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Sep 22, 2023

バッテリーコストの急速な低下により、すべての企業の見通しが加速します

Natura Energia Volume 7, pagine

Nature Energy volume 7、pages 664–674 (2022)この記事を引用

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10 件の引用

461 オルトメトリック

メトリクスの詳細

重油を燃料とする国際海運は、世界の CO2、SO2、NOx 排出量の主な原因となっています。 海洋船舶の直接電化は、電気燃料に比べて効率が大幅に優れているにもかかわらず、低排出オプションとして十分に検討されていません。 船舶の電化に関するこれまでの研究は、バッテリーのコスト、エネルギー密度の値、利用可能な船内スペースに関する時代遅れの仮定に依存していました。 我々は、バッテリー価格が 100 kWh −1 であれば、1,500 km 未満の域内貿易ルートの電化が経済的であり、船舶の輸送能力への影響を最小限に抑えられることを示します。 環境コストを含めると、経済的な航続距離は 5,000 km に増加します。 バッテリーが 50 kWh−1 ドルの価格帯に達すると、経済的な範囲はほぼ 2 倍になります。 私たちは、世界のコンテナ船交通の 40% 以上を電化し、米国を拠点とする船舶の CO2 排出量を 14% 削減し、沿岸地域社会における大気汚染による健康への影響を軽減する、この 10 年以内にコンテナ船のバッテリー電化に向けた道筋について説明します。

海運業界は年間 110 億トンを輸送しており、質量ベースで世界貿易のほぼ 90% を扱っています1,2。 この業界の急速な成長は、安価でエネルギー密度の高い重油 (HFO) の利用によって支えられてきました。 海運業界は年間 350 万バレルの低品位 HFO を消費し、2018 年の人為的二酸化炭素換算量 (CO2e) 総排出量の 2.5% を生成し 2,3、海洋の富栄養化と生態毒性、大気汚染、気候変動の影響により多大な損害を引き起こしています4。 2050 年までに、海上輸送の排出量は世界の CO2e 排出量の 17% に達すると予測されています5,6。 基準の大気汚染物質（世界の人為的年間排出量のそれぞれ 12% と 13%）に対する業界の多大な貢献により、2020 年には推定 403,300 人の肺がんと心血管疾患による早期死亡が発生しました3,7。

政治的圧力の高まりにより、国際海事機関 (IMO) はパリ協定に沿って GHG 排出量を削減するための規制措置を講じるようになっています。 行動には、2050 年までに年間 CO2e 排出量を 2008 年のレベルから 50% 削減することを目的とした決議 MEPC.302(72) 8 や、加盟国が 99.4% をカバーする船舶による汚染防止のための国際条約 (MARPOL) に対する修正勧告が含まれます。世界の輸送トン数 - 2024 年以降、北極海での HFO の使用または輸送を禁止する9,10。 これに合わせて、IMO の 2020 年排出基準では、船舶燃料の許容硫黄含有量が質量比で 3.5% から 0.5% に削減されました11。

この規制強化に直面して、海運業界は、業界の排出量を大幅に削減し、壊滅的な気候変動を回避するのに十分なペースで、HFO に代わる商業的に導入可能なゼロエミッション代替品の特定を急いでいます。 海洋用途のゼロエミッション代替品に対する楽観的な見通しは、電気燃料 (e-fuel) がばら積み貨物船の総所有コストを HFO12 と比較して 200 ～ 600% 増加させることを示唆しています。 このような分析は、既存の推進技術、特にバッテリー電気推進が近い将来に HFO と同等の技術を達成できるかどうかについての追加研究を促します。 輸送量で最大の海運会社であるマースクは、すでに東アジアと西アフリカの間を運航するコンテナ船でバッテリーのハイブリッド化を試験的に実施しています13。 全長80メートルの完全電動コンテナ船「ヤラ・ビルケランド」は、2020年代初頭にノルウェーで自律運航を開始する予定だ。 同様のバッテリー電気船プロジェクトが日本、スウェーデン、デンマークでも進行中です14,15。 しかし、バッテリー電気コンテナ船の採用の可能性に関する体系的な分析はまだ行われていません。 これらの初期パイロットプロジェクトを除いて、バッテリー電気推進は、次のような問題にもかかわらず、海運部門における潜在的な低排出代替手段として十分に検討されていません。 最近のバッテリーコストの低下。 バッテリーのエネルギー密度の向上。 低コストの再生可能電力の利用可能性が高まります。 また、グリーン水素やアンモニアなどの電子燃料に比べて効率が大幅に向上します。

入手可能な最良のバッテリーのコストとエネルギー密度を使用して、バッテリー電気コンテナ船の技術的見通し、経済的実現可能性、および環境への影響を検討します。 2 つのシナリオを定義します。1 つは、現在入手可能な最良のバッテリーのコスト、HFO コスト、バッテリーのエネルギー密度、再生可能エネルギーの価格を使用するベースライン シナリオです。 そして 2 つ目は、これらの変数における 2030 年の予測改善の影響をテストする近い将来のシナリオです。 これまでのほとんどの研究とは対照的に、バッテリーエネルギー貯蔵 (BES) システムを収容するために再利用された容積を、固定的な技術的制約ではなく機会費用として扱います。 8 つのコンテナ船のサイズ クラスを指定し、13 の主要な世界貿易ルートにわたるエネルギー需要、CO2、NOx、SO2 排出量、総推進コスト (TCP) をモデル化します。これにより、船のサイズと航路の長さについて 104 の独自のシナリオを作成し、比較することができます。現在運航しているほぼすべてのコンテナ船です。 私たちはバッテリー電動コンテナ船に焦点を当て、他の種類の船の電動化に対する結果の影響を簡単に調査します。 私たちの結果は、現在の技術を使えば世界のコンテナ船交通の40%以上が費用対効果の高い方法で電化され、米国を拠点とする船舶のCO2排出量を14%削減し、沿岸地域社会への大気汚染による健康への影響を軽減できることを示唆しています。

