株式会社TIMEWELLの濱本です。
Tesla マスタープラン Part-3
【要約】
この記事は、完全に電化された持続可能なエネルギー経済を実現するために必要な取り組みについて議論しています。具体的には、再生可能エネルギーを使って電力網を再構築し、電気自動車やヒートポンプ、高温熱供給などに切り替え、航空機や船の燃料も持続可能なものにすることが重要だとされています。
これらの取り組みを進めることで、完全に電化された持続可能なエネルギー経済を実現できます。モデル化によると、投資や材料採取が少なくて済み、現実的な未来を実現するためには持続不能なエネルギー経済を続けるよりも良い結果が得られるとされています。
電力の供給と貯蔵の必要性についても言及され、システム全体で必要な電力の量が推定され、各エンドユースに配分する方法が紹介されました。例えば、風力発電の12％がEV充電需要に合致する場合、その総量の12％がEV充電に割り当てられます。これによって、発電と貯蔵を調整して各エンドユースの負荷に対応することができます。
また、バッテリーやソーラーパネル、風力タービンの製造に必要な年間4PWhの持続可能な電力にも言及されています。そのため、これらの製造に必要なエネルギー源も再生可能エネルギーに切り替える必要があるとされています。
具体例として、デンマークが再生可能エネルギーに完全に移行したことや、エアバスが持続可能な航空機の研究開発に力を入れていることが紹介されました。これらの例から、完全に電化された持続可能なエネルギー経済を実現することは現実的に可能だとされています。
さらに、電気自動車の普及によって、自動車に関連する石油需要が減少することが期待されます。一方、住宅やビジネス、産業においてヒートポンプの導入によって、天然ガスの需要を減らすことも可能です。また、高温熱供給や水素生産を電化することで、石油需要を減らすこともできます。
ただし、主要原材料の需要が大幅に増加するため、これらの取り組みには注意が必要です。特に、リチウムやコバルト、レアメタルなどの需要が増加することが予想されます。これらの鉱物の採取と精製には多大なエネルギーが必要であり、再生可能エネルギーの普及によって、エネルギー需要が大幅に増加することも予想されます。
しかし、持続可能なエネルギー経済を実現することができれば、将来的には材料の再利用やリサイクルによって、主要原材料の需要を減らすことができるようになります。また、将来的には材料の供給増加に注力することで、主要原材料の制約を解消することもできると考えられます。
以上から、再生可能エネルギーの普及を進めることで、持続可能なエネルギー経済を実現することが可能であることが分かります。ただし、主要原材料の需要と供給に注意し、リサイクルや再利用に取り組むことが重要です。
【ポイント】
再生可能エネルギーを使って完全に電化された持続可能なエネルギー経済を実現するには、以下の3つのポイントが重要です。
再生可能エネルギーの導入：再生可能エネルギーに切り替えて電力網を再構築し、電気自動車やヒートポンプ、高温熱供給などに切り替え、航空機や船の燃料も持続可能なものにすることが必要です。
電力の供給と貯蔵：システム全体で必要な電力の量を推定し、各エンドユースに配分する方法を計算することが必要です。また、バッテリーやソーラーパネル、風力タービンの製造に必要な年間4PWhの持続可能な電力を供給することも重要です。
主要原材料の注意：リチウムやコバルト、レアメタルなどの主要原材料の需要が増加するため、これらの採取と精製に必要なエネルギー量が増加することが予想されます。そのため、リサイクルや再利用に取り組むことで主要原材料の需要を減らすことが必要です。
【全文翻訳】 マスタープラン・パート3 地球全体の持続可能なエネルギー
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
化石燃料の排除計画
再生可能エネルギーで既存の電力網を再構築する
電気自動車に切り替える
住宅、ビジネス、産業にヒートポンプを導入する
高温熱供給と水素を電化する
飛行機や船の持続可能な燃料化
持続可能なエネルギー経済の製造
完全な持続可能なエネルギー経済のモデリング
• 評価されたエネルギー蓄積技術
• 評価された発電技術
モデル結果
• 米国のみのモデル結果 - 新しい電化需要に対応
• 世界のモデル結果 - 新しい電化需要に対応
• 交通用バッテリー
• 車両
• 船舶と飛行機
• 世界のモデル結果 - 交通の電化とバッテリー
必要な投資額
必要な土地面積
必要な資材
結論
付録 ・付録：発電および蓄積の割り当て方法 ・付録：持続可能なエネルギー経済を構築する - エネルギー密度
この記事は2023年4月5日に発表されました。
謝辞
私たちは、持続可能なエネルギー経済に関する以前の多くの研究、国際エネルギー機関（IEA）、米国エネルギー情報局（EIA）、米国エネルギー省国立研究所の業績、およびTeslaとは関係のない様々なアドバイザーからの提言に感謝します。
Teslaの貢献者
