電気の脱炭素化競争

重要な価値提案の 1 つ消費者と地球にとって電気自動車 (EV) の稼働率は、稼働後の二酸化炭素排出量が超低くなっています。 内燃エンジンを搭載した乗用車や商用車とは異なり、EV はディーゼルやガソリンの燃焼によって直接排気管から排出物を生成しません。 しかし、バッテリー駆動の EV には、それ自体が排出に関する大きな課題を抱えています。それは、バッテリー自体の製造が非常に炭素集約的なプロセスであるということです。

この記事は、Martin Linder、Tomas Nauclér、Stefan Neovar、Alexander Pfeiffer、Nikola Vekić による共同作業であり、マッキンゼーの自動車および組立実務からの見解を表しています。

実際、EVの動力に使用される大型リチウムイオン電池の製造は、電気自動車とトラックの両方にとって組み込み排出ガスの最大の発生源であり、私たちの推定によると、総生産排出量の約40〜60パーセントを占めています。 言い換えれば、バッテリーの製造は、EV の製造に使用される他のすべての材料の製造と同じか、それ以上の排出量を発生させる可能性があります (図表 1)。

脱炭素化への圧力が高まり、EVの需要が世界的に高まる中、メーカーはこの排出問題への取り組みに躍起になっている。 100 社を超える自動車業界の OEM とそのサプライヤーが、Science Based Targets イニシアチブの一環として排出量削減に取り組んでいます。1詳細については、Science Based Targets の「行動を起こす企業」を参照してください（2023 年 1 月 18 日にアクセス）。その他の業界リーダーも、このグループに参加してください。

個々の OEM の決定により、大きな違いが生じる可能性があります。 EV バッテリーの生産からの排出レベルは、設計の選択、車両の種類、航続距離、輸送要件、生産および調達場所などのさまざまな要因によって異なります。 さまざまなバッテリー部品の製造に使用されるエネルギー源は、OEM ごとに二酸化炭素排出量が大きく異なることを説明する最大の要因の 1 つです。

良いニュースは、今後 5 年から 10 年以内に、EV のバッテリー生産による二酸化炭素排出量の大幅な削減が可能になるということです。 この記事では、EV バッテリーの生産がなぜこれほど排出量の多い活動なのか、また二酸化炭素排出量を削減するために何ができるのかを考察します。

EV の生産面積は、一般的な内燃エンジン (ICE) 車両の約 2 倍です。 どちらも、たとえば車両の車体の製造から同様の生産排出量が組み込まれており、そのサイズと生産場所に応じて 5 ～ 10 トンの CO2e 排出量になります。 ただし、それに加えて、一般的な EV (75 kWh のバッテリー パックを搭載) を生産すると、バッテリーだけで 7 トンを超える CO2e 排出量が発生します。

EV バッテリーの製造に必要な材料とエネルギーは、その多大な二酸化炭素排出量の多くを説明します。 EVのバッテリーにはニッケル、マンガン、コバルト、リチウム、グラファイトが含まれており、採掘や精製の過程で大量の温室効果ガス（GHG）を排出します。 さらに、アノードおよびカソード活物質の製造には、一部のプロセスでエネルギーを大量に消費する高温が必要です。 電池の化学的性質、生産技術、原材料サプライヤーの選択、および輸送ルートも、埋め込まれた生産炭素の量を決定する要因です。

使用するエネルギーを含む調達の決定は、太陽光や風力などの再生可能エネルギーを使用するか、天然ガスなどの化石燃料を使用するかによって、排出量に大きな影響を与えます。 再生可能電力を使用する生産者は、化石燃料を使用する生産者よりもバッテリー生産における二酸化炭素排出量がすでに大幅に小さくなっています。 図表 2 は、バリュー チェーンの選択に応じてバッテリー関連の排出量が大きく異なることを示しています。

現在のところ、ほとんどのバッテリーはアジアで製造されています。中国は 70% 以上の市場シェアで市場を支配しており、最も排出量の多い生産プロセスを持っています。 対照的に、スウェーデンは電池生産からの排出量を比較的低い水準に維持しており、平均すると中国の半分以下である。

