カーボンニュートラル燃料の種類とメリット・デメリット｜実用化に向けた今後の課題

日本や世界各国で目標に掲げられているカーボンニュートラル実現につなげられるカーボンニュートラル燃料の注目度が高まっています。

現在注目を集めている背景には何があるのでしょうか？

カーボンニュートラル燃料の種類や製造方法をはじめ、使うメリットやデメリットを見ていきましょう。

燃料の開発と実用化に向けた取り組みを行っている日本企業の取り組み実例も紹介します。

カーボンニュートラル燃料とは？

CO2と水素を合成して生成する燃料がカーボンニュートラル燃料です。再生可能エネルギーから生まれた水素を使用した燃料はe-fuel（イーフェーエル）と呼ばれています。海外では合成された燃料をe-fuelと表記していますが、日本では水素が再生可能エネルギー由来であることを理由に同一視されていません。

燃料で使うCO2は工場・発電所で排出されたCO2なので、CO2の排出量と吸収・削減量を差し引きゼロにするカーボンニュートラルの実現に適した燃料として定評があります。今後は、大気中のCO2を直に吸収してCO2を削減するためのDAC技術によって、工場・発電所などが発生させているCO2に加えて大気にあるCO2を燃料の原料に活用できることを目標に掲げています。

カーボンニュートラル燃料が注目されている理由

地球温暖化が世界中で問題視されている現代は、多くの国がカーボンニュートラルを達成するために活動しています。大量のCO2を出している自動車・飛行機・船舶などの動力をクリーンな燃料に置き換えようという動きも活発化しており、注目度は高まる一方です。

研究・開発が注目され、推進されている理由を見てみましょう。

カーボンニュートラルの実現

e-fuelなどの燃料への関心が高まっているのは、世界各国の政府・自治体・企業がカーボンニュートラル達成を目指しているからです。脱炭素化への意識が高まった結果、電力分野では再生可能エネルギー導入によって化石燃料脱却が進行しており、特に国内各地で太陽光発電の導入が活発になっています。

しかし、それに対して産業部門（工場など）と運輸部門（自動車・航空機・船舶など）の進捗度は捗々しいとはいえないのが現状です。

（出典：国土交通省「環境｜運輸部門における二酸化炭素排出量の推移」）

しかし、このグラフの通り、1990年度から1996年度までに22.7％増加した運輸部門のCO2排出量は、1997年度から横ばいになり、2001年度以降は減少してきました。2021年度は、新型コロナウイルス感染症拡大の影響で輸送量が減少したことや自動車の燃費が改善したことにより、2013年度よりも減少しています。

e-fuelに代表される燃料の研究と開発が進行して利活用が増えれば、CO2排出量はさらに減り、カーボンニュートラル実現に近づくので、世界各国でクリーンな燃料導入が推し進められているのです。

（参考：国土交通省「環境｜運輸部門における二酸化炭素排出量」）

既存のエンジン車の脱炭素化

現在、ほとんどの自動車の動力は温室効果ガスの発生原因の1つであるガソリンです。自動車の動力を、二酸化炭素を生じさせないエネルギーに転換する取り組みも進んでおり、地球環境に与える負荷が少ない電気自動車が普及してきています。しかし、2020年の新車販売数8,490万台のうち日本の保有数は7,800万台ですが、電気自動車の新車販売数は420万台に留まっています。

現状のペースだと、カーボンニュートラル達成の目標年である2050年を迎えた頃も、自動車やハイブリッド車の数が電気自動車の数をはるかに上回る数字を保持していると予測されます。そのため、エンジン車・ハイブリッド車自体を環境に悪影響を与えない仕様にする必要があり、従来の自動車などにも使用できるクリーン燃料を普及させようという動きが活発になっているのです。

2022年10月にEU・欧州委員会・ドイツ政府が「2035年以降内燃機関車販売禁止」という合意事項を発表しましたが、燃料の研究・開発が進んだことにより、2023年3月に「合成した燃料を使用するエンジン車に限り2035年以降の販売を認める」と発表しています。