Felix Maire Matthew Fox Mark Simons Turner Caldwell Alex Yoo Eliah Gilfenbaum Andrew Ulvestad Teslaアドバイザー Drew Baglino Rohan Ma Vineet Mehta
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」を発表し、持続可能な世界エネルギー経済に到達するための計画を提案しました。この論文では、その提案における背景、ソース、計算の概要について説明します。
分析は主に以下の3つの要素で構成されます。
[図1：プロセスの概要]
電力需要の予測：化石燃料を使用しない完全電化エネルギー経済に必要な電力の需要を予測します。
電力供給の構築：1時間ごとの電力需要を満たす最も効率的な電力発電および蓄電リソース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：持続可能なエネルギー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。
この論文は、技術的に持続可能なエネルギー経済が実現可能であることを示し、現在の持続不能なエネルギー経済よりも少ない投資と材料採取が必要であることを示しています。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。
[図2：マスタープラン3に必要な資源と投資の見積もり]
※単位の意味：
TWh：テラワット時（電力量の単位）
TW：テラワット（電力の単位）
$T：兆ドル（貨幣の単位）
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）が発表した2019年の世界エネルギーバランスによると、世界の第一次エネルギー供給量は165PWh/年で、うち134PWh/年が化石燃料でした。このうち、37％（61PWh）は化石燃料産業の自己消費や発電時の変換損失などで失われ、27％（44PWh）は効率の悪いエンドユーザーで消費されています。つまり、第一次エネルギー供給の36％（59PWh）しか、経済に有用な仕事や熱を生み出していないことになります。同様に、ローレンス・リバモア国立研究所の分析によると、世界および米国のエネルギー供給において無駄が同様のレベルにあることがわかっています。
[図3：セクター別の世界のエネルギーフロー、IEAとTeslaの分析]
今日のエネルギー経済（PWh/年）
化石燃料を排除する計画
持続可能なエネルギーで完全に電化された経済では、電力を作るための採掘、精製、燃焼に関連する上流の損失が排除され、非電気エンドユーズに関連する下流の損失もなくなります。ただし、一部の産業プロセスには、より多くのエネルギー投入が必要になる場合があります（たとえばグリーン水素の製造）、また、バッテリーや太陽光パネル、風力タービン用の金属など、一部の採掘および精製活動は増加する必要があります。
以下の6つのステップは、経済を完全に電化し、化石燃料の使用を排除するために必要な行動を示しています。これらの6つのステップは、持続可能なエネルギー経済の電力需要の前提条件を詳述し、モデル化された電力需要曲線につながります。このモデリングは、米国エネルギー情報管理局（EIA）から入手可能な高精度データを使用して行われ、米国のエネルギー経済で実施されました。IEAエネルギーバランスに基づいて、米国と世界の2019年のエネルギー消費スカラーを基にした6倍のスケーリングファクターを使用して、グローバル経済に必要な行動を推定しました。ただし、グローバルエネルギー需要は、構成や時間の経過に伴って異なるため、この分析は将来の改善の余地があります。
この計画では、陸上/沖合風力、太陽光、既存の原子力、水力を持続可能な発電源として考慮し、既存のバイオマスを持続可能と見なしますが、将来的に段階的に廃止される可能性があります。また、この計画では、過去1世紀に排出された二酸化炭素を隔離することには触れておらず、合成燃料の生成に必要な直接空気キャプチャーを超えて、そのような技術の将来的な実装はおそらくグローバルなエネルギー需要を増加させることになるでしょう。
01 既存の電力網を再生可能エネルギーに切り替える
既存のアメリカの電力需要は、EIAからの柔軟性のない基準需要に基づいてモデル化されています。地域ごとに異なる需要、再生可能なリソースの利用可能性、天候、送電制限を考慮し、テキサス、太平洋、ミッドウェスト、イースタンの4つの地域を対象にしています。これらの需要を満たすためには、持続可能な発電とストレージが必要です。
世界的には、年間65 PWhの第一次エネルギーが電力部門に供給されますが、そのうち46 PWhが化石燃料由来であり、エネルギー変換の効率が悪いため、実際に生産される電力は年間26 PWhに過ぎません。再生可能エネルギーによる電力供給では、持続可能な発電に必要な電力量は年間26 PWhになります。
