Critical Mineral and Material Supply Availability and Energy System Development: A Multisector Analysis and Implications

世界のエネルギーシステムを、ハイテクな巨大レゴ・シティだと想像してみてください。この街を建てるには、全く異なる2種類のブロックが必要です。まず、「バルク（大量消費型）」のブロックです。これらは、鉄鋼、アルミニウム、銅といった、巨大で重く、ありふれたブロックです。これらは基礎となるもので、壁や道路、送電線を建てるために大量に必要となります。次に、「スペシャリティ（特殊型）」のブロックです。これらは、リチウム、ネオジム、白金（プラチナ）のように、極めて小さく、希少で、非常に特定の用途を持つパーツです。これらはわずかな量しか使いませんが、街の明かりを灯し、車を自動運転させ、バッテリーに電気を蓄えさせるための「秘伝のソース」なのです。

長い間、科学者たちは、私たちの未来のグリーンエネルギーの世界を築くために必要な、この希少で特殊なブロックが足りなくなるのではないかと心配してきました。しかし、この新しい研究は、より複雑で絡み合った問いを投げかけています。もし、これらの「ありふれた」ブロックさえも足りなくなったらどうなるでしょうか？ もし鉄鋼や銅が十分に手に入らなくなれば、それは単に一つのモノの製造を止めるだけでなく、レゴ・シティ全体に衝撃波を送り込むことになるのです。なぜなら、街のあらゆる部分は互いに繋がっているため、ある領域での不足は、他のあらゆるものの作り方を変えさせ、街全体のコストを押し上げ、電力を供給するのをより困難にするからです。この研究は、高度なコンピュータ・モデルを用いて、材料の供給が圧迫された場合に何が起こるかをシミュレーションしており、私たちのエネルギーの未来は、単に希少な鉱物を見つけることだけではなく、サプライチェーン全体がいかに強固であり続けられるかにあることを示しています。

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グレート・エネルギー・レゴ・ショート・ショック（エネルギーの巨大なレゴ不足）

パシフィック・ノースウェスト国立研究所（PNNL）の研究チームは、GCAM（グローバル・チェンジ・アナリシス・モデル）と呼ばれる洗練されたコンピュータ・モデルを使用して、巨大な「もしも（What If?）」ゲームを行うことにしました。GCAMは、私たちの経済、エネルギーシステム、そして環境全体の「デジタル・ツイン（デジタルの双子）」だと考えてください。研究チームは、未来のエネルギーシステムを構築するために必要な最も重要な13種類の材料の生産が、もし突然できなくなったとしたらどうなるのかを知りたいと考えました。これらの材料には、鉄鋼、アルミニウム、銅といった重量級の主力材料から、リチウム（電池用）、ネオジム（磁石用）、白金（燃料電池用）といった「スペシャリティ」のスターまでが含まれます。

彼らのメインとなる「セントラル（中央）」シナリオでは、必要な材料をいくらでも入手できる世界を想定しています。しかし、彼らは一連の「コンストレインド（制約付き）」シナリオも作成しました。これらのシミュレーションでは、2050年までに必要になると予測されるこれらの材料の生産量を、人工的に25%、50%、または75%に制限しました。彼らは単一のセクターだけを見たのではなく、ある領域での不足が電力、輸送、水素生産へとどのように波及し、システム全体がどのように適応しようとするのかを観察しました。

リップル・エフェクト（波及効果）：一つのブロックが尽きたとき

シミュレーションが発見した最も驚くべきことは、不足は留まるにとどまらないということです。それはウイルスのようのように広がります。研究者たちは、鉄鋼、アルミニウム、銅のような「バルク」材料の供給を制限すると、それは単に発電所や車の建設を遅らせるだけでなく、エネルギーシステム全体の戦略を強制的に変更させることを発見しました。

例えば、鉄鋼の生産が半分にカットされた場合、モデルは電力部門が甚大な打撃を受けることを示しています。鉄鋼はほぼすべてのタイプの発電所や送電線に使用されているため、不足が生じると再生可能エネルギーの建設コストが跳ね上がります。システムは、鉄鋼をあまり使わないエネルギー源へとシフトすることで適応しようとしますが、これは完璧な解決策ではありません。その結果はどうなるでしょうか？ 2050年までに、もし鉄鋼生産が需要の50%に制限された場合、世界の発電量は43%減少します。銅が制限された場合、発電量は41%減少します。アルミニウムが制限された場合、31%減少します。

