目次
エグゼクティブサマリー
現在のエネルギー経済は無駄が多い 化石燃料をなくすための計画
1. 既存の送電網を再生可能エネルギーで再整備する
2. 電気自動車への転換
3. 住宅、ビジネス、産業におけるヒートポンプへの転換
4. 高温の熱供給と水素の電化
5. 飛行機とボートの持続可能な燃料供給
6. 持続可能なエネルギー経済を製造する 完全に持続可能なエネルギー経済をモデル化する
– エネルギー貯蔵技術の評価 – 発電技術の評価 モデル結果
– 米国のみのモデル結果
– 新しい電化需要を満たす
– 世界のモデル結果
– 新しい電化需要を満たす
– 輸送用バッテリー
– 自動車
– 船と飛行機
– 世界のモデル結果
– 輸送用電化とバッテリー 投資必要土地面積 必要資材必要結論
付録 – 付録： 発電と蓄電の最終用途への配分
– Appendix： 持続可能なエネルギー経済の構築
– エネルギー原単位
エグゼクティブサマリー
2023年3月1日、テスラはマスタープランPart3-最終用途の電化と持続可能な発電・蓄電による持続可能な世界エネルギー経済への到達の道筋を提案しました。この論文では、その提案の背景にある仮定、ソース、計算の概要を説明します。ご意見、ご感想をお待ちしています。この分析には3つの主要な要素があります：
電力需要 化石燃料を使用せずに世界のエネルギー需要を満たす完全電化経済の電力需要を予測します。電力供給 毎時の電力需要を満たす、発電および蓄電リソースの最小コストのポートフォリオを構築します。材料の実現可能性と投資 電気経済のために必要な材料の実現可能性と、それを可能にするために必要な製造投資を決定します。
この論文では、持続可能なエネルギー経済は技術的に実現可能であり、現在の持続不可能なエネルギー経済を継続するよりも少ない投資と少ない材料採取で済むことを明らかにしています。多くの先行研究が同様の結論を出している中、本研究は、世界中のすべてのエネルギー部門において、移行に必要な材料強度、製造能力、製造投資に関する考え方を前進させることを目的としています。
現在のエネルギー経済は無駄が多い
国際エネルギー機関（IEA）の「2019 World Energy Balances」によると、世界の一次エネルギー供給量は165PWh/年、化石燃料の総供給量は134PWh/年1abである。37%（61PWh）は最終消費者に届くまでに消費されます。これには、化石燃料産業による採掘・精製時の自己消費と、発電時の変圧損失が含まれます。さらに27％（44PWh）は、内燃機関自動車や天然ガス炉などの非効率な最終使用によって失われます。合計すると、一次エネルギー供給の36％（59PWh）だけが、経済にとって有用な仕事または熱を生み出していることになります。ローレンス・リバモア国立研究所の分析によると、世界と米国のエネルギー供給における非効率性は同レベルである。
化石燃料をなくすための計画
持続可能なエネルギーで電化された経済では、電気を作るための燃料の採掘、精製、燃焼に伴う上流のロスがほとんどなくなり、電気以外の最終用途に伴う下流のロスもなくなります。一部の産業プロセスでは、より多くのエネルギー投入が必要となり（例えば、グリーン水素の製造）、一部の採掘・精製活動は増加する必要があります（バッテリー、ソーラーパネル、風力タービンなどの金属に関連）。以下の6ステップは、経済の完全電化と化石燃料使用の排除に必要な行動を示しています。この6つのステップでは、持続可能なエネルギー経済のための電力需要の仮定を詳述し、モデル化される電力需要曲線につなげる。モデリングは、エネルギー情報局（EIA）から入手可能な2019-2022cの高忠実度データを使用して米国のエネルギー経済について行われ、結果は、IEAエネルギーバランスによると、米国と世界の間の2019年のエネルギー消費スカラーに基づく6倍のスケーリング係数を使用して、世界経済に必要なアクションを推定するためにスケールされました。これは大幅な簡略化であり、世界のエネルギー需要は米国とは構成が異なり、時間の経過とともに増加することが予想されるため、今後の分析において改善すべき分野となり得る。この分析は、高忠実度の時間単位のデータが入手可能であることから、米国を対象に実施した。本計画では、陸上/洋上風力、太陽光、既存の原子力、水力を持続可能な発電源とみなし、既存のバイオマスは時間の経過とともに段階的に廃止される可能性が高いが持続可能とみなしている。さらに、本計画では、合成燃料の生成に必要な直接的な空気捕獲以外に、過去1世紀の化石燃料燃焼で排出された二酸化炭素の隔離については言及していません。このような技術を将来導入する場合、世界のエネルギー需要を増加させる可能性があります。
