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クリーンエネルギー/エネルギー革新白書2021年版 PDF版

[出版日]

2021年10月15日

[ページ数]

A4判/約450ページ
(※ バインダー製本とPDF版では編集上の違いによりページ数が若干異なります。)

[発行]

監修・発行: 一般社団法人 次世代社会システム研究開発機構


[レポート内容]

■概要■

近年、再生可能でクリーンなエネルギー資源が注目されている。温室効果ガスの排出量を低減する「脱炭素化」に向け、さまざまなエネルギー分野で、クリーンなイノベーションに向けた技術開発が進められている。天候などによって発電量が左右される再生可能エネルギーを補完・強化する意味でも、次世代クリーンエネルギーの開発が重要なテーマとして認識・共有されている。

例えば、本報告書で取り上げている水素は大きな可能性を秘めたクリーンなエネルギー源のひとつである。水素は、地球温暖化係数がゼロのエネルギーであり、水素を利用した燃料電池(FC)は、自動車や家庭、企業など幅広い用途に利用することができる。

水素は、大量の電気を長時間蓄えることができ、長距離の輸送、燃料電池を使ったコージェネレーション、燃料電池自動車や燃料電池バスなどの移動体、CO₂フリーの水素供給システムなどさまざまな用途に利用することができる。

また、CO2フリーのアンモニアを燃料とするガスタービンやボイラーなどの燃焼技術は発電分野のCO2排出量削減に大きく貢献することから、大きな注目を集めている。

また、次世代原子力は、発電に限らず、工業、医療、農業、科学などさまざまな用途があり、これらの用途において求められている革新的な技術群ならびにそこで期待される効果も多様である。

政権中枢に原発推進派を積極登用している岸田政権では、原発再稼働が既定路線となってきているなかで、再生可能エネルギーとの共存や新技術と最先端のエンジニアリングを駆使した小型原子炉の推進、熱エネルギーの利用、遠隔地でのエネルギー源といった多様なニーズにこたえる原子力技術のイノベーションが進行中である。世界的にもこれまでにない規模で原子力技術への挑戦が繰り広げられている。

また、これまでのもろもろ電力事業は、電力の供給側である発送電分離が中心であったが、今後は、電力取引事業や顧客基盤を持つ小売事業などの需要側にも進出することで、供給側を含めたバリューチェーン全体の価値向上、エネルギー革新による全体の事業価値向上策が求められている。

その他、蓄電池発電、全固体電池、分散型発電などクリーンエネルギー/エネルギー革新は日本企業が得意とする技術やノウハウが集積されている分野であるだけに、さまざまな先進技術、先端材料の研究開発が進められている。全固体電池は、自動車以外に、ペースメーカー、RFID、およびウェアラブルデバイスでの利用が期待され、内外で注目を集めている。

そこで、本調査報告書(白書)では、クリーンエネルギー/エネルギー革新に纏わる以下の重点テーマを取り上げ、解説している。

● クリーンエネルギーとイノベーションの創出
● 水素エネルギー
● 水素燃料電池
● 次世代二次電池/蓄電池発電
● 全固体電池
● 次世代原子炉/核融合発電
● エネルギー・エコシステム/エネルギー・インターネット
● 分散型発電/分散型エネルギー/マルチサイト一括エネルギーネットワーク
● 次世代コージェネレーション
● 次世代エネルギーハーベスティング
● 次世代発電技術/発電インフラ
● 産業界におけるエネルギー管理

■内容編成(目次)■



第1章 クリーンエネルギーとイノベーションの創出

1-1 概説
1-2 ソサエティ5.0と次世代エネルギーシステム
1-3 投資サイクルによる次世代電力システムの構築


第2章 水素エネルギー

2-1 概説
  [1] 概要
  [2] 基礎原理
  [3] 水素エネルギーは、自動車から発電所まで用途が広がっている。
  [4] 水素エネルギーでエネルギーを安定化させる仕組み