02 電気自動車に切り替える
電気自動車は、高い効率、再生ブレーキ能力、最適化されたプラットフォームデザインなどにより、内燃機関車よりも約4倍効率的です。これは、乗用車、軽トラック、クラス8のセミトレーラーなどすべての自動車に適用されます。
[表1：電気自動車と内燃機関車の効率比較]
車種
内燃機関車の平均燃費
電気自動車の効率（MPGe：マイルあたり電力消費量）
効率比
乗用車
24.2マイル毎ガロン（MPG）
115 MPGe（292 Wh/mi）
4.8倍
軽トラック/バン
17.5 MPG
75 MPGe（450 Wh/mi）
4.3倍
クラス8トラック
5.3 MPG（ディーゼル）
22 MPGe（1.7 kWh/mi）
4.2倍
具体的な例として、テスラのModel 3は1ガロンあたり燃費が131マイル（MPGe）で、トヨタのカローラの34マイル（MPG）に比べて3.9倍低いことが表1で示されています。さらに、燃料の採取や精製に関連するエネルギー消費などの上流ロスを考慮すると、この比率はさらに高くなります（図4を参照）。
[図4：テスラModel 3 vs. トヨタ・カローラの比較]
電気自動車による輸送部門の電力需要を確立するために、各地域の歴史的な月次石油使用量を、上記のEV効率係数（4倍）でスケーリングします。テスラの車両フリートの充電行動は、柔軟な部分と柔軟でない部分に分割され、100％電化された輸送部門ではEV充電負荷曲線として想定されます。
平均して、テスラのドライバーは1.7日に1回、60％SOCから90％SOCまで充電するため、EVは典型的な日常走行距離に対して十分な航続距離を持ち、自宅や職場の両方に充電インフラがある場合、再生可能エネルギーの供給に合わせて充電を最適化することができます。
輸送部門のグローバルな電化により、28 PWh/yearの化石燃料の使用が削減され、EV効率係数を適用することで、年間約7 PWhの追加の電力需要が生じます。
03 住宅、ビジネス、産業においてヒートポンプに切り替える
ヒートポンプは、中間冷媒の圧縮/膨張によって熱を源からシンクに移動させる技術で、適切な冷媒の選択により、住宅や商業ビルの空調、給湯、洗濯乾燥機、多くの産業プロセスに利用されます。
[図 5: ヒートポンプの仕組み]
空気源ヒートポンプは、既存の住宅のガス炉を改装するために最適な技術で、暖房季節性能係数（HSPF）が9.5 Btu/Wh（現在のヒートポンプの典型的な効率評価）に基づいて、1ユニットのエネルギー消費に対して2.8ユニットの熱を供給できます。一方、ガス炉は天然ガスを燃焼して熱を発生させます。年間燃料利用効率（AFUE）は約90％です。そのため、ヒートポンプはガス炉よりも約3倍少ないエネルギーを使用します。
[図6: ヒートポンプとガス炉の空調効率改善]
住宅および商業ビル
EIAは、米国の各地域における住宅や商業施設での天然ガスの使用量について、月次の歴史的なデータを提供しています。もし全てのガス機器が電化され、ヒートポンプの効率係数が3倍になれば、エネルギー需要は減少するでしょう。ヒートポンプによる時間帯による電力需要の変化を、基本的な電力需要の時間ごとの負荷率を適用することで推定し、家庭が暖房や冷房を行う時の需要を計算します。夏には住宅や商業施設の需要は、冷房負荷が最も高い午後にピークを迎え、冬には朝と夕方にピークを迎える「アヒル曲線」と呼ばれる特徴的な需要パターンがあります。住宅や商業施設でヒートポンプによる電化を導入すると、年間18PWhの化石燃料使用が削減される一方で、6PWhの追加電力需要が生じることになります。
[図7：住宅および商業の暖房および冷房の負荷係数（時間帯に対する）]
産業部門
食品、紙、繊維、木材産業などの産業プロセスでは、ヒートポンプを使用して効率を向上させることができますが、温度差が大きくなると効率は低下します。ヒートポンプの統合は複雑で、正確な効率は熱源の温度に大きく依存します。ヒートポンプの効率を決定するための重要な要因は温度上昇であるため、達成可能なCOP（係数）は単純化された仮定に基づいて算出されます。
[表2：温度別の仮定されたヒートポンプの効率改善]
温度/アプリケーション
COP
0-60℃ ヒートポンプ
4.0
60-100℃ ヒートポンプ
3.0
100-200℃ ヒートポンプ
1.5
IEAによる産業プロセスの温度構成と表2の仮定された温度別のヒートポンプの効率に基づいて、産業用ヒートポンプの効率係数を計算しています。EIAは、各サブリージョンの産業セクターの過去の月次の化石燃料使用量を提供しています。製品に使われる化石燃料（ゴム、潤滑油、その他）を除いたすべての産業用化石燃料使用量は、プロセス熱用に使用されていると仮定されています。IEAによると、プロセス熱の45％は200℃以下であり、ヒートポンプによって電化された場合、入力エネルギーが2.2倍少なくて済みます。追加の産業用ヒートポンプの電力需要は、平坦な時間当たりの需要としてモデル化されます。産業プロセス熱が200℃以下の場合、ヒートポンプによる電化によって世界的には年間12PWhの化石燃料が削減され、同時に年間5PWhの追加電力需要が生じることになります。