01 既存の電力網を自然エネルギーでリパワーする
既存の米国の1時間あたりの電力需要は、EIA4から取得した柔軟性のないベースライン需要としてモデル化される。需要、再生可能資源の利用可能性、天候、送電網の制約の地域差を考慮し、米国の4つのサブリージョン（テキサス、太平洋、中西部、東部）がモデル化される。この既存の電力需要は、持続可能な発電と蓄電によって支えなければならないベースライン負荷である。しかし、化石燃料を電気に変換する非効率性から、年間26PWhの電力しか生産されていないd。もし、送電網が自然エネルギーでまかなわれていれば、26PWh/年の持続可能な発電が必要なだけです。
02 電気自動車への切り替え
電気自動車は、パワートレイン効率の高さ、回生ブレーキ機能、最適化されたプラットフォーム設計により、内燃機関自動車に比べて約4倍の効率性を持っています。この比率は、表1に示すように、乗用車、小型トラック、クラス8セミのいずれにも当てはまります。
具体的な例として、Tesla社のModel 3のエネルギー消費量は131MPGe、対するトヨタカローラの34MPG6,7と3.9倍であり、燃料の抽出・精製に関わるエネルギー消費など上流のロスを考慮すると、その比率は高くなります（図4参照）。
電動化された運輸部門の電力需要を算出するため、各サブリージョンにおける航空・海運を除く米国の運輸部門の石油使用量の月次推移を、上記のEV効率係数（4倍）8でスケーリングしています。Teslaの1時間ごとの車両充電行動（柔軟性のない部分と柔軟性のある部分に分かれる）は、100％電化された運輸部門のEV充電負荷曲線として想定されている。スーパーチャージ、商用車充電、充電状態50%未満の車両は、柔軟性のない需要とみなされます。家庭や職場のAC充電は柔軟な需要とし、72時間の省エネ制約でモデル化し、ほとんどのドライバーが再生可能資源が豊富なときに充電する柔軟性を持っていることをモデル化しています。テスラのドライバーは、平均して1.7日に1回、SOC60%からSOC90%まで充電しているため、家庭と職場の両方に充電インフラがあれば、EVは典型的な1日の走行距離に対して、再生可能エネルギーの利用状況を考慮して充電を最適化できる十分な範囲を有しています。運輸部門の世界的な電化により、28PWh/年の化石燃料の使用がなくなり、4倍のEV効率係数を適用すると、～7PWh/年の追加電力需要が発生する。
03 住宅、ビジネス、産業におけるヒートポンプへの切り替え
ヒートポンプは、中間冷媒の圧縮・膨張によって、熱源から熱源へ熱を移動させます9。冷媒を適切に選択することで、ヒートポンプ技術は、多くの産業プロセスに加えて、住宅や商業ビルの空間暖房、給湯、洗濯物の乾燥に適用されます。
空気熱源ヒートポンプは、既存住宅のガス炉の改造に最も適した技術であり、今日のヒートポンプの典型的な効率評価である9.5Btu/Whの暖房季節性能係数（HSPF）に基づいて、単位消費エネルギーあたり2.8ユニットの熱を供給できる。ガスコンロは、天然ガスを燃焼させて熱を作り出します。ガス炉の年間燃料利用効率（AFUE）は約90%12。したがって、ヒートポンプのエネルギー消費量は、ガス炉の3分の1（2.8/0.9）である。
住宅・商業部門
EIAは、各サブリージョンにおける住宅・商業部門の米国天然ガス使用量を月次で過去に遡って提供している8。ヒートポンプの効率係数3倍は、すべてのガス器具を電化した場合のエネルギー需要を削減する。ベースラインの電力需要の時間別負荷率を適用して、ヒートポンプによる電力需要の時間別変動を推定し、暖房需要を住宅の暖房や冷房が活発に行われている時間帯に効果的に割り当てている。夏場は、冷房負荷が最も高くなる昼過ぎに住宅・商業施設の需要がピークを迎え、冬場は、朝夕にピークを迎えるよく知られた「ダックカーブ」に沿って需要が推移します。ヒートポンプによる家庭用・業務用機器の世界的な電化は、化石燃料を18PWh/年削減し、6PWh/年の追加電力需要を生み出します。
