エネルギー耕作型文明への転換

1973年に石油危機が生じたとき、日本は大混乱に陥りました。私は、このとき日本がエネルギーに関してまったく無防備であることを知りました。そこでエネルギー問題を本格的に研究しようと心に決めて、多くの資料を収集して調べはじめました。エネルギー問題には、人類と技術の歴史に関する複雑で多様な問題が凝縮されています。この問題に取り組むことによって、世界をよりよく見通せるようになりたかったのです。

資料集めと調査の数年が経過したとき、大量のエネルギー消費が惹き起こす資源の限界と環境の危機の解決のためには、エネルギー利用効率を向上させ、再生可能エネルギーを普及させてゆくことが最も重要だと考えました。数万年の昔、人類は食糧について、「動物を狩猟」していた時代から「農業による耕作」へ転換しました。同じことがエネルギーについても生じると思われました。地下から化石燃料や核燃料を資源として掘り出す「エネルギー狩猟型文明」から、農業のように地上で太陽や風力や水力などの再生可能エネルギーを上手に利用する「エネルギー耕作型文明」に転換してゆく構想です。このアイディアを詳しく展開して1980年に「エネルギー耕作型文明」(東洋経済)というタイトルの本を書きました。これは34年前ですが、21世紀の現在、欧米や世界各地でこの転換が始まっています。

2011年3月11日の東日本大震災と福島第一原発事故の生じた日、私は、北杜市の2メガワットの太陽光発電所と小水力発電の見学会に参加していました。あの地震がきたとき、その揺れが尋常でないことはすぐにわかりました。交差点の信号は消え、北杜市役所に行くと停電になっていました。帰り道の大混雑の道路を走るクルマの中で、日本で太陽光と風力を大量に導入した場合のエネルギーシミュレータを開発するにはどうしたらよいかと考えていました。いつかはやらねばと思いながら、膨大な作業のことを思うと面倒になりいつも後回しにしていた研究テーマでした。しかし、今度は違います。その作業をすぐに開始しました。

はじめてひと月ほどして、世界自然保護基金日本委員会(WWFジャパン)が、「2050年の日本のエネルギーを100%自然エネルギーで供給する研究」の依頼をしてきました。WWFインターナショナル(本部はスイス、ジュネーブ)は、2011年2月に「世界全体のエネルギーを2050年までに100%再生可能エネルギーで供給できる」というレポートを発表していました。WWFジャパンはその日本版を作る計画でした。WWFジャパンとの関係は1997年の京都会議COP3にむけて、日本の脱温暖化エネルギーシナリオを作成したことが始まりでした。そのシナリオでは、発売されたばかりのハイブリッドカーが2010年代には大量に普及するシナリオの計算をしました。2001年には再び依頼を受けて、LED(発光ダイオード)が大量に普及することを想定したシナリオの計算を発表しました。当時は、ハイブリッドカーとLEDの大量普及は、荒唐無稽なアイデイアのように思われた方も大勢いらしたようです。しかし、現在、実際に普及している様子をみると、論理的に考えたことは必ずそうなるのだという思いが強くなります。この2つの技術が自動車と照明というエネルギー分野に革命を起こしたことは、今では誰でも知っています。今回は、2011年から2013年にかけて、省エネルギー、100%自然エネルギー、費用算定、電力系統の4つの報告を作成しました。さらに2014年11月には、九州電力の自然エネルギーの接続保留問題について、シミュレーション計算にもとづく報告を作成しました。これらの詳細については、WWFジャパンのサイトから誰でもダウンロードできます。その後もいくつかの具体的なシナリオを通じて、自然エネルギーの大量普及を検討しています。ここにはその一部をご紹介します。

1. 自然エネルギー大量普及シナリオ

「将来の主要なエネルギーの80~100%が自然エネルギーで供給可能だ」とする研究が、2010年以降に欧米のエネルギー関係誌に発表されています。このような議論を「荒唐無稽だ」と批判していた空気は急激に変わっています。これは地球温暖化問題の解決には、エネルギー問題の根本的な変革が必要であることが広く知られたためと思われます。

