作成日:2018.01.29|更新日:

エネルギーフリー社会を語ろう!2018年度版

予測を超えた成長.太陽光発電

世界の太陽光コストは2020年までに半減、化石燃料を下回る水準

2010年2月1日に:「環境工学研究所 WEEF」のサイトを初公開以来、今年で丸8年を経過。その間、2011年3月11日の東日本大震災及び福島第一原子力発電所事故に罹災を経験。以降、独自の縮原発論(参考:まずはリアルな「縮原発」から「新エネルギー庁」の創設を、東洋経済オンライン、2012.1.29)を展開し、太陽電池を中心として再生可能エネルギーに関連する調査研究を主に環境工学システムの視座から開始。その間、世界のエネルギー潮流はパリ協定(Paris Agreement)――第21回気候変動枠組条約締約国会議(COP21)が開催されたパリにて、2015年12月12日に採択された、気候変動抑制に関する多国間の国際的な協定――に象徴される流れの中、日本政府はいまだに原子力発電や石炭火力発電に固執する「ベストミックス政策」に固執し、原子力発電製造販売する東芝は経営危機に陥り、シャープを代表する太陽光発電の国内メーカは世界市場から脱落するなか、2018年1月13日、世界150カ国以上が加盟するIRENA(国際再生可能エネルギー機関)が、「再生可能エネルギーの2017年の発電コスト」(2010年から現在までの約7年間で、太陽光発電のコストは73%、陸上風力発電のコストは約25%低下しており、再生可能エネルギーは着実に競争力のある電源になりつつあること)を公表。

IEA's Renewable Energy Market Report 2017

それによると、2017年の世界における太陽光発電の加重平均による均等化発電原価(LCOE)は10セント/kWh(キロワット時)、陸上風力発電は6セント/kWh、水力発電は5セント/kWh、バイオマスおよび地熱発電は7セント/kWhだったと試算。IRENAは、2017年のG20諸国の化石燃料を利用する電源の発電コストは5?17セント/kWhと推定。このことからも、再生可能エネルギーの発電コストは、化石燃料を利用する電源と比較しても遜色ないレベルに逓減。太陽光発電については、さらに2020年までにコストが半減、陸上風力発電も同年までに5セント/kWhまで下落するとと予測。この要因の1つが、2017年に世界で非常に低価格で応札された太陽光・風力発電プロジェクトが複数登場。太陽光、風力ともに発電コストが3セント/kWhを下回る事例が生じており、このようなグローバルな競争入札の拡大の他、技術革新のさらなる進展、中〜大規模の開発事業者の台頭などが、さならるコスト低下を促進し、2020年(IRENA)には太陽光発電と陸上風力発電の優良な案件は、3セント以下の発電コストが主流になり、化石燃料の発電コストを下回ると予測する。

陸上風力、太陽光、洋上風力、集光型太陽光の発電コスト推移 出典:IRENA

尚、当研究所では、1990年初等からから、太陽光発電を中心とした再生可能エネルギーの価格逓減(デフレーション)の実現には半導体・情報通信産業などの第5次産業革命(巷では第4次産業と流布されている)の影響によるものと考察し調査研究を始めている(参照:デジタル革命渦論、当研究所編集)。

