次世代自動車燃料の取り組み（Ⅰ）

　経済性の観点から、現状のガソリン車やディーゼル車が、一挙にBEVやFCEVに転換するとは考えられていない。特に、新興国を中心として従来のガソリン車やディーゼル車を利用しつつ、低環境負荷のバイオ燃料（Biofuel）や合成燃料（e-fuel）を使用する移行期間が存在する。

　一方、米国、ブラジル、EUを中心にバイオ燃料の生産量は急速に伸びているが、現状は製造原料が食料と競合する「第一世代のバイオエタノール」が主流。食料と競合しない第二世代のセルロース、第三世代の藻類の開発が始まっているが、合成燃料e-fuelと共に低コスト化が大きな課題である。

燃料・エネルギーの流れ

　自動車用燃料には一次エネルギーである石油を原料に精製されたガソリンや軽油が使われている。タクシーやバスには、天然ガスや石油を原料とする圧縮天然ガス（CNG：Compressed Natural Gas）や液化石油ガス（LPG:Liquefied Petroleum Gas）が使われ、CO₂排出が問題視されている。

　一方、図１のように原子力や再生可能エネルギーで発電された電力を使うBEVや、原子力や再生可能エネルギーで発電された電力により電気分解（水電解）を行うことで得られた水素を使うFCEVは、二次エネルギーを使うことでCO₂ 排出量の抑制に大きく貢献することができる。

　しかし、国内での供給電力の3/4は、石炭・石油・天然ガスを燃料とする火力発電により供給されているのが現状である。このような化石燃料を原料とする火力発電により供給された電力を使う限り、BEVやFCEVを使ってもCO₂ 排出量の抑制にはならない。

　ところで、水素燃料はCO₂ 排出量の視点から色分けされている。「グリーン水素」は、水を原料として再生可能エネルギー電力で水電解により製造された水素で、CO₂排出ゼロで製造される。
　「ブルー水素」は化石燃料を原料として水素とCO_２に熱分解し、発生したCO₂を回収（50～90%）した水素で、「グレー水素」はブルー水素と同様の製造プロセスで、CO₂を回収せずに製造した水素である。2020年時点で世界で生産されている水素の約95%が、このグレー水素である。
　「イエロー水素」はグリーン水素と同様の製造プロセスで、原子力発電による電力で製造された水素である。原子力発電ではCO₂排出量を抑制できるが、安全性への懸念、使用済み核燃料問題、最終処分地問題などの課題が多いため区別されている。

　以上のように、自動車には各種のエネルギー・燃料が使われているが、経済性の観点から一挙にBEVやFCEVに転換することはない。新興国を中心に、従来のガソリン車やディーゼル車を利用しつつ、低環境負荷のバイオ燃料（Biofuel）や合成燃料（e-fuel）を使用する移行期間が存在する。

　また、電動化が難しいと考えられる大型トラック・航空機・重機械では、バイオ燃料による低炭素化が直近の課題として取り上げられる。

自動車用バイオ燃料とは？

　バイオエタノールは、気候変動枠組条約では「カーボンニュートラル」と位置づけられており、使用時にCO₂排出量には計上されない。そのため自動車用ガソリンの代替燃料としてバイオエタノールを使用できれば、CO₂排出量の削減につながる。

　ガソリンに混合して利用される自動車用バイオ燃料は、バイオエタノールのほかにバイオエタノールから製造されるバイオETBE（エチル・ターシャリー・ブチル・エーテル）、バイオブタノールなどが良く知られている。

　軽油に混合して利用されるバイオディーゼルは、油脂をメチルエステル化した脂肪酸メチルエステル（FAME：Fatty Acid Methyl Ester）と、水素処理した直鎖のdrop-in燃料（エンジン等を改良せず、従来燃料の代替利用できる燃料）の水素化植物油（HVO：Hydrotreated Vegetable Oil）がある。

バイオエタノールとは

　バイオエタノールは、農作物、木材・古紙などの植物由来の糖分を微生物によってアルコール発酵させ、蒸留して作られる液体アルコール（C₂H₅OH）であり、ガソリン車用の代替、またはガソリンとの混合利用が行われている。