欧州ではより多くの電池メーカーが生産能力を確立しており、再生可能エネルギー源の割合が高いため、欧州では電力の炭素強度がほとんどのアジア諸国よりも低いため、kWhあたりの排出量の世界平均を下げるのに役立っている。 中国を含め、電力網の脱炭素化に向けた世界的な取り組みが続くと仮定すると、私たちのモデルは、バッテリー生産からの温室効果ガスの世界平均が2025年までに85 kg CO2e/kWhに減少する可能性があることを示唆しています。この削減は主に排出量の削減の結果として実現されます。電池生産国の送電網での激しい発電。

低炭素バッテリーの生産が競争上の優位性になると期待する OEM が増えています。 一部の大手企業はすでに排出量を 20 kg CO2e/kWh 以下に削減することを目指しています。これは、現在最も排出量の多い OEM と比較して、最大でほぼ 10 分の 1 まで削減することを目指しています。 クラス最高のパフォーマンスと最低のパフォーマンスの間で継続的なばらつきがあれば、リーダーは自社のサービスを差別化する機会が得られます。

低炭素製品で主導権を握るには、バッテリーパックのセルと活物質のメーカーは、自社の事業を脱炭素化するだけでなく、サプライヤーから購入する材料やコンポーネントからの排出への取り組みも考慮する必要があります。

当社の推定によると、今日の平均的な EV バッテリーの製造では、キロワット時あたり最大 100 キログラム (kg) の CO2 換算 (CO2e/kWh) が排出されます。

野心的な企業は、今後 5 ～ 7 年間でバッテリー生産の二酸化炭素排出量を平均で最大 75% 削減する能力を持っていますが、そのためにはバリューチェーン全体にわたる行動が必要になります。

さまざまな戦略が軽減に役立ちます。 そのコストは、既存のテクノロジーや地理などの外部要因に大きく依存します。 これらの戦略の中にはコストを節約できるものもあれば、かなりの割増​​料金がかかるものもあります。 主要な要因は、生産場所やターゲット市場を含めて低炭素電池の競争力をいかに高めるかに影響を与えます。 いくつかの有利なケースでは、最終顧客に対する最小限の追加コストで最大 80 パーセントの脱炭素化が可能になる可能性があります。

欧州連合の炭素国境調整メカニズム (CBAM) や米国のインフレ抑制法 (IRA) などの規制の変更は、必要な変更に注目を集め、変更を達成するための技術コストの削減に役立つ可能性があります。 たとえば、CBAM は、EU への高炭素製品の輸入をより高価にする国境税です。 これにより、たとえ生産コストが高くても、地元の低炭素企業に競争上の優位性が与えられる可能性があります。 米国では、IRA が電池とその製造に必要な部品の現地生産に補助金を出しています。 生産者が現地含有量の要件を満たしている場合、補助金の一部が付与されるため、一定割合の鉱物は米国または米国が自由貿易協定を結んでいる国からのみ調達できます。 この要件は、鉱物や部品の現地生産やリサイクルを直接奨励し、間接的により持続可能な電池の実現につながります。

また、規制により、OEM がバッテリー排出量を削減するインセンティブが増加しています。 たとえば、最近合意された EU の持続可能なバッテリー戦略では、2024 年までに二酸化炭素排出量のラベル表示が導入され、リサイクルされた内容、性能、耐久性などの他の持続可能性要件が義務付けられます。2」グリーンディール: EU は、より持続可能で循環的なバッテリーに関する新法に合意EU のエネルギー移行と競争産業」、欧州委員会、2022 年 12 月 9 日。その結果、バッテリーメーカーは、バッテリーのサプライチェーンに組み込まれた排出量を削減するよう顧客からの圧力が高まる可能性があります。

これらの戦略のいずれにおいても最大の影響は、バリューチェーンのあらゆるリンクにおいて再生可能電力源への切り替え、またはグリーン電力購入契約（PPA）の開始によってもたらされるでしょう。 電力からの排出量を完全に削減するには、PPA の種類と品質が重要です。3「24 時間 365 日のクリーン電力購入契約による送電網の脱炭素化」、マッキンゼー、2022 年 5 月 11 日。

