電動航空機産業の概観 -技術編-

　航空宇宙業界は著しい成長が見込まれているが、世界が二酸化炭素（CO2)排出量ネットゼロに向けた取り組みを進める中、脱炭素化という難題に直面している。
そこで本記事では、業界全体の"技術"について『現在地と今後の方向性』に焦点を当てて概説する。

　なお、業界のロードマップをもう少し詳しくみたいという方は以下を参考にされることを推奨する。

1. 『航空宇宙業界の脱炭素化 -未来の低炭素・脱炭素社会を実現するためのロードマップ-』
   -Deloitte Development LLC 2022年

2. 『我が国の航空機産業の今後の成長の方向性について』
   -経済産業省 製造産業局 2023年7月

3. 『次世代モビリティのための旅客機と電動化システムの将来』
   -大依 仁 航空・宇宙・防衛事業領域技術開発センターエンジン技術部　部長 2019年

4. 『航空機』 - 脱炭素センター

電動航空機が注目される背景

• 今後20年間の航空輸送量は2.1倍に増加するという予測
• 国際航空運送協会（IATA）による航空業界におけるCO2の排出目標は『2050年にネットゼロ』
• 航空宇宙業界は、過去10年で、機体の空気抵抗を減らす形状の研究、エンジンの改良、ターボファンの口径の大型化などや、航路の最適化、効率化などにより、燃費効率（1ガロンの燃料で飛行できる距離）の改善を年間1.5％のレベルで実現してきたが、削減の限界が来た
• 電動化の外発的な動機としては、CO2排出量の価格付け（カーボンプライシング）、短距離フライトの削減、電車等よりサステナブルな代替交通手段の利用促進を図るといった各種規制が施行された場合、商用航空宇宙業界では約400億米ドルの減収及び110,000人の雇用削減が生じる可能性があること
• 内発的な動機としては燃料費や整備費などの運航にかかるコストを40％近く削減する効果があること。その他、故障の少なさ、部品数削減によるメンテナンスの少なさ、トルクの即応性による安全性がある。

電動航空機産業の現状の確認

サマリ

• 全体：
  • 2050年カーボンニュートラルを実現するため、航空機の形式をジェットエンジン機からハイブリッド機へ。ゆくゆくは電動航空機・燃料電池航空機・水素タービン航空機へと向かうための研究開発が行われている。
• 小型機：
  • 現在、次世代自動車と同様に、短距離向け小型航空機は電動航空機へと向かっている。ピュアエレクトリック式の航空機も、すでにローンチカスタマからの発注。認証取得し20年代の運用開始へ。(FYI：5000〜8000万円)
• 中大型機：
  • 各社がそれぞれハイブリッド、水素燃料、燃料電池への移行を進めているが現状は、実験or構想段階。複数のエンジンのうち一発だけをエンジンとモーターのハイブリットに置き換えてテストしている。ゆくゆくはMW級モーターで飛行試験へ。(ターゲットとなる電力規模は10MW超級だが、主要要素技術の成立性にはまだ目途が立っていない。)

詳細

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業界の今後の方向性

結論

　蓄電池性能の観点から小型機はピュアエレクトリックに向かい、市場の多くを占める中大型機は『燃料電池航空機』あるいは『水素タービン航空機』を採用する。(どちらが採用されるかは技術発展の進捗次第)。開発リスクの高い大型機では航空燃料のSAF（バイオジェット燃料及び合成燃料）の導入が進む。(図1)

図1 航空機業界の今後の方向性
出典:脱炭素技術センター

詳説：

小型機について：

　次世代自動車と同様、小型航空機についてはピュアエレクトリック航空機へと向かう。現状の蓄電池性能でカバーできる登場人数や飛行距離から決定されたもので蓄電池性能の向上とともにカバーできる範囲は広がる。