短期的には、ほとんどの船舶運航者は、IMO の義務を満たすために、低速航行（燃料消費量を削減するために船舶の巡航速度を意図的に下げること）、航路の最適化、船体の汚れ管理などのエネルギー効率化対策に目を向けています16。 しかし、これらの対策によって達成可能な 10 ～ 15% の排出削減量は、今後の IMO 効率規制に準拠するには十分ではありません 17,18。 ハイブリッド電池技術は、化石燃料エネルギー源からの排出量を削減する（排除するわけではない）ための実行可能な短期的な解決策として研究されてきました。 ある研究では、ハイブリッドシステムの最良のシナリオは、ドライバルク船の排出量のわずか 14% 削減 (世界の船隊排出量の 2% を構成)19 であり、既存のエネルギー効率対策より大幅に優れているわけではないことを示唆しています。 小型モジュール式原子炉は数十年にわたり軍事および潜水艦用途で使用されており20、実行可能な代替手段ではあるが、核拡散、安全性、廃棄物処理をめぐる規制上の課題を考慮すると、商用船舶への広範な配備は達成できそうにない。 船舶用軽油、液化石油ガス、液化天然ガス、メタノールおよびそれらの生物由来物質は、中長期的な選択肢として大きな注目を集めていますが、最近の研究では、これらの燃料がコスト同等に達し、ライフサイクル GHG を大幅に削減できる可能性について疑問視しています。排出量21、22、23。 すべての交通モードが即時直接電化の有力な候補となるわけではありません。 商用ジェット機は、バッテリーパックの固有エネルギーが現在の値の 3 ～ 10 倍に増加するまで、合理的に電動化することはできません24。 このような状況の中で、再生可能エネルギーで生成される推進技術が最も注目を集めています。 例えば、ブルー水素（炭素を捕捉および貯蔵して天然ガスから生成される水素）は、天然ガスを燃焼させる場合と比較して、GHG 排出量をわずか 20% 削減すると予想されています25。 再生可能に生産されたアンモニアと水素は運用上の排出量を削減しますが、HFO に比べて生産プロセスが非効率であるため、化石燃料に代わる十分なコスト競争力を持つ可能性は低いです 26,27。 対照的に、輸送部門では、電子燃料の輸送と保管による損失を除けば、直接電化は通常、電子燃料よりも 5 倍効率的です27。

小型車両や飛行機など、バッテリーの重量によって積載量や航続距離が大幅に減少する他のモードとは対照的に、コンテナ船は非常に大きいため、バッテリーによる追加重量をより少ない割合の貨物の没収で相殺できる可能性があります。 過去の研究では、炭化水素燃料に比べてバッテリーのエネルギー密度が低いことを考慮すると、船舶のバッテリー電気化は不利であることが示唆されています28、29、30、31。 しかし、バッテリーのエネルギー密度とコストに関する彼らの仮定は時代遅れであり、場合によっては、今日入手可能な最良の数値である 210 Wh kg-1 比エネルギー 32 および US$100 ～ 134 kWh-1 (参考文献 33) とは 1 ～ 2 桁異なる場合があります。 ）。 さらに、これらの研究では、バッテリーの最大容量は機械推進システムと燃料貯蔵専用の既存の船内スペースによって制限されると想定しており、そのためバッテリー電気船は短い航路を航行するのに数回の充電が必要になることが研究結果から示唆されています。

バッテリー電気コンテナ輸送の主な技術的制約は、船舶の既存のエンジン、燃料貯蔵庫、機械スペースが占める体積に対するバッテリー システムと電気モーターの体積です。 ただし、BES システムの追加重量は、船舶の出力要件を決定する上で重要です。 運用上、コンテナ船は、アルキメデスの原理に基づいて喫水 (つまり、喫水線とキールの間の垂直距離) を増加させることで、積載量を増やすことができます。 喫水が大きくなると船体の抵抗が増加するため、同じ速度を達成するにはより多くの出力が必要になります。 5,000 km 未満の航海では、必要な電力増加は元の電力要件の 10% 未満であることがわかります。 たとえば、航続距離 5,000 km の小型ネオパナマックス船の場合、比エネルギー 260 Wh kg-1 (ref. 34) のリン酸鉄リチウム (LFP) 化学反応を備えた 5 GWh バッテリーの重量は 20,000 トンになると推定されます。喫水は 1 m 増加します。これは船の全高のほんの一部であり、船のスキャントリング (最大) 喫水の範囲内に十分収まります。 5,000 km を超える航海の場合、喫水の増加は船のスキャントリング喫水を超えます。

追加重量の配分は、船舶の流体力学、空気力学、安定性、エネルギー消費にも影響を与えます35。 内燃機関 (ICE) 船はバラスト システムを使用しています。バラスト システムでは、貨物の積載量に応じて水タンクが充填および排出され、重量が分散され、浮力に対抗します。 完全電気推進システムまたはハイブリッド推進システムのケーススタディでは、バッテリーコンポーネントを既存の空隙、機械スペース、バラストスペース全体に分散させることで、対称性（トリム）やバランスに大きな影響を与えることなく、バラストシステムを部分的または完全に BES システムに置き換えることができることが示唆されています 35。 さらに、BES システムは中央ドライブシャフトの周囲に配置する必要がなく、船舶の内部でより柔軟に構成できます12、36。 搭載 BES システムの容量は、船の電力要件、巡航速度、航海長、電気効率、バッテリーのエネルギー密度によって異なります。 コンテナ船のエネルギー消費量は、船の出力要件と燃料消費量の一次推定に広く使用されているプロペラ法のバージョンであるアドミラルティ法で近似できます 37,38。 エネルギー要件を見積もるためのボトムアップ アプローチには追加の条件が組み込まれますが、私たちの目的は 2 つの推進方法間のエネルギー要件の相対的な変化を捉えることです。 船舶と運航プロファイルが同一であると仮定すると、ICE 船とバッテリー電気船のエネルギー必要量はエンジンの効率と質量のみが異なり、これにより船舶の喫水が直接変化します。