2-2 これまでの開発経過
  [1] COG
  [2] GTL(ガスツーリキッド)/DME(ジメチルエーテル)
  [3] 高温型燃料電池(MCFC)
  [4] 固体高分子電解質ステーション
  [5] 固体電解質型燃料電池(SOFC)
  [6] 太陽電池による水素製造
  [7] 固体高分子形燃料電池(PEFC)

2-3 カーボンニュートラルな燃料としての水素
  [1] 概説
  [2] 効果
  [3] 製造から利用へのプロセス
  [4] 実証プロジェクトと商業開発
  [5] 技術動向

2-4 推進動向
  [1] 日本政府 「水素・燃料電池戦略ロードマップ」
  [2] 経済産業省 「2兆円の基金を活用し、水素還元鋼"の開発を後押し」
  [3] 2040年に化石燃料を代替する水素燃料電池の技術革新が進む
  [4] 水素ステーション整備促進プロジェクト
  [5] 水素で広がるスマートシティ

2-5 課題
  [1] 水素利用拡大に向けた課題
  [2] スケールアップや技術開発によるコスト低減
  [3] インフラ整備、ルールの標準化、炭素税などの社会受容
  [4] 水素サプライチェーン実現に向けた課題
  [5] 水素の長距離大量輸送とその課題

2-6 水素技術の応用
  [1] エネファーム
  [2] 低圧水素供給システム
  [3] 水素製造装置
  [4] コンバインドサイクル発電による水素サプライチェーンの構築
  [5] 持続可能なエネルギーキャリアである液化水素
  [6] 水電解設備による水素製造と需給バランス調整
  [7] 大規模水素吸蔵・輸送技術の開発

2-7 水素製造技術・利用技術・インフラの研究開発動向
  [1] 水素ステーション
  [2] 水素サプライチェーンの構築
  [3] 光触媒によるグリーン・ハイドロジェンの製造
  [4] 水素を風力発電でつくる「グリーン水素工場」

2-8 水素燃料電池の先端技術
  [1] 東芝 「水素燃料電池を小型化、製造コストを60%削減」

2-9 有力企業・団体動向
  [1] 電気事業連合会 「水素利用の推進について」
  [2] ENEOSホールディングス(株) 「CO2フリー水素の国際的サプライチェーン」
  [3] ENEOSホールディングス(株) 「水素ステーション整備推進プロジェクト」
  [4] 大阪ガス(株) 「オンサイト水素ステーション用小型水素製造装置」
  [5] (株)JERA 「水素・アンモニアサプライチェーンの構築」
  [6] 三菱重工業(株) 「水素焚きガスタービンの開発」
  [7] 東北電力「水素社会実現への取り組み」
  [8] 川崎重工業(株) 「水素発電技術の開発」
  [9] 東洋紡 「水素によるボイラーや自家発電設備の燃料転換」
  [10] 大成建設(株) 「ビルや街区での低圧水素供給システム」
  [11] 住友大阪セメント(株) 「光触媒によるグリーン水素製造」
  [12] 三菱重工業(株) 「高温ガス炉による水素製造」
  [13] 川崎重工業(株)「国際液化水素サプライチェーン」
  [14] (株)トクヤマ 「再生可能エネルギー・水素製造技術によるCO2削減・水素コスト削減モデルの構築」
  [15] 東京ガス(株) 「水素とメタネーション」
  [16] 千代田化工建設(株) 「大規模水素貯蔵・輸送技術 の開発」
  [17] 清水建設(株) 水素エネルギー利用システム「Hydro Q-BiC」
  [18] 東邦ガス(株) 「水素ステーション の設置・運営と 水素利用技術 の開発」
  [19] 出光興産(株) 「出光興産(株) 水素サプライチェーン実証プロジェクト」
  [20] 新日本製鐵(株) 「水素インフラ構築」
  [21] 帝人(株) 「水素圧力容器用炭素繊維」
  [22] パナソニック(株)  「水素圧力容器用高性能・低コスト炭素繊維」
  [23] 東レ(株) 「水電解による水素製造 で不安定な再生可能エネルギー発電に対応した電力系統の安定化」
  [24] 新日本製鐵(株) 「水素還元製鉄法によるゼロエミッション型製鉄プロセス」
  [25] 日本鉄鋼連盟 「水素還元製鉄技術等による『ゼロカーボンスチール』の実現」
  [26] 川崎汽船(株) 「世界初の液化水素運搬船」
  [27] 旭化成(株) 「カーボンフリー水素(グリーン水素)を供給できるアルカリ水電解システム」
  [28] 鹿島建設 「低炭素コンクリート」
  [29] 量子科学技術研究開発機構、東北大学などの研究グループ 「アルミニウムと鉄を組み合わせた合金による水素貯蔵技術」
  [30] JX日鉱日石エネルギー 「海老名中央水素ステーション」
  [31] 出光興産/大阪ガス/トヨタ他(10社) 「水素供給インフラの整備に関する共同声明」
  [32] ダイハツディーゼル株式会社 「外航船用の水素推進プラント」
  [33] 新日本理化 「EV駆動用オイル/水素添加技術」
  [34] 山王 「電気めっきを用いた水素透過膜」
  [35] 三浦工業三浦工業/グリーンプラネット 「量子水素エネルギー利用による産業用ボイラ実用化」
  [36] パナソニック 「水素と空気中の酸素で発電する純水素型燃料電池」