産業分野
食品、製紙、繊維、木材産業など、200℃までの産業プロセスでも、ヒートポンプによる効率化の恩恵を受けることができます13。ただし、ヒートポンプの効率は、温度差が大きくなると低下します。ヒートポンプの統合は微妙であり、正確な効率はシステムが利用する熱源の温度に大きく依存する（ヒートポンプの効率を決定する要因として温度上昇が重要）ため、温度範囲別に達成可能なCOPを簡略化して仮定している：
IEA による産業用熱の温度構成と表 2 の温度別ヒートポンプ効率の想定に基づき、モデル化した産業用ヒートポンプ効率係数の加重値は 2.214,15,16 です。EIA は、各サブリージョンにおける産業部門の月別化石燃料使用量の履歴を提供している8。製品に含まれる化石燃料（ゴム、潤滑油、その他）を除くすべての産業用化石燃料の使用は、プロセス熱に使用されると仮定している。IEAによると、プロセス熱の45%は200℃以下であり、ヒートポンプで電化した場合、投入エネルギーは2.2倍少なくなる16。追加された産業用ヒートポンプの電気需要は、柔軟性のないフラットな時間単位の需要としてモデル化された。200℃未満の工業用プロセス熱をヒートポンプで電化することにより、化石燃料を12PWh/年削減し、5PWh/年の追加電力需要を創出する。
04 高温の熱供給と水素製造の電化
高温の産業プロセスの電化 高温（200℃以上）を必要とする産業プロセスは、化石燃料使用の残りの55％を占め、特別な配慮が必要です。鉄鋼、化学、肥料、セメントなどの製造がこれにあたります。これらの高温産業プロセスは、電気抵抗加熱や電気アーク炉で直接サービスを提供したり、蓄熱によってバッファリングし、低コストの再生可能エネルギーが過剰に利用できる場合に活用することができます。オンサイトの熱貯蔵は、産業電化をコスト効率よく促進するために有用である（例えば、熱貯蔵媒体や放射加熱要素を直接使用する）。
電気抵抗加熱や電気アーク炉は、高炉加熱と同様の効率を持つため、同程度の再生可能一次エネルギー投入が必要となる。これらの高温プロセスは、柔軟性に欠けるフラットな需要としてモデル化されている。蓄熱は、産業部門の高温プロセス熱のエネルギーバッファとしてモデル化されており、往復の熱効率は95%である。太陽光発電の設備容量が大きい地域では、蓄熱は昼間に充電し、夜間に放電する傾向があり、24時間365日の連続した産業用熱需要を満たすことができます。図9は、想定されるヒートキャリアを示したもので、1500℃を超えるプロセス熱を供給できる材料がいくつか候補として挙げられていることがわかる。200℃を超える工業用プロセス熱の世界的な電化により、9PWh/年の化石燃料が不要になり、9PWh/年の追加電力需要が発生する。これは、熱供給効率が同等と仮定した場合である。
鉄鋼と肥料のための水素を持続的に生産 今日、水素は石炭、石油、天然ガスから生産され、化石燃料（特にディーゼル）の精製やさまざまな産業用途（鉄鋼や肥料の生産を含む）に使用されています。グリーン水素は、水の電気分解（エネルギー強度が高く、炭素を含む製品を消費/生産しない）またはメタンの熱分解（エネルギー強度が低く、有用な炭素ベースの製品に変換することができる固体カーボンブラック副産物を生成する）gによって製造することができます。グリーン水素の電力需要を保守的に見積もるために、次のように仮定する： – 今後、化石燃料の精製に水素は必要ない – 鉄鋼生産は直接還元鉄プロセスに転換され、水素を投入する必要がある。鉄鉱石（Fe3 O4 と仮定）を還元するための水素需要は、以下の還元反応に基づいている： H2 による還元 – Fe3 O4 + H2 = 3FeO + H2 O – FeO + H2 = Fe + H2 O – 世界の水素生産はすべて電気分解によるものとなる。