　世界燃料憲章（WWFC）で混合ガソリンの燃料品質は規格化され、エタノールの混合率によってE3（体積比で3%混合）、E10（同10%混合）と表記される。エタノールは金属腐食やゴム劣化を招くため、「揮発油等の品質の確保に関する法律（品確法）」で使用規制が行われている。

　日本では2003年の法改正で既存のガソリン車向けにE3の使用が認められ、対応車に限りE10の利用も可能とされている。海外ではE5やE20など、さまざまな混合率が使われている。エタノールは水分と混和してガソリンと分離するため、使用にあたり水分の混入防止が必要である。

　バイオETBEは、ガソリンの精製過程などで副生されるイソブテンとバイオエタノールを化学合成して製造され、化学式はC₂H₅OC（CH₃）₃である。ETBEはオクタン価向上剤としてガソリンへの添加利用が可能であり、体積比で7%程度まで混合しても自動車性能には影響がない。

　ETBEは「化学物質の審査及び製造などの規制に関する法律（化審法）」の第二種監視化学物質で、分解性や人への長期毒性、動植物への毒性などのリスク評価を行い、低減対策を施す必要があるが、水分混入による分離や腐食性の問題はない。
　日本ではブラジルからバイオエタノールを輸入してバイオETBEを製造し、混合燃料を「バイオガソリン」として販売している。　

　バイオブタノールも、次世代バイオ燃料として注目されている。エタノールはガソリンに比べて熱量が低く、高い燃費効率が得られない問題がある。ブタノールの熱量はガソリンに近く、エタノールのような吸湿性の問題もない。また、ガソリン以外に軽油にも混合して利用することができる。

バイオディーゼルとは

　バイオディーゼルはバイオマス（菜種油、パーム油、大豆油、魚油・獣油、廃食用油など）の油脂を原料とし、主にディーゼルエンジン向けの燃料である。バイオエタノールのように糖化・発酵・蒸留の必要がないが、粘度を下げるためにグリセリン除去などの精製工程が必要となる。

　FAME（脂肪酸メチルエステル）は、水酸化カリウムや水酸化ナトリウムなどアルカリ触媒法（湿式洗浄法）でメタノールと反応させてエステル化し、生成するグリセリンを除去して得られる。一定品質を確保するため、廃食用油からの燃料生産も行われている。
　バイオディーゼルを含む軽油は、WWFCで燃料品質が規格化されており、B10（体積比で10%混合）、B20（同20％混合）、B100（100%）と表記されている。

　HVO（水素化植物油）は、油脂類を直接水素化処理したパラフィン系炭化水素で、酸化劣化しにくく、低温での流動性にも優れている。従来燃料との混合を前提とせず単独利用が可能なdrop-in燃料で、航空機用ジェット燃料規格を満たすものがSAF（Sustainable Aviation Fuel）。

　その他にも、油脂由来の炭化水素系バイオディーゼルには、植物油（SVO：Straight Vegetable Oil）や、BTL（Biomass To Liquid）と呼ばれる合成燃料（e-fuel）も知られている。

液化バイオメタンとは

　2022年11月、三菱商事とエア・ウォーターは、家畜ふん尿由来のバイオガスに含まれるメタンを液化した新燃料「液化バイオメタン」を約20％混ぜた液化天然ガス（LNG）によるトラック運行を始めた。軽油に比べてCO₂排出を抑制できるLNG燃料よりも、混合燃料はさらに環境負荷を軽減できる。

　両社は、2022年4月に北海道石狩市と苫小牧市の2カ所にLNG充塡所を設立し、LNGトラックの運行を始めた。液化により体積が1/600になるバイオメタンを北海道帯広市の工場で生産し、苫小牧市の拠点でいすゞ自動車製トラックに充塡する。2023年1月までに混合割合を50％まで高める計画。

バイオ燃料の生産現状

バイオ燃料の生産量

　バイオ燃料（エタノールおよびバイオディーゼル）の世界全体での生産量の推移が、図３に示す。2020年には新型コロナ感染拡大の影響で需要が減り、それに伴いバイオ燃料の生産量も約6％の減産となったが、今後は増加傾向に戻ると予想されている。

　バイオ燃料の生産量は急速に伸びており、主要な消費部門である道路交通の中でバイオ燃料の占める割合は、2000年には0.7％であったのが、2010年に3.2％、2020年に4.6％と全体の消費エネルギー増加率以上に増加している。

