次世代の車はどうなるか(1)電気自動車は普及しない?

車にはそれなりに興味があるので、次世代の車がどうなるか考えてみたい。

そもそも私が車に興味を持ったのが、小学3年生くらいのときに「のりもの大百科」という電話帳サイズの分厚い本を両親に買ってもらってからだった。ちょっと話がそれるが、私は思い返すと小さいころよく本を読んでいたように思う。私が好きだったのはこの、「のりもの大百科」と「人体のふしぎ」、それにブラウン管テレビの同調回路やビームを偏向させる回路の修理・調整方法を記した専門書だった。なぜそういう本が我が家にあったのかは知らない。まあそういうわけで、乗り物と医学・生物学と電気・電子関係はいまだに好きである。子供のころに本を読むというのはとても重要なことであったと思う。

話を戻して、その「のりもの大百科」。名前は間違っているかもしれないが、こんな名前だったはずだ。それには、直四エンジンの内部構造と4サイクルの行程が詳しく記されていた。それで、次のページには未来の自動車として電気自動車が載っていた。ソーラーパネルをルーフに装着し、蓄電した電力で走る電気自動車は子供の私にとって夢のような存在であった。今でもそのページを思い出すことができる。しかしそれから十数年経ったが、そのような車は市販されていない。

電気自動車の将来展望

電気自動車が解決しなければならない課題は、航続距離とコスト、充電時間、そして充電インフラである。航続距離とコストに関しては長らく課題として盛んに研究が行われてきた。それからいくつかの進展があったものの、十分な容量を持った電池を安い価格で提供できるまでには至っていない。

自動車用二次電池の進歩

以下は、NEDO(新エネルギー・産業技術総合開発機構)が公開する二次電池のロードマップである。

これを見ると、普及期のレベル、つまりガソリン車と同等のレベルの航続距離500kmを達成するためには、電池容量は1.6~2.5倍に、重量は現在の26~40%程度に、コストは現在の16~24%にしなければならない。そして、それが実現するのは2030年前後であると予想されている。

将来の電気自動車は魅力的か?

前述したように電気自動車が普及するためには、航続距離、コスト、充電時間、インフラの整備(充電スポットの充実)である。ロードマップから、2020年ごろの電気自動車のスペック、つまり航続距離が250km~350kmで車両価格が200万強という条件で実際に運用する具体的なケースを考えてみよう。

価格

まず、車両価格が200万前後というのは、価格だけ見たら普及帯と言えなくもない。が、どのような車体であるかにもよる。たとえば小型のミニバンや2.0Lセダンサイズの電気自動車で200万だったらなかなか良い価格だと思うが、現在のリーフのような小さめのコンパクトカーサイズで200万であったならまだ高いと言えるだろう。おそらく、有利な数字で検討しているはずだから、車体の重いミニバンや中型のセダンのようなサイズは想定していないだろう。以上を考慮すると、200万という価格はそれほど安くない。

近距離移動

それでも、電気自動車のランニングコストが気に入ったとして、家族4人くらいの世帯でこれを買ったとしよう。近所に買い物に行く、日曜日に外食しに行く、くらいの用途であれば250~350kmは十分な航続距離だ。このような用途で1日250kmを走るということは少ない。真夏にエアコンを効かせて4人乗るというケースでも、充電が切れるということはなさそうだ。

旅行

しかしちょっと遠く、たとえば隣県に旅行しに行く場合はどうだろうか。この場合、250~350kmの航続距離では往復できないケースが多いだろう。すると、どこかで充電することとなる。しかし、「充電残量が減ってきた時」に「充電スポットに行き」、「充電完了まで待つ」という行為が必要になるので行動を束縛してしまう。行動を束縛してしまうとユーザーは使い勝手が悪いと感じる。