第3章 水素燃料電池

3-1 概説
  [1] 概要
  [2] 市場と経済性

3-2 燃料電池の種類、デザイン
  [1] 燃料電池の燃料
  [2] 構成要素
  [3] 燃料電池の種類の比較
  [4] 自動車用水素燃料電池

3-3 技術的課題
  [1] コスト
  [2] 温度管理
  [3] 水と空気の管理 (PEMFCの場合)

3-4 耐久性、耐用年数、セルの種類による特別な要件
  [1] リン酸型燃料電池(PAFC)
  [2] 固体酸型燃料電池(SAFC)
  [3] アルカリ燃料電池(AFC)
  [4] 高温型燃料電池
  [5] モルテン・カーボネイト型燃料電池(MCFC)
  [6] 蓄電型燃料電池

3-5 主要な燃料電池の効率
  [1] 理論上の最大効率
  [2] 実証実験

3-6 応用例
  [1] 電力
  [2] コージェネレーション
  [3] 燃料電池電気自動車(FCEV)
  [4] 燃料電池バス
  [5] 燃料電池フォークリフト(燃料電池リフトトラック)
  [6] 二輪車・自転車
  [7] 航空機
  [8] 燃料電池ボート
  [9] 潜水艦
  [10] ポータブル電源システム/マイクロ燃料電池

3-7 その他のアプリケーション
  [1] 分散型発電システム/非常用電源システム
  [2] 燃料補給ステーション

3-8 研究開発動向

3-9 有力企業・団体動向
  [1] パナソニック 「水素と空気中の酸素で発電する純水素型燃料電池」


第4章 次世代二次電池/蓄電池発電

4-1 概説
  [1] 次世代二次電池と再生可能エネルギー
  [2] 燃料電池の要素技術/燃料電池システムの普及のための各種部品
  [3] 二次電池技術開発ロードマップ
  [4] EVとリチウムイオン電池
  [5] リチウムイオン電池の研究・開発経過
  [6] リチウムイオン二次電池全固体化の動向(概況)
  [7] EVバッテリーシステムを巡る競争(経過・今後の展開)
  [8] 主要メーカーの戦略

4-2 リチウムイオン電池の環境負荷とリサイクル
  [1] 概説
  [2] 各種リサイクル技術

4-3 EV用バッテリーのタイプ別特性
  [1] 鉛蓄電池
  [2] ニッケル水素
  [3] ゼブラ(塩化ニッケルナトリウム)
  [4] リチウムイオン(リチウムポリマー)