この不足は、エネルギーの価格設定も変えてしまいます。これらのシミュレーションにおいて、鉄鋼、アルミニウム、または銅を需要の50%に制限すると、米国の電気料金は2050年までに39%から70%も急騰します。これは、もしセメントの価格が突然2倍になったとしたら、家を建てることは突如として贅沢品となり、より多くの人々が家に住むことができなくなるようなものです。

ドミノ倒し：車、バッテリー、そして代替品

輸送部門に目を向けると、物語はさらに面白くなります。モデルは、材料が希少になると、システムが技術を別のものへと入れ替えようとするものの、それが必ずしもスムーズな入れ替えではないことを示しました。

• バッテリーの戦い： リチウムとグラファイトは、電気自動車（BEV）のバッテリーの主な成分です。これらが希少になると、電気自動車の生産が減少すると予測されます。しかし、ここでのひねりは、システムが他のタイプの車でそのギャップを埋めようとすることです。一部の電気自動車はナトリウムイオン電池（リチウムを使用しない）へと切り替わり、また一部の人々は、希少な材料をあまり使わないガソリン車（ICE車両）へと戻ります。
• 燃料電池へのシフト： 白金は水素燃料電池車に必要です。白金が希少になると、それらの車は高価になりすぎ、システムは電気自動車やガソリン車へとシフトします。
• クロスオーバー： シミュレーションは、これらのセクターにおける変化が他のセクターに影響を与えることも明らかにしました。例えば、リチウムが希少で電気自動車の生産が減れば、電力需要は下がります。しかし、もしシステムが電気自動車の代わりに水素燃料電池へと切り替わった場合、水素の需要は上がり、それはさらなる水素生産技術を必要とすることになります。これは、音楽が止まることのない、巨大な「椅子取りゲーム」なのです。

「バルク」対「スペシャリティ」の対決

この研究の重要な教訓の一つは、バルク材料とスペシャリティ材料の違いです。

• バルク材料（鉄鋼、アルミニウム、銅）： これらは重量級の担い手です。シミュレーションは、ここでの不足がシステム全体にとって最も危険であることを示唆しています。これらは「あらゆるもの」に使用されるため、鉄鋼や銅の不足は、エネルギー生産の最大の低下と、価格の最大の高騰を引き起こします。これらはエネルギーシステムのバックボーン（背骨）であり、背骨が折れれば、体全体が苦しむことになります。具体的には、バルク材料の生産が半分になると、電気自動車のサービスコストは36%から85%上昇する可能性があります。
• スペシャリティ材料（リチウム、ネオジムなど）： これらはより特定の用途向けです。リチウムが希少になれば、主にバッテリー技術に影響を与えます。ネオジムが希少になれば、主に風力タービンに影響を与えます。これらの不足も問題を引き起こしますが、システムは、異なるタイプのバッテリーや異なるタイプの風力タービンに切り替えるといった、回避策を見つけられることが多いのです。しかし、これらのスペシャリティ材料の制約は、電気自動車のサービスコストを最大40%上昇させる可能性があります。

結論：すべては繋がっている

この研究の著者たちは、エネルギーと材料を切り離して考えることはできないと強調しています。「バッテリーのためにリチウムが必要だ」と言うとき、それがそれを作る工場を建てるために必要な鉄鋼や、それを充電するために必要な銅にどのような影響を与えるかを考えずに、ただ「リチウムが必要だ」と言うことはできないのです。

これらのシミュレーションにおいて、研究者たちはエネルギーシステムが極めて相互接続されていることを発見しました。一つの材料の不足は、技術の選択を変え、エネルギー生産を変化させ、全体的な価格を押し上げる連鎖反応を引き起こします。研究は、安全なエネルギーの未来を築くためには、単に希少で輝かしい鉱物だけでなく、鉄鋼や銅のような、ありふれた、重い材料についても心配しなければならないことを示唆しています。もし、これらの「退屈な」バルク材料の供給を確保できなければ、グリーンエネルギーへの移行全体が、私たちが望むよりもずっと高く、そしてずっと遅いものになってしまうかもしれません。

この研究は、不足が「起こる」と証明したのではなく、もし起こったら「どうなるか」をシミュレートしたものです。メッセージは明確です。クリーンなエネルギーの未来を築く競争において、私たちは、極小の白金の粒子から最も重い鉄鋼の梁に至るまで、あらゆる種類の「レンガ」を十分に確保しなければなりません。さもなければ、レゴ・シティ全体が崩れ始めてしまうかもしれないのです。