04 高温熱供給と水素の電気化
高温熱産業プロセスの電気化
高温（>200℃）が必要な産業プロセスは、鉄鋼、化学、肥料、セメント生産などの残りの55％の化石燃料使用を占めており、特別な配慮が必要です。
これらの高温産業プロセスは、直接電気化できます。具体的には、直接電気抵抗加熱、電気アーク炉、または低コストの再生可能エネルギーが余剰になったときにそれを利用するために熱貯蔵を通じてバッファリングすることができます。現場での熱貯蔵は、熱貯蔵媒体と放射加熱要素を直接使用することにより、産業用電化を費用対効果よく促進するために有用な手段の一つです。
各温度帯/用途における最適な熱貯蔵媒体を特定する
[図8：熱貯蔵概要]
高温プロセスへの熱供給
[図9A：熱貯蔵 - 熱伝達流体によるプロセスへの熱供給]
[図9B：熱貯蔵 - 直接放射加熱によるプロセスへの熱供給]
電気抵抗加熱と電気アーク炉は、高炉加熱と同じくらいの効率を持ちます。したがって、同様の再生可能な一次エネルギー投入量が必要です。これらの高温プロセスは、固定でフラットな需要としてモデル化されます。
熱貯蔵は、産業プロセスで使われる高温プロセスのエネルギーバッファーとして機能し、ラウンドトリップの熱効率は95%です。太陽光発電装置の設置能力が高い地域では、熱貯蔵は昼間に充電され、夜間に放電されて24時間連続で産業用熱ニーズを満たすために使われます。図9には、高温プロセス熱を提供するために複数の材料があり、1500℃以上のプロセス熱を提供できる材料がいくつか候補に挙げられています。
高温プロセスの電化により、9 PWh/年の化石燃料を削減し、同等の熱供給効率が想定された場合、9 PWh/年の追加電力需要が発生することが予想されます。
[図10：熱貯蔵-熱貯蔵媒体]
注：バブルの直径は使用可能な範囲の比熱を表しています。
鉄鋼および肥料のために持続可能な水素の生産
現在、水素は石炭、石油、天然ガスから作られ、ディーゼルの精製や鉄鋼、肥料生産などの産業で使われています。一方、グリーン水素は、水を電気で分解する方法やメタンを熱分解する方法で作ることができます。グリーン水素は、炭素を含まないため、環境に優しいエネルギー源として注目されています。
グリーン水素の需要を見積もるためには、以下の仮定が必要です。
リーン水素の電力需要を保守的に見積もるには、以下の仮定があります。
• 化石燃料の精製に水素は将来的に必要なくなる
• 鉄鋼生産は、直接還元鉄製法に変換され、入力として水素が必要になる。酸化鉄鉱石（Fe3O4であると仮定）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ます。
H2による還元 ・Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O ・FeO + H2 = Fe + H2O
• グローバルな水素生産はすべて電気分解から行われる
グリーン水素の世界需要は年間150 Mtと見積もられ、これを電気分解から調達するには、持続可能に発電された年間約7.2 PWhの電力が必要です。水素生産の電力需要は、年間生産制約を持つ柔軟な負荷としてモデル化され、水素の貯蔵ポテンシャルは、地下ガス貯蔵施設を用いてモデル化されます。米国の水素貯蔵には、米国の既存の地下ガス貯蔵施設の約30％が必要ですが、地理的に均等に分散していない貯蔵施設に対しては、代替貯蔵ソリューションが必要になる可能性があります。
グローバルな持続可能なグリーン水素は、化石燃料のエネルギー使用を年間6 PWh削減し、非エネルギー使用を年間2 PWh削減します。化石燃料は、追加の7 PWh /年の電力需要によって置き換えられます。
陸上・海洋の国際船舶は、充電停止を頻繁に行いながら小型バッテリーを使用し、設計速度とルートの最適化により長距離ルートでも電化が可能です。国際エネルギー機関（IEA）によると、海運は年間3.2 PWhのエネルギーを消費しています。推定される1.5倍の電化効率を適用すると、完全に電化されたグローバル船舶フリートは年間2.1 PWhの電力を消費することになります。
また、現在のバッテリーのエネルギー密度では短距離飛行も電化が可能で、最適化された航空機の設計と飛行軌道によって実現できます。長距離飛行には、航空旅行のエネルギー消費量の80％を占める年間85Bガロンのジェット燃料を、余剰の再生可能エネルギーを利用した合成燃料で代替できます。合成燃料は、フィッシャー-トロプシュプロセスを使用して、一酸化炭素（CO）と水素（H2）の混合物を用いてさまざまな液体炭化水素を合成できます。合成ジェット燃料の生成には、追加の5 PWh /年の電力が必要で、以下が含まれます。
電気分解から生成されたH2
直接空気キャプチャによって捕獲されたCO2
CO2の電気分解によって生成されたCO