中大型機について：

　現状の延長線上のハイブリッド航空機ではなく、電動航空機・燃料電池航空機・水素燃焼タービン航空機への大きな舵取りをすることを迫られている。

　燃料電池航空機と水素燃焼タービン航空機のどちらに向かうかは、今後の技術開発レベルによる。いずれも、大型の水素タンクを搭載することが開発課題である。

　なお、ジェットエンジンメーカーは他の産業で実績のある水素燃焼タービン航空機を推進しており、燃料電池に関しては、補機やハイブリッド化によるサポート電源として位置付けられる傾向になる。そのため、燃料電池航空機の実現はスタートアップ企業の出方次第。

　ただし、現状では航空機用の水素燃焼タービンは実用化されていない。これはジェットエンジンで水素を燃やすための燃焼器の改良、軽量・コンパクトな極低温液体水素貯蔵タンクの開発、大幅な機体の軽量化など開発課題が山ほどあるためである。このエンジン・システムの開発には膨大な費用を要すると共に、その安全性・信頼性を実証するために長い期間が必要とされている。

　そこで、現状のエンジン体系を大きく変える必要のな持続可能な航空燃料（SAF）の採用に注目が集まっている。次世代自動車では供給量に問題があるとされたバイオジェット燃料であるが、使用量が限定される次世代航空機では供給可能性は十分にあるとし、空港のインフラ整備を始めとしたSAF導入の検討が進められている。

　中大型航空機を対象として、航空機メーカーはSAFに軸足を置くボーイングと、水素燃焼タービン航空機開発に一歩踏みだしたエアバスとに2極化している。エンジンメーカーはGE、P＆W、ロールス・ロイスのいずれもが、現在の航空機エンジンの水素燃料化を長期的に進めていく戦略である。

中大型機について補足：

• 図2に示す通りリージョナルジェットを置き換えていくのが技術リスクとCO2削減のインパクトを考えると合理的
  
  図2: 電動化対象候補 ¹

• リージョナルジェットクラス以上ではハイブリッド電動推進システムが中心様々なハイブリッド方式が研究開発されている。現在は技術選定中であり、どの方式が採用されるかは次世代機投入の市場ニーズとその時点での技術成熟度にも依存するものと考えられ、機体 OEM、エンジン OEM、研究機関等がその見極めを行っている状態。※2

※2 推力の一部を電力で分担するパーシャルハイブリッド方式のうち、100席超級ジェット機の電動化としてはターボエレクトリック方式は技術的成立性が最も高いのでハイブリッド方式の起点となり得る有力な候補

電動航空機製造における新たな動向

3Dプリント

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人工知能

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予知保全

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超伝導モーター

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実現スケジュール

　以下に世界のエアラインの動向を示す。いずれの機体サイズ・動力源においてでも20年代後半にフライトを予定していることがわかる。2020年代には、中～大型民間航空機へのバイオジェット燃料の導入が進むと考えられている。

図3: 世界のエアラインにおける次世代航空機に係る動き（電動航空機）²

図4: 世界のエアラインにおける次世代航空機に係る動き（水素航空機）²

図5: 次世代航空機に向けた動向（スタートアップ）²

今後の課題

技術的課題

小型機

　小型航空機は純電動化が技術的には成立可能なため、電動モータやパワーエレクトロニクスにはほとんど課題はなく、現状の技術でも実用レベルであるのに対し、電池だけはまだ単位質量当たりに有するエネルギ量、すなわちエネルギー密度が十分ではない。ただし、電動推進の高い設計自由度を活用すると電池のエネルギ密度向上を待たずとも航続距離の問題を解決できる可能性もある。
　従って、従来通りの機体形態のまま電動推進システムを適用するならば、電池のエネルギ密度を大幅に向上することが技術課題であるし、機体の形態を大幅に刷新するならばそれ自体が技術課題である。

　以下にエネルギー密度の定評的評価を記載する。

図 6: 蓄電池の電源電圧とエネルギー密度の目標²

　蓄電池の安全性と高エネルギー密度の目標値に関しては、小型電動航空機については現状技術でもエネルギー密度が1/2程度と低く、民間航空機レベルについては現状技術とは大きなギャップが存在する。