2010年、エネルギー分野の主要な学会誌「エネルギーポリシー」と科学雑誌「サイエンティフィックアメリカン」(邦訳は日経サイエンス)に、スタンフォード大学のジェイコブソンらが「世界化石燃料全廃計画」という論文を発表しました。2030年までに、世界のエネルギーのすべてを、水力、風力、太陽(Water/Wind/ Solar)で満たすWWSシナリオを提唱しています。風力発電、集光型太陽熱発電、メガソーラー、屋根上太陽光、地熱、水力、波力、潮力なども組み合わせて、世界全体で535億kWを供給できるとしています。バイオマスは、大気汚染を引き起こすため除外しています。この巨大な規模の設備を2030年までという短い期間で整備できるのかという問いに対しては、「世界で生産されている自動車は年間7000万台であるが、1台あたり30~50kWとすると、世界では20~30億kW分の動力を生み出す装置が毎年作られていることになる。従って、この程度の発電装置を作るのは難しくない」としています。

さらに2012年、米国の国立再生可能エネルギー研究所(NREL)は、2050年の米国の電力の80~90%を自然エネルギーで満たすシナリオを発表しています。電力に占める自然エネルギーの割合を現状から段階的に90%まで引き上げていった場合に、どのような構成になるのかを試算しています。風力、太陽光、集光型太陽熱発電、地熱、バイオマス、水力の順に大きなシェアになっています。世界ではこのような研究が続々と発表されています。

2. 省エネルギーの可能性

将来のエネルギーを考えるときに、最も重要で経済性があるのにかかわらず軽視されているのは、省エネルギーです。エネルギー効率を上げる機会がたくさんあるのに、省エネルギーは地味なものであり、見かけの派手なエネルギー供給技術にばかり注目する傾向があります。「日本は省エネルギーが進んでいるので、乾いたぞう雑巾をもう絞ることはできない」という常套句は、時代遅れになっています。日本は「乾いた雑巾」に固執して来たので、省エネルギーに関してすでに世界の中でも遅れた国になってしまいました。省エネルギー技術を見ながら、日本の将来のエネルギー需要を見直してみましょう。

将来のエネルギー需要は、経済や人々の活動の規模と省エネルギー技術によって推定できます。まず公表されている報告として、日本エネルギー経済研究所のレポート「アジア/世界アウトルック」によれば、2050年には2008年に比較して実質GDPは1.56倍に増加すると予測しています。そして2050年における日本の最終エネルギー消費量は、現状から2割程度小さくなると想定しています。これをBAU(現状維持、Business as Usual)シナリオとして参照しながら、将来の活動指数、効率向上を検討してエネルギー需要を推定してみました。

産業部門を見てみましょう。現在、鉄のリサイクル率は30%程度ですが、他の先進国ではすでにおよそ50%ですから、2050年には70%ほどになると考えられます。鉄のリサイクルは、高炉ではなくエネルギー消費が7分の1ほどの電炉を使うので、鉄鋼業全体ではエネルギー消費は45%に低減することになります。化学・窯業・紙パルプ業では、生産工程の効率化によってエネルギー消費は30%削減されるでしょう。また、工場においてインバータ制御モーターなどの広範な導入により、モーター駆動システムの効率は30%向上します。

一方、家庭部門では、「次世代省エネルギー基準」の断熱化によって暖冷房需要が36%になるほか、エアコン、LED照明、電気製品が2~4倍の効率になるとされており、全体として現状の半分程度になると予想されます。

次に業務部門では、すでにエネルギー消費を半分以下にするオフィスビルや、ゼロエネルギービルが建設されています。照明はLEDによる局所照明とアンビエント照明の普及により効率が4倍になります。OA機器は電力消費が50%になります。業務部門全体としておよそ現状の半分になると予測されます。またテレビ会議の導入が航空機利用を代替し、移動に伴うエネルギー消費を減らすことになるでしょう。

