【英語学習】The price of batteries has declined by 97% in the last three decades　この30年間で電池の価格は97％も低下した

Summary
To reduce global greenhouse gas emissions we need to shift towards a low-carbon energy system. Large reductions in the cost of renewable technologies such as solar and wind have made them cost-competitive with fossil fuels. But to balance these intermittent sources, and electrify our transport systems we also need low-cost energy storage. Lithium-ion batteries are the most commonly used.In this article I show that lithium-ion battery cells have also seen an impressive price reduction. Since 1991, prices have fallen by around 97%. Prices fall by an average of 19% for every doubling of capacity. Even more promising is that this rate of reduction does not yet appear to be slowing down.To reduce emissions the world needs to rapidly transition towards a low-carbon energy system. Around three-quarters of global greenhouse gas emissions come from energy and industry.One of the barriers to this energy transition has been the relative cost of different energy sources. Fossil fuels were cheaper than renewables and therefore became the dominating sources of energy.Thankfully this is changing quickly. As my colleague Max Roser showed in this article, the cost of renewable technologies has plummeted. They’re now cost-competitive or cheaper than new fossil fuels. In 2009, it was more than three times as expensive as coal. Now the script has flipped and a new solar plant is almost three times cheaper than a new coal one. The price of electricity from solar declined by 89% between 2009 and 2019.

But the cost of electricity technologies themselves is only part of what matters for this transition. One of the challenges that renewables face is that they produce energy intermittently. The sun doesn’t always shine and the wind doesn’t always blow and so we don’t get a steady flow of generation throughout the day.1 An obvious solution is to store excess energy then release it later. But to do so, we need lots of energy storage and this adds large costs to our energy system.2

The promising news is that these technologies have seen similarly impressive price declines as solar panels have.

The price of lithium-ion batteries has declined by 97% since 1991
There are several ways to store excess energy. Most of us think of batteries. Here we’re going to look at lithium-ion batteries: the most common type. Lithium-ion batteries are used in everything, ranging from your mobile phone and laptop to electric vehicles and grid storage.3

The price of lithium-ion battery cells declined by 97% in the last three decades. A battery with a capacity of one kilowatt-hour that cost $7500 in 1991, was just $181 in 2018. That’s 41 times less. What’s promising is that prices are still falling steeply: the cost halved between 2014 and 2018. A halving in only four years.

We see this decline in the chart, which shows the average price trend of lithium-ion cells from 1991 through to 2018.4 This is shown on a logarithmic axis, and measured in 2018 US dollars per kilowatt-hour.5 This data comes from the work of Micah Ziegler and Jessika Trancik, who constructed a global database tracking lithium-ion cell prices, installed capacity and other metrics such as energy density over time.6 This database combines data from 90 series that describe how lithium-ion technologies have changed from 1990 onwards. The full article includes many more results and the authors’ discussion of their relevance, as well as the methodology behind this work. Additionally, you can also access the associated data series.

Let’s put this price decline in perspective:

The popular Nissan Leaf electric car – which is also one of the most affordable models – has a 40 kWh battery. At our 2018 price, the battery costs around $7,300. Imagine trying to buy the same model in 1991: the battery alone would cost $300,000.
Or take the Tesla Model S 75D which has a 75 kWh battery. In 2018 the battery costs around $13,600; in 1991 it would have been $564,000. More than half a million dollars for a car battery.
This shows how important these price reductions are for decarbonizing not only our electricity grids but our transport systems too.

[If you’re interested in the prices of other vehicle models, the Carbon Counter tool, lets you see the cost and greenhouse gas breakdowns for others].

Smaller and lighter: deployment and technological improvements are making batteries cheaper and cheaper
We often look at these price reductions relative to time. But, of course, it’s not time itself that drives these reductions. It’s the innovations in the production of these batteries that make it possible to produce them at lower and lower costs. As production increases there are more opportunities and incentives to achieve such innovations: that’s why prices often fall when technologies begin to scale [Max’s post looks at this mechanism – called Wright’s Law – in detail].

In the chart we see the relationship between prices and cumulative installed capacity of batteries. Both are shown on logarithmic axes.

In 1991 the market size of lithium-ion cells was tiny: there was just 0.13 megawatts (MWh) installed. That’s just 130 kWh – less than two 75 kWh battery packs that you’d find in a Tesla car. Since then deployed capacity has increased rapidly. By 2016, this had grown to 78,000 MWh. That’s six orders of magnitude higher.