式 (1) は、IMO 準拠の低硫黄 HFO を供給する低速 2 ストローク船舶 ICE を搭載した船舶のエネルギー必要量を表します。ここで、PSMCR は最大連続出力定格です (SCMR は指定された最大連続定格です)。 、Vaverage は平均巡航速度、Vmax は最大設計速度、tvoyage はルートを横断する時間、ηICE は ICE タンクから航跡までの効率です。

式 (2) は、同等のバッテリー電気船のエネルギー必要量を表します。これには、バッテリー システムの重量による喫水の増加の補正が含まれます。ここで、Tloaded はバッテリー エネルギー システムを搭載したときの喫水、Treference は典型的な動作喫水、 ηmotor と ηinverter はそれぞれモータとインバータの効率です。

ニッケルマンガンコバルト酸化物、LFP、ニッケルコバルトアルミニウム、チタン酸リチウム酸化物は、コンテナ輸送用途をサポートするために必要なサイクル寿命、比出力、充電率、動作温度を備えた市販のリチウムイオン化学物質です39,40。 バッテリーの化学的性質の選択は、特定の動作特性によって異なります。 航海が短く、頻度が高く、電力要件が低く、充電時間の制約がある船舶では、LFP バッテリーの高い充電率と長いライフサイクルが有利になります 41,42。 航続距離が長く、バッテリーサイクルの頻度が少ない船舶には、サイクル寿命が比較的短く、エネルギー密度が高いニッケルマンガンコバルト酸化物バッテリーの方が適している可能性があります。 バッテリーのコストがさらに削減されるまで、電動化はおそらく小型の短距離船舶に限定されることを考慮して、LFP バッテリーの使用をモデル化します。

ほとんどの船サイズクラスおよび短距離から中距離の航路に沿ってバッテリーシステムを収容するには、最小限の積載量を再利用する必要があることがわかりました。 世界の船隊の平均的なコンテナ船を代表する小型ネオ・パナマックス・コンテナ船の場合、バッテリー・システムに必要な容積は、現在 3,000 km 未満の航路の ICE および燃料タンクに割り当てられている容積よりも少なくなります。 この船級でモデル化された最長 20,000 km の航路の場合、バッテリーは 2,500 個の 20 フィート等価ユニット (TEU) スロット、または船の積載量の 32% を占有することになります。 補足表 1 は、各船級に使用される基準値を示しています。 図 1 は、0 ～ 22,000 km の航路にわたる 8 つのモデル化された船舶クラスについて、BES システムに割り当てられた船舶の輸送能力の割合を、現在および近い将来のバッテリー エネルギー密度とともに示しています。 積載量が増加すると、積載量の総体積のうちバッテリーが占める割合が減少することがわかりました。これは、大型船の方が積載量単位あたりのエネルギー必要量が通常より低いためです43,44。

バッテリーの充填率を 0.76、放電深度を 80% と仮定して、ICE 船のエンジンと機械スペースを組み合わせた体積をモデル化します。 線の太さは、船舶の運搬能力の増加を示します。 約 1,000 TEU の容量を持つ小型フィーダーがモデル化された最小の船舶であるのに対し、約 18,000 TEU の容量を持つ超大型コンテナ船が最大です。 a. ベースライン シナリオの結果、バッテリー エネルギー密度は 470 Wh l−1 になります。 このシナリオでは、航海距離が 1,300 ～ 2,000 km 未満の場合、バッテリーの容積は既存の ICE 機械スペースの容積よりも小さくなります。 船の容量が増加するにつれて、バッテリーシステムの容量がTEUの失効に与える影響は減少します。これは、フィーダー船よりも積載量とエネルギー消費を最適化する超大型コンテナ船設計の革新を反映しています。 b. バッテリーエネルギー密度 1,200 Wh l−1 の結果。 この近い将来のシナリオでは、船の種類にもよりますが、最大 2,000 ～ 5,000 km の航海において、積載量の純変化はプラスになります。

通常の港湾運営を中断することなく、バッテリー電気コンテナ船の大規模なエネルギー要件（たとえば、航路 5,000 km の小型ネオパナマックス コンテナ船の場合 6,500 MWh）を満たすには、メガワット規模の充電インフラが必要になります。 港での平均待ち時間と停泊時間を足したものは、1,000 ～ 3,000 TEU のコンテナ船で 31 時間、10,000 ～ 20,000 TEU の最大クラスのコンテナ船では 97 時間です45。 利用可能な寄港時間内に充電するために必要な充電器容量は、10,000 km 未満の航海のすべての船級で 300 MW 未満です。 220 MW の充電器は 7,650 TEU の小型ネオパナマックス コンテナ船を 24 時間で充電できると推定しています。 より大きなバッテリー容量が必要な長期航海の場合、ホルムズ海峡、パナマ運河、マラッカ海峡など、定期的に船舶が通過を待つために数日間列をなす世界的な輸送のチョークポイントにオフショア充電インフラを戦略的に配置することができます。

ABB、Cavotec、Mobimar、Zinus、Stemmann–Technik の手動および自動プラグを含む、陸地と船のインターフェース用の多数の接触ベースのオプションがすでに市販されており、非接触誘導充電ソリューションは現在開発中です46。 充電ステーションを港のターミナルや沖合に設置すると、船舶がバースの割り当てのために並んでいる間に充電できるようになります。

港湾運営の最適化された高スループットの性質（平均バース利用率は通常 50% を超える）により、充電インフラの高利用とそれに伴うコスト削減がサポートされます45。 トラック 40 と電車 47 に使用される方法を適用して、送電レベルで相互接続された 300 MW 充電ステーションの平準化コストは、ハードウェア、設置、系統相互接続、年間運用保守コストを含め、50% 使用率で 0.03 kWh−1 米ドルと見積もっています。システムの寿命全体にわたって48。