中大型機

　旅客機における電動推進の課題は、電動モータやパワーエレクトロニクスの重量を軽減すること、すなわち推進系の出力密度を向上することである。これは、ガスタービンエンジンとのハイブリッドシステムの構成を選択する以上仕方ないことではある。特にシリーズハイブリッドの場合は発電機、コンバータ、インバータ、電動モータのように従来のガスタービンエンジンに追加される電動化要素の数も多く、電動推進システムが分担する出力も大きいため重量増へのインパクトが大きい。

　また、同時に高高度環境への適応もしなくてはいけないことから、電気系統の安全性と高エネルギー密度の両立も課題になる。高度10000mでは気圧が地上の1/4、放射線量は地上の100倍になり、前者においてはコロナ放電による絶縁破壊が、後者ではシングルイベント発生による半導体の破壊が問題になる。しかも両者ともに、電圧が向上する程リスクが高くなる。旅客機は出力が大きく必然的に高電圧が要求され、電動モータやパワーエレクトロニクスにとっては他の産業では遭遇しない程の過酷な環境となるため、自動車電動化技術の延長線上には解がない可能性がある。

　以下に推進系の出力密度の定評的評価を記載する。

図 7: 電動モーターとインバータの合計出力密度の目標²

　電動要素の高出力密度化の目標値に関して、小型電動航空機については現状技術に近いオーダーの数値が示されているが、民間航空機レベルについては現状技術とは大きなギャップが存在する。

実現状況および改善方針

技術的課題について

蓄電池の高エネルギー密度化

　株式会社ＧＳユアサが400Wh／kg級のリチウム硫黄電池の実証を成功。500Wh／ｋｇを有するリチウム硫黄電池硫黄の大電流での放電性能を向上する要素技術の研究開発を関西大学とともに取り組んでいる。³⁴

　また、中国CATLが、500Wh/kgの高いエネルギー密度の「凝縮型バッテリー」を開発したことを発表した。同社はこのバッテリーで電気飛行機も実現可能だと主張している。⁵

　その他、リチウムイオンバッテリーでは、Amprius Tchnologiesが昨年出荷を開始。⁶

　よって、小型電動航空機や一部の旅客機に必要なエネルギー密度は達成しており、大型の旅客機に必要な水準(600Wh／kg)は未達成という状況である。

　改善するために以下のような手が考えられる。

• 劣化を抑制
• 電解性能の高い新材料を見つける
• ナノテクノロジーを活用して電極材料や電解質をナノスケールで設計することで、電池内部の表面積を増やし、物質の拡散を向上させる。
• 蓄電池の物理的なデザインを最適化し、電極の表面積を増加させ、電解質の均一な拡散を促進する

モーターの高出力密度化

　米スタートアップ企業Wright Electric社は2021年に10kW／kgの電動モーターを開発。電動航空機では、10席前後の小型機では、約5kW／kgが求められる。10kW／kgまで高めれば、数十席のリージョナル機や100席以上の機体の電動推進系への適用が見えてくる。21年5月には、出力密度が30kW／kg、効率99.5％のインバーターを開発したと発表している。今後2年間、電動航空機の推進系に向けたモーターとインバーターの開発に注力するとのこと。例えば、モーターとインバーターの統合や高高度利用に向けたテスト、各種認証の獲得などである。⁷

　東芝も同様の仕様のものを作っている。⁸

　中型大型の要求水準には若干不足しているものの小型機については出力密度自体は満たしている。型式証明を取ったりして2026年ごろには段階的に導入が始まるのでは。

　改善するために以下のような手が考えられる。

• 減速機を省略する直接駆動モータの実現が求められる
• 高磁束密度化技術によりコア積層長さを短縮しモータ重量を軽減。磁性材料の性能、配置や、コアや巻き線の材質の改良による。高磁束ネオジム磁石の採用がとり得る。
• ロータ冷却の空冷化、ステータ内冷却構造改善。配置や材質の改良による。
• コア外径の大口径化
• シャフト材に金属複合材を採用し軽量化＆高トルク耐性
• 超伝導。導電性の向上により高出力を出しても熱的損失が抑えられる。

