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「なっとく!再生可能エネルギー」からエネルギーについて学ぼう

再生可能エネルギーへの関心が高まっています。20世紀型の化石燃料を中心としたエネルギー資源は、さまざまな問題を抱えているからです。埋蔵量は減少してゆくだけなので資源獲得競争が発生し、国際紛争の原因となる可能性があります。また、炭酸ガスを排出するため、地球環境を不安定にすると考えられています。この記事では、そのような問題への有効な対策としての、再生可能エネルギーについて、その種類と世界の現状、日本の現状などについて解説していきます。

再生可能エネルギーとは

“再生可能エネルギーとはどのようなものを指すのでしょうか。公式には次のような定義があります。「太陽光、風力その他非化石エネルギー源」のなかで「エネルギー源として永続的に利用することができると認められるもの」と「政令で定めるもの」です。具体的には、太陽光・風力・水力・地熱・バイオマスなど、既に実用化されているものが挙げられます。さらに、太陽熱・大気中の熱その他の自然界に存する熱などの利用も政令の定義する再生可能エネルギーには含みます。

19世紀に始まり、20世紀の工業化社会を牽引してきたエネルギー源は「化石エネルギー」と呼ばれています。石炭や石油、また天然ガスなどです。これらは地中深くに存在するため、掘削により入手することができます。石炭は、数千万年前以上前に地球上に存在した植物が、湖宿の底に堆積し、そこに含まれる炭素が熱や圧力で圧縮されて生成されたものです。石油は、石炭と同じような時期に海中のプランクトンの死骸が堆積して、バクテリアや地熱の影響で液化したと考えられています。また、天然ガスは石油と同じ由来で生成し、地中では液化した石油の上にたまっています。石炭、石油、天然ガスなどは化石と同じようなプロセスでできるため「化石エネルギー」や「化石燃料」などと呼ぶわけです。

化石燃料は、掘り出して貯蔵しておくことができますが、一度使うと再生できない点が最大の特徴です。その点、太陽や風など自然界に存在する現象は、定常的に利用可能です。貯蔵はできませんが、条件が整えば日常的に世界中で手に入れることができます。また、太陽の光と熱が地表に降り注ぐ限り、地球上の空気と水の循環は滞ることがありません。再生可能エネルギー源とは、このような太陽光起源の循環型資源なのです。両者を比較すると、化石エネルギー源は再生可能エネルギー源と比べて熱効率はよいのですが、炭酸ガスを発生する点が最大の問題点とされています。

産業革命以来の化石エネルギーの使用によって、地球の平均気温が上昇したという説があり、世界中の国々が炭酸ガスの排出を抑制する方向でさまざまな努力を重ねています。平均気温が上昇すると何が問題かといえば、南極や北極などの極点付近にある氷が溶けて水になり、海水面が上昇してしまうのです。すると、現在は陸である部分が水没し、地表の陸地の面積が減少してしまいます。たとえば、ニューヨーク、上海、東京など、世界中の大都市は海沿いにあるものも多く、これらが水没する可能性も出てきます。それを防ぐには、温暖化の大きな原因と考えられる炭酸ガスの排出を抑制する必要があるのです。そのため、炭酸ガスを排出しない、再生化エネルギー源の活用に注目が集まっているというわけです。”

再生可能エネルギーの問題点とは

“化石燃料の代替として注目を浴びる再生可能エネルギーですが、いくつかの問題点が指摘されています。中でも、最も大きなものは「系統制約の問題」です。系統制約には主に2つのポイントがあります。1つ目は「容量面」の需給バランスの問題です。電気を作る「発電」、電気を送る「送電」、そして家庭や工場などに安全に送るための「変電」や「配電」などの電力関連全体のシステムを「電力系統」と呼んでいます。電力系統の最大の特徴は、電力需要と発電量の需給バランスが維持されなければならない点です。要するに、必要とされる「電力利用量」と発電所で生産する「電力量」が注意深くコントロールされて、初めて電力の安定供給が成り立つのです。