このような産業需要の単純化された仮定により、グリーン水素の世界的な需要は1億5000万トン/年となり、これを電気分解で調達するには、持続的に発電された電力が年間約7.2PWh必要と推定されます20,21。水素製造のための電力需要は、年間生産量の制約がある柔軟な負荷としてモデル化され、水素貯蔵の可能性は、最大資源制約がある地下ガス貯蔵施設（現在の天然ガス貯蔵と同様）の形でモデル化されている。現在、天然ガス貯蔵に使用されている地下ガス貯蔵施設は、水素貯蔵用に改修することができる。モデル化された米国の水素貯蔵には、既存の米国の地下ガス貯蔵施設の30％程度が必要となる22,23。ただし、塩の洞窟のような貯蔵施設は、地理的に均等に分散していないため課題があり、より良い代替の貯蔵ソリューションがあるかもしれません。地球規模で持続可能なグリーン水素は、化石燃料のエネルギー利用を6PWh/年、非エネルギー利用を2PWh/年削減することができます。化石燃料は、7PWh/年の追加電力需要に取って代わられる。
05 持続可能な燃料飛行機と船
大陸間および大陸間の外航船は、設計速度と航路を最適化することで、長距離航路でより頻繁に充電停止する小型バッテリーを実現することができます。IEAによると、外航船の消費電力は全世界で3.2PWh/年です。電動化の効率性を1.5倍に見積もると、完全に電動化された世界の船舶は、2.1PWh/年の電力を消費することになる25。短距離飛行も、航空機の設計と飛行軌道を最適化することで、現在のバッテリーエネルギー密度で電化することができる26。一酸化炭素（CO）と水素（H2）の混合物を使用してさまざまな液体炭化水素を合成するフィッシャー・トロプシュ・プロセスは、ジェット燃料合成のための実行可能な経路として実証されている27）。電気分解により生成されたH2 – 直接空気捕獲により回収されたCO2 28, 29 – CO2の電気分解により生成されたCO 合成燃料用の炭素と水素は、バイオマスから調達することもできる。また、より高いエネルギー密度のバッテリーを使用することで、より長距離の航空機を電動化することができ、合成燃料の必要性は減少する。合成燃料製造のための電力需要は、年間エネルギー制約のある柔軟な需要としてモデル化された。合成燃料の貯蔵は、従来の燃料貯蔵技術で可能であり、1：1の容積比を想定している。海上輸送のための電力需要は、一定時間ごとの需要としてモデル化されました。 世界の持続可能な合成燃料とボートや飛行機用の電気は、7PWh/年の化石燃料を排除し、7PWh/年の追加の世界電気需要を創出する。
06 持続可能なエネルギー経済の製造
持続可能なエネルギー経済に必要な発電および蓄電ポートフォリオ（ソーラーパネル、風力タービン、バッテリー）を構築するために、追加の電力が必要である。この電力需要は、産業部門における増分で柔軟性のない、1時間単位のフラットな需要としてモデル化された。詳細は、付録で確認できます： 持続可能なエネルギー経済の構築 – エネルギー集約度」をご覧ください。
完全に持続可能なエネルギー経済のモデル化
この6つのステップにより、持続可能な発電と蓄電で満たすべき米国の電力需要が算出されます。そのために、発電と蓄電のポートフォリオは、1時間ごとのコスト最適な統合容量拡張とディスパッチモデルjを使用して確立されます。このモデルは、米国の4つのサブ地域に分割され、地域間の送電制約をモデル化し、さまざまな気象条件kを捉えるために4つの気象年（2019～2022年）で実行されます。地域間の送電制限は、北米電力信頼性評議会（NERC）の地域事業体（SERC30、WECC31、ERCOT32）が公表した主要送電経路の現在の回線容量評価に基づいて推定されています。図11は、米国全土の完全電化経済のエネルギー需要を示したものである。