安全性の確保

　電気推進には、1～3kV かそれ以上の高電圧が必要になると予想されているが、現状は1kVの高電圧下での試験の実証結果も高高度環境での試験も行われていない。(少なくとも探しても出なかった。)

　JAXAや三菱電機が取り組んでいるとのこと。完成予定はわからない。⁹

　なお、実現するために以下のような手が考えられる。

• ステータ側の冷却構造により、コイル冷却効果向上
• 絶縁性を向上および部分放電抑制
• 機体の安全性のために故障部分のCPDによる回路切断などの回路保護（遮断器、開閉器）
• 配電方式(AC, DC)の最適化
• 機器配置、設置場所の最適化
• 雷、サージ対策として異常電流へのバリデーション
• 低気圧、 低温対策として配置やコーティング剤を調整
• 宇宙線対策素材をコーティング

燃料

　長距離航空機については、価格を抑えて需要を増やすためにSAF（バイオジェット燃料及び合成燃料）生産能力の拡大・大規模化に焦点が当たる。バイオジェット燃料が燃料ライフサイクルの視点からしかネットゼロを実現できないのに対し、合成燃料はゼロエミッションを達成するソリューションとしてポテンシャルを秘めている¹⁰。

　なお、英国航空ベンチャーのZeroAviaが、水素燃料電池とモーターでプロペラを回すプロトタイプのドルニエ228旅客機で、10分間のテスト飛行を完了している。¹¹

ソリューションの補足

(以下、『航空宇宙業界の脱炭素化 -未来の低炭素・脱炭素社会を実現するためのロードマップ-』からの引用)

バイオジェット燃料は、燃料ライフサイクルにおいてはネットゼロソリューションと言えるが、真のゼロエミッションソリューションではない。一方、合成燃料はゼロエミッションソリューションとなる可能性を秘めているが、従来のジェット燃料と比べると非常に高価である。そのため、SAFだけでは業界は高度な炭素削減目標を達成できない。そこで、真のゼロエミッション推進システムを組み込んだ包括的なソリューションが必要となる。

短距離フライトやアーバンエアモビリティに関しては、電気推進に焦点を当てることで、航空宇宙業界はよりサステナブルな輸送手段を実現できる。現時点では短期的なソリューションとは言えないが、電気推進は商業、民間及び防衛の様々な用途において、適切な価格帯で省エネモビリティを提供することが見込まれている。通常近距離飛行（現時点で最長300マイル）に特化し、滑走路を必要とせず、高度に自動化されたeVTOL（電動垂直離着陸機）を利用することで、航空宇宙企業は有人運航または自動運航といった点で従来とは異なる電気推進を旅客及び貨物輸送に取り入れることができる。

電気モーターや電子制御装置の単純化によって、製造及び維持コストだけでなく運航中に発生する排出量を大幅に削減すると同時に、複雑な送電システム、フライトクリティカルな要素の性能、機械的信頼性の向上が期待される。この機体設計は、都市や郊外及び防衛環境で新たに直面する多くの複雑な飛行ミッションを可能にすると考えられる。現在、このようなミッションの一部は地上車両、従来のヘリコプター、固定翼機が担っているため、さらなる排出量削減に繋がる。航空宇宙業界が注力している多くの新たな技術プラットフォームの中でも、電気推進は航空機のゼロエミッション飛行の先駆者となることが期待される。また、eVTOLの自動運航は、旅客や貨物のモビリティの域を超え、治安維持、人道支援、インフラ点検、リモートセンシングなどの活動においてもCO2排出量の削減に貢献できる。

なお、eVTOLの導入には以下のような課題が挙げられる。

図8: eVTOL の導入およびスケーリングにおける課題¹⁰

Appendix

燃料に関する課題を整理

図 9: 燃料ごとの課題¹⁰

SAFとは

SAF(Sustainable Aviation Fuel)
低環境負荷を実現するための水素と磁束可能な航空燃料。
再生可能エネルギーで発電した電力、その電力を使って製造したグリーン水素、あるいは、バイオマスを原料としたバイオ燃料、カーボンリサイクルによって製造された合成燃料。

