスで炭化水素に変換され、燃料として使用できます。過去には、このような合成プロセスは他の炭素源と水素源で行われており、したがって、使用できるさまざまなタイプのプロセスがあります。たとえば、[ 5 ]
したがって、e-fuelsは一次エネルギー源ではなく、二次エネルギー源です。e-fuelsは、電気エネルギーを使用して、エネルギー密度、貯蔵、輸送、燃焼特性の高い燃料を生産することを可能にし、その特性と汎用性により、理論的にはあらゆる用途でそれらを置き換えることができます。これらの燃料は、化学的には化石燃料と同一であり、特性も同じです。化石燃料とのこの類似性により、既存の船隊で使用できるだけでなく、海上輸送、パイプライン、タンカー、給油所ネットワークなどの既存のインフラストラクチャで使用することも可能です。[ 4 ]同時に、水素の取り扱いの難しさを回避できます。
電気燃料は、ジェット燃料、ディーゼル燃料、燃料油など、輸送に使用される燃料の補完および最終的な代替として広く認識されている。[ 2 ]
Agora Verkehrswendeが2018年に発表した研究「電気ベースの合成燃料の将来コスト」によると、e-fuelなどの合成燃料が競争力のある価格を提供できるためには、2つの前提条件が必要です。まず、e-fuelを生産するプラント複合施設には多額の投資コストがかかり、結果として固定費も高額になるため、高いフル稼働時間が不可欠です。稼働時間が1時間増えるごとにコストは削減されます。この研究によると、年間少なくとも3,000～4,000時間のフル稼働時間が必要です。 [ 6 ]
2つ目の重要な点は、電気料金の安さです。電子燃料の合成には膨大な量の電力が必要であり、変換損失も伴います。価格をできる限り低く抑えるためには、安価な再生可能エネルギーが不可欠です。
このため、著者らは、北海やバルト海などの洋上風力タービンからの再生可能電力を使用する代わりに、日照と風の強い地域で生産することを推奨している。調査した地域のうち3つは優れた条件を備えており、価格を大幅に削減できる可能性があった。例えば、北アフリカと中東でPVシステムを利用すると、合成液体燃料の生産コストは2030年までに1キロワット時あたり11セント（€ct/kWh）まで下がり、1リットルあたり0.96ユーロ、または1ガロンあたり3.63ユーロになる可能性がある（2024年5月26日時点の計算に基づくと、1ガロンあたり3.94米ドル）。著者らによると、もう1つの注目すべき場所は、既存の地熱エネルギーを利用するアイスランドである。[ 6 ]
同様の調査結果は、Prognos AG、フラウンホーファー環境・安全・エネルギー技術研究所、ドイツバイオマス研究センター（DBF）による2018年の報告書でも報告されている。同報告書によると、MENA地域での生産とフィッシャー・トロプシュ法の利用により、金利、電気分解効率、直接空気回収コスト、電気料金、投資および生産コストなどのさまざまなパラメータに応じて、2050年までに製造コストは少なくとも€0.70/Lから€1.30/L（2024年5月26日時点の計算に基づくと、1ガロンあたり2.88米ドルから5.34米ドル）の範囲になる可能性がある（税抜き）。[ 5 ]
輸送用液体電気燃料の研究に対する主な資金源は、エリック・トゥーンが率いるエネルギー高等研究計画局（ARPA-E ）の電気燃料プログラムであった。 [ 7 ] 2009年にオバマ大統領のエネルギー長官スティーブン・チューの下で設立されたARPA-Eは、国防高等研究計画局（DARPA）の有効性を再現しようとするエネルギー省の試みである。このプログラムの下で資金提供を受けたプロジェクトの例としては、マイケル・リンチが率いるOPXバイオテクノロジーズのバイオディーゼル開発[ 8 ]や、マサチューセッツ大学アマースト校のデレク・ラブリーによる微生物電気合成の研究[ 9 ]があり、後者はCO2を原料として初めて液体電気燃料を生産したと報告されている。[ 10 ] [ 11 ]