特定の代替技術により排出量を削減し、場合によってはコストを削減することができます (図表 3)。 最も影響が大きい分野には次のようなものがあります。

原料の抽出と精製。平均して、原材料の採掘と精製はバッテリー生産の総排出量の約 4 分の 1 を占め、その半分以上をリチウムとニッケルが占めています。 バッテリーグレードのニッケルの排出量は、約 10 倍異なります。4「脱炭素化への圧力: 鉱山側排出の要因」、マッキンゼー、2021 年 7 月 7 日。この幅広い変動は、場所、鉱石の種類、および処理技術によって説明されます。 持続可能な生産者（たとえば、すでに電化採掘設備や再生可能エネルギー電源に切り替えている可能性のある生産者）から金属を調達すると、場合によっては、作成されたバッテリーセルあたり最大 30% の排出量削減につながる可能性があります。

活物質（アノードおよびカソード）の製造。カソード活物質とアノード活物質の両方で、ほとんどの排出は高温処理から生じます。 これらの工程では、ボイラーと電気を使用して材料を沈殿・乾燥させ、数時間強い熱にさらします。 これらのプロセスには電力が必要なため、プロセスの安定性と継続性を確保するには特別な労力が必要です。 簡単に成功するには、現在の電力消費を、需要と供給が 100% 一致する 24 時間クリーンな PPA に切り替える必要があります。 これにより、鉱山から細胞までの製造における総排出量が 25% も削減されることになります。

セル製造。企業は生産プロセスを完全に電化できます。 現在のセル製造における非電力排出のほとんどは、50°C ～ 160°C の中温の熱を必要とする電極の乾燥プロセスから発生します。 一般的な電池メーカーは天然ガスを燃料とする電極乾燥ラインを使用していますが、この技術の電動バージョンも存在します。 さらに、ドライコーティングや、電極製造時の特殊プラスチックであるポリフッ化ビニリデン（PVDF）などの従来のバインダーから水溶性代替品への切り替えなどのイノベーションにより、エネルギー消費とそれに関連する排出量とコストを大幅に抑制できる可能性があります。 完全に電化されたセル製造プロセスに 24 時間 365 日低炭素電力を供給すると、鉱山からセルまでの製造総排出量が平均して 25% 削減されます。

主要な生産プロセスへの対応以外の追加の対策によっても違いが生じる可能性があります。 これらには、バージン原料ではなくリサイクル材料を使用すること、サプライチェーンに沿った物流排出量の改善、バッテリーに使用される材料の化学的性質の選択、さらにはバッテリー自体のサイズの再考が含まれる可能性があります。

リサイクル。リサイクルは、将来起こり得るリチウムやニッケルなどの電池原料の不足に対する長期的な救済策であるだけでなく、電池の排出量を削減し、炭素集約型の鉱山地域への EU および米国市場の依存を減らすための根本的な手段でもあります。 多くの新しい電池工場が世界中で稼働を開始することで、大量の生産スクラップが利用可能になり、より多くのEVが5年から10年後に耐用年数を終える前であっても、機能するリサイクル・バリューチェーンの関連性が高まります。 現在、リサイクルされたバッテリー材料の二酸化炭素排出量は、通常、一次資源からの原材料の二酸化炭素排出量の 4 分の 1 です。 したがって、生産におけるリサイクル材料の割合を増やすことは、脱炭素化に向けた重要なステップとなります。

ロジスティクス。通常、バッテリーセルまたはそのコンポーネントの輸送に起因するバッテリーの GHG 排出量は、そのごく一部 (全体の設置面積の約 5%) のみです。 徹底的な脱炭素化には、運輸部門の継続的な脱炭素化と、電車などの低排出輸送モードへの切り替えが必要となる。 さらに、バッテリーバリューチェーンの現地化の機運が高まると、欧州連合や米国などの自動車生産地域での排出量が削減される可能性があります。

