エネルギー

炭素ドットで再構築する石炭産業

公開日 2024年1月10日

更新日 2026年6月2日

著者

Gaurav Roy

Securities.io を Google の優先ソースに追加

2023年12月、COP（Conference of Parties）に参加した198か国は、世界は「転換」しなければならないと総意し、2050年までに温室効果ガス排出をほぼゼロに削減することを目指しています。しかし、具体的なタイムラインはまだ設定されておらず、化石燃料は今後も各国経済の柱となるでしょう。

石炭は世界で最も支配的かつ炭素集約度の高いエネルギー源です。主な石炭の種類は4つあります。

(i) 無煙炭 (ii) 蒸気炭 (iii) 亜蒸気炭 (iv) 褐炭

この化石燃料は世界の電力供給の37%以上を占めています、家庭や産業に電力を供給し、世界のエネルギー貧困の緩和に重要な役割を果たしています。現在でも、世界で約8億6000万人が電力にアクセスできない状態です。そのため、石炭なしで現代生活を想像することはほぼ不可能です。

2023年、化石燃料への需要が前年比1.4％増加し、世界の石炭使用量は史上最高の8.5億トンを初めて突破しました。報告された国際エネルギー機関（IEA）のデータです。2026年の世界消費量は8億トンを大きく上回ると予測されています。

石炭は、他の化石燃料に比べてはるかに安価で入手しやすいため、急速に増大するエネルギー消費への対策に不可欠な資源です。石油や天然ガスとは異なり、世界中に豊富に存在します。

石炭は高圧パイプラインや高コストの加工、輸送時の高価な保護が不要で、他の高度に可燃性の化石燃料に比べて保管や輸送が容易です。また、使用前に必要なのは採掘だけで、長く費用のかかる精製プロセスが必要な他の化石燃料とは異なります。

さらに、石炭埋蔵量は地球上でより均等に分布しています。2020年1月時点で、米国は世界最大の石炭埋蔵量を保有し、全化石燃料埋蔵量の約90％に相当する推定2500億トンです。

安価で入手しやすいだけでなく、石炭は非常に多用途でさまざまなプロセスに利用できます。石炭は主に世界中で発電に使用されており、実際に手頃なエネルギー形態で、石炭で発電された電力は他の電源で発電された電力よりも安価です。

米国でも、石炭は火力発電所で燃焼させて電力を生産するために使用されています。その熱で水を高圧蒸気に変え、タービンを回して電力を生成します。米国エネルギー情報局によると、2019年には米国全体の電力の約23％が石炭火力発電所で生成されました。

この化石燃料は、鉄鋼やコンクリートの製造、鉄の製錬、さらにはアルミニウムや銅などの金属製造にも使用されます。石炭とその副産物は、水フィルターや空気清浄システム、航空機や自動車の製造、医薬品、希土類元素の抽出といった化学プロセスにも利用されています。

さらに、石炭のガス化・液化利用もあり、石炭からガスへのプロジェクトは主に米国と中国に集中し、オーストラリア、カナダ、インド、南アフリカ、インドネシアにも少数存在します。石炭はアンモニア、メタノール、尿素などの化学原料の製造だけでなく、紙、繊維、ガラス産業でも使用されます。また、炭素繊維の製造とともに、シリコン金属などの成分を提供し、個人ケアや家庭用品の部品製造に利用されています。

石炭の豊富さ、低コスト、信頼性にもかかわらず、業界はゼロエミッションへの技術開発や経路構築という課題に直面しており、これは気候変動の要因とされています。

大気中のCO2対策として予防が適切か、治療が適切かを知るにはこちらをクリックしてください。

石炭の経済的役割の再評価

世界各国が気候変動への寄与から他のエネルギー生産手段への転換を誓う中、研究者や科学者は石炭の別の活用方法を模索しています。

化石燃料としての石炭の経済的役割を再評価するため、Taiwan Semiconductor Manufacturing (TSM ) Company、National Energy Technology Laboratory、University of Illinois Urbana-Champaign、Oak Ridge National Laboratoryが共同研究に取り組み、次世代電子デバイスにおける石炭の重要な役割を示しました。

近年、電気的、光学的、機械的特性を持つ2次元材料（2Dマテリアル）の研究が活発に行われています。さまざまな原子層厚さの2D材料の合成は、未知の特性を探求できるレイヤー・バイ・レイヤーの新プラットフォームを提供し、多くの新技術の可能性を示しています。