合成燃料は、炭素と水素をバイオマスからも調達することができます。これにより、より効率的でコスト効果の高い合成燃料の生成方法が開発され、高エネルギー密度のバッテリーにより、より長距離の航空機を電化することが可能になるため、合成燃料の需要が減少するでしょう。合成燃料の生産に必要な電力需要は、年間エネルギー制約を持つ柔軟な需要としてモデル化され、従来の燃料貯蔵技術を使用して1：1の容積比で貯蔵することができます。また、海運の電力需要は、定常的な時間当たりの需要としてモデル化されます。グローバルな持続可能な合成燃料と船舶・飛行機用電力により、年間7 PWhの化石燃料を削減し、年間7 PWhのグローバルな追加電力需要を創出することができます。
06 持続可能なエネルギー経済を創造する
持続可能なエネルギー経済を実現するには、太陽光パネルや風力タービン、そしてバッテリーなどの発電および貯蔵設備を整備するために、追加の電力が必要です。この電力需要は、工業部門において時間当たりの固定的な需要としてモデル化されています。より詳しい情報は、付録「持続可能なエネルギー経済を構築する-エネルギー密度」をご覧ください。
完全な持続可能なエネルギー経済のモデリング
これらの6つのステップにより、持続可能な発電および貯蔵を用いて満たす必要のあるアメリカの電力需要が作成されます。そのために、発電および貯蔵のポートフォリオは時間当たりの最適統合能力拡張およびディスパッチモデルを使用して確立されます。モデルは、米国の4つのサブリージョンに分けられ、地域間の送電制約がモデル化され、2019年から2022年までの4つの気象年にわたって実行されます。地域間の送電制限は、北米電力信頼性評議会（NERC）の地域エンティティ（SERC30、WECC31、ERCOT32）が公表した主要な送電路の現在の線容量レーティングに基づいて推定されます。図11は、全米の完全電化経済のエネルギー需要を示しており、モデル化された地域とグリッドの相互接続については以下の通りです。
[地図1: 米国のモデル化された地域と相互接続]
[図11: 米国の完全電化時の時間当たり需要]
風力および太陽光資源は、それぞれの時間当たりの容量ファクター（つまり、インストールされた容量あたりに生産される電力量）および相互接続コスト、モデルが構築するために利用可能な最大容量でモデル化されます。各地域固有の風力および太陽光の時間当たり容量ファクターは、各地域のEIAから取得した過去の風力/太陽光発電に基づいて推定され、地域の気象パターンによる資源ポテンシャルの違いを反映しています。容量ファクターは、最近のプリンストンのNet-Zero America studyに基づいて将来の傾向を表すようにスケーリングされました。図11は、全米の風力および太陽光の時間当たり容量ファクターを時間軸に対して示しており、表3は、米国の各地域の平均容量ファクターおよび需要を示しています。
[図12: 米国の歴史的時間当たり再生可能エネルギーの容量ファクター]
[表3: 風力および太陽光の平均歴史的容量ファクターと完全電化経済の需要（地域別）]
このモデルでは、リソース固有のコストおよび性能属性、およびレベル化されたエネルギー費用を最小化するグローバルな目標に基づいて発電および貯蔵を構築します。モデルでは、地域間の送電能力が増加することを前提としています。年間を通じて信頼性の高い電力を供給するためには、余剰の太陽光および風力容量を導入することが経済的に最適であり、それによってカーテールメントが発生します。カーテールメントは、(1)ある地域の太陽光および/または風力発電量が需要を上回っている場合、(2)貯蔵が満杯である場合、および(3)余剰の発電量を他の地域に送信するための利用可能な送電容量がない場合に発生します。余剰の再生可能発電容量を構築すること、グリッドストレージを構築すること、または送電能力を拡大することの間には、経済的なトレードオフがあります。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、モデル化された仮定に基づくと、最適な発電および貯蔵ポートフォリオには32％のカーテールメントが生じました。
再生可能エネルギー市場では、既にカーテールメントが発生しており、スコットランドの風力発電量の19％やカリフォルニアの太陽光発電量の6％がカーテールされました。持続可能なエネルギー経済では、余剰期間中に安価なエネルギーが豊富になるため、エネルギーの使用方法やタイミングに影響を与えます。図12は、太陽光が豊富な昼間に各発電および貯蔵リソースが供給と需要のバランスを取る役割を示しています。
[図13：2019年の米国東部地域における時間当たり発電量（輸入/輸出を除く）]
[図14：米国東部地域における水素貯蔵の充電および放電の季節性（月平均）]
図14に示されているように、水素貯蔵は通常、電力需要が低い肩月（春と秋）に充填されます。これは、暖房や冷房シーズンが終わり、太陽光および風力発電が比較的高いためです。同様に、夏季および冬季の余剰発電が減少するにつれて、水素貯蔵庫も減少し、季節間の水素貯蔵が提供されます。