そして運輸部門では、自動車や航空機の軽量化が進みます。内燃機関自動車は2050年には、電気自動車と燃料電池車になると想定しています。いずれも電気駆動になるため損失が少なく、動力回収ブレーキが利用できるので効率が向上します。カ-シェアリングやエコドライブが普及すると思われます。また貨物自動車の需要の15%は、鉄道と海運へモーダルシフトするでしょう。このほか、実際の計算には含めていませんが、ライフスタイルの変化も影響してくるでしょう。自動車の購入が若い世代で少なくなっているので、場合によってはこの計算よりさらにエネルギー消費が小さくなっていく可能性があります。

図1. 最終エネルギー需要の将来(MTOE:石油換算100万トン)

図1. 最終エネルギー需要の将来

以上をまとめて簡単に言えば、2050年には人口の減少で活動指数が25~30%減少、省エネルギー技術で30%減少するので、図1に示すように全体としてエネルギー消費は現状に比較して半減すると予想されます。

3. 自然エネルギーの可能性

さて、このように削減されたエネルギー需要に対して日本にある再生可能エネルギーとして、水力発電、地熱発電、太陽光、風力などを組み合わせて供給することを検討しています。

(1)自然エネルギーのポテンシャル

表1には、日本の自然エネルギーの現状、最大ポテンシャル、WWFシナリオの数値をまとめてみました。現在の国内の自然エネルギーの供給規模を見てみると、まだまだ未開発の資源が多くあることがわかります。

表1. 日本の自然エネルギー

(最大ポテンシャルデータ:再生可能エネルギー導入ポテンシャル調査(環境省)およびNEDOの「PV2030+」による。太陽光、太陽熱、バイオマスの最大ポテンシャルはシステム技術研究所調査、TOE=石油換算トン)

(最大ポテンシャルデータ:再生可能エネルギー導入ポテンシャル調査(環境省)およびNEDOの「PV2030+」による。太陽光、太陽熱、バイオマスの最大ポテンシャルはシステム技術研究所調査、TOE=石油換算トン)

このほかに揚水発電が2513万kWあり、電力貯蔵用として太陽光と風力の変動を吸収するために利用できます。

(2)太陽光と風力の特性

世界の風力発電は、中国、アメリカ、ドイツ、スペインなどで拡大しています。ドイツは、日本より国土面積はすこし小さいにもかかわらず、日本の11倍の規模の風車がすでに稼働しています。環境省による平成22年のポテンシャル調査では、日本には陸上に2億8293万kW、洋上に15億7262万kWのポテンシャルがあるとしています。洋上風力は年間の設備利用率が大きくできるので、風車の経済性が向上します。鹿島灘では着床型の風車で50万kWの建設計画が始まり、福島沖では直径80メートルの洋上浮体風車で2000kWの風車が発電を開始しています。

次に太陽光発電をみてみましょう。ドイツとスペインで非常に大きな規模で導入されています。日本でもFIT(固定価格買取制度)の導入によって太陽光発電は急激に増えており、発電コストはほぼ学習曲線に乗って低下しており、ここ数年では特に急激に下がってきています。2020年までには既存の電力価格との差がなくなると考えられます。太陽光パネルの製造に加えて、設置方法などの周辺技術の分野にも多くのメーカーが参入してきて工夫が見られます。太陽光パネル自体のコストは、設備全体のおよそ4割で、残りの輸送や設置にかかる費用を低下させる試みが行われています。既存の建物の屋根や壁、空いている土地のどこにでも、太陽光パネルをつけようと思えばつけられるので、実際のところ限界はないのに等しいのです。発電効率が向上してゆく可能性もあります。

さて、太陽光発電と風力発電の特性はどのような関係にあるのでしょうか。拡張アメダス2000の気象データを使って、太陽光842地点、風力は風況のよい90地点を抽出して、発電シミュレーションをしてみました。図2に示すように、太陽光は1日のうち6~18時に発電し、季節的には春から夏にかけて発電量が大きくなります。風力は1年間をみると24時間いつでも稼働していますが、図3に示すように、風力は夏よりも冬のほうが発電量は大きくなっています。太陽光はその逆です。したがって太陽光と風力を組み合わせると効果的です。図2と3は、太陽光と風力の年間発電量が2:1 とした場合を示しています。この最適供給比は興味深い問題ですが、紙面の都合もありまたの機会にご紹介します。