国別の生産量

　エタノール生産量は米国51％、ブラジル32％と集中しており、両国を合わせて83％である。米国ではガソリンに10%のバイオエタノールを混合したE10燃料（軽油には5%のバイオディーゼル燃料が混合した燃料）が出回っている。

　FAMEの生産量はインドネシア18％、米国16％、ブラジル15％、EU31%で、併せて80％である。広い地域に生産が分散し、2018年までは米国が生産量一位であったが、インドネシア政府がB30（軽油に30％のFAMEを混合）を義務化し、国内消費が大きく伸びている。

　HVOの生産量は未だ少なく、生産国も限られている。29％を占める米国で2010年頃から生産が始められ、Diamond Green Diesel、Dakota Prairie Refining、Wyoming Renewable Diesel、REG-Geismarなどが主要な生産企業である。
　49％のEUでは2012年から生産が始まり、先駆的なフィンランドのNesteが国内だけでなく、オランダ、シンガポールでも生産し、イタリアのENI、フランスのTotalなどがEU域内で生産している。

製造原料

　バイオエタノールの製造原料は、食料と競合する「第一世代のバイオエタノール」が主流である。世界全体では、米国のサトウキビ（67％）とブラジルのトウモロコシ（27％）で94％を占め、EUは砂糖大根（38％）、トウモロコシ（37％）、小麦（14％）と原料が多様化している。

　バイオディーゼルの製造原料は、植物油・動物油脂・廃食油などバイオエタノールよりも多様で、原料により燃料性状が異なる。世界全体ではインドネシアの増産によりパーム油比率が38％と高く、大豆25％、菜種14％、廃食油11％である。インドネシアは、ほぼ全てがパーム油である。

■米国は主にトウモロコシ原料でバイオエタノールを生産する。石油ショック後から再生可能燃料基準（RFS2）でガソリンへの混合が義務付けられ、2009～2022年の混合目標量が決まっている。エンジンが対応すれば最大85%までの混合ガソリンが購入可能で、レギュラーより少し安い。
■ブラジルは石油産出国でなく、1930年代から主にサトウキビ原料でバイオメタノールを生産する。2014年時点でエタノール製造工場が約400カ所あり、世界で唯一輸出余力を有する。
　食料と競合しない第二世代の量産でもエネルギー大手ハイゼンが大規模生産を始めており、2020年5月に20億レアル（約570億円）で2工場の新設を決め、2024年の稼働を見込む。
■欧州では麦類を中心にテンサイなどが原料のバイオエタノールを生産している。ドイツが欧州最大の消費国で、英国、フランス、イタリアの順である。2009年の再生可能エネルギー指令（RED）で、2020年までに輸送燃料の10%をバイオ燃料とすることが義務づけられている。
　食料と競合しない第二世代のバイオエタノールでは、スイスの化学品大手クラリアントは、ワラを原料とした工場をルーマニアに完成させた。　

日本におけるバイオ燃料の製造

　2009年6月「バイオマス活用推進基本法」が制定され、2010年12月「バイオマス活用推進基本計画」が閣議決定された。一方、2009年7月「エネルギー供給構造高度化法」が成立し、バイオエタノールの利用目標量が設定された。
　2011年度の21万kL（原油換算）に始まり、2017年度には50万kLまで増産する目標量で、2016年2月時点で約3240カ所のサービスステーションでバイオエタノール混合ガソリンが販売されている。多くはブラジルからの輸入で、目標量の50万kLは国内需要量（5000万kℓ）の約1%に過ぎない。

　国内では自動車用バイオ燃料の供給が寡少なため、活用には至っていないのが現状である。バイオ燃料の普及に向けて、障壁となっているのは経済性である。国内のバイオエタノール製造事業者は規模が小さく、製造コストが高止まり状態にあるため、補助金で販売コストを抑えている。

バイオエタノール関連

　日本では食料と競合する第一世代のバイオエタノールは普及していない。製造過程で発酵や蒸留のために化石燃料が使われるため、CO₂排出量の抑制効果が少ないことも一因である。

　2022年10月、住友商事はタイ石油化学大手PTTグローバルケミカル（PTTGC）傘下のグローバル・グリーン・ケミカル（GGC、バンコク）と覚書を交わし、サトウキビの搾りかす（バガス）由来のバイオエタノールの商用生産の協議に入った。2025年にもアジア初の工場をタイに新設する。