カーボンニュートラル燃料の種類

カーボンニュートラルを実現可能な燃料に分類されているのは、e-fuelを含む合成燃料と水素とバイオ燃料とSAFです。これらの燃料の特徴と現在の状態、将来の展望などを解説します。

合成燃料

発電所・工場などから発生したCO2と水素から製造された燃料なので、CO2の排出量をプラスマイナスゼロにできる燃料であると共にカーボンリサイクルにも貢献できます。また、重金属と硫黄の含有量が少ないため、燃焼する際に生じる温室効果ガスが少ないクリーンな燃料です。

ガソリンや石油などの使用量を減らすため、電気と水素をエネルギー源にする取り組みをを進めているのですが、電気はエネルギーの密度が低いため、飛行機など大型の乗り物を電気エネルギーで動かすのは難しいのが実情です。

しかし、ガソリンなどの液体燃料を合成した燃料に転換できれば、エネルギーの密度を維持しながらCO2排出量を抑えられるので、現状の自動車と同じスペックを維持しながらCO2の排出と削減・吸収を同量にできます。

（出典：経済産業省・資源エネルギー庁「エンジン車でも脱炭素？グリーンな液体燃料「合成燃料」とは」）

また、これまで利用してきたエンジンや燃料のインフラを活用できるので、市場へスムーズに導入できると期待されています。

（参考：経済産業省・資源エネルギー庁「エンジン車でも脱炭素？グリーンな液体燃料「合成燃料」とは」）

水素

酸素と結合して水を生成する水素は、地球環境や人体に害を与えない安全性が高い気体なので、極めてクリーンな燃料と評価されています。また、以下のような特徴があるため、利用しやすいという長所を備えています。

• 燃焼する時にCO2が生じない
• ガソリンの2倍以上のエネルギー密度がある
• 地球上のあらゆる場所にあるため枯渇の可能性が低い
• 状態変化しやすいので運搬しやすい
• 長期間の貯蔵が可能

水素は化石燃料の燃焼時やバイオマス燃料活用時に生成するのも可能なので、再生可能エネルギーとしても非常に優れた燃料として注目されています。

バイオ燃料

バイオ燃料は動植物を原料に生成されます。バイオマス燃料とも表記します。以下が代表的なバイオ燃料とその生成方法です。

燃料名称	精製方法
バイオエタノール	サトウキビ・とうもろこしなどの植物、木材や草などのセルロースなどを微生物・酵母で発酵させる
バイオディーゼル	大豆油・菜種油・廃食用油などの油脂をエステル化する
メタンガス	食品廃棄物・生ゴミ・動物排泄物・汚泥などを微生物で分解させる

エンジン車の燃料として、ディーゼルエンジン用の軽油とバイオディーゼルを5％混ぜた燃料やバイオディーゼル100％の燃料も使用できるようになりました。

また、ガソリンにエタノールを混合した自動車用燃料・ガソホールの利用率も上昇しています。日本では2012年から導入され、現在はバイオエタノールを10％まで混合しているE10（ガソリン）が使用できます。今後、ガソホールのバイオエタノール混合率を上昇させることが課題になっています。

（参考：TechEyesOnline「カーボンニュートラル燃料 ～ 持続可能なエネルギ源への移行に期待」）

SAF

SAF（Sustainable Aviation Fuel）は、持続可能な航空燃料を表す言葉です。原料は都市の廃棄物・廃食用油・草・木屑・藻類などで、現在は植物油や廃油などのバイオマス系原料を使って生成されることが主流になりました。

しかし、現在の燃料認証の規定においては、SAFが100％の燃料は航空燃料に利用できません。これまで活用してきたジェット燃料と混ぜて使うことが取り決められています。

CO2で生成されたSAFは2020年の時点では存在しませんでしたが、今後大気中のCO2・排ガスなどから生成する技術を向上することで、利用率が50％近くになると予想されています。