予測を超えた成長.風力発電

3百万平方キロメートル海洋風力発電所で全世界の電力が賄える

2017年20月09日、カーネギー科学研究所のグループの調査によれば、北大西洋の海洋風力発電は海上での平均風速は理論上、陸上風力タービンの5倍以上のエネルギー変換が可能で、風力タービで再生可能エネルギー創出できるが、これまで実際に電気量増加できるか不明であった。陸上風力発電所の最大発電効率限界が存在する。大西洋海洋の大気が、内陸の大気よりも、より多くのエネルギーを取り出せることを実証した。この原因は主に、大量の熱が北大西洋――特に冬の間大気に――放出され海洋環境の風力発電の方が、地上の風力発電所より高い発電レートを維持することができる。風力発電の風力タービンは、連続的に表面風の運動エネルギーを電気に変換、風力から運動エネルギーを消費し、風力原則させ、風力発電の発電量を決定する。これまでのい研究では、大規模な風力発電での陸上発電の割合は、1平方メートルあたり約1.5ワットであるが、海洋環境の潜在的な風力発電所の発電レートをモデル化し、季節変動するのにもかかわらず、年間発電電力量が1平方メートル当たり6ワット超の地域であることを特定する。また、シミュレーションでは、海洋の特定領域で、海洋上の大気循環パターンは、海洋表面で利用可能な限られた運動エネルギーとは対照的に、風力発電は、上層の対流圏の運動エネルギーをも活用可能であることを示唆。内陸部で観測された風力発電量33倍の風力発電を維持している。この成果から、商業規模の海洋風風力タービンで、約300万平方キロメートルの広範囲の海洋風力発電は、現在の世界の年間エネルギー需要である18テラワットが供給できると推測している。因みに、地球の総海洋面積は、約3億6106万平方キロメートル故、3百万平方キロメートルは、約0.83%である。

リバプール沖に世界最大の風力タービン稼働

ところで、2017年5月19日、リバプール沖の10年前に稼働したブーボバンク海洋風力発電所に隣接する40平方キロメートル面積に、このほど、デンマークのドン・エナジー社の世界最大の8メガワット風力タービン4基が稼働。2012年以降、海上風力発電コストが3分の1に低下し、今年度夏の政府洋上風力発電補助金取引での再ネル補助金は2900万ポンド(約36億円)。フランス電力公社(EDF)がサマセットに建設中の原子力発電所の1メガワットアワー当たり92.50ポンド(13,400円)より下回ると予想されている。すでに、ドイツのドンエナジー社は「補助金ゼロ」を実現しているように、英国でも「補助金ゼロ」を目指す。 尚、ドイツでは、8メガワットより大きい、13、15メガワット級風力タービンの建設を計画がありこの風力タービンはエネルギー理論限界効率(59%)にある。

Deep-sea wind farm in Atlantic could meet world's power needs - TomoNews



REN21 2017年度版

高効率バイオマス発電

バイオマスのエネルギー変換技術は3つに分類されている。?直接燃焼:ボイラーでスチームを発生させ発電する方法、?熱科学的変換:熱/圧を加えたり、ガス化剤接触し気体/液体燃料や化合物に変換する方法、?生物化学的変化:微生物工学で発酵させメタンガス/エタノールなどの燃料にする方法で、「第2世代」「次世代」の研究開発タイムラインが設定されているが、現段階のエネルギー変換率は20%程度である。また、例えば周知のごとく航空機はジェットエンジンには軽油、レシプロにはガソリンの地下化石燃料が使用され、これらのエンジンオイルをバイオマス燃料へ切り替えていこうとするのが再生可能エネルギー社会実現させる流れであり技術である。これに対し電気航空機(Electric Aircraft)は、完全太陽光発電型航空機(ソーラープレーン)、停止時に充電しておき、飛行中にソーラータイルで発電し飛行距離の延伸するプラグイン&ソーラー型航空機、あるいは、従来の燃料燃焼型に補助用電源にソーラー発電を利用する航空機の3つに分けられる。