　花王はタピオカ原料のキャッサバの搾りかすを原料とするバイオエタノールの商用生産に向け、分解に必要な酵素開発を進めており、2027年頃をめどにタイで実証プラントの稼働を目指す。

　いずれも第二世代と呼ばれる非可食原料を用いるプロセスであり、大量の搾りかすからの糖分抽出工程が複雑で排水設備なども大規模になり、製造コストは高めである。

　2022年10月、トヨタ自動車やENEOSなど6社でつくる次世代グリーンCO₂燃料技術研究組合は、約50億円で自動車用バイオエタノール燃料研究所を福島県大熊町に設置し、2024年10月以降に開所。原料は資源作物のソルガムを使う予定で、トヨタ自動車が浪江町で小規模栽培を始めている。
　作物の収量を最大化する栽培、エタノール生産で排出されるCO₂の回収と燃料合成の高効率化、水素生産で発生する酸素の活用方法などを研究する。

　一方、第三世代の微細藻類によるバイオ燃料の研究もユーグレナなどで進められている。単位面積当たりの生産効率が桁違いに高く、CO₂吸収効率は森林の10倍とされる。得られる油は基本的に石油由来と同じで熱量は高いが、最大の課題は安価な大量培養技術で生産コストの大幅削減が課題である。

　2023年4月、トヨタ自動車は、ブラジル・サンパウロ工場に450億円を投資し、バイオエタノールを燃料とする小型ハイブリッド車の生産を始める。2024年にも販売を始め、22か国に輸出する。 　
　ブラジルではフォルクスワーゲンがバイオ燃料の研究開発拠点を新設するなど、バイオ燃料に関連する自動車メーカー各社の投資が広がっている。　

バイオディーゼル関連

　2014年から、ユーグレナはいすゞ自動車の構内バス向けに、微細藻類ミドリムシ由来のバイオディーゼル燃料を提供している。燃料規制で軽油には最大5%しか混合できなかったが、現在は100%バイオディーゼルでの実証を進めている。

　2017年4月、マツダは微細藻類「ナンノクロロプシス」に注目し、液体バイオ燃料の研究開発を開始した。2018年8月、ひろしま自動車産学官連携推進会議で進めている自動車用次世代バイオディーゼルの普及拡大に向けてバリューチェーンを構築し、バイオディーゼルの利用開始を公表した。

　2023年1月、千葉県幕張メッセで、マツダはユーグレナの「サステオ」を使用し2023年シーズンのスーパー耐久シリーズST-Qクラスに参戦する新開発のレーシングカー「マツダスピリットレーシング・マツダ3バイオコンセプト」を公表した。　

　2023年１月、三井物産は純度100％のバイオディーゼル燃料（B100）を不具合なく使うための海外製機器の販売を発表した。バイオディーゼル燃料は、従来エンジンでは内部に不純物の詰まりや腐食が生じやすく、これらを除去するための対策機器である。
　三井物産は走行試験を経て2023年後半にも物流会社などに、バイオディーゼル燃料（Ｂ100）と対策機器の販売を開始する。機器はトラック１台当たり数百万円、Ｂ100は200円台/Lで販売する見通しで、EVトラックの導入に比べて、初期投資を半分以下に抑えられる。

　2023年１月、東京都はユーグレナが製造したバイオ燃料による都営バスの運行実証を開始した。新宿駅～都庁の循環ルートや、高田馬場駅～上野公園のルートなど都心部の7路線で２月下旬まで運行した。バイオ燃料を使用するバスは計58台で、60000L分の燃料を都がユーグレナから買い取る。　

バイオ燃料普及の課題

食料との競合

　現在、「第一世代のバイオエタノール」がバイオ燃料の主流となっている。しかし、原料が食料・飼料と競合する問題が指摘されて久しい。中でも、トウモロコシからのエタノール精製には糖化工程の追加などで消費エネルギーが大きいため、米国ではセルロース系の増産政策を進めている。

　すなわち、産業廃棄物やセルロース（植物の繊維）を原料とする「第二世代のバイオエタノール」への移行が始められている。しかし、生産拡大による森林伐採などが危惧される。また、セルロースを分解して糖分を抽出する糖化工程が必要で、使用する分解酵素が高価なために高コスト。