企業の開発動向　補足

エアバスは、液体水素を燃料として燃焼させる改良型改良型ガスタービンエンジンとガスタービンを補完する水素燃料電池から構成されるハイブリッド型の推進システム。ボーイングは、次世代航空機のコンセプト検討、ハイブリッド電動推進システムや、TTBW(支柱付き主翼)といった次世代航空機コンセプトの実証機開発を推進。

JAXAのロードマップ

2020年代の近い将来には、小型電動航空機など、比較的低出力を想定した機体の社会実装を目指します。続く2030年代には細胴の旅客機（乗客200名以下で客室内通路が1本の小型旅客機）、2040年代には広胴の旅客機（乗客200名以上で客室内に通路が2本以上の大型旅客機）で出力が大きい機体による燃費の大幅削減を目指します。そして2050年代には、前回（第3回）紹介したJAXAエミッションフリー航空機のような電動化の理想形を実現します。

出典：航空機電動化 将来ビジョン

もろもろの仮定(各燃料の効果など)

• バイオ燃料：最終的にジェット燃料を完全に置換し、ライフサイクルCO2排出量はジェット燃料の37％を仮定
• 水素燃料：2040年から導入開始、使用率は最大50％、CO2フリーを仮定
• 新技術がCO2排出削減に影響を与えるまでの時間遅れの仮定
• 旧機材が新機材に置き換わるまでに20年～30年要する。
• 新機材への置換率として、10年後50％、20年後80％と仮定。（120席169席、2018年-2038年予測(JADC)を参照）

日本のeVTOL

日本は、デンソーなどを中心に、eVTOL（※）とシーグライダーを開発している。
※eVTOL：Electric Vertical Take-off and Landingの略。電気を動力源に、垂直に離着陸できる乗り物の総称

重要な参考資料

図 10: 技術的課題

図 11: 電動化技術の適用対象候補

図 12: 電動化技術の適用対象候補 - 市場規模

図 13: 電動化技術の位置付け ¹²

図 14: 重点的に安全基準の検討・導入を行う対象技術分野

図 15: システム方式

図 16: 技術開発への支援

図 17: 電動航空機の技術動向

図 18: 将来のエミッションフリー航空機の構想

次次世代航空機については、NASAやJAXAがウイングボディ形状のターボエレクトリック分散推進方式の旅客機構想を発表している。ウイングボディ後端に超伝導ファンを複数個並べて推力を得る方式である。

参考文献

1. 航空機電動化 将来ビジョン (閲覧日：10/17)https://www.aero.jaxa.jp/about/hub/eclair/pdf/eclair_vision.pdf ↩

2. 我が国の航空機産業の今後の成長の方向性について(閲覧日：10/17)https://www.meti.go.jp/shingikai/sankoshin/seizo_sangyo/kokuki_uchu/pdf/003_02_00.pdf ↩ ↩² ↩³ ↩⁴ ↩⁵

3. https://www.gs-yuasa.com/jp/newsrelease/article.php?ucode=gs211113354509_1083 ↩

4. https://www.nedo.go.jp/content/100955378.pdf ↩

5. https://gadget.phileweb.com/post-37125/ ↩

6. https://www.greencarcongress.com/2022/02/20220209-amprius.html ↩

7. https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/news/18/11177/ ↩

8. https://www.global.toshiba/jp/news/energy/2022/06/news-20220623-01.html ↩

9. https://www.aero.jaxa.jp/news/event/pdf/event201026/05eclair.pdf ↩

10. https://www2.deloitte.com/content/dam/Deloitte/jp/Documents/manufacturing/ad/jp-ad-decarbonizing-aerospace-jp.pdf ↩ ↩² ↩³

11. https://gadget.phileweb.com/post-27769/ ↩

12. 電動推進航空機の最新動向(閲覧日：10/17)http://www.iadf.or.jp/document/pdf/30-7.pdf ↩