評価されたエネルギー貯蔵技術
静止用途において、現在広く導入されているエネルギー貯蔵技術を、表4に示されているものを中心に考慮しています。ここで、「Li-ion」は、LiFePO4/Graphiteリチウムイオンバッテリーを指しています。ただし、リチウムイオンには商品価格の変動があり、特にリチウムの価格の影響を受けるため、将来的なコストは慎重な見積もりとなっています。なお、金属-空気（Fe <-> Fe2O3 酸化還元カップル）やナトリウムイオンなど、他の新興技術も存在しますが、商業的にはまだ導入が進んでおらず、今回の考慮対象には含まれていません。
[表4: 評価されたエネルギー貯蔵技術]
評価された発電技術
下記の表は、持続可能なエネルギー経済において考慮されるすべての発電技術を詳しく示しています。導入コストは、NRELおよびプリンストンネットゼロアメリカ研究の2030年から2040年に関する調査から取得されました。
[表5: 評価された発電技術]
モデルの結果
米国のみのモデル結果 - 新しい電化需要の対応
米国において、モデル化された年の、各時刻に必要な電力需要を満たすための最適な発電および貯蔵ポートフォリオが、以下の表6に示されています。
[表6: 米国のみのモデル結果]
分散型静止用バッテリー1.2 TWhが追加されます。このバッテリーは、住宅や商業ビルの屋根に設置された分散型静止用ストレージの段階的な展開に基づいています。具体的には、屋根に設置されたソーラーパネルを備えた1500万の一戸建て住宅48にストレージが設置され、商業用屋根上ソーラーの43 GW49,50に組み合わされた産業用ストレージ、そして既存のバックアップ発電機容量の少なくとも200 GW51のストレージ置換が含まれます。
分散型ストレージの展開は、最小コストモデルフレームワークで完全に反映されない要因によって推進されるため、モデルの出力とは外生的に扱われています。このような要因には、ストレージが屋根に設置されたソーラーと組み合わされた場合のエンドユーザーの回復力と自立性が含まれます。
世界のモデル結果 - 新しい電化需要の対応
世界のエネルギーフローに6つのステップを適用することにより、化石燃料から得られるエネルギーの125 PWh/年を持続可能に発電された電力に置き換えることができます。このためには、バッテリーや太陽光パネル、風力タービンなどの新しい産業が必要で、そのためには4 PWh/年のエネルギーが必要です。この内容については、付録「持続可能なエネルギー経済の構築-エネルギー密度」を参照してください。
グローバルな発電と貯蔵のポートフォリオは、米国のリソースミックスを6倍にスケーリングすることによって計算されました。ただし、この計算方法は簡略化されたものであり、将来の分析に改善の余地があります。なぜなら、世界のエネルギー需要は地域ごとに構成が異なり、時間の経過とともに増加することが予想されるためです。また、この分析は米国で高精度の時系列データが入手可能であるため、米国で実施されました。
[図15：持続可能なエネルギー経済、業界別のグローバルエネルギーフロー、IEA＆Teslaの分析]
輸送用バッテリー
車両
現在、世界には14億台の車両があり、年間乗用車生産は約85M台であると、OICAによって報告されています。バッテリーパックサイズの前提条件に基づいて、全ての車両フリートには112 TWhのバッテリーが必要になります。しかし、自律技術によって、車両の利用率が向上することにより、世界的なフリートおよび必要な年間生産が減少する可能性があります。
車両のカソード割り当ては、標準レンジの車両には低エネルギー密度化学物質（LFP）を利用できますが、長距離走行の車両には高エネルギー密度化学物質（高ニッケル）が必要です。具体的には、現在製造されている低からゼロのコバルトニッケルマンガンカソード、Teslaやそのサプライヤーが使用する高ニッケルカソード、そして研究グループで開発中のものが該当します。
[表7：車両フリートの分類]
グローバル電動フリート
船舶および飛行機
海洋フリートを電動化するためには、年間需要が2.1PWhであるため、船舶が平均約70回充電し、それぞれ75％の容量まで充電する場合、40TWhのバッテリーが必要です。この場合、フリートの33％が高密度のニッケルおよびマンガンベースのカソードを必要とし、67％が低エネルギー密度のLFPカソードのみを必要とするという仮定があります。
航空については、約15,000機のナローボディ機フリートのうち20％が、7MWhのパックで電動化された場合、0.02TWhのバッテリーが必要になります。これらは保守的な見積もりであり、必要なバッテリー数は少なくなる可能性があります。
[表8：電動船および飛行機フリートの分類]
世界モデルの結果 - 電動化と輸送用バッテリー
表9は、世界の電力需要を満たすための発電および貯蔵ポートフォリオ、そして輸送用の蓄電池を示しています。車両、船舶、飛行機に必要なバッテリー容量は、それぞれの仮定に基づいて計算されています。発電および貯蔵ポートフォリオが最終的にどのように割り当てられたかの説明については、付録「最終用途への発電および貯蔵の割り当て」を参照してください。