最適な容量拡張や資源配分を決定できるコンベックス最適化モデルは、業界内で広く使用されています。例えば、電力会社やシステムオペレーターが、自社のシステム（例えば、予想される負荷を満たすために必要な発電や系統投資）を計画したり、特定のエネルギー政策がエネルギーシステムに与える影響を評価したりする場合などです。このモデルは、分析した4年間の期間中、毎時間、需要を満たすための最小コストの発電と蓄電のポートフォリオを構築し、そのポートフォリオを毎時間派遣して需要を満たします。容量の拡大と発送の決定を1つのステップで最適化することで、分析期間中のポートフォリオの最適化、ストレージの価値の完全反映、天候変動の影響のモデル化を実現しています。他の分析では、容量拡張とポートフォリオ派遣を2つの別々のステップとしてモデル化するのが一般的です。まず容量拡張の決定が行われ（例えば、どれだけの発電と貯蔵が時間軸で最小コストのポートフォリオになると推定されるか）、その後、ポートフォリオミックスの個別の発送モデリング（例えば、十分な運転準備金で需要を満たすために各時間にどれだけの発電と貯蔵を発送すべきか）が行われます。2段階のアプローチは擬似的な最適結果をもたらしますが、各段階においてより計算量の多いモデルを可能にします。
k このモデルは、この発電と蓄電のポートフォリオが、明示的にモデル化された以外のさまざまな天候やシステム条件に対して堅牢であることを保証するために、毎時間15％の運転予備力を満たすように制約されています。
各地域の風力および太陽光資源は、それぞれの時間当たりの容量係数（すなわち、設置容量1MW当たり1時間にどれだけの電力を生産するか）、その相互接続コスト、およびモデルが構築可能な最大容量でモデル化されています。各地域の風力発電と太陽光発電の時間当たり容量係数は、各地域のEIAから入手した過去の風力発電と太陽光発電を使用して推定され、地域の気象パターンによる資源の潜在力の違いを捉えているl,m. 容量係数は、最近のプリンストン・ネット・ゼロ・アメリカ研究33 に基づいて、将来的な傾向を表すようにスケーリングされた。図 11 は、米国全土における風力と太陽光の時間ごとの容量係数を示したものである。表 3 は、米国の各地域の平均容量係数と需要量を示している。
l EIA は、既存の洋上風力発電の設備容量が限られていることから、分析対象期間の洋上風力発電を報告していない。沖合風力発電プロファイルは、過去の陸上風力発電プロファイルをプリンストン・ネット・ゼロ・アメリカ研究によって推定された沖合風力発電容量係数にスケーリングすることによって推定された。
m 各地域は、容量係数、相互接続コスト、最大ポテンシャルが異なる2つの陸上風力と2つの太陽光資源でモデル化されています。これは、最も経済的な場所が最初に建設され、後続のプロジェクトは、より多くの送電を必要とする需要中心から離れた場所や、より高いコストの土地にあるため、一般的に低い容量係数や高い相互接続コストになるという事実を考慮しています。
このモデルは、資源固有のコストと性能の属性、およびエネルギーの平準化コストを最小化するというグローバルな目標に基づいて、発電と蓄電を構築しますn。このモデルは、地域間送電容量の増加を想定していますo。
年間を通じて信頼性の高い電力を供給するためには、太陽光や風力の余剰容量を導入することが経済的に最適であり、その結果、カーテイルメントが発生する。抑制は、（1）太陽光発電や風力発電が地域の電力需要を上回り、（2）蓄電池が満杯で、（3）余剰発電を他地域に送るための送電容量がない場合に発生します。再生可能エネルギーによる余剰発電の建設、蓄電池の建設、送電能力の拡張のいずれかを選択することは、経済的にトレードオフの関係にある。このトレードオフは、グリッドストレージ技術が成熟するにつれて変化する可能性がありますが、モデル化した仮定では、最適な発電とストレージのポートフォリオは、32％の抑制をもたらしました。
n 目的関数で考慮したコスト：割引率5%で平準化した新しい発電と蓄電の設備投資、固定および可変の運用・保守（O&M）コスト。
o 中西部と東部の間で37GW、テキサスと東部の間で28GW、太平洋と中西部の間で24GW、テキサスと中西部の間で20GWの伝送容量がモデル化されています。これは、モデル化された地域の合計ピーク負荷の3%に相当する。例えば、東部と中西部を合わせた地域のピーク負荷は約1.2TWで、中西部と東部の間の送電容量は37GWとしてモデル化されました。現在、送電容量は地域のピーク負荷の合計の1％未満です（テキサス州との間の送電が最も低い）。送電容量が大きくなれば、一般的に発電と蓄電の総量は減少するが、送電を増やすか、発電＋蓄電を増やすか、経済的なトレードオフが存在する。