シュウ酸からグリコール酸を連続的に合成

2017年12月13日、九州大学のカーボンニュートラル・エネルギー国際研究所の研究グループは、世界で初めてカルボン酸であるシュウ酸と水から電力を使ってアルコール様物質であるグリコール酸を連続的に合成する装置の開発に成功したことを公表。下図のように、グリコール酸はエネルギー密度が高く安定な化合物であり、貯蔵や輸送が容易な次世代の燃料として期待され、ピーリング剤(Peeling agents)や生分解性ポリマーの原料として工業的にも広く使われている物質である。一方、シュウ酸は大気中のCO2を吸収して成長する植物から得ることができる。従来のグリコール酸の合成プロセスは、高温高圧条件を必要とするか、環境汚染物質となる有機物や塩の排出を伴うが、本件では、電力のみを使ってシュウ酸からグリコール酸を連続的に製造する装置の開発に成功。この技術により、効率的なグリコール酸の製造が可能になるだけでなく、再生可能エネルギーによって作られる電気エネルギーを貯蔵性および輸送性に優れたグリコール酸に直接的に貯められるようになる。同研究グループは、これまでに、二酸化チタン触媒がシュウ酸からの電気化学的なグリコール酸合成に有効であることを発見。今回新たに基質透過性を持つ膜―電極接合体とそれを使った、固体高分子型グリコール酸電解合成装置を作製し、この装置を用いることで、不純物を添加せずにシュウ酸からグリコール酸を連続的に製造することに世界で初めて成功している。
ところで、利用木質バイオマス特には樹皮より、工業原料として重要なシュウ酸を生産する方法を提供にあっては、下図のように未利用木質バイオマス特にはシュウ酸カルシウムを大量に含む樹皮を原材料として、酸処理してシュウ酸カルシウムを可溶化する第1工程、第1工程で得た処理液を陰イオン交換膜により分離し、シュウ酸を含む酸を回収する第2工程、第2工程で得た回収酸からシュウ酸を分離精製する第3工程から構成されるシュウ酸の製造方法が提案されている(下図/右参照)。




エネルギー消費量と変換技術の変遷と現状

1882年以来発電所で発電が行われている。 発電機を駆動するために1883年に蒸気タービンが発明され、世界の電力消費が大幅に増加。
2008年の世界の電力生産量は、20.279 ペタワット時 (PWh)。 この数値は、年間平均2.31 TWの平均電力に相当します。 発電所の発電効率はおよそ30?50%であるため、この発電に必要な総エネルギーは約2?3倍です。 従って、発生電力は5TW程度である。 これは15 TW( 世界のエネルギー消費量を参照 )の総エネルギー消費量の約3分の1。
2005年に発電に使用された主要なエネルギーは、41.60兆BTU [12,192 TWh](石炭21.01クワッド[6,157 TWh]、天然ガス6.69クワッド[1,960 TWh]、石油1.32クワッド[387 TWh]、原子力電力8.13クワッド[2,383 TWh]、再生可能エネルギー4.23クワッド[1,240 TWh])。 その年の総発電量は14.50クワッド[4,250 TWh]。 27.10の4分の1の[7,942 TWh]の差は変換損失で。 住宅地域では4.84 Quads [1,418 TWh]、商業では4.32 Quads [1,266 TWh]、輸送には3.47 Quads [1,017 TWh]、輸送には0.03 Quads [8.79 TWh]が使用されている。
※1クワッド = 1兆TBU = 1×10 15 BTU = 293TWh
最終消費者は16,816 TWh(83%)の電力を消費した。 3,464 TWh(17%)の差は電力を生成する過程で消費され、エンドユーザーに配給。 電力需要推定の適応型ニューロファジーネットワークモデルの感度分析は、雇用が電力消費に影響を及ぼす最も重要な要素であることを示す。 この研究では、入力データ、雇用、GDP、住居、人口、HDD、CDDの6つのパラメータを出力変数として使用。

2009年の電力消費量

出典:Enerdata Statistical Energy Review

世界レベルでは、第2次世界大戦以来、2009年にエネルギー消費量が1.5%削減されました。 アジアや中東を除き、世界のすべての地域で消費が減少した。 全体の53%を占めるOECD諸国では、欧州と北米で4.5%以上の電力需要が減少したが、日本では7%を超えた。 電気需要はCIS諸国でもロシア消費の大幅な削減により4.5%以上も減少した。 逆に、中国とインド(世界消費の22%)では、高い経済成長に関連するエネルギー需要を満たすために、電力消費量は引き続き高い伸び率(6?7%)で上昇した。 中東では、成長率は軟化したものの、依然として4%をわずかに上回った。

世界の電力消費量(2012年)