4-4 主な次世代二次電池
  [1] 加速する次世代電源システムの開発
  [2] バイポーラ型ニッケル水素電池
  [3] 負極材料にチタンニオブ系酸化物を用いた次世代リチウムイオン2次電池「SCiB」
  [4] 全樹脂電池
  [5] カリウム(K)イオンを用いた2次電池(KIB、PIB)
  [6] 着脱可能なリチウムイオン蓄電池
  [7] 固体酸化物形燃料電池(SOFC)
  [8] NAS電池
  [9] バナジウムレドックスフロー電池

4-5 関連技術
  [1] 再生可能エネルギー貯蔵用全固体リチウムイオン二次電池
  [2] 次世代蓄電池発電所
  [3] 自動車用リチウムイオン電池(LiB)のリサイクル技術
  [4] 触媒層と電解質膜で構成される膜電極接合体(MEA)
  [5] IoTセンサー給電用有機薄膜太陽電池材料
  [6] 電池管理システム(BMS)の無線化
  [7] 電池技術の特許・特許紛争

4-6 有力企業動向
  [1] (株)三菱総合研究所 「高出力蓄電池」
  [2] 大阪ガス(株) 家庭用燃料電池「エネファーム」
  [3] 三井金属鉱業(株) 「再生可能エネルギー貯蔵用全固体電池」
  [4] 日本ガイシ(株) 「NAS電池と大容量蓄電システムによる再生可能エネルギーの安定化」
  [5] 日本バイリーン(株) 「次世代電池用高機能材料」
  [6] 西松建設(株) 「バナジウムレドックスフロー電池を用いた蓄電システム」
  [7] 東洋紡績(株) 「高性能炭素材料の開発による再生可能エネルギー用二次電池」
  [8] JFEホールディングス(株) 「次世代リチウムイオン電池用ハードカーボン オール脂電池」
  [9] 凸版印刷(株) 次世代二次電池「エクセルギーバッテリー」
  [10] JX日鉱日石金属(株) 「自動車用リチウムイオン電池(LiB)のリサイクル技術」
  [11] 三洋化成工業(株) 「全樹脂電池技術」
  [12] 凸版印刷(株) 「触媒層と電解質膜で構成される膜電極接合体(MEA)」
  [13] 日清紡ホールディングス(株) 「燃料電池セパレータ技術の開発・普及」
  [14] NOK(株) 「燃料電池の普及に向けた各種部品の開発・製造」
  [15] 東洋紡績(株) 「有機薄膜太陽電池材料の開発」
  [16] パナソニック 「業務用燃料電池の発売」
  [17] エクソル 「蓄電池の増設や後付けが可能な住宅用ハイブリッド蓄電システム」
  [18] ファーウェイ 「オフグリッド用の蓄電システム/2022年に日本市場参入」

第5章 全固体電池

5-1 概説
  [1] 概説
  [2] バッテリー業界における位置づけ
  [3] 固体電解質候補材料
  [4] 用途

5-2 固体電解質別特性
  [1] 全固体リチウム電池
  [2] 固体ナトリウム電池
  [3] 固体アルミニウム電池
  [4] 固体マグネシウム電池

5-3 全固体電池の新たな進展状況
  [1] 容量の拡大
  [2] 界面から不純物をなくす新アプローチ
  [3] 電池の寿命を低下させるデンドライト(樹状突起)の封じ込め

5-4 参入団体・投資企業動向
  [1] 初期
  [2] トヨタ自動車
  [3] 本田技研工業/日産自動車
  [4] コロラド大学ボルダー校(米国)
  [5] Fisker(米国)
  [6] Solid Power(米国)
  [7] QuantumScape(米国)
  [8] Sakti3(米国)
  [9] Qing Tao Energy Development Co.(中国)
  [10] Dyson(英国)
  [11] Bolloré/Autolib(フランス)
  [12] ダイソン(英国)
  [13] 住友金属鉱山
  [14] 出光興産
  [15] TDK
  [16] 村田製作所


第6章 次世代原子炉/核融合発電[1]