SAFは2020年の段階で世界の航空燃料の0.03％の供給量でしたが、2050年には世界の航空燃料の90％の需要が予測されるため、SAFの量産化と普及が急がれています。

IATA（国際航空運送協会）は「SAF導入によって炭素排出量を実質ゼロにする」と規定し、日本では「2030年に航空燃料の10％をSAFに入れ替える」と表明しました。

（参考：Spaceship Earth「カーボンニュートラル燃料のメリット・デメリットは？種類や価格、取り組み企業も」）

カーボンニュートラル燃料を使うメリット

脱炭素化を実現を目標に掲げている日本・世界各国にとって、カーボンニュートラルを実現できる燃料には多くのメリットがあります。その中で特に重要視されているメリットを見ていきましょう。

大気中のCO2濃度の影響を抑えられる

最大のメリットだと評価されているのは、大気の中のCO2濃度の影響を抑制できることです。

地球温暖化が世界各国に被害をもたらしている現在、早急にCO2排出量を減らす、あるいは吸収・削減量と差し引きゼロにする必要があります。

その点、合成燃料はCO2の排出を大幅に削減できます。合成燃料も燃焼する際にCO2を出しますが、原材料の植物が成長過程で大気中のCO2を吸収していることで排出量を差し引きゼロにできます。

また、CO2を出さない、あるいは出す量が少ない燃料の研究・開発も進んでいるので「将来的にはさらにCO2を減らせる」と見込まれています。

（参考：タンソーマン「エンジン車でも利用可能なカーボンニュートラル燃料とは？」）

石油の代替燃料として優れている

産業革命以降現在まで最も使われてきたエネルギーが石油だったのは、石油のエネルギーの密度が極めて高いからです。たとえば、電気自動車はエンジン車にエネルギー密度の高さでは及ばないため、電気自動車の普及率は期待したほど高くないのが現状です。

しかし、合成した燃料は石油と同程度の特性と成分を有しており、石油に比肩するエネルギー密度があります。特にガソリンの約3倍のエネルギー密度がある水素は、ロケット燃料に利用されるほどの能力があるのです。

合成燃料の研究と開発が順調に進めば、石油に代わるエネルギー源となっていくでしょう。

（参考：Spaceship Earth「カーボンニュートラル燃料のメリット・デメリットは？種類や価格、取り組み企業も」）

国内のエネルギー自給率向上

国内のエネルギー自給率を向上できるのも、エネルギー自給率が極めて低い日本にとって非常に大きな利点です。日本のIEAベースでのエネルギー自給率は、2022年時点で12.6％だと経済産業省が公表しました。これは前年度より0.7％低い数値です。

日本は、化石燃料自給率でも脱炭素エネルギー自給率でも10％前後という非常に低い水準を示していますが、脱炭素化を実現できる燃料の研究・開発を推し進めて実用化することで、脱炭素エネルギーの自給率を飛躍的に上昇させることが可能です。

現状で最も推進されているのは太陽光エネルギーですが、合成燃料や水素エネルギーの普及率も高めることにより「エネルギー自給率が低い先進国」という欠点を返上できます。

（参考：経済産業省「令和4年度（2022年度）エネルギー需給実績を取りまとめました（速報）」）

（参考：三菱総合研究所「カーボンニュートラルを契機とした日本のエネルギー安定供給と経済成長（前編）」）

カーボンニュートラル燃料のデメリット

日本や世界が抱えている諸々の問題を解決可能なカーボンニュートラル燃料ですが、実用化に際して複数の課題があります。その中で特に問題視されているデメリットを解説します。

コストが高い

代表的な障害は、コストの高さです。現段階では日本国内で燃料を製造するよりも海外で製造した燃料を輸入するほうが安いので、バイオ燃料の原料の多くは海外からの輸入に頼っています。