下表には、190カ国以上の消費量の90%を消費する19,000 TWh / aieを使用する上位37の電力消費国が記載されています。 この電力を発電するためのエネルギー源(発電所で消費される量を含む)と消費量の合計は、国ごとに与えられます。 データは2012年。 最後の列には、何百万人もの住民が含まれる。

グローバルエネルギー統計イヤーブック 2017

人口1人あたりの消費量

総消費量(2列目)を住民数で割った値(最後の列)は、人口1人当たりの消費量。 W-ヨーロッパでは、これは5〜8 MWh / aである。 (1 MWhは1000 kWhに等しい)スカンジナビア、アメリカ、カナダ、台湾、韓国では、はるかに多く、途上国でははるかに少ない。 世界平均は3 MWh / aである。 インドネシアのように1人当たりの消費量が非常に低いということは、多くの住民が電力網に接続していないことを意味し、これが世界第7位と第8位の人口の多いナイジェリア (177M)とバングラデシュ (156M)。

2012-2014

2012年から2014年にかけて、世界の電力消費は5%増加。 核・化石発電量は3%増加し、再生可能電力量は12%増加した。 再生可能エネルギーのうち、太陽光と風力発電の一部は、1990年以来の急成長に伴い、46%増加。ブラジルの風力発電は140%、中国では太陽光と風力だけでなく、81%も増加したが、原子力も36%増加した。

発電とGDP(2009年)

上場国は、CIA ワールドファクトブック 2009年時点で上位20の人口国および/または上位20のGDP ( PPP )国とサウジアラビア。 この表の30カ国(EU / IEAを除く)は、世界人口の77%、世界GDPの84%、世界の発電量の83%を占める。 GDP量を発電電力で割ることで、発電量当たりの生産性( エネルギー強度と同様の考え方)を測定することができます。 世界平均は$ 3.5生産/ kWh。 発電には、最終消費、プロセス消費、損失が含まれる。

カテゴリ別の電力最終消費量(2008年)

総発電量の約17%は、発電所の自己消費、グリッド損失、貯蔵損失などのインプロセスによって消費されます。 2008年の総発電量は20,261 TWh(20.26 PWh)であり、3,464 TWh(3.46 PWh)は自己消費および損失であり、16,816 TWh(16.82 PWh)は最終消費に達した。 産業消費率は、中国が67.8%、韓国が51.0%(7位)、ドイツが46.1%(11位)、日本が31.5%(26位)、米国が24.0%(28位)日本は36.4%、米国35.6%(3位)、中国5.4%(29位)で最も高い。 国内では、サウジアラビアが56.9%、米国36.2%(8位)、日本29.8%(16位)、中国15.5%(29位)、韓国13.8%(30位)で最も高い。
※定義:産業 :鉄鋼、化学・石油化学、非鉄金属、非金属鉱物、輸送機器、機械、鉱業、食品・タバコ、紙・パルプ・プリント、木材・木材製品、建設、繊維・皮革、指定された。 輸送 :国内航空、陸上輸送、鉄道、パイプライン輸送、国内航行、指定なし。 国際海上および航空バンカーは含まれていないことに注意。 漁業 :一部の国には、農業や林業による漁業が含まれる。