私たちは、航海距離ごとにキロメートルあたりの TCP を計算することにより、バッテリー電気コンテナ船の経済的実現可能性を、硫黄含有量 0.5% の超低硫黄燃料油 (VLSFO) を燃料とする低速 2 サイクル ICE 船の経済的実現可能性と比較してテストします。 どちらのタイプの船についても、燃料費、運航費、保守費に加え、直接燃焼または系統電力による NOx、SO2、CO2 排出量の環境コストも計算します。 バッテリー電気船舶の場合、元のバッテリーセットと交換用バッテリーセットのコスト、バッテリーシステムへのTEUの没収の機会費用、および充電装置の平準化コストが含まれます。 バッテリーエネルギーシステムの追加コストを個別に計算するため、推進システムが船舶の新建造コストのほんの一部を占めるに過ぎず、船舶用ICEと比較して電気モーターのコスト優位性が低いことを考慮して、船舶の資本コストは省略します。

ベースラインシナリオでは、バッテリー電気船の TCP は、航海距離が 1,000 km 未満で 8,000 TEU を超える船級の場合に限り、現行の ICE 船の TCP よりも低くなります（参考文献 5、40、47、49、50）。 。 航海が長くなると、バッテリーシステムの追加コスト、電力要件の増加、充電インフラストラクチャーが、燃料切り替えによる節約や直接電化による効率の向上を上回ります。 ただし、NOx、SO2、CO2 の環境コストを考慮すると、米国の送電網の排出強度に比べて HFO の排出率が高いため、費用対効果の高い航続距離はすべてのサイズ クラスで 5,000 km に増加します。

近い将来のシナリオでは、バッテリー電気輸送の TCP は、すべての船級において、航続距離約 3,000 km の現行の ICE 船の TCP よりも低くなります。 環境コストを含めると、この航続距離は小型船の場合は 6,500 km、最大クラスの船では最大 12,000 km まで拡大されます。 ただし、これらの長距離航続は費用対効果が高いものの、バッテリーの重量により船舶の喫水が安全な運航パラメータを超えてしまうため、船舶の設計を大幅に変更することなく完全電化の候補となる可能性は低いです。 鉄鉱石船などのばら積み貨物船の重量と喫水の制限がコンテナ船よりもはるかに高いという事実は、船の設計を変更することで追加の重量と喫水に対応できる可能性を示しています。

図 2 は、香港から上海までの 1,565 km の航海にわたる世界の艦隊の平均的な船舶を表す、7,650 TEU の小型ネオパナマックス船舶のベースラインおよび近い将来のシナリオにおける TCP 分析を示しています。 図 3 は、小型ネオ パナマックス船の TCP と航海長の関係を示しています。 この結果は、充電インフラの利用率、バッテリーパックのコスト、バッテリーエネルギー密度をベースラインから近い将来の値に改善することによって、TCP が改善され、達成可能な範囲が向上したことを示しています。 図 4 は、環境コストを除いた、すべてのモデル化された航海距離にわたるすべての船舶サイズ クラスの ICE 船舶とバッテリー電気船舶の TCP の差を示しています。

7,650 TEU のネオ パナマックス船が 1,565 km の航海をモデル化しました。 a, ベースライン シナリオにおける ICE シップの TCP。 b. ベースライン シナリオにおけるバッテリー電気相当物の TCP。 c、d、近い将来のシナリオにおける ICE (c) およびバッテリー電気船舶 (d) の TCP。 色付きのバー (ICE の場合は赤、バッテリー電気の場合は青緑) は環境以外のコストを示します。 灰色のバーと破線は、NOx、SO2、CO2 に起因する環境被害を示しています。 環境被害を考慮していないベースラインシナリオでは、バッテリーシステムと充電インフラのコストが燃料切り替えによる経済的利益を上回っており、バッテリー電気式のTCPはICE TCPよりも39km−1高いことになる。 ベースライン シナリオでは、バッテリーのコストが 100 kWh-1 米ドル、バッテリーの体積エネルギー密度が 470 Wh l-1、充電ステーションの利用率が 50%、卸売電力価格が 0.035 kWh-1 米ドル、HFO コストが 0.048 米ドルと想定されています。 kWh−1 (US$538 t−1 に相当); 近い将来のシナリオでは、HFO コストは 840 トン -1 (CO2e に対する 1 トンあたり 100 米ドルの税に相当)、バッテリー コストは 50 kWh-1 米ドル、バッテリー エネルギー密度は 1,200 Wh l-1、充電インフラストラクチャとなります。 70% の利用率により、バッテリ電気 TCP は ICE TCP よりも 52 km−1 米ドル低くなります。 環境被害を考慮すると、バッテリー電気船の TCP の利点が劇的に高まります。

赤と青緑の線は、それぞれ ICE またはバッテリー電気容器の TCP を示します。 破線は近い将来のシナリオを表します。 星印は、ベースラインシナリオと近い将来のシナリオの両方で、バッテリー電気船舶が ICE 船舶と同等になるポイントを示します。 ベースライン シナリオでは、バッテリー電気船の TCP は、1,000 km 未満の距離では ICE 船の TCP よりも低くなります。 近い将来のシナリオでは、0.027 kWh−1 米ドルに相当する HFO コストの増加により、最大 3,300 km の範囲にわたるコストの同等性が可能になります。 HFO 価格の上昇がなければ、近い将来のシナリオでは航続距離は 2,000 km に増加します。 バッテリーエネルギー密度の向上は、バッテリーシステムを収容するための船舶の積載能力から失われる容積を減少させることにより、バッテリー電気船舶の TCP にわずかな改善をもたらします。 資本コスト 64 km-1 は、運営費の大きさを説明するために灰色の帯として示されています 79。 垂直の破線はルートの例を示しており、ベースライン シナリオでも、より短い地域内ルートを航行する船舶が電化に最適であることを示しています。

a、b、ベースライン (a) シナリオと近い将来 (b) シナリオ。 TCP には環境コストは含まれません。 正の値はバッテリー電気船の TCP が同等の ICE の TCP より低いことを示し、負の値は ICE TCP が低いことを示します。 TCPの差は、より大きな船級ほど大きくなり、大陸間航路で大型コンテナ船を費用対効果の高い方法で電動化することの難しさを示していますが、短距離から中程度の域内航路でバッテリー電気船を段階的に導入することの潜在的な経済的利益も示しています。