化学。現在、電池メーカーと OEM は、高性能ニッケルマンガンコバルト (NMC) 電池とリン酸リチウム鉄 (LFP) 電池のどちらかを選択しています。 私たちの分析によると、NMC バッテリーはエネルギー密度が 30 ～ 40 パーセント高いのに対し、LFP セルは充電サイクル寿命が長く、平均して炭素排出量が 15 ～ 25 パーセント低いことがわかりました。 これは主に、カソードに埋め込まれた材料の放出が少ないことが原因です。 いくつかの OEM、電池メーカー、および正極メーカーは、エネルギー密度を維持または向上させながら排出量とコストを削減するための代替化学物質を検討しています。 たとえば、リチウムニッケルマンガン酸化物正極（LNMO）を製造する場合、その目標は、ニッケルなどの高価で排出量の多い材料を、マンガンなどの安価で豊富でより持続可能な材料に置き換えることです。

バッテリーのサイズ。今のところ、EVメーカーはドライバーが長距離を移動できるようにバッテリーパックのサイズを増やすことに重点を置いている。 2021 年に、最長航続距離を備えた EV は、1 回のバッテリー充電で 405 マイル (652 キロメートル [km]) に達しました。5「2021 年モデルでは、最長航続距離を備えた電気自動車は 1 回の充電で 405 マイル (km) に達しました」、エネルギー局「効率と再生可能エネルギー」、2022 年 1 月 10 日。2022 年、米国では航続距離が 300 マイル (483 km) を超える EV の数が 3 倍に増加しました。6 インチの 2022 年モデルの 14 の小型電気自動車モデルが航続距離を備えています。 「300 マイル以上」、エネルギー効率・再生可能エネルギー局、2022 年 8 月 29 日。 しかし、増大するバッテリーのサイズと、平均的なドライバーの 1 日の移動距離との間には不一致があり、これは世界では 40 マイル (64 km) 未満です。アメリカ。 米連邦道路局（FHWA）によると、全移動距離の95％は30マイル（48キロ）未満で、これは最長航続距離のEVが1回の充電で走行できる距離の10分の1にも満たない。 イノベーションとアプリケーションの間にこのような断絶があるため、バッテリー生産に割り当てられた限られたリソースはほとんど十分に活用されていません。 したがって、排出量を削減する根本的な方法の 1 つは、消費者のニーズに合わせてより小型のバッテリー パックを構築することです。 たとえば、中国で 2021 年に最も売れた電気自動車は、9 ～ 14 kWh のバッテリーを搭載し、航続距離 75 ～ 106 マイル (121 km ～ 171 km) の武陵宏光ミニ EV でした。7マーク ケイン氏」中国：11月に4万台以上の武陵宏光MINI EVが販売された」、InsideEVs、2021年12月10日。

ゼロカーボン電池を構築するには、バリューチェーン全体の関係者が協力し、政府や金融機関などの他の利害関係者と協力する必要があります。 成功するには、次の 5 つの領域での行動を検討する必要があります。

サプライヤー。生産者は、バリューチェーンに沿ってサプライヤーに対してゼロカーボン製品に対する明確な需要シグナルを設定できます。 たとえば、クラス最高の EV OEM は、セルのサプライヤーに信号を送信し、そのサプライヤーがその需要を活物質のサプライヤーに中継するなど、そのような材料の需要が価値を高めるまで繰り返すことができます。原材料の採掘と精製までのチェーン。 これは、低炭素ソリューションを共同開発したり、低炭素製品の需要を拡大したりするための調達パートナーシップを確立することで実現できます。

投資家の皆様。利害関係者は、資金を確保することでイノベーターの投資を支援することを検討できます。 たとえば、持続可能な生産のための長期的な量契約を利用して、新しい低排出生産技術を構築する可能性があります。 政府が検討する意欲があれば、公的補助金はこれらの目標を達成する上で有益となる可能性がある。

リサイクル。バリューチェーン全体の関係者は、物流、テストと分解、処理、デジタル追跡と追跡を含めて、バッテリーの収集とリサイクルを拡大できる可能性があります。 上述のように、新しいバッテリーセルにおけるリサイクル材料の割合を増やすことは、バッテリー材料の予想される供給不足に対処するのに役立つだけでなく、そのようなバッテリーのCO2eフットプリントを大幅に削減することにも役立ちます。