電力需要は1日のうちでも変化し、季節によっても変動します。この変化に追従した供給量のコントロールがうまくいかないと、周波数が乱れてしまうのです。日本で供給される電力の周波数は、東日本は50Hz、西日本は60Hzになっており、電子機器などはこれに対応しています。需給バランスが崩れると、周波数が乱れてしまい、電子機器だけでなく、発電所の発電機にも悪影響を与えて、最悪の場合は大規模停電を引き起こす可能性があるのです。また、「容量面」の問題として送電容量の制約もあります。送電線には設備的な制約から、送電容量の上限が決められています。容量を高めるには送電設備への投資が不可欠なので時間とコストが掛かり、早急な対応は難しいといえます。時間帯や季節によって変動する再生可能エネルギーによって発電された電力は容量制限により「つなげない」ことがあるのです。

2つ目は「変動面」での系統制約です。太陽光や風力などの再生可能エネルギーは、天候に左右される特性を持っています。曇りや雨の日には太陽光発電の出力は低下します。風には強い日もあれば弱い日もあり、それに応じて風力発電の出力は変動するのです。このような再生可能エネルギーを電力系統に導入した場合、化石エネルギーによる発電で出力の変動を補完しなければ、需給バランスを保つことが困難なのです。”

太陽光発電は災害時にも電源として使える

“太陽光発電の特徴について考察してみましょう。太陽光発電は、太陽光エネルギーを太陽電池によって電気エネルギーに直接変換するものです。具体的には、ソーラーパネルと呼ばれる、半導体でできた太陽電池を用います。原理としては、まず光のエネルギーを使って、半導体の内部で動きやすい電子を発生させるのです。その際に、半導体のpn接合の性質を使って、伝導電子がエネルギーを失わないうちに、一方向に集めて取り出します。ここに「光電効果(こうでんこうか)」が見られて、電流が流れるのです。

ちなみに、半導体にはn型とp型があり、一般的な結晶系シリコン太陽電池は両者を貼り合わせてできています。その接合面をpn接合と呼んでいます。このような太陽光発電導入の実績では、中国とドイツが世界をリードしている状況です。太陽光発電のメリットの1つに、災害時の電源としての可能性があります。エネルギー源が太陽のため、資源に制限がなく、遠隔地で発電したものを長距離送電する必要がありません。そのため、災害時などにも貴重な電源として使うことができるのです。”

風力発電は安定した資源が魅力

“続いて、風力発電の特徴について見てみます。風力発電とは、風の運動エネルギーで風車を回し、動力を発電機に伝達して電気を発生させる方式です。直接モーターを回すので、一般的には風力エネルギーを高効率で利用できるのです。なお、プロペラ型の風車が最も効率がよいとされています。風は夜間でも吹くため、太陽光発電と比べると発電可能な時間が長くなる可能性があります。また、いったん発電設備を作ってしまえば、燃料の供給が不要で、原子力発電のような使用済み燃料の問題もありません。

このような風力発電は地球環境にやさしく、クリーンエネルギーの代表格といえるでしょう。一方で、無空状態や台風などの強風状態では発電が難しく、電力の継続的な安定供給源としては難しい側面があります。風力発電の設置場所は、陸上と洋上の2つです。洋上風力発電設備は、陸上のものと比べて立地可能領域も広く、大型化も容易なため、年間を通して比較的安定した電力が得られます。”

水力発電は用途などに応じて発電種類が豊富

“水力発電の特徴はどうでしょうか。水力発電は、位置エネルギーを電力に変換する発電方法です。地球上の物体は引力の作用を受けているため、高い所から低い所へ落下する性質を持っています。高いところにある水が低いところに流れる際に、その流路に水車を設置して発電用のモーターを回すのが水力発電の原理です。水力発電には大まかに2種類あり、河川などに水車を設置する「流れ込み式」と、ダムにためた水を放流して発電する「貯水池方式」があります。調整池に水を貯水することで発電する「調整池式」は、ダムと同じタイプです。そして「揚水式」もあります。

ダムや調整池にためた水を使う発電方法は、河川などと違って流量をコントロールしやすいため、電力需要に合わせて発電量の調節ができます。水の流れを活用するため、温室効果の原因となる炭酸ガスや大気汚染を引き起こす酸化物の排出がありません。高低差の激しい河川が多い地理的条件を持つ日本では、理想的なクリーンエネルギー源といえるでしょう。とはいえ、ダムなどの建設には巨額の建設費用が必要で、環境破壊の可能性も大きいという問題点も指摘されています。さらに、大型の水力発電所は、大量の水を確保するため山間地などにあることが多く、電気を使用する地域まで送電網を整備するコストも考慮する必要があります。”