資源エネルギー庁は、合成燃料1リットルあたりにかかるコストを4パターンに分けて試算しています。

国内の水素を活用して国内で合成燃料を製造する場合	約700円
海外の水素を国内に輸入して国内で合成燃料を製造する場合	約350円
合成燃料を海外で製造する場合	約300円
将来水素コストがNm3メートルあたり20円になった場合	約200円

日本国内でこの燃料を安定的に製造するために製造コストを下げなければなりません。コスト削減に向け、多くの企業で議論・研究が進められています。

実用に向けた技術的ハードルが高い

実用化に際して技術的なハードルが高いことも障壁です。

日本における合成燃料は現時点で研究開発中であり、実用化に至っていないので、商用化するために製造プロセス全体で高効率化するための技術を開発しなければなりません。

また、大規模・長期連続で安定して製造していくために製造設備の設計開発を進めるのも課題で、実証実験の積み重ねが必要とされています。

原料を安定して確保できない

燃料の原料の安定的な確保も課題の1つです。バイオエタノールとSAFは植物や廃棄物や廃食用油が原料ですが、穀物・穀物油は食料としての需要が高く、廃食用油・廃棄物の供給量には限りがあるからです。

そのため、燃料の需要が高まるにつれて燃料の原料の奪い合いになるのが懸念されており、安定した供給量を確保するための方策を出すのも目下の課題です。

カーボンニュートラル燃料の開発・実用化に向けた取り組みを行う日本企業

日本と世界各国の政府・自治体がカーボンニュートラル実現に取り組んでいる中、企業もカーボンニュートラル実現のために脱炭素化可能な燃料の開発と実用化への取り組みを実施しています。

その中で、企業独自での活動だけではなく、他企業とタッグを組んでクリーンな合成燃料の研究・開発を行っている日本企業を見てみましょう。

企業の取り組み実例①トヨタ自動車株式会社

トヨタ自動車は、2023年5月と7月に参加したレースにおいて、水素エンジンカローラ（液体水素燃料）とGR86（カーボンニュートラル燃料）で参戦して話題になりました。7月のレースでは、5月のレースより水素エンジンカローラ・GR86のどちらも進化した状態で参戦しています。

水素エンジンカローラは液体水素ポンプの耐久性の向上と軽量化を達成し、GR86は燃料の成分調整を行って気化・燃焼がしやすくしたことによって、5月に使用した合成燃料の「燃料がエンジンオイルに希釈しやすい」という短所を改善しています。

2022年7月には、ENEOS株式会社・スズキ株式会社・株式会社SUBARU・ダイハツ工業株式会社・豊田通商株式会社と6社で「次世代グリーンCO2燃料技術研究組合」を設立し、バイオエタノール燃料製造に取り組んでいます。同組合では以下4点について研究中です。

研究テーマ	概要
エタノールの効率的な 生産システム	第2世代バイオエタノール燃料の製造技術向上を目標に、 生産システムの改善を図る
副生酸素とCO2の回収と活用	水素を製造した際の副生成物の高濃度酸素と バイオエタノール燃料製造の際に生じるCO2の活用方法を研究
燃料活用を含む システム全体の効率的な 運用方法	エタノールの効率的な生産システム研究で得たバイオエタノールを 自動車などに使用したときの課題を明白にした上で解決策を研究
効率的な原料作物栽培方法	バイオエタノール燃料の原料を確保するために収穫量最大化・作物成分最適化 するために最も適した栽培方法を提案するシステムを開発

（参考：TOYOTA「水素エンジンカローラとGR86（カーボンニュートラル燃料）、スーパー耐久シリーズオートポリス大会に参戦」）
（参考：TOYOTA「民間6社による「次世代グリーンCO2燃料技術研究組合」を設立」）

企業の取り組み実例②ENEOS株式会社

ENEOSでは、前項の「次世代グリーンCO2燃料技術研究組合」に参加するだけではなく、独自にカーボンニュートラル化貢献を目指して合成燃料製造技術の研究と開発を行っています。