一番理想的なのは、その日止まる宿に充電設備が設置されているという場合だろう。確実に立ち寄る場所であるし、寝ている間に充電が行える。ただし充電時間が気がかりだ。日本国内で電気自動車に充電する方法は現在のところ3方式あり、CHAdeMO方式、200V電源方式、100V電源方式だ。充電時間は、日産リーフの場合それぞれ30分、8時間、16時間となる(公式サイトCar Watchより)。さらに、100V方式で家庭用電源を使って充電すると大電流が流れるので古い設備の場合は最悪火災を起こす可能性もあるとのこと。すると、100V方式で複数台に同時充電させるということは行えず、寝ている間に充電を完了させるには200V電源かCHAdeMO方式が必須になる。

そこそこ大きな宿泊施設で設備投資に回せる予算があれば、十分な数の充電設備を揃えることができるだろう。しかし果たして小さいペンションなどは設備を導入したがるだろうか。契約アンペア数を変更するだけでなく、ブレーカー周りから交換しなければならないのだ。

充電設備がある宿泊施設と無い宿泊施設が確実に混在するのであれば、電気自動車ユーザーとしては宿泊施設の選択にも制限が生まれる。もちろん、電気自動車の導入が進めば客を寄せるために充電設備を設置するだろう。しかし、充電インフラの整備と電気自動車のユーザー数は、電気自動車が増えないと充電インフラの設備投資が進まない。充電インフラが整わないと電気自動車ユーザー数が増えないというジレンマの関係にあることが容易に予想される。本気で普及させる気があるのであれば、充電設備の助成金を拡充させるなどの施策が必要だろう。

宿泊施設以外ではどうだろうか。容易に思いつくのが、車でのアクセスが多い高速道路のSA、国道に隣接する道の駅、大型ショッピング施設などだろう。しかしながら、「充電残量が減ってきた時」に「充電スポットに行き」、「充電完了まで待つ」という束縛から逃れられるものではない。たまたまそれらの施設に行く予定があり、たまたまその時に充電残量が減ってきていて、たまたま充電設備が開いていた、という場合であれば行動を束縛することにはならないだろう。しかし、考えてみてほしい。旅行に行くときなどは大体、連休だろう。電気自動車がそれほど普及していない今ですら、大型連休時などはSA/PAが混雑していて駐車できない、なんてケースがあるのだ。電気自動車が普及して、そのうちの何割かが30分も充電設備を占有する、などという事態になれば、充電設備に長い行列ができることは間違いない。

さらに、お金を掛けて充電設備を増やすのにも限度がある。CHAdeMO充電設備の定格電力はなんと49kW、56kWという値(NEC充電器仕様より)である。こんなものを本気で何十台と整備するなら、施設周辺の送電線から根本的にリプレースする必要があるだろう。ネットを検索すると日立評論デジタルアーカイブで、ジャスコ株式会社名古屋みなと店の契約電力が4100kWという数値が載っていた。単純計算すれば、大体CHAdeMO充電器100台がジャスコ1店舗分ということになる。本格的に電気自動車が普及したら、発送電のインフラから対処が必要になってくるかもしれない。

以上が近距離旅行で想定されうる不便であるが、さらにこれが帰省となるともっと条件は厳しい。私の実家は秋田なので、秋田~東京間の約600kmを走るのに航続距離300km前後ではあまりに不足だ。ロードマップでの2030年における500kmでも不足で、2030年度以降の700kmでようやく事足りる。しかし、これでも荷物をたくさん積んで、暖房やクーラーを効かせて走る場合に一度も充電なしで600kmを走破できるかは疑問だ。

長期間の使用とメンテナンス

さらに、困難はこれで終わらない。長年使うとバッテリーはどんどん劣化する。劣化したバッテリーは満充電してもすぐに空になってしまう。劣化したバッテリーは交換するしかないが、そのバッテリーがそもそも高い。これもロードマップから考えると2030年時点でもバッテリー価格は30万円である。本ブログでもガソリン車の年間燃料代を何度か算出しているが、せいぜい4~7万円である。1台の電気自動車のライフサイクルのうち、最低1回は交換が発生すると見積もると、この30万円を使用年数で割った金額がダイレクトにランニングコストに響いてくるのである。

解決策はあるか?