The relationship between price and cumulative installed capacity is called the ‘learning curve’. This is a concept that is often used to understand cost improvements in scaling technologies. The learning rate tells us, on average, how much the price of something falls for every doubling of cumulative capacity. We find that for lithium-ion cells, this learning rate was 20.1%. This means prices fell an average of 18.9% every time the installed capacity doubled. As it happens, this is similar to the learning rate of solar modules; with every doubling of installed solar capacity, the price of solar modules dropped by an average of 20.2%.

The improvements we’ve seen in battery technologies are not limited to lower costs. As Ziegler and Trancik show, the energy density of cells has also been increasing. Energy density measures the amount of electrical energy you can store in a liter (or unit) of battery. In 1991 you could only get 200 watt-hours (Wh) of capacity per liter of battery. You can now get over 700 Wh. That’s a 3.4-fold increase.

What this means is that batteries have been getting smaller and lighter for any given electrical capacity. You might have noticed this yourself as your mobile phones were getting lighter and slimmer. This is a crucial technological improvement as one of the major drawbacks of some battery technologies is that they are heavy and this limits their use in a number of technologies that are still fossil fuel powered. Imagine trying to fly an electric plane full of heavy batteries. In fact, the size and weight of batteries that you’d need to power large aircraft is one the biggest barriers to a transition to electrified aviation.7 The same is true for shipping or trucks: bigger and heavier batteries just make everything more costly in energy terms.8 You need lots of large batteries, which take up space and add weight to carry around.

Our batteries are now only a fraction of the cost and are smaller and lighter. These technological improvements are just as essential to making low-carbon electricity the default affordable option as reductions in the cost of solar panels or wind turbines. But there is still a lot to do if we want to fly in electric airliners, or have our goods transported across the oceans in electric ships any time soon.

 

概要
世界の温室効果ガス排出量を削減するためには、低炭素エネルギーシステムへの移行が必要である。太陽光や風力などの再生可能技術のコストが大幅に削減されたことで、化石燃料とのコスト競争力が高まっています。しかし、これらの断続的なエネルギー源のバランスをとり、交通システムを電化するためには、低コストのエネルギー貯蔵が必要です。最も一般的に使用されているのは、リチウムイオン電池です。

この記事では、リチウムイオン電池セルの価格が大幅に下がっていることを紹介します。1991年以来、価格は約97％も低下している。容量が2倍になるたびに平均19％の価格低下が見られる。さらに、この価格低下のスピードは、いまだに衰えていないようだ。

排出量を削減するためには、世界は低炭素エネルギーシステムへの移行を急速に進める必要があります。世界の温室効果ガス排出量の約4分の3は、エネルギーと産業に起因しています。

このエネルギー移行を阻む要因のひとつは、さまざまなエネルギー源の相対的なコストでした。再生可能エネルギーよりも化石燃料の方が安価であるため、エネルギー源としては化石燃料が主流となっていました。

ありがたいことに、この状況は急速に変化しています。私の同僚であるマックス・ローザーがこの記事で紹介したように、再生可能技術のコストは急激に低下しています。今や再生可能エネルギーのコストは、新しい化石燃料と競合するか、それよりも安くなっています。2009年には、石炭の3倍以上のコストがかかっていました。2009年には石炭の3倍以上の価格でしたが、今では逆転し、新しい太陽光発電所は新しい石炭発電所のほぼ3倍の価格になっています。2009年から2019年の間に、ソーラーによる電気の価格は89％も低下しました。

しかし、電力技術そのもののコストは、この移行にとって重要なことの一部にすぎません。自然エネルギーが直面する課題の1つは、エネルギーを断続的に生み出すことです。太陽が常に輝いているわけではなく、風が常に吹いているわけでもないため、一日中安定した発電量を得ることはできません1。しかし、そのためには大量のエネルギー貯蔵が必要となり、エネルギーシステムに大きなコストがかかってしまいます2。

しかし、これらの技術は、ソーラーパネルと同様に、価格が大幅に低下しているということです。

リチウムイオン電池の価格は1991年から97％も低下
余剰エネルギーを蓄える方法はいくつかあります。多くの人が思い浮かべるのは「電池」ではないでしょうか。ここでは、最も一般的な「リチウムイオン電池」を取り上げます。リチウムイオン電池は、携帯電話やノートパソコンをはじめ、電気自動車や蓄電装置など、あらゆるものに使われています3。