　一方で、微細藻類を利用した「第三世代のバイオ燃料」が検討されている。トウモロコシなどと比べて桁違いに生産効率が高い特長が注目されているが、大量培養技術の構築による低コスト化が大きな課題となっている。

　欧州連合（EU）の再生可能エネルギー指令では、第二世代エタノールなど非食品由来の燃料への導入を2030年までに倍増する目標を掲げている。第一世代エタノールは使用上限を定め、一部は段階的に廃止する方針である。

低コスト化

　バイオ燃料普及の大きな問題は、製造コストが高いことである。製造コストに占める原料コストの割合が高く、地域により原料費、エネルギー費、人件費などが異なるため、価格に幅があり、年毎に穀物類の収穫量が変動するため価格変動が大きい。
　「ブラジルでのサトウキビからのエタノール生産が、唯一ガソリンと競合できる価格で製造されている」と言われ、他地域では、補助金や混合義務化の後押しなどで経営が成り立っている。

　図７にバイオ燃料製造コストを比較して示すが、第二世代のセルロースエタノールの製造には、原料の前処理や、糖の発酵酵素などが新たに必要となるため、従来のガソリンや第一世代のエタノールよりも高コストとなる。従来のガソリン並みのコストに引き下げるためには、長期間を要する。
　参考に示された将来Ⅰは、技術や経営改善で25-50％のコスト低減が可能として試算された結果である。また、将来IIには、トウモロコシやサトウキビからエタノールを製造する工場で、残渣に含まれる繊維を利用してさらにエタノールを製造することで低コスト化が可能と試算された結果である。

　また、バイオディーゼルについても、現状のFAME、HVOは共に軽油に比べて高価で価格に幅があるため、今後の量産化技術や経営改善によるコスト低減が不可欠と考えられる。
　同様に、注目度の高いSAF（バイオJet）に関しても、HVOと同じ製法のHEFA（Hydroprocessed Esters and Fatty Acids）により比較的低コストで生産できるとされているが、実用化にはさらなる技術革新による低コスト化が必要である。

　バイオ燃料製造の米国ポエットは、2021年にフリントヒルズ・リソーシズのバイオエタノール関連資産の買収を発表し、米国8州にある33工場の製造能力を合計30億ガロン/年に増強する。2018年の米国全体のバイオエタノール生産量は159億ガロン/年であり、約20%に相当する。

　カナダのコブナントエナジーは、2024年稼働のバイオディーゼル工場の生産性向上に、デンマーク触媒メーカーのハルダー・トプソーの技術導入を発表した。ベンチャー企業の参入も多く、米国アメティスはカリフォルニア州の工場でバイオディーゼルやSAFの生産プロジェクトを開始した。

　以上のように、海外ではバイオ燃料の量産化に向けた動きが活発化している。一方、国内ではバイオ燃料の研究開発・実証試験は進められているものの、低コスト化に向けた動きは見えない。

自動車用バイオ燃料の未来

　現時点で、バイオ燃料の多くは自動車で消費されている。しかし、需要量に比べて十分な供給が見込めないため、近い将来にはCO₂削減策が難しいモビリティー分野などへ優先的にバイオ燃料を配分することになる。図８には、国際エネルギー機関が予測するバイオ燃料の配分比率を示す。

　ETP2017-B2DSでは、4つの分野（船舶・航空・トラック・乗用車）にほぼ同じ比率で配分するとしていたが、ETP2020-SDSSでは、2030年から2050年にかけて消費量が約2倍になるが、乗用車での消費は横ばいで、増加分は航空部門が最も多く、トラック、船舶へと配分されている。

　今後、バイオ燃料の配分比率は、①従来のエンジンシステムの電動化が技術的に困難な分野、②CO₂削減対策としてバイオ燃料を使うと効率が良い分野、③バイオ燃料の高い燃料費が許容される分野などに優先的に配分される。

　2021年6月、インド政府は、ガソリンへのエタノール配合率基準をE10からE20に引き上げる時期を2025年から2023年に前倒しすると発表した。今後、新興国を中心に温暖化・経済対策としてバイオ燃料の増産が進む可能性が高まっている。