[表9: 世界の電力需要を満たすための発電および貯蔵ポートフォリオ、および輸送用バッテリー]
車両およびステーショナリー用バッテリー（TWh）
[表10：貯蔵ウォーターフォール]
太陽光発電および風力発電所（TW）
[表11：太陽光および風力ウォーターフォール]
必要な投資
ここに列挙された投資には、大幅な拡大を必要とする材料の採掘および精製作業、水素貯蔵塩穴の設置、製造設備が含まれます。製造設備は、各資産の交換率に応じてサイズ調整され、上流作業（例：採掘）もそれに応じてサイズ調整されます。
大幅な容量拡大が必要な材料は以下のとおりです。
採掘：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、バッテリーグレードの鉄およびマンガン
初期投資に加えて、20年の視野で5％/年のメンテナンス投資が投資見積もりに含まれます。これらの仮定に基づいて、持続可能なエネルギー経済を構築するための製造インフラストラクチャーの費用は、2022年の投資額に基づく化石燃料の20年間の予測支出14兆ドルに対して、10兆ドルになります。
[図16：投資比較]
[表12：投資の概要]
表13は、採掘、精製、車両工場、バッテリー工場、およびリサイクルの仮定についての追加情報を提供しています。採掘と精製の仮定は、公開されている業界レポートに基づく業界平均の内部見積もりです。
採掘
[Table 13A：投資前提の詳細]
精製
[Table 13B：投資前提の詳細]
車両およびバッテリー工場
[Table 13C:追加投資前提条件の詳細]
リサイクル
[Table 13D: 追加投資前提条件の詳細]
必要な土地面積
太陽光発電に必要な土地面積は、米国のローレンス・バークレー国立研究所が行った実証評価に基づき、2011年から2019年に設置された固定傾斜システムの中央値の発電密度が2.8エーカー/MWdcであったことから、MWacに変換するとおよそ3.9エーカー/MWacになります。したがって、世界の18.3TWの太陽光パネルフリートには、約714万エーカー、つまり世界の総土地面積の0.19％が必要となります。一方、風力の土地面積要件は、米国の国立再生可能エネルギー研究所が行った調査に基づき、直接的な土地使用はMWあたり0.75エーカーであることが分かっています。したがって、世界の風力タービンフリートの12.2TWには、およそ920万エーカー、つまり総土地面積の0.02％が必要となります。
[表14: 大陸別の直接的な太陽光および風力発電の土地面積]
必要な材料
前提条件
必要な材料の強度は、第三者による強度前提条件に基づいて、太陽光パネル、風力タービン、および回路マイルの合計必要材料を計算するために使用されます。バッテリー材料の強度は内部の推定に基づいています。太陽光パネルと風力タービンの材料強度の前提条件は、欧州委員会の報告書から引用されました。風力タービンには、希土類鉱物は含まれていません。
IEAの2050年ネットゼロパスウェイズの研究によると、完全に持続可能な電化されたグローバル経済を実現するためには、世界的に約6,000万回路マイルを追加または再配線する必要があります。配電容量は、主に既存のラインの再配線と、ピークおよび平均エンドユーザー需要の大幅な増加に対応できるサブステーション容量の拡大によって拡張されます。高電圧転送は、主に地理的範囲を拡大して、大規模な風力および太陽光発電容量を人口密集地域に接続します。材料要件を見積もるために、6,000万回路マイルのうち90％は既存の低電圧配電システムの再導線であり、10％は高電圧転送からの新しい回路マイルであり、これは米国回路マイルの現在の高電圧転送と低電圧配電の比率です。
[表15：発電材料：1GWあたりのトン数]
[表16：バッテリー材料：kWhあたりのkg]
[表17：伝送材料：kmあたりのkg]
上記の仮定に基づくと、30 TWの発電、240 TWhのバッテリー貯蔵、および60Mマイルの送電に必要な合計は12,815億トン（年間444億トン）です。
[表18：材料総量の強度：Mt]
材料の採取
必要な材料の強度は、太陽光パネル、風力タービン、回路マイル全体にわたって第三者の強度前提条件に基づいて計算されます。バッテリー材料の強度は、内部の推定に基づいています。太陽光パネルと風力タービンの材料強度の前提条件は、欧州委員会の報告書から引用されました。ただし、風力タービンには、希土類鉱物は含まれていません。
IEAの2050年ネットゼロパスウェイズの研究によると、完全に持続可能な電化されたグローバル経済を実現するためには、世界的に約6,000万回路マイルを追加または再配線する必要があります。配電容量は、主に既存のラインの再配線と、ピークおよび平均エンドユーザー需要の大幅な増加に対応できるサブステーション容量の拡大によって拡張されます。高電圧転送は、主に地理的範囲を拡大して、人口密集地域に大規模な風力および太陽光発電容量を接続することで実現されます。材料要件を見積もるために、6,000万回路マイルのうち90％は既存の低電圧配電システムの再導線であり、10％は高電圧転送からの新しい回路マイルであり、これは米国回路マイルの現在の高電圧転送と低電圧配電の比率と同じです。