長距離にわたるバッテリー電気船とICE船のコスト同等性を実現するための主な制約は、バッテリーのコストです。 大西洋または太平洋を航行できる航続距離 10,000 km のバッテリー電気船が、再充電せずにコスト効率よく航行できるようにするには、バッテリーの価格が 20 kWh −1 ドルに達する必要があります。 現在の商用リチウム電池技術や全固体電池などの新興技術は、これらの電池に使用される材料のコストを考慮すると、ここまで低下するとは予測されていません51。 ただし、低コストの材料を使用して長期保存用途向けに設計されたバッテリー技術は開発中です。 たとえば、鉄空気電池は、現在のリチウムイオン電池の数分の一のコストで同等のエネルギー密度を提供し、コスト競争力のある長距離輸送への道を提供する可能性があります52。

2019 年には推定 42 兆 3,000 億 TEU (世界貿易の 40%) が域内航路を通過しました53。しかし、1968 年の間にコンテナ船の平均輸送能力が 1,100% 増加したことを含め、最近のコンテナ船物流の傾向と貿易の地域化54 を考慮すると、この割合はおそらく過小評価されています。この業界のコンテナ船巨大化傾向は、大容量の巨大コンテナ船がハブからハブへ長距離にわたって商品を輸送する、ハブ・アンド・スポーク・モデルの貿易を促進している54。 目的地のハブからは、多数の小型フィーダー船がコンテナを地方の小さな港にある最終目的地まで輸送します。 これらのフィーダー船のほぼすべてが電化できる短い航路を通過するため、地域内の貿易統計が示唆する潜在力をはるかに超えてバッテリー電気コンテナ船の採用が増加する可能性があります。 図 5 は、世界で最も接続性の高い 10 の港を示しています。これらはすべて長さ 5,000 km 未満の域内ルートです2。 さらに、フィーダー船は、より大きな容量の船よりも平均して古く、多くの船が耐用年数の終わりに達しつつあります56。 硫黄含有量を制限する 2020 年の IMO 規制は、おそらくこれらの燃料効率の悪い船舶の早期廃棄につながり、バッテリー電気モデルが艦隊に参入する機会を生み出すでしょう 57。

UNCTAD の定期船二国間接続指数は、二国の港が海上貿易によってどの程度接続されているかを定量化します。 この指数は貿易指標に基づいており、A 国から B 国に移動するために必要な積み替えの最小回数、国間の共通の直接第三国接続の数、直接接続の数、競争のレベルが含まれます。国ペアを接続する海運サービスの数、および国ペアを接続する最大の船舶のサイズ92。 接続性は、5,000 km 未満の短い地域内ルートで最も強くなります。

コンテナ船は、標準化された貨物と容積依存性を備えているため、バッテリー電気輸送の技術経済を理解するのに役立ちますが、海上輸送の総排出量の 23% にすぎません58。 より大きな排出量削減を達成するには、石油タンカー、ばら積み貨物船、一般貨物船、クルーズ客船など、追加の船舶の種類を電動化する必要があります。 このうち、ばら積み貨物船と石油タンカーの排出量が最も大きいと思われます。 コンテナ船とは異なり、これらの船種の一部は主に容積ではなく重量によって制限されます41。 したがって、重量によるエネルギー密度は、これらの船に電力を供給するバッテリーの重要な技術パラメータです。 同時に、一部のばら積み貨物船や石油タンカーは、最大 400,000 トン（最大のコンテナ船の 2 倍以上の重量）を運ぶように設計されています59。

航続距離 5,000 km のドライバルクキャリアの場合、現在のバッテリー技術ではバッテリー システムが船重量の 5 ～ 6% を占め、2030 年までにエネルギー密度の増加が予測される場合には 3 ～ 4% を占めると推定されています28,41,60。 船舶がその重量制限でどの程度運航されるか、重量積載能力の喪失による機会費用、船舶の重量積載能力のわずかな増加に伴うコストなどの要因によって、バッテリー重量がこれらの種類の船舶の経済性に与える影響が決まります。

バッテリー電気コンテナ輸送は、直接燃焼による排出をすべて排除し、港や世界の貿易レーンに近い地域社会における局地的な大気汚染とそれに関連する健康への影響を大幅に改善するでしょう61。 ただし、ライフサイクル排出量の削減は、送電、配電、充電の損失だけでなく、電源の汚染強度にも依存します。 HFO または VLSFO で低速ディーゼルエンジンを搭載した小型ネオパナマックスコンテナ船とバッテリー電気船の CO2、NOx、SO2 排出強度を、現実的な航跡から航行までの排出強度の範囲にわたって比較します (図 1)。 6)。 入力タンクから航跡までの排出係数 (g kWh−1) には、送電、電力変換、海岸側の貯蔵および電気モーターの損失に起因する下流損失が含まれます。 バッテリー電気船舶は、ブラックカーボンの直接排出も排除することになるが、これは、積雪アルベドの減少と氷融解の促進におけるブラックカーボンの役割が実証されていることから、北極海で運航する船舶のかなりの割合にとって特に懸念事項である62。

