航空業界のより環境に優しい未来

気候変動対策において注目を集めているにもかかわらず、国際エネルギー機関（IEA）によると、航空業界が世界のエネルギー関連CO2排出量に占める割合はわずか2％に過ぎないという事実は、一部の人にとっては意外に思えるかもしれません。しかし、この分野は急速に成長しています。ここ数十年の間、その成長率は鉄道、道路、海運を上回っており、IEAは、新型航空機による効率向上だけでは、この分野の拡大に追いつくことは難しいと予測しています。したがって、航空業界の脱炭素化には、単に航空機の効率を高めるだけでは不十分であり、より創造的な解決策が必要であることは明らかだ。

電気およびハイブリッド推進技術

前回の記事で概説したように、より環境に優しい航空機推進システムを開発する上での根本的な課題は、エネルギー密度にある。地上輸送のほとんどの分野では、電動化への傾向が見られる。しかし、妥当な大きさの完全電動式民間旅客機を開発するには、機体自体の重量の約1桁分もの重量があるバッテリーが必要となる。また、バッテリー駆動では、燃料を燃焼させることで機体が軽くなり、飛行が進むにつれて効率が向上するという利点が失われてしまいます。したがって、完全電動の民間旅客機が実現可能になるには、バッテリー技術において飛躍的な進歩が必要不可欠です。

近年、ハイブリッド電気推進分野では継続的な進展が見られています。 エアバス はハイブリッド技術に多額の投資を行い、ルノーや STマイクロエレクトロニクス と提携してその開発を推進している。エアバスの「航空機ハイブリッド化の原則」は、資源配分を中心に据えている。航空機は飛行中に、異なるエネルギー源を組み合わせて、あるいは個別に使用することを動的に切り替える。エアバスは、同社のエネルギー管理システムにより、従来の技術と比較して燃料消費量を最大5％削減できると主張している。

これは有望な前進ではあるが、この程度の進展だけでは、航空業界の排出量問題を解決することは明らかに期待できない。

エアバスはまた、ダヘールおよびサフランと 共同で開発された分散推進型ハイブリッド電気航空機「EcoPulse」の開発にも携わってきた。このコンセプト機は2023年のパリ航空ショーで展示され、航空機の性能における分散推進の利点を強調することを目的としている。分散推進とは、必要な推力を複数の小型エンジンに分割して負担させる方式である。 エアバスによると、これにより「巡航性能、離着陸性能の向上、複数のプロペラ間の同期性向上による客室騒音の低減、そして尾翼面積の縮小と航空機制御性の向上による省エネ効果の増大」が可能になるという。この技術は依然として開発の初期段階にあり、プロトタイプの飛行時間はわずか27時間にとどまっているため、効率性に関する具体的なデータは公表されていない。しかし、 ダヘール社のCTOであるパスカル・ラゲール氏は次のように述べている。「この実証プログラムをもとに、将来の製品ロードマップを策定し、5カ年計画の終了までに生産を予定しているハイブリッド航空機の基本仕様を決定する予定です。2027年末までには、最初のハイブリッド航空機を市場に投入できる見込みです」。

ロールス・ロイス も独自のハイブリッド電気推進システムの開発を進めてきた。同社は、アドバンスト・エア・モビリティ（AAM）市場（例えば、最大19席の短距離コミューター機など）での使用を目的とした、コンパクトで高出力密度のタービンを備えたターボ発電システムを開発した。このターボジェネレーターシステムは、500 kWから1200 kWの出力を発生させることができ、対象とする短距離用途には最適である。しかし、長距離の商用航空機による飛行には、依然として数桁も出力が不足している。

ガス・トゥ・リキッド（GTL）技術

前述の通り、ガス・トゥ・リキッド（GTL）技術は、大型の商用航空機にとって最も実現可能性の高い解決策となる可能性がある。このガス・トゥ・リキッドプロセスは、 シェル によって数十年にわたり開発が進められてきたもので、3つの段階から構成されています。まず、天然ガスの部分酸化によって生成される、主に水素と一酸化炭素からなる「合成ガス」が作られます。次に、この合成ガスは触媒変換プロセスを経て、液体炭化水素へと変換されます。最後に、従来のクラッキングや異性化技術を用いて、所望の炭化水素鎖を作り出すことができます。

ガス・トゥ・リキッド（GTL）市場は近年拡大しており、2022年の市場規模は148億ドルに達し、2030年までに244億ドルに達すると予測されています。こうした数値の背景には、民間航空業界の需要増加が主な要因として挙げられている。政府や規制当局が航空セクターの企業に対し排出量削減の圧力を強める中、GTL技術ははるかに実現性の高い解決策となりつつある。触媒製造や反応器設計における技術開発により、変換効率が向上し、設備投資コストが削減されたことで、投資家にとっての潜在的なリターンが高まっています。例えば、シェル社はGTL変換に必要な触媒を3Dプリントするプロセスを開発しました。3Dプリントされた触媒は、物質の巨視的および微視的な構造をより精密に制御できるため、生産速度の向上、原材料の無駄の削減、そして触媒の効率改善につながる可能性があります。

GTLプロセスの動力源

こうした進展にもかかわらず、GTLに関する最も重大な課題は、依然としてこのプロセスに動力を供給するための持続可能なエネルギー源を見つけることにある。原子力発電は本質的に賛否両論があるものの、その極めて高いエネルギー密度が、風力や太陽光といった論争の少ない競合エネルギー源をはるかに凌駕していることは否定できない。NIA（英国原子力産業協会）は最近、英国には「原子力エネルギーを活用した排出ゼロの合成燃料生産において、世界をリードする『絶好の機会』がある」とする報告書を発表した。同報告書は、将来の炭素排出量に関する現在の理論モデルが、原子力エネルギーの利用拡大によってもたらされる潜在的なメリットを過小評価していると主張している。米国では、エネルギー省が、原子力エネルギーを用いて合成燃料を製造する、Oxeon Energy社が 管理する2,000万ドルのプロジェクトに資金を提供している。

原子力発電は、その有効性が一貫して実証されており、天候に左右されないため、急速に発展する航空業界の需要を満たすために必要な安定した電力供給が可能となります。さらに、原子炉から発生する余熱と原子力発電による電力の両方をGTLプロセスに活用できるため、効率が大幅に向上します。小型モジュール型原子炉（SMR）の開発は、 ロールス・ロイス による小型モジュール型原子炉（SMR）の開発は、国内各地に複数の合成燃料製造プラントを設置することを可能にするため、原子力ベースのGTL生産の実現可能性をさらに高めるものと期待されています。SMRは主要な空港ごとに導入することが可能であり、航空機用の合成燃料だけでなく、空港および周辺地域の人々に向けた電力や熱も供給することが可能となります。

航空業界が成長を続けるにつれ、業界の主要企業に対しては、より持続可能な解決策を採用するよう、さらなる圧力がかかることになるでしょう。エネルギー密度の制約により、現在の形態の民間航空機は当面の間、存続し続ける可能性が高いと考えられます。しかし、SMR（小型モジュール炉）は拡張性が高く、比較的低コストであるため、この業界のより環境に優しい未来に向けて重要な貢献を果たす可能性を秘めています。

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