[表19：必要な年間物質採取量]
材料の可用性
表18の総物質量は、2023年のアメリカ地質調査所（USGS）の資源推定と比較して、持続可能なエネルギー経済を実現するための基本的な材料制約がないことを評価するために使われています。しかし、USGSは銀の資源推定を公表していないため、代わりに予備資源が使われました。分析によると、太陽光パネルに必要な銀の量は、2023年のUSGSによる銀の埋蔵量の13％に相当しますが、代わりにより安価で豊富な銅を使うことも可能です。また、グラファイト需要は、天然グラファイトと人工グラファイトの両方で満たすことができます。さらに、人工グラファイト生産には石油製品が使われますが、石油資源のごく一部しか使用されない場合、グラファイト資源が制約になることはありません。
ただし、持続可能なエネルギー経済を実現するためには、関連する金属鉱石の年間採掘、濃縮、精製は増加する必要があります。しかしながら、最大の制約は人材と許認可/規制タイムラインであることに留意が必要です。結論として、2023年のUSGSの推定資源と比較して、基本的な材料制約は存在しないと考えられます。さらに、鉱物が需要がある場合、それを探すインセンティブがあり、発見される鉱物も増加する傾向にあります。
必要な30 TWの発電、240 TWhの貯蔵、および60Mマイルの伝導体を構築するための材料2023年のUSGSの推定資源に対する相対的なもの
[図17：2023年のUSGSの推定資源に対する必要な材料]
グローバルミネラルリザーブ/リソースベース-公衆認識の修正
[図18：グローバルミネラルリザーブ/リソースベース-公衆認識の修正]
リサイクル
持続可能なエネルギー経済を実現するためには、主要な原材料の需要が大幅に増加する必要がありますが、製造施設が整備されると需要は落ち着きます。2040年代には、バッテリーやソーラーパネル、風力タービンが寿命を迎えるため、貴重な材料が再利用され、リサイクルによって主要原材料の需要が減少するようになります。採掘需要は減少する一方で、精製能力は変わらないため、将来的には主要原材料の需要に制約が生じる可能性があります。
[図20：重要物質回収率80％を仮定した、プロセスフローに及ぼすリサイクルのイラストレーションの影響]
[図19：重要物質回収率80％を仮定した、プロセスフローに及ぼすリサイクルのイラストレーションの影響]
結論
この論文で述べられている行動を通じて、完全に電化され、持続可能な経済を実現することが可能です。
再生可能エネルギーで既存の電力網を再生
電気自動車に切り替える
住宅、ビジネス、産業でヒートポンプに切り替える
高温熱供給と水素生産を電化する
飛行機と船を持続可能に燃料化する
持続可能なエネルギー経済を製造する
モデル化により、電気化および持続可能な未来は技術的に実現可能であり、今日の持続不能なエネルギー経済を継続するよりも、投資が少なく、素材の採掘量が少なくて済むことが明らかになりました。
[図2：マスタープラン3に必要な資源と投資の見積もり]
付録：発電と貯蔵のエンドユースへの割り当て
この分析では、持続可能なエネルギー経済を実現するために必要な風力やソーラーの発電と貯蔵の量が、システムレベルで計算されています。すなわち、すべてのエンドユーザーが電化するために必要な発電と貯蔵量を示しています。ただし、それぞれのエンドユーザーに個別に必要な発電と貯蔵は計算していません。
その代わりに、時刻別の需要プロファイルや風力やソーラーの発電量の余剰分の一致率などを使って、各エンドユーザーに必要な発電容量や貯蔵容量を計算しています。例えば、年間の風力発電量の12％がEV充電需要と一致していた場合、モデルの出力で必要とされた15.2 TWの風力のうち、その12％に相当する約1.9 TWがEV充電に割り当てられます。同様に、貯蔵容量も各エンドユーザーに割り当てられます。
この方法は、各エンドユーザーが全体の風力やソーラー発電量と貯蔵要件にどの程度影響するかの目安を示しており、各エンドユーザーの需要がお互いに関連しているため、完全に分離することができません。
付録：エネルギー密度
持続可能なエネルギー経済におけるバッテリー、ソーラーパネル、風力タービンの製造自体には、年間4PWhの持続可能な電力が必要です。製造のエネルギー密度は、以下の図に示すように推定されます。
[表20：風力タービンおよびソーラーパネルの生産の年間エネルギー密度]
[表21：バッテリーの生産の年間エネルギー密度]
引用元：
Tesla Master Plan Part 3
https://www.tesla.com/ns_videos/Tesla-Master-Plan-Part-3.pdf