2D層状半導体は高いキャリア移動度、低電力スイッチング、比較的大きなバンドギャップ、そして大面積成長法が利用可能といった特徴を持ち、次世代エレクトロニクスの有望な候補です。現在、石炭がこのようなエレクトロニクスへの利用を試みられています。

「石炭は通常、かさばり汚いものと考えられていますが、我々が開発した加工技術により、数原子層の高純度材料に変換できるようになりました。」

– U. of I. 材料科学・工学教授で共同リーダーのQing Cao氏が述べました。

彼はさらに指摘しました：

「それらの独自の原子構造と特性は、最先端を上回る性能を持つ、可能な限り小型のエレクトロニクスを作るのに理想的です。」

この共同研究の下、研究者は石炭チャーを極小の炭素ディスクに変換するプロセスを開発し、これらは「カーボンドット」と呼ばれます。

研究グループの示すように、これらのナノスケール炭素ディスクは接続して原子層厚さの膜を作ることができます。この膜は2次元（2D）トランジスタやメモリスタなどの技術に応用でき、研究者はこれらの技術がより効率的なエレクトロニクス構築に重要になると述べています。

炭素系材料は、従来の産業用炭素（カーボンブラック）や新しい産業用炭素（グラファイト、炭素繊維）であれ、材料科学の発展に重要な役割を果たしていますが、マクロスケールの炭素材料は適切なバンドギャップが欠如しているため、効果的な蛍光材料としては使用できません。ここでカーボンドット（CDs）が有望な解決策として浮上しています。

カーボンドット（CDs）は、さまざまな物理化学的特性により多くの注目と研究関心を集めている新しい炭素系ナノ材料です。カーボンドットは綿密に設計され、通常は10nm未満のサイズです。この炭素系ナノ材料は、微小サイズ、環境に優しい、低コスト、低毒性、高安定性、優れた生体適合性、電子移動度、高い量子効率、豊富な官能基、そして強い吸収、光ルミネッセンス、燐光を含む独自の光学特性などの特徴を持ちます。

これらすべての特性により、炭素ファミリーの新素材は非常に人気が高く、多くの応用があります。具体的には以下の通りです：

センサー
情報暗号化
光触媒
発光ダイオード
化学センシング
太陽電池
スーパーキャパシタ
充電式バッテリー
バイオイメージング
光線療法
遺伝子送達
ドラッグデリバリー
爆発物検知
ナノ医療
食品安全
偽造防止

メタンが気候目標達成の鍵となる可能性と、その出所や対策について学ぶ

次世代エレクトロニクスにおける石炭の重要な役割

世界中の研究者や科学者は、より小型で高速、かつ高度なエレクトロニクスの実現に取り組んでいます。これは、1〜2原子層の材料で作られたデバイスがはるかに高速に動作し、エネルギー消費も大幅に低減できることを意味します。

これらのデバイスに向けて、超薄型半導体に関する研究が多数行われていますが、トランジスタやメモリスタといった実用的な電子デバイスを構築するためには、原子層厚さの絶縁体に関する広範な研究が必要です。

材料は電流の導電性に基づき、導体、半導体、絶縁体に分類されます。銅、真鍮、鋼、金、アルミニウムなど、低い電気抵抗により電気を容易に通す材料は導体と呼ばれます。

ガラス、空気、木材、プラスチック、ゴムなどの材料は電気を容易に通さないため、絶縁体と呼ばれます。一方、シリコン（Si）、ゲルマニウム（Ge）、セレン（Se）や、ガリウムヒ素（GaAs）、インジウムアンチモン化合物（InSb）などは、導体と絶縁体の中間に位置する電気伝導度を持ちます。

半導体の抵抗は温度上昇とともに減少し、導電性は温度上昇に伴って増加します。

絶縁体は、熱流を調整する壁断熱、炉の熱・誘電バリアとしての炉断熱、騒音防止の防音、家庭回路や商業・家庭用製品のコンデンサにおける電気絶縁など、幅広い用途があります。半導体も私たちの身近にあり、ほぼすべてのデバイスに組み込まれた小型トランジスタや、太陽光を電力に変換する太陽電池などが例です。