図2. 1年間の時刻別発電量(TWh)

図2. 1年間の時刻別発電量

図3. 1年間の月別発電量(TWh)

図3. 1年間の月別発電量

4. 自然エネルギーによる供給

自然エネルギーによる日本のエネルギー供給について考えるには、いくつかの段階があります。もっとも簡単なのは、純粋な電力需要のみを対象にすることです。最終的には、電力と熱を含むすべてのエネルギー需要を対象にして100%自然エネルギーで供給することが目標になりますが、その中間的な段階では、純粋な電力と自動車用エネルギーを自然エネルギーで供給することが考えられます。いずれの場合にも、供給の変動を吸収するのに揚水発電とバッテリーを想定しています。以下に3つのシナリオを紹介します。

(1)純粋電力需要を自然エネルギーで供給するシナリオ

まず、自然エネルギーを純粋な電力需要のみに供給するシナリオを検討しましょう。民主党政権の国家戦略室は2012年、「原発ゼロシナリオ」を発表しました。2030年に自然エネルギーの供給を37%としています。これを発電容量で推定してみると、風力3900万kW、太陽光7300万kWほどになります。この規模を拡大して2050年には自然エネルギーを100%にしてゆけばよいわけです。2050年に自然エネルギーで電力100%を供給するには、太陽光で2.2億kW、風力で5200万kW、その他は水力、地熱、バイオマスで供給します。

エネルギー需給についてダイナミックシミュレータを用いて1時間ごとに1年間のシミュレーションを行って、供給の変動と電力貯蔵の様子を確認しています。AMEDAS標準気象データ2000の842地域の太陽輻射量と風速から太陽光と風力の発電量、最大不足電力、余剰電力、揚水発電使用量、バッテリー使用量などが算出できます。

(2)純粋電力需要と自動車用エネルギー需要を自然エネルギーで供給するシナリオ

次の段階として考えられるのは、純粋電力需要のおよそ130%を自然エネルギーで発電し、余剰電力を電気自動車と燃料電池車に供給するシナリオです。この場合、純粋電力需要に対して風力発電が8270万kW、太陽光発電が3.42億kW程度になるでしょう。残りの電力は、水力、地熱、バイオマスで供給します。自動車用燃料を取り上げる理由には、自動車用のエネルギーは高価でも受け入れやすく、また変動する自然エネルギーの余剰分を利用するのに好都合だからです。

図4. 自然エネルギーによる電力と自動車用エネルギーの供給

図4. 自然エネルギーによる電力と自動車用エネルギーの供給

ダイナミックシミュレータによる3日間の様子を図4に示しています。変動による不足分を揚水発電とバッテリーからの放電が補い、発電の余剰分はバッテリーや揚水発電への充電、燃料電池車用電解水素の生産、電気自動車の充電に使うことができます。

(3)すべてのエネルギー需要を自然エネルギーで供給するシナリオ

燃料や熱についてもすべて自然エネルギーで供給する場合には、自然エネルギーによる発電を燃料用電力として増やし、余剰電力を燃料や熱に置き換えて供給することにします。自然エネルギーから燃料や熱を直接供給する技術は、太陽熱とバイオマスがありますが、余剰電力の利用が重要です。バイオマスはかなりの規模が必要になり、現在の農林業や漁業は、エネルギー作物を生産する産業として大きく変化することでしょう。余剰電力で駆動するヒートポンプによって、太陽熱コレクターで捕獲した低温熱を汲み上げ、産業用や民生用の熱需要に供給します。もうひとつの余剰電力の利用は、前述した自動車用の電力や水素の他に水素を各種高温熱需要に供給します。燃料や熱もすべて供給するため純粋電力需要の160%を自然エネルギーで発電します。太陽光は4.77億kW、風力は1.09億kWになります。鉄鋼業の石炭に代わって水素を利用することを想定しましたが、これは未知の技術ですので、この部分だけは化石燃料が残るかもしれません。表2には、純粋電力需要のみの場合と、すべてのエネルギー需要に供給する場合の自然エネルギーの規模を示しています。