ENEOSが研究している合成燃料は、従来のガソリン・軽油・ジェット燃料などの石油製品に代替できると共に、産業排ガス・大気から回収したCO2と再生可能エネルギー由来の水素が原料なので、製造工程で燃料使用時のCO2排出量を差し引きゼロにすることが可能です。

この合成燃料の成分構成は石油製品に非常に近いので、自動車・航空機などの乗り物や燃料流通インフラや製油所設備をそのまま使用できるメリットがあり、製造技術が構築され次第普及できるという見通しを立てています。

（出典：ENEOS「合成燃料製造技術の開発（二酸化炭素からの液体燃料製造）」）

また、ENEOSは、製造技術確立をするために製造プロセスや触媒などの技術刷新中です。

製造技術確立を目指し、NEDO（国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構）が設立した「グリーンイノベーション基金事業／CO2等を用いた燃料製造技術開発プロジェクト」に参加し、合成燃料の製造プロセスの高効率化技術の確立を目指しています。

日本政府とは合成燃料プロセスの商用化を目標に開発を進行しており、触媒開発・反応評価・プロセス設計を含む要素技術開発に続き、プラント設計・建設・小型実証を含むベンチプラント実証、プラント設計と建設に加えて大型実証を行うパイロットプラント実証を行うという研究開発計画の流れを公式サイトで公開しています。

（参考：ENEOS「合成燃料製造技術の開発（二酸化炭素からの液体燃料製造）」）

企業の取り組み実例③出光興産株式会社

出光興産は、2023年4月に北米・南米・豪州などでe-fuel製造を行っているHIF（HIF Global）と合成燃料生産・日本での実用化と普及を加速するため、戦略的パートナーシップに関連する基本合意書を締結しました。

CO2と再生可能エネルギーから生まれた水素を合成して生成するe-fuelは、原料の製造から製品利用までの過程でカーボンニュートラルを達成可能なエネルギーと評価されています。

e-fuel流通に際してパイプラインや貯蔵タンクなどが元来のインフラを利用できること、自動車・航空機・船舶などのエンジンにそのまま利用できることで、脱炭素化の早期実現できるエネルギーとして注目を集めています。

（出典：出光興産「HIF Global社との合成燃料（e-fuel）分野における戦略的パートナーシップに関するMOU締結について」）

上の図は今後の協業イメージです。出光興産は2023年1月にチリ南部にあるHIF実証試験設備を視察訪問し、合成燃料の社会実装を早めるためにHIFと協議を重ねた上で、4月に基本合意書の締結に至り、以下3項目をHIFとの議論を続けていくと表明しています。

• 海外プロジェクトからの合成燃料の調達・国内供給
• 国内外での合成燃料製造設備へ共同出資
• 国内で回収したCO2の国際輸送・原料化などの活用

さらに、HIF製造の合成ガソリンのサンプルを得て環境影響・性能を確認し、国内での実用化と普及に向けて検討中です。

2022年11月には、2023年から2025年度までの中期経営計画の中で、多様で地球環境に優しいカーボンニュートラルエネルギーを安定供給することを含むカーボンニュートラル・エネルギーミックスに関連する取り組みを表明しました。

（参考：出光興産「HIF Global社との合成燃料（e-fuel）分野における戦略的パートナーシップに関するMOU締結について」）

まとめ

地球温暖化を食い止め、地球環境を改善していくために世界中で推進されているカーボンニュートラルを実現するためには、CO2排出量を削減あるいは実質ゼロにする取り組みが不可欠です。

カーボンニュートラル燃料は、カーボンニュートラルを実現できる燃料として生まれ、研究と開発が世界各国で行われています。

日本での利用率はまだ高いとは言えないのが現状ですが、政府・自治体・企業の取り組みにより、近い将来商用化される見通しです。

日本だけではなく他国と協力して研究・開発を進めていくことで商用化を早めることができるでしょう。