アメリカ化学工学会が主催する第1回電気燃料会議は、2011年11月にロードアイランド州プロビデンスで開催された。[ 12 ]その会議で、エリック・トゥーン所長は「プログラム開始から18か月が経ち、効果があることはわかっている。重要なのは、それを実用化できるかどうかだ」と述べた。いくつかのグループは原理実証の段階を超え、費用対効果の高いスケールアップに取り組んでいる。ポルシェは現在、これらのプロジェクトのリーダーと見なされており、電気燃料1ガロンあたりの推定コストは45ドルである。[ 13 ]
電気燃料は、カーボンニュートラルな電気燃料が石油燃料よりも安価であり、電気合成によって生産される化学原料が原油から精製されたものよりも安価であれば、破壊的な影響を与える可能性がある。電気燃料は、あらゆる供給源からの再生可能エネルギーを液体燃料として便利に貯蔵し、出力抑制を減らすことができるため、再生可能エネルギーの状況を変える大きな可能性も秘めている。[ 3 ]
2014年現在シェールガス開発ブームに触発され、ARPA-Eの焦点は電気燃料から天然ガスベースの燃料へと移り、電気燃料からは遠ざかっている。[ 14 ]
2021年、アウディはe-ディーゼルとe-ガソリンのプロジェクトに取り組んでいると発表した。[ 15 ]元F1エンジニアのパディ・ロウが2020年に設立した英国企業ゼロは、持続可能な燃料を作るための「石油合成」と呼ばれるプロセスを開発し、オックスフォード近郊のビセスター・ヘリテージ・ビジネスセンターに開発工場を設立した。[ 16 ]
ステランティス（主要ブランド：アルファロメオ、プジョー、オペル、シトロエン、クライスラー）は、2023年9月に、欧州で2800万台の車両に電気燃料を使用することを承認すると発表した。この情報は、サウジアラムコとの協力による長期間のテストプロセスを経て得られたものである。2014年以降欧州に設置された24のエンジンファミリーについて、排気ガス排出量、始動性、エンジン性能、信頼性、耐久性、オイル希釈、燃料タンク、燃料ラインとフィルター、極寒と高温での燃料性能がテストされた。ステランティスは、2050年までに最大4億トンのCO2を削減できると見込んでいる。 [ 17 ]
2023年にNATOエネルギー安全保障センター・オブ・エクセレンスが発表した研究では、e燃料は陸、海、空の領域における軍事機動性にとって最も有望な脱炭素化経路の1つであると結論付けられました。[ 18 ]
電気を電気燃料に変換し、電気燃料を機械エネルギーに変換する際のエネルギー損失が大きいため、電気燃料を使用する内燃機関搭載車は、バッテリー式電気自動車よりも3～5倍多くの電力を必要とする。[ 19 ]
内燃機関車で使用する電気燃料の支持者は、エネルギー変換効率に焦点を当てていることを批判し、他の地域よりも再生可能エネルギーの潜在力が著しく高いが、現地の電力需要が低い地域は、そのエネルギーを液体エネルギーキャリアとして輸出する方が有利であると主張している。擁護団体であるeFuel Allianceは、「電気燃料の効率が低いという見方は誤解を招くものであり、世界のエネルギー転換にとって重要なのは、電力の最終使用の効率の程度ではなく、再生可能エネルギーから電力をどれだけ効率的に生産し、それを利用可能にできるかである」と述べている。[ 20 ]この見方を支持する研究では、再生可能エネルギーの潜在力が非常に高い有利な場所を使用することで、内燃機関車はバッテリー電気自動車と同様の効率を達成できることがわかった。この同様の効率は、有利な場所での電力生産の増加（年間あたりの再生可能エネルギー発電所の全負荷稼働時間の増加）によって保証され、電力から燃料への変換アプリケーションを通じて利用される。これらの研究結果によると、総合効率比は5〜7ではなく、管理可能な1.6である（例えば、「モビリティの総合効率」という図）。[ 21 ]