x 軸は、バッテリー電気容器に電力を供給する電力網の井戸から覚醒までの強度を表します。 y 軸は、7,650 TEU の小型ネオパナマックス船の排出強度を表します。 赤とオレンジの線は、それぞれ HFO 燃料と VLSFO 燃料のコンテナ船を表します。 青いくさびはバッテリー電気船からの排出量を表しており、グリッド排出量の強度によって異なります。 a, CO2 排出削減量はグリッド炭素強度に依存することを示します。 サウジアラビアの炭素集約型送電網で充電されたバッテリー電気船舶は、HFO 燃料船舶に比べて CO2 排出量が 46% 増加します。 米国と英国のよりクリーンな送電網は、HFO と VSLFO に比べて、それぞれ CO2 排出量を 14 ～ 16%、51 ～ 52% 削減します。 b. 米国で充電されたバッテリー電気船舶は、VLSFO および HFO と比較して、それぞれ 86% および 97% の SO2 排出削減を達成できることを実証します。 中国の石炭依存送電網で充電されたバッテリー電気船は、VLSFO と比較して 4%、HFO と比較して 77% の SO2 削減を実現します。 c. NOx については、米国で充電されたバッテリー電気容器は、VLSFO と HFO に比べてそれぞれ 83% と 96% 削減されます。 中国で充電された船舶は、VLSFO と比較して 42%、HFO と比較して 88% の NOx 排出量削減を実現します。 再生可能エネルギーの普及により、排出削減量は急速に改善されます。 100% 再生可能エネルギーで充電された船は、下流での排出を排除します。

炭素排出量と大気汚染物質の削減は、船舶が充電されるグリッドの発電マトリックスに大きく依存します。 平均グリッド炭素強度が 535 g CO2 kWh−1 であると仮定すると（送電、変換、モーターの非効率損失を含む）、米国の港で充電されたバッテリー電気コンテナ船は約 0.78 g CO2 km−1 を生成します（参考文献 63）。 これは、それぞれ約 0.93 および 0.91 CO2 km-1 を生成する HFO および VLSFO から 16% の削減です。 バッテリーの電動化により、米国ではキロメートルあたりの SO2 排出量が VLSFO より 86% 削減されますが、中国ではわずか 4% の削減にとどまります64。 NOx 排出量は、米国および中国の港で充電される船舶の場合、VLSFO に比べてそれぞれ約 83% および 42% 削減されます。 これらの調査結果は、バッテリー電動化による排出削減の可能性を最大限に活用するには、充電インフラと併置された再生可能エネルギー発電を組み合わせる必要があることを示しています65。

私たちは、再生可能電力で動くバッテリー電気船が、地域内および内陸航路における船舶の排出量を削減するための短期的な道筋を提供することを示します。 バッテリー価格が 100 kWh −1 の場合、バッテリー電気コンテナ船の TCP は、環境や健康への被害のコストを考慮せずに、1,000 km 未満の航路で同等の ICE の TCP よりも低くなります。 HFO の環境コストを内部化するための政策支援と、50 kWh−1 米ドルという近い将来のバッテリー価格により、5,000 km を超えるルートを費用対効果の高い方法で電化することができます。 今後の研究では、中間再充電の機会がバッテリー電動化の全体的な経済性にどのような影響を与えるかを検討する必要があります。 船舶が航行中の別々の地点で充電できれば、バッテリーのコスト、没収されたTEU、バッテリー重量による追加のエネルギー要件がそれぞれ減少し、長距離航行が経済的に実現可能になる可能性があります。

直接電化経路は、電子燃料と比較してより高い効率を活用できるだけでなく、将来のコスト削減や、道路輸送や定置式貯蔵庫への大規模なバッテリー導入によって促進されるバッテリー技術の改善を活用することができます66。 コンテナ輸送物流の戦略的調整は、バッテリー電気船が直面する航続距離の課題に部分的な解決策を提供し、長距離の大洋横断ルートの電化を促進する可能性があります。 スエズ運河、ジブラルタル海峡、マラッカ海峡、喜望峰などの主要な海上の難所は、長距離船舶が航行の待機中に沖合で充電する機会を提供します。 最長の航海をいくつかのセグメントに分割することで、世界の海上貿易の大部分の電化が促進される可能性があります。 港や海運貿易ルート沿いのオフショア充電は、充電ステーションと再生可能発電源の併置を促進し、直接排出を排除し、航続距離の制約を緩和する可能性がある。 世界の船舶交通量の 3 分の 2 は、風力発電の可能性が最も高い海岸から 370 km 以内で発生しています67,68。 さらに、洋上風力発電のコストは 2050 年までに 37 ～ 49% 低下すると予想されており、2015 年の予測69を 50% 上回っています。

電動化は、世界的な可用性とコスト競争力に加えて、代替電子燃料に比べていくつかの利点をもたらします。 同じ出力定格の場合、電気モーターの資本コストと体積は、通常、ICE の資本コストと体積よりも小さくなります 29,70。 したがって、推進システムのオーバーホール中に既存の船舶を電動ドライブトレインに改造またはハイブリッド化することは技術的にも経済的にも実行可能であり、世界の船舶の電動化を加速する可能性があります。 二元燃料機能を持つことの利点の 1 つは、これらのバッテリー電気船が、電力供給の中断につながる、ますます一般化している異常事態の際に、大規模な緊急バックアップ発電所として機能できることです。 たとえば、この論文でモデル化されているバッテリー電気船の蓄電容量は 5 ～ 10 GWh です。 これと比較すると、極度の熱波で80万人以上の顧客が停電した2020年のカリフォルニア州停電の原因となった発電不足は、5GWh未満であった71。

私たちの分析は、バッテリー技術の急速な進歩により、海運業界の脱炭素化において直接電化が重要な役割を果たす可能性があることを示唆しています。 直接電化は技術的に実現可能でコスト効率の高いゼロエミッション輸送の手段となっていますが、商業展開するにはいくつかの課題に対処する必要があります。 バッテリー電気船の運航コストは従来の船よりもはるかに低くなりますが、主にバッテリーのコストにより初期費用がはるかに高くなります。 初期費用の増加に対処するには、革新的な資金調達とビジネス モデルが必要です。 船舶の充電をサポートするには、数百メガワットの容量を持つ送電接続型充電ステーション（大規模な送電網接続型蓄電施設と同様）を建設する必要があります。 従来の船舶による環境へのダメージがこれらの船舶の推進コストよりも桁違いに大きいことを考慮すると、デモンストレーションや規制に対する金銭的インセンティブなどの政策は、ゼロエミッション船舶への移行を支援する上で重要な役割を果たすことになります。