背景として、再生可能エネルギーの普及率が高い市場では、すでに抑制が存在している。2020年には、スコットランドの風力発電の19%が抑制され、2022年には、カリフォルニア（CAISO）の太陽光発電の6%が、火力発電機が最低運転レベル以下にランプダウンできないなどの運転制約や送電システムのローカル混雑のために抑制されました34,35。
持続可能なエネルギー経済では、過剰な時期にそれを使用できる消費者に対して安価なエネルギーが豊富に存在することになり、エネルギーの使用方法と使用時期に影響を与えることになる。
下の図12では、秋の日中の1時間ごとのディスパッチが描かれており、需要と供給のバランスにおける各発電・蓄電リソースの役割と、太陽光が豊富な日中における経済抑制の集中が示されている。
図14では、暖房や冷房の季節が終わって電力需要が少なくなり、太陽光や風力発電が比較的多いショルダーシーズン（春と秋）に、水素貯蔵が概ね満杯になっている。同様に、夏と冬に余剰発電量が減少すると、水素貯蔵量は減少し、季節をまたいだ水素貯蔵が可能になる。
評価されたエネルギー貯蔵技術
定置用では、現在大規模に展開されている下記表4のエネルギー貯蔵技術が検討されている。リチウムイオンとは、LiFePO4/グラファイトリチウムイオン電池のことである。リチウムイオンについては、商品価格（特にリチウム）の変動を考慮し、保守的な将来の導入コストの幅を記載している。金属空気（Fe <-> Fe2O3レドックスカップル）やNaイオンなど、他の新興技術もあるが、これらは商業的に展開されていないため、考慮していない。
評価された発電技術
下の表は、持続可能なエネルギー経済で考慮されるすべての発電技術の詳細を示しています。設置コストは、NRELの2030-2040年の研究およびプリンストンのNet-Zero Americaの研究より引用した。
モデル結果
米国専用モデル結果～新たな電化需要に対応するために
米国では、モデル化された年において、各時間の電力需要を満たすための最適な発電と蓄電のポートフォリオを下表に示します。
さらに、住宅や商業ビルの屋上太陽光発電と並行して分散型定置型蓄電池を段階的に導入することに基づいて、120TWhの分散型定置型蓄電池が追加される。これには、屋上太陽光発電を導入した 1,500 万戸の一戸建て住宅48 での蓄電池導入、43GW49,50 の商用屋上太陽光発電と組み合わせた産業用蓄電池、少なくとも 200GW51 の既存バックアップ発電機の容量を蓄電池で代替することが含まれる。分散型ストレージの導入は、ストレージが屋上太陽光発電と組み合わされた場合のエンドユーザーの回復力や自給自足など、最小コストモデルの枠組みでは十分に反映されない要因によって推進されるため、モデル出力には外生的である。
ワールドモデルの結果 – 新たな電化需要への対応
この6つのステップを世界のエネルギーフローに適用すると、エネルギー使用に使用される125PWh/年の化石燃料をすべて置き換え、66PWh/年の持続可能な発電で置き換えることができます。さらに、必要なバッテリー、ソーラーパネル、風力タービンを製造するために、4PWh/年の新しい産業が必要となる（仮定は付録で確認できる： 持続可能なエネルギー経済の構築 – エネルギー集約度」で確認できます）。
電力需要を満たすための世界の発電・蓄電ポートフォリオは、米国のリソースミックスを6倍に拡大することで算出した。上述の通り、世界のエネルギー需要は米国とは構成が異なり、長期的に増加すると予想されるため、これは大幅な簡略化であり、今後の分析において改善すべき点となる可能性があります。この分析は、高忠実度の時間単位のデータが入手可能であることから、米国を対象として実施した。
輸送用電池
車両
OICAによると、現在、世界には14億台の自動車があり、乗用車の年間生産台数は約8,500万台です。パックサイズの仮定に基づくと、自動車は112 TWhのバッテリーを必要とすることになります。オートノミーは、車両の利用率を向上させることで、世界の車両台数を減らし、必要な年間生産量を減らす可能性があります。