表2. 1年間の発電量と発電構成、電力貯蔵システムの利用

表2. 1年間の発電量と発電構成、電力貯蔵システムの利用

5. 費用はどの程度か

各種の省エネルギーや自然エネルギー設備コストの計算を行い、化石燃料価格が上昇してゆくBAU(現状維持)シナリオとのコスト比較を検討しました。省エネルギーと自然エネルギーを組み合わせたシナリオの場合、結果的にエネルギーコストはBAUに比較して小さくなり利益を生み出すことができます。すべてのエネルギー需要に供給する場合、2010年から2050年までの省エネルギー設備投資の合計は210兆円、BAUとの差し引きでプラス188兆円となるため、十分に価値のある投資と言えます。将来の自然エネルギーの設備コストについては、学習曲線の過去の傾向を使って計算しています。太陽光は、累積生産量が2倍になると発電コストが82%に、風力や地熱は90%に低下すると想定しています。自然エネルギーへの投資額の合計は、2050年までの40年間に231兆円、BAUと比較すると正味はプラス43兆円になると想定されます。

省エネルギーと自然エネルギーの設備投資を合計すると442兆円ですが、BAUとの比較では差し引き232兆円が利益として得られ、十分な投資効果があると言えます。毎年の設備投資は平均11兆円となり、40年間の平均GDPの697兆円に対しておよそ1.6%の割合になり、費用と思えばそうですが、見方を変えれば日本の新しい産業構造の構築に大きく寄与する投資と考えられます。

6. おわりに

アメリカのロッキーマウンテン研究所のエイモリ-・ロビンスは1976年に『ソフトエネルギーパス』(室田、槌屋訳、時事通信社、1979年) を発表して、世界的なベストセラーになりました。1973年の石油危機以後、多くの専門家は、エネルギー需要が幾何級数的に増大していくと想定し、これを原子力と石炭で供給するシナリオ(ハードエネルギーパス)を描いていました。ロビンスはこの本の中で、「ハードエネルギーパス」は危険が大きい、エネルギー利用効率の向上と自然エネルギーを中心とする「ソフトエネルギーパス」が現実的だと主張しました。需要予測は的中し、2012年までの米国のエネルギー需要はほとんど増大せず、1976年時点のロビンスの予測したシナリオとほぼ一致しています。彼は地球環境問題の解決に貢献した業績によって、日本では2007年に旭ガラス財団のブループラネット賞を受賞し、2013年には「京都地球環境の殿堂」に選ばれています。

ロビンスは、2012年に出版した『新しい火の創造』(ダイヤモンド社)で次のように述べています。

「2050年までに米国のGDPは2.6倍になるが、効率向上によりエネルギー需要そのものが現状の70%にできる。そして石油、石炭、原子力の供給は次第にゼロに近づき、最終的には天然ガスと自然エネルギーがこれを完全に代替する」

この本は、2013年12月に元首相小泉純一郎氏が日本記者クラブの講演で取り上げて話題になりました。今年の7月には、二人の元首相、小泉・細川氏が設立した「自然エネルギー推進会議」の主催でロビンスの講演会が虎の門で開催されました。聴衆席には、菅・鳩山の両氏の姿もあり、4人の元首相が耳を傾ける講演会になりました。効率を上げることと自然エネルギーに移行してゆくことの可能性を多くの人に知ってほしいと思います。

最初に書きましたように、「エネルギー狩猟型文明」から「エネルギー耕作型文明」への転換が始まっています。しかし、この歴史的な大転換に日本は遅れをとっています。これから社会や産業の構造が大きく変化してゆきます。これをただ見ているだけでなく、参加してエネルギー転換の推進者になるほうがはるかに楽しいことでしょう。

参考文献