地熱発電は昼夜・年間通して安定

“地熱発電の特徴について見てみましょう。地熱発電とは、地下のマグマの熱エネルギーを利用して発電する方法です。地球の構造は中心部にゆくに従って、高温になった流体化した岩石で構成されています。最も外側は「地殻」と呼ばれ、個体の岩石であり、その表面に人間が生活する環境が形成されているのです。場所によっては、地下の高温になった岩石が地殻の表面まで到達してたまっている部分があります。これがマグマ層です。地上で降った雨が、地下の高温マグマ層まで浸透すると蒸気化します。

これが地下1000〜3000m付近にたまります。高温になった蒸気を井戸などで地上まで導き、蒸気タービン式の発電機で電気を作るわけです。地下からの蒸気の圧力は変動しにくいため、地熱発電の発電量は昼夜を問わず、また年間で変動することがありません。再生可能エネルギー源の中でも、最も安定した発電量を得ることができる方法といえます。一方で、実際に発電可能な設備を作るには、調査を含めると膨大なコストと時間が必要とされているのです。さらに、日本で発電に地熱が利用できる地域は、温泉地であったり、建設行為が制限される国立公園内である点も導入へのハードルとなっています。”

バイオマス発電はカーボンニュートラル

“バイオマス発電の特徴について考えてみます。バイオマスとは、動植物由来の有機エネルギー資源のことです。簡単にいえば、家畜の糞尿や食品廃棄物、気質廃材などを燃料として使います。これらを、直接燃焼させたり、ガス化したのち燃焼させるなどして、発生する熱エネルギーを電気に変換するのです。具体的なバイオマス発電方式としては、「直接燃焼方式」「熱分解ガス化方式」「生物化学的ガス化方式」の3種類があります。

直接燃焼方式は、可燃物を燃料として燃やす方法です。この場合の可燃物とは、廃油を精製したもの、可燃ゴミ、木くずなどです。木質ペレットや木質チップなどに加工した間伐材などを用いて、燃焼効率を上げることもできます。熱分解ガス化方式は、直接燃焼方式と燃料となるものは同じですが、いったん加熱して発生するガスでタービンを回すのです。生物化学的ガス化方式は、家畜の糞尿や下水汚泥などを発酵させ、発生するメタンなどのバイオガスでタービンを回します。なお、燃料を燃やすことで炭酸ガスを出すにもかかわらず、バイオマス発電が再生可能エネルギーとされるのは、「カーボンニュートラル」だからです。

ここで燃やされる植物などが由来の原料は、成長の過程で炭酸ガスを吸収しています。それを放出するだけなので、全体としては炭酸ガスの増加に寄与していないというのがカーボンニュートラルの考え方なのです。現代の大気中の炭酸ガスが植物として固定化され、それがバイオマスでもとの大気中に戻ります。一方、化石燃料としての石炭は植物由来のものですが、太古の昔の大気が固定化したものです。それを現代で放出すると循環サイクルに乗っていないので、大気中の炭酸ガスの濃度を高めてしまいます。”

空気の熱を使って発電することも

“空気熱発電の特徴はどんなものでしょうか。「熱交換器(ねつこうかんき)」を必要とする機器には「冷媒(れいばい)」が用いられます。たとえば、エアコンという機械は、空気中の熱をくみ上げて、冷房(冷却)や暖房(加熱)を行っています。このとき、室内機と室外機の間を循環するガスが冷媒です。冷房では、室内の熱を室外に運び、暖房では室外の熱を室内に取り込む作用をします。このとき、室内機と室外機の中には熱交換器が入っており、「気化熱(きかねつ)」の作用で熱のやりとりを行うのです。冷房するときには、室内側の熱交換器では冷媒が液体から気体になることで熱を奪います。

気体になった冷媒は、室外機で気体から液体に圧縮され、その際に熱を放出するのです。冷房運転中のエアコンの室外機からは熱風が出てきますが、この熱は室内にあったものが放出されているのです。この仕組みを「ヒートポンプ」と呼んでいます。ヒートポンプは、熱エネルギーを交換する手段であって、エネルギー自体を生んでいるわけではありません。また、熱エネルギーを運動エネルギーに変える効果はないので、ヒートポンプ自体には発電機能はありません。