バッテリー式電気自動車の支持者は、特定の地域や特定の期間において、電気を水素、合成炭化水素、またはその他の化学エネルギーキャリアに変換することが合理的であることを否定しません。彼らは、航空、海上輸送、鉄鋼および化学部門などのセクターの需要に関して、これらの物質を道路車両に使用すべきではないと主張しています。これらの産業には、バッテリー式電気自動車のような成熟した効率的な代替手段がないためです。[ 22 ]コジェネレーション（複合サイクルガスタービンまたは定置型燃料電池）により、電気燃料を電気に再変換し、廃熱を建物の暖房に利用する機会を得ることができます。[ 23 ]これにより、好ましい地域での効率的な再生可能エネルギー生成の利点と、需要地域での効率的なエネルギー利用の利点が組み合わされます。合成メタンからの電気（Power-to-Gas-to-Power）で充電した場合でも、バッテリー式電気自動車は内燃機関車よりもはるかに効率的です。[ 24 ]
電気燃料を製造すると主張する現在のプロセスの中には、再生不可能な化石燃料によって生成された電力で稼働するものもある。学者たちは、これらの方法は直感に反するものの、電気燃料製造の初期段階では必要不可欠であることを認めている。[ 25 ]
2021年までに、欧州運輸環境連盟（擁護団体）は、航空部門はe-ケロシンを導入する必要があると提言した。e-ケロシンは気候への影響を大幅に軽減できる可能性があるからである[ 26 ]。同様に、海運部門でもe-ケロシンの導入が必要であると提言した[ 27 ] 。また、自動車における電気燃料の使用は、製造時に回収されるCO2以外に、メタン（CH4 ）と亜酸化窒素（N2O ）という2つの重要な温室効果ガスを排出するとも述べた。地域の大気汚染は依然として懸念事項であり、直接電化よりも5倍効率が悪いとも述べた[ 28 ] 。
欧州では、「非生物起源の再生可能な液体および気体輸送燃料」（RFNBO）と呼ばれる電気燃料のクラスを定義しており、化学的には一般的な電気燃料と同じですが、より厳しい要件があります。電力は、電気燃料施設と同じ入札区域にある新しい補助金なしの再生可能エネルギー発電所によって発電されなければならず、電力生産と電気燃料生産は同時に行われなければならず、炭素源は特定の種類のものでなければなりません。[ 3 ] [ 29 ]
2022年9月、フィンランドのQ Power社は、フィンランドのハルヤヴァルタにある20MWのグリーン水素製造プラントの隣に、 P2X Solutions社に2024年に納入予定の合成メタン製造ユニットを売却した。 [ 30 ] Ren-Gas社は、フィンランドのタンペレ、ラハティ、コトカ、ミッケリ、ポリに複数の合成メタン製造プロジェクトを保有している。[ 31 ]
2020年末、ポルシェは電気燃料への投資を発表し、その中にはチリの風力発電から合成メタノールを製造する「ハルオニ」プロジェクトも含まれていた。 [ 32 ] 2022年12月、ポルシェとチリの企業Highly Innovative Fuelsは、風力発電をベースとしたチリのプンタ・アレナスにあるハル・オニ試験プラントを開設し、試験段階では年間約13万リットル（2万9000英ガロン、3万4000米ガロン）のeFuelを生産し、2026年までに年間5500万リットル（1200万英ガロン、1500万米ガロン）、2028年までに年間5億5000万リットル（1億2000万英ガロン、1億5000万米ガロン）に規模を拡大し、同港から輸出する計画である。[ 33 ] [ 34 ]
水平掘削と水圧破砕（またはフラッキング）によって頁岩から解放された安価な天然ガスは、微生物を使用して安価な電気を液体燃料に変換する試みであるエレクトロフューエルズのような最先端のプログラムを潰すのに役立ち、微生物を使用して安価な天然ガスを液体燃料に変換する試みであるREMOTEのようなプログラムをもたらしました。