メトリクス。生産者は基準と指標を確立することで透明性を高めることができます。 1 つのオプションは、「バッテリー パスポート」です。8「バッテリー パスポート」、Global Battery Alliance、2022 年 3 月 15 日。これは、Global Battery Alliance によって最近開始されました。9「バッテリー パスポート パイロット」、Global Battery Alliance、2022 年。その他のオプションこれには、顧客が低炭素オプションを選択し、バリューチェーンに沿った改善を追跡しやすくするためのセカンドライフ基準や低炭素製品の認証が含まれます。

パートナーシップ。バリューチェーンに沿った関係者は、多国間パートナーシップを形成したいと考えるかもしれません。 たとえば、原材料企業 (ニッケル、コバルト、リチウム、アルミニウムなど)、活物質製造業者、電池製造業者、OEM 間のパートナーシップは、バリュー チェーン全体にわたる問題の解決に役立つ可能性があります。 このようなパートナーシップでは、たとえば、バリューチェーンの各段階で再生可能電力源への切り替えを共同で約束することを検討するかもしれません。

自社の上流排出量の脱炭素化を始めようとするEVバッテリー企業は、戦略を作成する必要があるだろう。 最初のステップは、上流の排出量の詳細な理解に基づいて、自社製品の二酸化炭素排出量の包括的な概要を作成することです。 この概要では、サプライヤーのポートフォリオや、バリューチェーンに沿って協力している他のプレーヤーを紹介することができます。 企業は、自社のサプライヤー (そしてそのサプライヤーのサプライヤー) から一次データを収集し、現在および長期的に利用可能な脱炭素化オプションを評価することでこれを達成できます。 この情報と透明性は、適切な目標レベルを設定するのに役立ち、企業が差別化の機会、コスト、リスクを慎重に考慮して適切な戦略を選択するのに役立ちます。

企業は、可能なフォローアップとして、再生可能エネルギー源への切り替えなどの即効性のある方法や、サプライチェーン全体にわたる長期的な戦略的行動など、目標を達成するための具体的な行動計画を構築したいと考えるかもしれません。 戦略的行動には、バリューチェーンに沿った関連企業との提携やパートナーシップの確立が含まれる可能性があります。 最後に、企業は、CO2 を意識する顧客に対して自社を位置づけるための戦略を策定し、競合他社との差別化を図る方法を模索し、中期的に持続可能性価格プレミアムを引き出す可能性があります。10Marcelo Azevedo、Anna Moore、Caroline Van den Heuvel、Michel Van Hoey、「持続可能な素材からグリーンプレミアム価値を獲得」、マッキンゼー、2022 年 10 月 28 日。

EV バッテリーの生産によって発生する排出量を削減する競争において、OEM には優位に立つための多くの選択肢があります。 この技術は導入されているか、急速に出現しており、電池の二酸化炭素排出量を大幅に削減できるようになります。 そうすることで、電気自動車は多くの消費者が電気自動車に寄せる期待に確実に応え、モビリティと経済全体を脱炭素化するというより大きな競争における突破口となるでしょう。

マーティン・リンダーマッキンゼーのミュンヘン事務所のシニアパートナーです。トーマス・ナウクレールストックホルムオフィスのシニアパートナーです。ステファン・ネコヴァールロンドン事務所のコンサルタントです。アレクサンダー・ファイファーアムステルダムオフィスのアソシエイトパートナーであり、ニコラ・ヴェキッチブリュッセル事務所のコンサルタントです。

著者らは、Marcelo Azevedo、Andreas Breiter、Nicolò Campagnol、Jakob Fleischmann、Xènia Greenhalgh、Mikael Hanicke、Eric Hannon、Evan Horetsky、Raphael Rettig、Lina Romero、Jade Rossi、Nitin Shetty、Lukas Torscht、Alexandre van de Rijt、Marlene に感謝します。この記事への貢献に対し、von Monschaw、Monica Wang、Ting Wu に感謝します。