絶縁体では価電子帯と伝導帯のエネルギーギャップが非常に大きく（約15 eV）、半導体ではこのギャップが非常に小さく（約1 eV）なります。

最新の研究によれば、無秩序な原子構造を持つ原子層厚さの炭素層は、2Dデバイス構築に優れた絶縁体として機能し、チームは石炭チャー由来のカーボンドットからこれを作製しました。

石炭由来の炭素層の可能性を示すため、研究者はこれらを2Dトランジスタのゲート誘電体として使用しました。半導体モリブデンジスルフィド上に構築されたこのデバイスは、従来の2倍以上の動作速度と低エネルギー消費を実現しました。

これらの石炭由来炭素層は、従来の3D絶縁体表面に豊富に存在する「デングリングボンド」を持たず、「トラップ」として機能することで3D絶縁体の電気特性を変化させ、移動電荷の輸送を遅らせ、トランジスタのスイッチング速度に影響を与えます。

しかし、他の原子層厚さ材料とは異なり、石炭由来炭素層はアモルファスであり、不要な電流が絶縁体を通過してデバイス動作時に大幅な余分電力消費を引き起こします。Qing Cao氏は次のように述べました：

「これは非常にエキサイティングです。なぜなら、低技術と見なされがちだった石炭が、マイクロエレクトロニクスの最先端と直接結びついたのは初めてのことだからです。」

研究者が実証したもう一つの応用はメモリスタです。これはデータを記憶・処理できる電子部品で、人工知能（AI）の実装を大幅に向上させます。これらのデバイスは導電性フィラメントを変調することでデータを保存・表現します。

超薄型炭素層を絶縁体として使用することで、研究者は低エネルギーでフィラメントを迅速に形成でき、デバイスを高速・低電力で動作させました。さらに、石炭由来炭素層の原子サイズのリングがフィラメントを捕捉し、デバイスの再現性とデータ保存の信頼性を向上させます。

これらの新デバイスは、石炭チャー由来炭素層が2Dデバイスに利用できることを示しています。次の段階では、共同研究は大規模に適用可能な「石炭ベース炭素絶縁体の製造プロセス」の開発へと進む予定です。

新アプローチの活用

世界が温室効果ガス削減に向けて炭素からの転換を進める中、業界の継続的な研究は炭素を再評価し、半導体メーカーなどの異業種が将来的にその新形態を活用できる可能性を示しています。そこで、こうしたアプローチを採用できる企業をいくつか見てみましょう。

#1. Taiwan Semiconductor Manufacturing

これは、業界で最も先進的なプロセス技術を活用する世界最大のチップメーカーです。Taiwan Semiconductor Manufacturing Co.は、NVIDIA (NVDA ) 、AMD、Intel (INTC ) 、Appleなど多数のハイプロファイルクライアントのニーズに応えており、製品の応用範囲は広範な電気産業に及び、三大陸にわたる工場で徐々に拡大しています。

TSM 価格チャート

時価総額5302億6000万ドルのTSM株は現在101.40ドルで取引されており、年初来（YTD）で1.69％下落しています。同社は過去12か月（TTM）の売上高が698.4億ドル、EPS（TTM）が5.36、P/E（TTM）が19.08、ROE（TTM）が29.43％を記録しました。Taiwan Semiconductor Manufacturingは配当利回り1.88％も支払っています。

#2. NVIDIA Corporation

この企業はゲーム、ノートパソコン、データセンター、アプリ向けのハードウェアとソフトウェアを開発しており、特にゲーム、暗号通貨マイニング、AIなど多様な用途向けのグラフィックス処理ユニット（GPU）で知られています。

最近、Nvidiaはゲーム愛好者向けおよびローカルでAIアプリケーションを実行するための新しいデスクトップ向けグラフィックプロセッサ、GeForce RTX 40 SUPERシリーズを発表しました。また、Nvidiaは中国のEV市場でも展開を拡大しており、4つの中国EVブランドが自動運転システムに同社技術を採用すると発表しました。

NVDA 価格チャート

時価総額1.29兆ドルのNVDA株は現在522.58ドルで取引されており、年初来で5.5％上昇しています。同社は過去12か月（TTM）の売上高が448.7億ドル、EPS（TTM）が7.57、P/E（TTM）が68.99、ROE（TTM）が69.17％を記録しました。Nvidiaは配当利回り0.03％も支払っています。