標準的な車両は、より低いエネルギー密度の化学物質（LFP）を利用することができますが、長距離車両は、より高いエネルギー密度の化学物質（高ニッケル）を必要とします。車両セグメントに対するカソードの割り当てを下表に示します。高ニッケルとは、現在テスラ社、テスラ社のサプライヤー、研究グループで生産中、開発中の低コバルトからゼロコバルトのニッケルマンガンカソードのことです。
船舶・飛行機
年間需要量が2.1PWhで、船舶の充電回数が年間平均70回、その都度75％まで充電するとすると、海洋船団の電化には40TWhのバッテリーが必要です。この場合、33％の船隊はより高密度のニッケル・マンガン系正極を必要とし、67％の船隊はより低エネルギー密度のLFP正極のみを必要とすると仮定する。航空機の場合、15,000機以上のナローボディ機のうち20％が7MWhのバッテリーで電化されるとすると、0.02TWhのバッテリーが必要になる。
これは保守的な見積もりであり、必要な電池はもっと少なくなる可能性があります。
ワールドモデル結果 – 電動化・輸送用電池
表 9 は、世界の電力需要を満たすための発電・蓄電ポートフォリオと、自動車、船舶、飛行機の仮定に基づき必要な輸送用蓄電をまとめたものである。発電・蓄電ポートフォリオの最終用途への配分方法についての説明は、Appendixに記載されている： 発電と貯蔵の最終用途への配分。
必要な投資額
ここでいう投資とは、製造施設、大きな成長が必要な材料の採掘・精製作業、水素貯蔵塩漕の設置などを含む。製造設備は各資産の更新率に応じたサイズ、採掘などの上流工程はそれに応じたサイズとします。大幅な能力増強が必要な素材は以下の通り：
採掘用：ニッケル、リチウム、グラファイト、銅。
精製：ニッケル、リチウム、グラファイト、コバルト、銅、電池用鉄、マンガン。
初期投資に加え、20年先を見据えた年率5％のメンテナンス設備投資も投資額に含まれています。これらの仮定を用いると、持続可能なエネルギー経済のための製造インフラの構築には10兆ccの費用がかかることになる。
表 13 は、鉱業、精製、自動車工場、電池工場、リサイクルの前提について、さらに詳しく説明したものである。鉱業と精錬の前提は、公的な業界報告書に基づく業界平均の内部推定値である：
必要な土地面積
太陽光の土地面積の必要性は、米国ローレンス・バークレー国立研究所（LBNL）の実際の米国プロジェクトの実証評価に基づき、2011年から2019年にかけて設置された固定チルト式システムの電力密度の中央値を推定しています。
2.8エーカー/MWdc57。MWdcをMWacに換算すると、1.4の換算比で約3.9エーカー/MWacとなる。したがって、18.3TW の太陽電池パネルを設置するためには、世界の総面積 368 億エーカーの 0.19%にあたる約 7,140 万エーカーが必要であると考えられる。
風力発電の土地は、米国国立再生可能エネルギー研究所（NREL）の研究に基づき、MW58あたり0.75エーカーの土地使用量が必要であると推定されています。したがって、12.2TWの風力タービンを設置する場合、920万エーカー（総面積の0.02％）が必要になると推定されます。
必要な素材
前提条件
ソーラーパネル、風力発電機、サーキットマイレージに必要な総材料は、第三者機関の材料原単位を想定して算出しています。電池の材料原単位は、社内推定に基づく。ソーラーパネルと風力タービンの材料原単位は、欧州委員会の報告書によるものです。太陽電池はウェハーベースの結晶シリコン、風力タービンは技術開発の進捗を考慮し、レアアース鉱物を排除している59。
IEAの2050年ネットゼロ経路調査によると、完全に持続可能な電化された世界経済を実現するためには、世界中で約6000万キロの回路を追加または再導入する必要がある。配電容量は、主に既存の電線を再導入し、ピーク時および平均的なエンドユーザー需要の大幅な増加に対応できる変電所容量を拡大することで拡張されます。高圧送電は、主に地理的範囲を拡大し、大規模な風力発電や太陽光発電の容量を人口密集地に接続することになります。材料所要量の見積もりでは、6,000万回線マイルのうち90％は既存の低圧配電システムの再導入、10％は高圧送電による新規回線マイルとし、これは米国の高圧送電と低圧配電の回線マイルの現在の比率である60,61.