もしこの調子で電気自動車の一番の課題、電池容量とコストを改善できたとしても、あまり便利な車にはならなそうだ。電気自動車自体に価値を見出す、私のようなタイプのコアユーザーであればまだしも、車に大して興味も無いような層が買うとは思えない。では、ここまでに考えた課題を解決できる策はあるだろうか。

充電設備

充電時間に関してはたとえば、JFEエンジニアリングが3分で50%の充電を可能にする超急速充電器を開発したという記事を見つけた。そもそも、なぜ充電時間を短くすることができないのだろうか。それは電池の特性も関係しているが、設備側の問題もある。考えてみてほしい。30分間にわたって40~50kWの電力を送って得られるエネルギーを数分間で送電すればなにが起こるだろうか。送電線に大電流が流れてあっという間に受電設備容量をオーバーして遮断機が落ちるだろう。なので、ピークを見越したより大きい設備を導入しなければならない。

前述のJFEエンジニアリングが開発したという記事を読んでみると、この問題に対して、深夜電力を蓄電池にためておき、急速充電時に放出するという方式を取るので受電設備容量を圧迫しないという解決方法を取っている。この方式を採用すると、あらたな変電設備を要求しないし、電力会社との契約も変更しなくていいので設備投資額を抑えられるという。

しかし、これは受電設備をリプレースする場合と比べての6割なので、高コストであることに違いは無い。そもそも通常の商業施設において受電設備を大幅に増やすという選択自体がコストの面から現実でない。現実でない見積もりから4割減ったところで高いもんは高い。記事中では蓄電池の容量が30kWhであると記載されている。これがリチウムイオン電池であるならば、数百万円といったオーダーだろう。そんなものを何台も揃えられる施設がどれだけあるだろうか。また、高々30kWh程度の容量では商業施設で用いる場合、足りなすぎる。日産リーフ1台分のバッテリ容量が24kWhなのだ。実際の運用では、昼間も未使用時に蓄電するような使い方がメインになってしまうだろう。

取り外し電池

全く別の方法として、電池を取り外し可能にしておくというアイディアがよく提案される。商業施設に充電済みの電池を用意しておき、各社の電池モジュールの仕様を共通化、さらに取り外し可能な設計にしておき、乾電池を交換するかのように満充電の電池と交換する。電池の所有者は企業となり、ユーザーは企業に対して決められた使用料を払う。電池を管理する企業は徴収した使用料を使って劣化した電池をリサイクルし、新しい電池をユーザーに提供する。と、こういう仕組みだ。

が、これも残念ながら現実的ではない。電池は重いのだ。ロードマップでは2030年以降になっても搭載される電池重量は80kg程度であると予想される。若くて健康でスポーツ経験のある20代が80kgの電池を交換したとしても、夏場だったらそれなりの汗をかくはずだ。

いやいや、全部を交換する必要は無くて、電池は分割して順番に使っていくようにすればいいじゃん。そしたら使った分の電池だけ交換すればいいじゃん。と言う人もいるかもしれない。しかしこれもダメである。動力モーターを小型化するためには高い電力が必要であり、高い電力を発生させるためには電池を直列につながなくてはならない。電池を直列につなぐとすべての電池はほぼ同じ分ずつ消費されていく。いやいや、それでも一部分だけ交換すれば若干でも電池残量は増えるでしょ。と言う人もいるかもしれない。しかしこれもダメである。電池は満充電のものと消費した電池を同時に使うことは基本的にできない。充電量にバラつきがある電池を混ぜて使うと一部の電池に消費が集中して電池が発熱し危険だからだ。だから、電池を使う機器の注意書きを読むと必ず「新旧の電池を混ぜて使わないでください」と書いている。そして、ハイブリッド車やEVでも均等に電池に充電を行うために、高度な充電制御を行ってたりする。