6-1 第四世代原子炉
  [1] 概説
  [2] 原子炉の種類
  [3] メリットとデメリット
  [4] 種別特性

6-2 小型モジュール炉/小型商用核融合炉
  [1] 概説
  [2] タイプ別特性
  [3] 技術的特性

6-3 利点
  [1] 設置場所・可搬性
  [2] モジュール性
  [3] スケーラビリティ
  [4] 安全性
  [5] マニュファクチャリング対応性
  [6] 拡散性
  [7] ライセンス供与

6-4 懸念事項と解決方法
  [1] 経済性/経済的競争力
  [2] 核拡散
  [3] 廃棄物最適化
  [4] ライセンス

6-5 国際動向
  [1] 世界原子力協会
  [2] 米国政府/米国エネルギー省
  [3] カナダ
  [4] GE

6-6 国別動向・主要サイト動向(検討中・建設中を含む)
  [1] アメリカ
  [2] イギリス
  [3] カナダ
  [4] 中国
  [5] ポーランド

6-7 主要原子炉
  [1] 東芝 「4S」
  [2] 国際トリウム・エネルギー&モルテン・ソルト・テクノロジー(IThEMS) 「FUJI溶融塩炉」
  [3] GE Hitachi Nuclear Energy 「PRISM」
  [4] GE Hitachi Nuclear Energy 「BWRX-300」
  [5] Babcock & Wilcox 「B&W mPower」
  [6] NuScale 「NuScale SMR」

6-8 原子力発電所のバックエンド向けサービス

6-9 次世代原子力発電の課題


第7章 次世代原子炉/核融合発電[1]

7-1 核融合発電
  [1] 特徴・利点
  [2] メカニズム
  [3] メソッド
  [4] ツール
  [5] 測定
  [6] 材料選定
  [7] 封じ込め
  [8] 封じ込めに関する考察
  [9] 安全性と環境
  [10] 燃料電池
  [11] 経済性
  [12] 規制

7-2 核融合実験
  [1] 概況
  [2] 磁場閉じ込め
  [3] トロイダル・マシン
  [4] JT-60(Japan Torus-60)
  [5] JT-60U (アップグレード)
  [6] JT-60SA

7-3 核融合スタートアップ
  [1] CFS
  [2] General Fusion
  [3] TAE Technologies
  [4] Helion
  [5] Phoenix
  [6] Tokamak Energy
  [7] First Light Fusion
  [8] Brilliant Light Power
  [9] Commonwealth Fusion
  [10] Zap Energy
  [11] Advanced Ignition
  [12] Oklo
  [13] HB11
  [14] Fusion Reactors
  [15] Focused Energy
  [16] ENECHANGE(エネチェンジ)
  [17] 京都フュージョニアリング

7-4 有力企業・団体動向(国内)
  [1] (株)日立製作所 「経済性の高い小型原子炉の国際共同開発」
  [2] 日揮ホールディングス(株) 「ゼロエミッション型原子力発電所運転支援」


第8章 エネルギー・エコシステム/エネルギー・インターネット

8-1 エネルギー・サプライチェーン全体にわかるイノベーションと統合

8-2 スーパーグリッド/グローバル・グリッド

8-3 エネルギー・インターネットと5D
  [1] デジタル化(Digitalization)
  [2] 分散化(Decentralization)
  [3] 脱炭素化(Decarbonization)
  [4] 民主化(Democratization)
  [5] 多様性(Diversity)

8-4 今後のシナリオ


第9章 分散型発電/分散型エネルギー/マルチサイト一括エネルギーネットワーク

9-1 概説

9-2 技術構成
  [1] エネルギー貯蔵
  [2] PVストレージ
  [3] 太陽光発電
  [4] 風力発電
  [5] 水力発電
  [6] 廃棄物発電
  [7] 車両-グリッド
  [8] フライホイール蓄電(FES)