2040年までの電気のシナリオ

どのようなシナリオにおいても、効率を高めることは、所与の電力と光の需要に対して必要とされる電気を少なくすることになります。 しかし、需要は、 途上国における経済成長 輸送と暖房の電化。 燃焼エンジンは電気駆動に置き換えられ、ガスとオイルの加熱は少なくなるが、可能であればヒートポンプではより多くの電力が使用される。 輸送と暖房がより気候にやさしくなるにつれて、エネルギー消費の環境効果は電気によってより決定される。 これは、主に自然の炭素循環を妨げる化石燃料を燃焼させることによって供給される。 シナリオは、環境に対して非常に異なる結果をもたらす。 国際エネルギー機関(IEA)は、再生可能エネルギーの4倍以上の補助金を2013年に550億ドルに上げることを期待している。 このシナリオでは、2040年の電力消費の増加のほぼ半分が再生可能エネルギーの80%以上の成長によってカバーされています。 多くの新しい原子力発電所は、主に古いものを置き換えるために建設される。 発電の核部分は11%から12%に増加する。 再生可能部分は21%から33%へと大きく上昇する。 IEAは、地球温暖化を2℃に制限するために、二酸化炭素排出量は2014年から1000ギガトン(Gt)を超えてはならないと警告。この制限は2040年に達成され、排出量はゼロまで低下せず。
世界エネルギー会議 ( World Energy Council)は、2040年に世界の電力消費量が40,000 TWh / a以上に増加すると見ている。発電の化石部分はエネルギー政策に依存する。 それは、各国が独立して「即興」するいわゆるジャズシナリオでは約70%に留まることができるが、国がより気候に優しい政策のために「調整」されている場合、 シンフォニーシナリオでは約40%に減少する可能性があります。 2012年に32 Gt / aの二酸化炭素排出量は、ジャズでは46 Gt / aに増加するが、シンフォニーでは26 Gt / aに減少する。 したがって、2040年まで、再生可能な世代はジャズでは約20%、シンフォニーでは約45%に増加。

まとめ:2016年、自然エネルギーの導入量は増加、必要な投資額は減少

    1. 2016年、世界176カ国が自然エネルギーの達成目標を設定。34カ国(前年比2倍以上)で自然エネルギーの入札を実施。
    2. 2016年、自然エネルギーの新規導入量は161GW、新記録達成。世界全体の累積設備容量は2015年比で約9%増。
    3. 新規の自然エネルギー発電設備への投資額は2,498億米ドルに達し、5年連続で、火力発電設備への投資額の約2倍となった。
    4. 世界経済が3%成長し、エネルギー需要が増加したにもかかわらず、2016年のエネルギー部門による世界のCO2排出量は、3年連続で前年と同じ水準を維持。


百%自然エネルギー―断続的風力、水力、太陽光発電で低コスト電力可能システムの提案

Title:.Low-cost solution to the grid reliability problem with 100% penetration of intermittent wind, water, and solar for all purposes.
Mark Z. Jacobson、Mark A. Delucchi、Mary A. Cameron、Bethany A. Frew
PNAS 2015 December、112(49)15060-15065。 https://doi.org/10.1073/pnas.1510028112