材料の抽出
これらの材料に関連するマスフロー（すなわち、どれだけの土を動かすか）は、鉱石の品位とプロセスを通じての収量に依存する。公開されている業界レポート（表19参照）から業界平均の内部推定値を用いると、必要な年間マスフローは3.3ギガトン（Gt）と見積もられる。アルミニウム（鉱石品位50%）を銅（鉱石品位1%）で代用すれば、マスフローを削減することが可能であり、多くのユースケースで可能である。リチウムの50％はブラインから100％鉱石グレードで抽出されると仮定しているが、そうでない場合は、リチウムに関連するマスフローは0.8Gt増加することになる。
サーキュラリティ・ギャップ・レポート2023によると、バイオマスを除く68Gtの物質が毎年地球から抽出され、そのうち化石燃料は15.5Gtを占めている64。持続可能なエネルギー経済では、物質の抽出量は10.8Gt減少し、ほとんどの化石燃料の抽出は3.3Gtの再生可能な物質の抽出に置き換わると考えられます。IEAによると、非エネルギー最終用途（プラスチックやその他の化学物質など）に関連する化石燃料の採掘は、化石燃料供給量の約9%に相当するため、継続することが前提となっている。
材料の入手可能性
表18の抽出物の総量は、実現可能性を評価するために2023年のUSGSの資源量に対して評価される。銀については、USGS は資源量の推定値を公表していないため、埋蔵量を使用した。分析によると、ソーラーパネルは 2023 年の USGS の銀埋蔵量の 13%を必要とするが、銀はより安価で豊富な銅で代用できる65 。黒鉛は、天然黒鉛と人造黒鉛の両方で需要を満たすことができる。前者は採掘・精製され、後者は石油コークスから得られるものである66。そのため、石油製品からの人造黒鉛の生産量を考慮して、黒鉛資源量を増やした。世界の石油資源のごく一部が人造黒鉛生産に使われるだけであれば、黒鉛資源が制約になることはないだろう67。現在、CO2や各種バイオマスなど、炭素を含む他の製品を人造黒鉛製造の原料として評価するための開発が進められている68。
つまり、2023年のUSGS推定資源量に対して評価する場合、基本的な材料の制約がないのである。さらに、資源と埋蔵量は歴史的に増加している。つまり、ある鉱物の需要が高まれば、それを探すインセンティブが高まり、より多くの鉱物が発見されるのである69。関連する金属鉱石の年間採掘、濃縮、精製は、再生可能エネルギー経済の需要を満たすために成長しなければならず、そのための基本的制約は人的資本と許可/規制のタイムラインである。
2023年USGS推定資源量に対する、必要な30TW発電、240TWh貯蔵、60Mマイルの導電線を構築するための材料
リチウム
ニッケル
シルバー
亜鉛
銅
コバルト
アイアン
マンガン
アルミニウム
グラファイト
リン
リサイクル
この計画をサポートするために、持続可能なエネルギー経済のための製造設備を増強するために、一次材料需要の大幅な増加が必要です。製造設備が増強されると、一次材料需要は平準化されます。2040年代には、バッテリー、ソーラーパネル、風力発電機が耐用年数を迎え、貴重な材料がリサイクルされるため、リサイクルによって一次材料需要が大幅に減少し始めるでしょう。鉱山需要は減少するが、精製能力は減少しない。
結論
この論文にあるような行動によって、完全電化された持続可能な経済は手の届くところにあります：
1. 既存の送電網を再生可能エネルギーで再整備する。
2. 電気自動車への切り替え
3. 住宅・業務・産業におけるヒートポンプへの転換
4. 高温の熱供給と水素製造の電化
5. 飛行機とボートの燃料を持続的に供給する。
6. 持続可能なエネルギー経済を実現する
モデリングにより、電化された持続可能な未来は、技術的に実現可能であり、現在の持続不可能なエネルギー経済を継続するよりも少ない投資と少ない物質採取で済むことが明らかになりました。
付録 発電と貯蔵の最終用途への割り当て
この分析では、発電と蓄電の必要性をシステムレベルで推定しています。つまり、持続可能なエネルギー経済に到達するためには、どれだけの風力/太陽光発電と蓄電が必要かという問いに答えています。このモデルでは、各エンドユースの電化に必要な発電とストレージを個別に明示的に計算することはありません。例として、システム全体のニーズの各エンドユースへの配分は、容量拡張モデルからの出力を使って計算されます。
そのために、1時間ごとの需要プロファイルと、抑制後の太陽光発電と風力発電の一致を、各エンドユースについて計算する。風力発電と太陽光発電の設備容量は、年間加重平均同時発生率に基づいて各エンドユースに割り当てられる。例えば、年間風力発電量の12%はEV充電需要と一致しています。モデル出力では15.2TWの風力発電の必要性が示されたため、その12％、約1.9TWがEV充電に割り当てられた。蓄電池の容量を各エンドユースに割り当てる際も、蓄電池の放電量をエンドユースの需要に合わせることで、同じ手法を適用した。一般に、家庭用暖房のように需要をシフトする柔軟性が最も低いエンドユースは、産業用高級熱のように蓄熱の利用が前提となっているエンドユースよりも、より多くの蓄電池が割り当てられる。
この配分方法は、太陽光・風力と蓄電池の総需要に対する各最終用途の影響の方向性を示すもので、各最終用途からのニーズは相互に関連しており、完全に分離することはできないからです。
付録 エネルギー強度
サステイナブル・エネルギー経済圏のバッテリー、ソーラーパネル、風力発電機を製造すること自体に、4PWh/年のサステイナブル電力が必要です。電力需要を算出するために、製造のエネルギー強度を下図のように試算しています：