ICE コンテナ船とそのバッテリー電気類似物のエネルギー要件は、船のサイズと航海距離によって異なります。 過去の研究では、通常の航路に沿った特定の現実の船を研究することで、この分析に取り組んできました28、29、30。 このアプローチにはデータの可用性という点で利点がありますが、重要な制限は、航路の長さと積載量が異なる同様の船舶に結果を一般化できることです。 船のサイズクラスと航路の長さに対するモデリングの感度を向上させるために、8 つのコンテナ船のサイズクラスを指定し、中国の上海から韓国の釜山までの 911 km の航海に及ぶ 13 の主要な世界貿易ルートにわたるエネルギー需要、排出量、経済性をモデル化します。 、中国の上海からブラジルのサントスまでの20,476kmの大西洋横断航海へ。

2 つの技術経済シナリオを定義します。 ベースライン シナリオでは、体積電池エネルギー密度 470 Wh l−1、電池コスト 100 kWh−1 米ドル、HFO コスト 0.048 kWh−1 米ドル、充電インフラ使用率 50% 相当の近い将来の技術状態を考慮しています。 0.029 kWh−1 米ドル、電気料金は 0.035 kWh−1 米ドルです。 近い将来のシナリオでは、バッテリーコストが 50 kWh-1 米ドル、体積エネルギー密度が 1,200 Wh l-1、充電インフラ使用率が 70%、または充電インフラの平準化コストが 0.021 kWh-1 米ドルであると想定しています。

船が出発港と目的地の両方で充電できると仮定すると、バッテリーの定格エネルギーは、各片道の航海全体に電力を供給するのに十分な大きさでなければなりません。 各船舶用エンジンは、連続運転時の最大出力を表す SMCR を使用して設計されています。 巡航中であってもエンジンが最大出力で作動することはほとんどないため、平均出力はSMCRよりも低くなります。 エンジン負荷率は、通常の運航中の船舶の平均出力と SMCR の比を表し、船舶の平均速度と最大設計速度の 3 乗比として推定できます。 船舶用エンジンメーカーの MAN Diesel Turbo は、ホルトロップとメネンの出力予測計算法 72 に基づいて、コンテナ船の SMCR と最高設計速度の値を公表しています。 低速航行によるエネルギー節約だけでなく、操縦中やホテル滞在中の追加のエネルギー要件も無視されています。 航海時間は航路の長さと平均速度によって異なります。 平均速度は設計速度の 80% に固定されており、7,650 TEU 以上の船舶では 37 km h−1 (20 ノット) に相当します。 補助エンジン出力の必要性は、ポート排出インベントリのベスト プラクティス 1 あたり推進エンジン出力の 22% であると想定されます73。 方程式 (2)38 に従って、バッテリー電気船舶の BES システムの重量からの追加の変位によって生じる抵抗を考慮するために、海軍法荷重係数を使用します。 設計喫水、最大喫水、船舶の長さ、船舶の幅は MAN Diesel Turbo から取得され、置換された水の重量が船の重量に等しいというアルキメデスの原理に基づいて、バッテリー重量から喫水の変化に変換するために使用されます。船72。 ICE タンクから航跡までの効率を 50%、電気モーターとインバーターの効率をそれぞれ 95% と仮定します28。 バッテリーは、ICE 相当品と比較して効率が 80% 向上しており、これはバッテリー電気船に必要な総エネルギーが 30% 減少することになります。

1 日あたりの HFO 燃料消費量は、コンテナ船の燃料消費量の実証研究から得られます74。 コンテナ船には 1 日の航海に十分な燃料が積まれていると仮定します。 船舶は燃料補給後数日間燃料を運ぶことが多いため、実際にはこの数字はおそらくさらに高くなるでしょう。 BES および推進システムの質量と体積は、バッテリー システムの総エネルギー需要 (電気推進による効率向上を含む) に、シナリオに応じてバッテリーの想定される体積エネルギーまたは比エネルギーを乗算したもので、バッテリーの充填率は 0.76 です。放電深度 80%。 当社では、既存の機械および燃料保管スペースを超える BES システムの容積を標準の 2.6 m × 2.4 m × 6.1 m TEU に換算することで、TEU の損失を計算します。 バッテリー電気船舶の出力推定値を修正するために使用される重量の正味の変化は、バッテリー システムと電気推進システムの重量 (ICE 推進システムの重量の 50% と想定) から燃料貯蔵庫と電気推進システムの重量を差し引いたものです。 ICE エンジンでは、平均負荷 TEU 重量が 28.2 t であると仮定して、バッテリー エネルギー システムに割り当てられる TEU の重量が減ります (参考文献 75)。 ICE システムの重量と体積は、29 によって開発された相関関係に基づいています。

私たちは、TCP フレームワークを通じて経済的実現可能性を定量化します。これにより、バッテリー電気コンテナ船が、IMO の硫黄排出規制に準拠するための船内スクラバー システムを備えた HFO を燃料とする 2 ストローク ICE を備えた基準船と比較されます。 従来の船舶のコスト要因には、上記のようにシナリオによって異なる HFO コストと、定期修理、定期メンテナンス、最近の IMO 硫黄排出基準に準拠するためのスクラバー システムの運用を含む運用および保守コスト (推定 5 米ドル) が含まれます。 MWh−1)、人件費、保険料、港湾使用料などのその他の海運運営経費は含まれません76。 これらの経費は、業界のベンチマークと学術研究に基づいて作成されています77,78。