リチウムイオン電池セルの価格は、過去30年間で97％も低下しました。1991年に7500ドルした1キロワット時の容量の電池が、2018年にはわずか181ドル。41倍も安くなりました。期待できるのは、価格がまだ急落していることです。2014年から2018年にかけて、コストは半分になりました。わずか4年での半減です。

このデータは、Micah ZieglerとJessika Trancikの研究によるもので、彼らは、リチウムイオン電池の価格、設置容量、およびエネルギー密度などのその他の指標を時系列で追跡するグローバルデータベースを構築しました6。このデータベースは、1990年以降のリチウムイオン技術の変化を示す90のシリーズのデータを組み合わせたものです。この論文の全文には、この他にも多くの結果とその関連性についての著者の考察、およびこの研究の手法が含まれています。さらに、関連するデータシリーズにもアクセスできます。

この価格低下を整理してみましょう。

人気の高い電気自動車「日産リーフ」は、最も手頃なモデルの1つでもありますが、40kWhのバッテリーを搭載しています。2018年の価格では、このバッテリーは約7,300ドルです。同じモデルを1991年に買おうとすると、バッテリーだけで30万ドルもすることを想像してみてください。
あるいは、75kWhのバッテリーを搭載したTesla Model S 75Dの場合。2018年にはバッテリーは約13,600ドルですが、1991年には564,000ドルだったでしょう。車のバッテリーに50万円以上もかかるのです。
これは、電力網だけでなく、交通システムの脱炭素化のためにも、これらの価格低下がいかに重要であるかを示しています。

他の車種の価格が気になる方は、Carbon Counterというツールで、他の車種のコストと温室効果ガスの内訳を見ることができます]。

小型化・軽量化：展開と技術の向上で電池がどんどん安くなる
このような価格の低下は、時間との関係で見られることが多い。しかし、当然のことながら、これらの価格低下をもたらしているのは時間そのものではありません。電池の生産技術の革新により、低コストでの生産が可能になっているのです。生産量が増えれば増えるほど、そのような技術革新を実現するための機会と動機が増える。だからこそ、技術の規模が大きくなり始めると、価格が下がることが多いのだ（マックスの記事では、ライトの法則と呼ばれるこのメカニズムを詳しく紹介している）。

図では、価格と電池の累積設備容量の関係を示しています。どちらも対数軸で示しています。

1991年のリチウムイオン電池の市場規模はわずか0.13メガワット（MWh）だった。これは130kWhであり、テスラの車に搭載されている75kWhのバッテリーパック2個分にも満たない。その後、設置容量は急速に増加しました。2016年には78,000MWhに達しています。これは、6桁の数字である。

価格と累積設備容量の関係を「ラーニングカーブ」と呼びます。これは、スケーリング技術のコスト改善を理解するためによく使われる概念です。学習率とは、累積容量が2倍になるごとに、何かの価格がどれだけ下がるかを平均的に示すものです。リチウムイオン電池の場合、この学習率は20.1％でした。つまり、設備容量が2倍になるたびに、平均して18.9％価格が下がったことになります。これは太陽電池の学習率と同じで、設置容量が2倍になるたびに太陽電池の価格は平均20.2％低下しました。

電池技術の進歩は、コストの低下だけではありません。ZieglerとTrancikが示すように、電池のエネルギー密度も向上しています。エネルギー密度とは、1リットル（単位）の電池にどれだけの電気エネルギーを蓄えられるかを示すものです。1991年には1リットルの電池で200ワット時（Wh）の容量しかありませんでした。それが今では700Whを超えています。3.4倍になったのです。

つまり、容量の割には電池の小型化・軽量化が進んでいるということです。携帯電話がどんどん軽くなっているのをご覧になったことがあるかもしれません。バッテリー技術の大きな欠点の1つは重いことであり、これにより化石燃料を使用する多くの技術での使用が制限されているため、これは極めて重要な技術的進歩である。重いバッテリーを積んだ電気飛行機を飛ばそうとすることを想像してみてください。実際、大型航空機を動かすために必要な電池の大きさと重さは、航空の電動化への移行を阻む最大の要因の一つです7。

しかし、私たちのバッテリーは、その数分の1のコストで、より小さく、より軽くなっています。ソーラーパネルや風力発電機のコスト削減と同様に、低炭素電力を手頃な価格の選択肢として定着させるには、こうした技術の向上が不可欠です。しかし、電気旅客機で空を飛んだり、電気船で海を渡って荷物を運んだりすることをすぐに実現するには、まだまだやるべきことがたくさんあります。