9-3 インテグレーション技術/マネージメント
  [1] スタンドアローンのハイブリッドシステム
  [2] 分散型エネルギー資源の遠隔・統合制御と電力需給の調整
  [3] マイクログリッド
  [4] DERシステムにおける通信
  [5] 発電量の変動が激しい電源の高速調整力
  [6] スマートエネルギーネットワーク
  [7] マルチサイト一括エネルギーネットワークサービス(JFE-METS)

9-4 有力企業・団体動向
  [1] 日本電機工業会 「再生可能エネルギー・分散型電源の国際標準化の推進」
  [2] 日本ガス協会「分散型エネルギーの統合利用/レジリエンスの向上」
  [3] 東京ガス(株) 「分散型エネルギー資源 の有効活用/バーチャルパワープラント」
  [4] 日本電信電話(株) 「直流給電技術等を活用した分散型電力供給網の強化と地域耐性の向上」
  [5] 富士電機(株)  「分散型電源 による電力の安定供給と最適化」
  [6] 東邦ガス(株) 「分散型電源 の普及に向けたエネルギーマネジメントとレジリエンスの強化」
  [7] 東京ガス(株) 「スマートエネルギーネットワーク
  [8] JFEホールディングス(株) 「マルチサイトバルクエネルギーネットワークサービス」
  [9] NEC 「再生可能エネルギー対応の電力需給調整サービス」


第10章 コージェネレーション

10-1 概説
  [1] 概要
  [2] コージェネレーションの広範な利用
  [3] コージェネレーションシステムのメリット

10-2 現在のデュアルパーパス施設のトレンド

10-3 分散型エネルギーとの関連

10-4 有力企業・団体動向
  [1] イビデン(株) 「高効率コージェネレーションの導入/スマートグリッドの開発」
  [2] 信越化学工業(株)  「高効率ガスコージェネレーション」
  [3] 日本ガス協会 「コージェネレーションシステムと燃料電池の高効率化」
  [4] 東邦ガス(株) 「熱エネルギー を有効活用する高密度蓄熱技術」


第11章 エネルギーハーベスティング

11-1 概説

11-2 運営

11-3 エネルギーの蓄積
  [1] 電力の利用
  [2] 電力の貯蔵

11-4 エネルギー源

11-5 今後の展開


第12章 次世代発電技術/発電インフラ

12-1 概説

12-2 アンモニアを燃料とする発電技術
  [1] アンモニアの優位点
  [2] アンモニア直接燃焼技術
  [3] ハイブリッド発電システム

12-3 電力バリューチェーン

12-4 石炭ガス化複合発電の導入・普及による低炭素型の発電インフラ

12-5 有力企業・団体動向
  [1] 三菱重工業(株) 「IGCC技術から始める低炭素安定エネルギーインフラ」
  [2] 三菱重工業(株) 「アンモニア焚きボイラ」
  [3] 三菱商事 「電力バリューチェーン構築」
  [4] 日揮ホールディングス(株) 「アンモニアを水素キャリアとするエネルギーサプライチェーン」
  [5] JFEホールディングス(株) 「アンモニア直接燃焼 技術」
  [6] 三菱重工業(株) 「トリプルハイブリッド発電(独立電源)システム」


第13章 産業界におけるエネルギー管理

13-1 可変エネルギーの管理

13-2 エネルギー貯蔵/蓄熱・蓄電システム
  [1] 蓄電システム
  [2] 蓄熱システムの社会実装(日本国内)
  [3] 再生可能エネルギーのアグリゲーションによる発電量のアンバランスの解消

13-3 有力企業・団体動向
  [1] 日立製作所 「停電時の安定した自立運転を実現する電力系統解析サービス」
  [2] パナソニック 「水素を使って工場の再生可能エネルギーを発電する実証実験」
  [3] エナリス 「再生可能エネルギーの主力電源化に貢献する再生可能エネルギーアグリゲーション技術」
  [4] 愛知製鋼(株) 「実用的な蓄熱技術の開発」

型番 ceei21-b
販売価格 88,000円(内税)
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