さらに、電池は危険物であるという点も商業施設で保管・管理するうえでは厄介な問題だ。普通に暮らしているとあまりそのような意識は無いかもしれないが、二次電池、とくにリチウムイオン電池などの軽量で充電容量が多いものは爆発の危険性がある。携帯電話やオーディオプレーヤーが爆発したという記事を見たことは無いだろうか。また、ボーイング787におけるバッテリーの発煙問題も記憶に新しい。エネルギー密度、つまり、単位体積もしくは重さあたりのエネルギーが上昇すればするほど危険なものになっていく。ガソリンも危険物には違いないが、化石燃料は人類との付き合いが長いためノウハウが蓄積している。扱うには資格や免許が要るようになっているし、一般の人々の間でもガソリンや灯油を扱ううえでの最低限の知識が浸透している。もしかしたらバッテリーよりも安全と言えるかもしれない。

燃料電池

全く別の解として燃料電池はどうであろうか。燃料電池は水素と酸素さえ供給してしまえばそこから電気を発生させることができる。充電なんて手間はなく、燃料が切れたら水素と酸素を補充すればよいだけである。しかし、燃料電池車(FCEV)にも解決しなければならない課題がある。

もっとも大きい問題は水素の貯蔵である。水素は常温で気体であるから取り扱いには高圧ボンベが必要になるし、さらにもっとも小さい原子であるから貯蔵しているとボンベから抜け出てしまう。あるいは、金属原子の中に入り込んでボンベを劣化させてしまう。また、そもそも高圧タンクは爆発の危険性があり取り扱いが難しい。低圧にすると詰める燃料が少なくなってしまう。液体にして貯蔵するためにはマイナス数百度の極低温で維持する必要があり現実的でない。金属に吸着させて貯蔵する方法もあるが、金属自体が重く車載には向かない。車両の重量が増えるほど燃費は悪くなることはすでに当ブログでも示した

そもそもリチウムイオン電池による電気自動車が市販されているのに、燃料電池による電気自動車が市販されていないのは、前者以上に後者が解決すべき問題が多いからだ。将来的には電気自動車には燃料電池が搭載されるのが一般的、ということになる可能性は今のところ低い。

レンジエクステンダー

航続距離を改善させるためにレンジエクステンダーという機器を装備する場合がある。レンジエクステンダーとは、小型のガソリンエンジンと発電機を搭載するものである。電池残量が少なくなってくるとガソリンエンジンを動かして発電させようという発想だ。たとえば、BMWのi3や、マツダがEVデミオにロータリーエンジンで構成するレンジエクステンダーを装備して試験している。しかし、EV用の電池に加えてさらにエンジンと発電機を積むというのがスペースや重量の点で大きな欠点である。また、足りない航続距離をガソリンで補なっていくほど、EVであるメリット、つまり、コストの安い電力を燃料として使えるという利点が損なわれていってしまう。

すなわち、レンジエクステンダーの利用というのは、EVの性格をシリーズ型ハイブリッド車に近づけたというだけであって、EVの欠点を解消するものではない。

電池の消耗

続いて、電池の消耗を考える。・・・と言っても、電池の技術革新が進んでいくのを待つ以外に方法は無いだろう。単純に物性の問題であるので運用で回避できることではない。先ほど言ったように、電池の所有権を一部の企業に移して一元管理をすることで見かけ上ランニングコストを小さくすることは可能であるかもしれないが、総コストが下がるわけではないので、見かけ上小さくなった分のコストは他で回収しなくてはならない。なので根本的な解決策にはならない。

そもそもガソリンを代替することは出来るか

ここまで書くと一つの結論に行きつく。すなわち、燃料としてのガソリンは非常に高性能であるということだ。常温で液体であるために扱いが容易である。エネルギー密度も圧倒的に高い。以下にトヨタの環境技術戦略資料からの抜粋を示す。