バッテリー電気 TCP モデルでは、電力コスト、TEU の没収、BES システムのオリジナルおよび交換にかかる追加の資本コスト、運用と保守、および充電インフラストラクチャの平準化コストが考慮されます。 バッテリー費用は、前払いバッテリー資本費用と船舶の耐用年数 (25 年間) にわたる交換費用の一律の年間支払額として定義されます 79。 LFP バッテリーは、5,000 サイクルまたは 20 年のいずれか早い方で交換が必要になると想定されています39,40。 バッテリーの廃棄コストは、バッテリーがセカンドライフ用途に使用されるという仮定に基づいて無視されます80。 バッテリーの資本コストは新造船の資本コストに追加されると想定されており、バッテリー電気式と ICE の両方のタイプの新造船コストの組み込みを無視できます。 船舶の新建造資本コストに比べて船舶用エンジンのコストが比較的低いことを考慮すると、この仮定は合理的かつ保守的です。 この研究は新造船の場合のみを想定しており、改修コストは考慮していませんが、船舶の改修によるバッテリー電化の経済性は将来の研究の重要な分野です。

バッテリー電気船の運用および保守コストは、電気自動車の節約に見合って、船上のスクラバーの運用費用を除いて、ICE 相当の 50% であると仮定します81。 TEU の没収として特徴付けられる経済的ペナルティまたはクレジットは、ICE 船のベースラインと比較したバッテリー システムの容量要件に基づいて増加または損失した収容力を考慮するために、TCP 分析に含まれています。 TEU で定量化された物量差には、往復航海の少なくとも 1 行程の輸送能力が十分に活用されていない世界貿易フローの不平等を考慮して、貿易レーンの運賃を乗算し、半分で割った値が計算されます56,82。 補足表 2 は、TCP モデルへのデータ入力をまとめたものです。

私たちは、電車 40 とトラック輸送 47 に関する以前の研究を応用して、メガワット規模の充電インフラの平準化コストと電気コストを推定します。 当社では、2017 年から 2019 年までカリフォルニア独立系事業者 (CAISO) が公表した過去のリアルタイム価格に基づいて、0.035 kWh−1 米ドルの電気料金を使用しています83。この価格には、発電コストとカリフォルニアの再生可能ポートフォリオ基準への準拠が含まれています。 、直接アクセス顧客に適用される CAISO 料金、デマンド料金、および適用される配送料金。 充電インフラのコストには、ハードウェアのコスト、グリッド接続料金、運用保守費用、設置コストが含まれます。 補足図 1 は、均等化された充電インフラストラクチャのコストの合計を構成するコンポーネントの概要を示しています。

環境コストが提示される場合、NOx と SO2 の限界費用はそれぞれ 13,000 トン-1 米ドルと 24,000 トン-1 米ドルと仮定されます84。また、炭素の社会的コストは米国環境保護庁の基準に沿って 43 トン-1 米ドルと想定されます。規制ガイドライン85. 注目すべきことに、この値は摂氏 1.5 度以下に保つのに十分であると考えられる値の約 3 分の 1 です86。

バッテリー電気コンテナ輸送の潜在的な環境への影響を定量化するために、補足表 3 に記載されているように、低速 2 ストローク ICE 船のタンクから航跡までの公表されている CO2、NOx、SO2 排出係数を使用します。排出原単位は次のとおりです。バッテリー電気の小型ネオ・パナマックス・コンテナ船のエネルギー消費量（キロワット時）を掛けることで、キロメートル当たりの強度に変換されます87,88。

バッテリー電気船舶の排出量を推定するために、複数の国から得た実際のグリッド排出係数の範囲にわたってタンクから航跡までの排出量強度を計算します63。 グリッド強度からタンクから航跡までの排出強度に変換するには、5% の送配電損失、10% AC/DC 電力変換損失 89、5% DC/AC 変換損失 28、および 5% の電気モーター効率損失 28 を適用します。 各国の計算されたタンクから航跡までの炭素排出量を補足表 4 に示します。推定値には大きなばらつきがあるため、バッテリー生産からの排出量は除外しています。推定値は、主要材料が採取される場所と潜在的な使用済みリサイクルの機会によって異なります90。 代替燃料との直接比較を確実にするために、我々は井戸から航跡までの排出係数ではなく、タンクから航跡までの排出係数を使用します91。

この研究の分析を再現するために必要なすべてのデータと仮定は、この公開された論文とその補足情報に含まれています。

この原稿で示されている数値の基礎となるソースコードとデータは、https://doi.org/10.5281/zenodo.6594089 で入手できます。

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原稿の準備にご協力いただいた J. Zuboy に感謝します。 私たちはまた、米国運輸省海事局の担当者からの洞察にも感謝します。 NP と AP は、この研究に対してヒューレット財団から補助金番号 2 で資金提供を受けました。 2019–9467。

エネルギーおよび資源グループ、カリフォルニア大学バークレー、米国

ジェシカ・カーシー

ローレンス・バークレー国立研究所、エネルギー技術分野、エネルギー分析および環境影響部門、米国カリフォルニア州バークレー

ナタリー・D・ポポビッチ＆アモル・A・ファドケ

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JK はモデルを開発し、分析を実施し、草稿を書きました。 AP はプロジェクトを発案し、資金を確保し、原稿をレビューしました。 NP は充電インフラストラクチャ用の入力データを提供し、原稿の一部を執筆しました。

Amol A. Phadke への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

Nature Energy は、この研究の査読に貢献してくれた Stephen R Turnock と他の匿名の査読者に感謝します。

発行者注記 Springer Nature は、発行された地図および所属機関の管轄権の主張に関して中立を保っています。

補足表 1 ～ 4、図 1、および参考文献。

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転載と許可

Kersey, J.、Popovich, ND & Phadke, AA バッテリーコストの急速な低下により、完全電気による地域間コンテナ輸送の見通しが加速しています。 Nat Energy 7、664–674 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41560-022-01065-y

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受信日: 2021 年 8 月 27 日

受理日: 2022 年 6 月 1 日

公開日: 2022 年 7 月 18 日

発行日：2022年7月

DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-022-01065-y

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自然 (2022)