概要

スタンフォードのエンジニアは、2050年までに米国を100%クリーンで再生可能エネルギーに転換する州別計画を策定する。Mark Z. Jacobsonらは、各州が化石燃料のエネルギーを完全にクリーンで再生可能なエネルギーに置き換えることが技術的に可能であることを示す。By Bjorn Careyスタンフォード大学のMark Z. Jacobson教授らは、各州の風力、太陽熱、地熱、水力、および微量の潮汐と波の再生可能エネルギーのみを使って、各州の新しい電力需要を満たす方法を計算。 進行中の気候変動に対抗し、大気汚染の死亡率を排除し、雇用を創出し、エネルギー価格を安定させる可能性のある方法の1つは、世界のエネルギーインフラ全体をクリーンで再生可能なエネルギーに変える。これは困難な課題だが、新しい研究で、スタンフォードの市民環境工学教授であるマーク・ジェイコブソン(Mark Z. Jacobson)および同僚(U.C.バークレーの研究者であるMark Delucchiは、50州がどのように2050年まで移行達成できるを最初に概説。50州の個別の州計画では、インフラと現在エネルギー消費方法の両方を積極的に変更する予定だが、既存の技術の広範な実装を通じて、技術的および経済的に可能。主な障壁は、社会的、政治的、産業変化をもたらしている。ジェイコブソンは、「技術的にも経済的にも可能であることを示すことで、この研究は大きな障壁となる可能性がある」と述べた。この研究は、エネルギー・環境科学のオンライン版に掲載され、各州の計画を要約したインタラクティブマップwww.thesolutionsproject.org―で入手できる。
ジェイコブソンらのグループは、各州の現在のエネルギー需要と、2050年までに通常のようなビジネスのもとでその需要がどのように変化するかを見て始めました。各州でのエネルギー使用の完全なイメージを作成するには、住宅、商業、工業、輸送の4つの分野におけるエネルギー使用量を調査。各セクターについて、石炭、石油、ガス、原子力、再生可能エネルギーなどの現在の燃料消費量と供給源を分析し、すべての燃料使用量を電気に置き換えた場合の燃料需要を計算した。これは非常に困難なステップです。道路上のすべての車が電気になることを前提としており、家庭や産業は完全に電化された暖房と冷房システムに変換されます。しかしJacobson氏は、彼らの計算は既存の技術を統合することに基づいており、エネルギー節約は重要であると語った。50州すべてでこれを実施したとき、2050年までに最終使用電力総需要が39%削減され、インフラストラクチャーの効率改善益は約6%で、主な原因は電流源と燃焼エネルギーの使用を電力に置き換えたことによる。次のステップは、新しい電気グリッドに電力を供給する方法を調べ、再生可能エネルギー(風力、太陽熱、地熱、水力発電、および微量の潮汐と波動のみ)を使用して各州の新電力需要を満足することであった。彼らは、各州の太陽の暴露と、南向きの非日陰の屋根が太陽電池パネルを収容できるかを分析。彼らは風力図を作成し、協議し、地元のオフショア風力タービンがオプションかどうかを判断しました。地熱エネルギーはわずか13州で妥当なコストで利用可能である。この計画は、実質的に新しい水力発電ダムを必要としないが、既存のダムの効率を改善することによるエネルギー利益を考慮に入れている。この報告書は、2030年までに80%の移行、2050年までに完全な転換を達成するために、各州の個別のロードマップを策定している.Jacobsonは、いくつかの州がすでに進行中であると述べた。例えば、現在の電力の70%以上が既存の水力発電に由来するため、ワシントン州は、例えば、完全に再生可能エネルギーへの切り替えを比較的迅速に行うことができます。これは、ワシントンが100%電化されていれば、州の多目的権力の約35%に相当する。風と太陽が残りの大半を占める可能性があります。 アイオワ州とサウスダコタ州は風力発電の電力の30%近くをすでに発電しているため、立地条件も良好です。
ジェイコブソンの2番目のニューヨーク州再生可能エネルギーへのロードマップの焦点であったカリフォルニアは、すでにグループの提案のいくつかを採用しており、2030年までに再生可能エネルギーで60%の電化を計画しています。
この計画では、ソーラーパネルや風力タービンでカバーされる州の土地の0.5%以下を要求している。変更の初期費用は重要ですが、風と太陽光は無料です。
そのため、経費全体のコストは、化石燃料のインフラ、メンテナンス、生産の価格とほぼ同じです。
「健康と気候のコストと化石燃料の価格の上昇を考慮すると、風、水、太陽光は従来のシステムの半分である」とJacobson氏は語った。
この規模の転換は、雇用を創出し、燃料価格を安定させ、公害関連の健康問題を減らし、米国からの排出を排除するだろう。
少なくともこの科学に基づいて、変換にはほとんど欠点がない。
ジェイコブソンによると、転換が計画通りに行われれば、米国の大気汚染の減少は、毎年大気汚染関連の原因で死亡した約63,000人のアメリカ人の死を防ぐことができるとのこと。 また、2050年までに世界に3.3兆ドルの費用がかかる、化石燃料から製造された温室効果ガスの米国排出をなくすことができるだろう。世界150カ国以上が加盟するIRENA(国際再生可能エネルギー機関:International Renewable Energy Agency)は、2018年1月13日に再生可能エネルギー電源のコスト動向をまとめた報告書「Renewable Power Generation Costs in 2017(再生可能エネルギーの2017年の発電コスト)」を公表した。2010年から現在までの約7年間で、太陽光発電のコストは73%、陸上風力発電のコストは約25%低下しており、再生可能エネルギーは着実に競争力のある電源になりつつあるとしている。




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