エネルギー密度が高いと航続距離も伸びるし、車体も軽くできる。燃料の補充という点でも、素人がセルフ方式のガソリンスタンドに行ってノズルを突っ込んでトリガーを引くだけ、というくらいにまで単純化している。給油で何十分も待たされることもない。保管も基本的には石油タンクに入れておくだけでよい。危険物取扱者などの資格によって法規制の仕組みも整っている。

人類と石油の付き合いは古い。ガソリンエンジンが発明されたのは1800年代である。歴史が長いということはそれだけノウハウが蓄積しているということである。

でもガソリンはいずれ枯渇すると言われている。しかし、よく指摘されることであるが、石油が枯渇するまで○○年という試算は、現在の採掘技術をもってして、という条件での数字だ。採掘技術は進歩しているから採掘できる石油も増えるし、最近ではバイオ燃料も開発されている。そもそも人造石油の歴史は古く、第二次世界大戦中のドイツでは石炭から人造石油を製造する(石炭液化)ことも多く行われた。現在でも石油価格が上昇したことから、人造石油を作る商業プラントが稼働している。

つまり、他の燃料と比較した場合、ほとんどの点でガソリンの利点が勝るということだ。我々は普段、ガソリンを当たり前のように使っているが、それだけ優秀であるから世の中に浸透し、当たり前のように使えるようになったということである。人類との付き合いが長く、扱いやすく、エネルギー密度も高い燃料をリプレースするのは相応に難しいということである。

電気自動車が普及するシナリオ

上記で考えてみたとおり、たとえNEDOのロードマップ通りに開発が進んだとしても、電気自動車を今のガソリン車のような用途で使うのはちょっと無理があるように思える。となると、端から今のガソリン車を代替することはあきらめ、限定した用途でのみ使えばよいのではないだろうか。

たとえば、よく言われるように近距離移動車(コミューター)としてのみ使うのはどうだろう。都市部で一家に車は一台、という状態で電気自動車を運用するのは前述のとおり厳しそうだが、田舎で車移動が中心となるような土地で、家族一人に車が一台、などという環境で、家族全員が乗れるようなミニバンを1台、その他を電気自動車とするような運用はいい感じである気がする。

これであれば長距離/大人数の移動であっても対処できるし、普段の通勤や買い物はランニングコストの安い電気自動車を活用できる。ただし、前述したように同時に数台の電気自動車に充電させるのは設備容量上限界があるので、せいぜい一家に2台というレベルであるだろう。

タクシーや営業車を電気自動車にするのも良い案と言えるかもしれない。現状では「リーフのタクシーは40kmしか走らない」などという不満話が良く出ていて、そううまくいっていないようだが、NEDOのロードマップを信じるならば、少なくとも航続距離に関する問題は解決されるはずだ。

あとは、まったく別の切り口として、電気自動車をもっと小型化してしまうということもできるだろう。トヨタのコムスなどがその一例だ。4輪だがどちらかというとバイクに近いサイズで、一人か二人乗り。近距離しか乗らないと割り切ってしまって冷暖房能力などは最小限、もしくは搭載しないようにしてしまう。そうすれば車体重量は圧倒的に軽くなる。そうするとモーターもバッテリーも小さくて済む。バッテリーとモーターが小さくなれば車体価格も安くなる。近所を走り回って買い物をしたり、通勤・通学に使ったりして、夜に家に帰ったら充電する。バッテリーが小さいので充電時も大電力を使わない。ただし、こういう用途で普及してしまった場合はそもそも長距離移動を諦めるということなので、充電設備への投資はほとんど無駄となる。

まとめ

いろいろ考えてみたが、電気自動車はどう考えても普及しそうにない。一応言っておくと、私は冒頭に述べたように、電気自動車が好きである。新しい技術が好きである。電気自動車が普及してほしいと思っている。でも、そのような気持ちを持っていて楽観的に考えてみても、ちょっと普及させるためには課題が多すぎる。

少なくとも、あと10年~20年はガソリン車やディーゼル車が大多数を占めるだろう。次回はディーゼル車について考えてみたい。