ヒートポンプの原理で動く「スターリングエンジン」では、例外的に温度差と運動エネルギーの交換が理論的には可能です。とはいえ、効率を重視した実用性のある熱機関の実現は困難とされています。熱の有効利用という観点からは、一般的なヒートポンプを利用することで、空気から熱を吸収することによる温熱供給や、熱を捨てることによる冷熱供給は可能です。その意味では、再生可能エネルギー源といえるのです。空気熱利用が実用化された設備としては、ヒートポンプ給湯器(エコキュート)や空調用エアコンなどが挙げられます。”

発想の転換!雪氷熱利用でデメリットをメリットに

新しい再生可能エネルギーの1つである「雪氷熱利用」の特徴について解説します。再生可能エネルギーの中には、熱を運動に変換する発電ではなく、熱エネルギー自体を利用する「熱利用分野」があります。その代表的なものが雪氷熱利用です。これまで考察してきた発電とは異なり、冬の間に降った雪や、冷たい外気を使って凍らせた氷が熱源となります。これを氷室などで保存しておき、冷熱が必要となる時季に利用するのです。気温が高い場所では難しいなど利用地域は限定されますが、もともとは水であり資源は豊富にある点で再生可能エネルギーといえます。とくに、豪雪地帯などでは、除雪の処理を有効活用して新エネルギー源とできるため、大きな注目を浴びているのです。

各国の動き【ヨーロッパ編】

“再生可能エネルギーを技術的にも政策的にも牽引してきているヨーロッパについて見てみましょう。2017年にヨーロッパでの再生可能エネルギー比率が30%を突破するという急激な増加傾向が見られました。この地域の国々は伝統的に再生可能エネルギー導入に意欲的でしたが、風力・太陽光・バイオマスの各発電方式の合計が、石炭による発電量を初めて超えたのです。再生可能エネルギーには水力も含みますが、この比率の向上は、風力・太陽光・バイオマス発電の影響が大きいと考えられます。というのは、ヨーロッパでの水力発電は増加傾向になく、成熟状態にあるためです。

国別に見ると、過去3年間の再生可能エネルギーの成長割合の半数を占めているのが、ドイツとイギリスです。つまり、ヨーロッパ諸国が一致団結しているわけではなく、この2国のような意識の高い国とそうでもない国に分かれているのが実情です。また、石炭による発電の割合は年を追うごとに低下してきているものの、日本ではあまり馴染みのない褐炭(亜炭)を含めると、依然20%台をキープしています。全体としてみると、再生可能エネルギーを推進する方向性は変わりませんが、経済が好調なときには調整が容易な化石燃料の使用が増加する傾向が見られます。”

各国の動き【アメリカ編】

“化石燃料資源大国アメリカの再生可能エネルギーの動きについて考察してみましょう。米連邦エネルギー省エネルギー情報局(EIA)によれば、米国における再生可能エネルギーの普及は上昇傾向にあることが示されています。電源別電力供給量では、再生可能エネルギーが原子力を抜くのが2018年、石炭を抜くのが2028年と予測されているのです。また、従来のエネルギー源の動向は、急拡大するのが天然ガスで、やや減少しているのが原子力、そして急減するのが石炭です。このような既存のものに対して、今以上の価格競争力がついてくれば、供給量は拡大していくでしょう。実際、アメリカでは再生可能エネルギーが最も安い地域が増えて来ているのです。

米国では国家単位というより、州政府がエネルギー政策の主導権を握っているため、環境意識の高い州では行政的な規制も導入されています。たとえば、RPS(Renewables Portfolio Standard)と呼ばれる、小売りに占める再生可能エネルギー由来の電力の割合規制があります。ハワイ州では2045年までに100%、カリフォルニア州とニューヨーク州は2030年までに50%のRPS規制が適用されるのです。ヨーロッパと比べて、国レベルでの再生可能エネルギーの導入にはあまり積極的ではなかった米国ですが、州政府の牽引によって飛躍的な増加が見込まれているのです。”

日本における再生可能エネルギーの動き

“日本の再生可能エネルギーの現状について概略を確認しておきましょう。2016年度現在、日本の電源構成に占める再生可能エネルギー比率は約15%となっています。ドイツやイギリスなどの再生可能エネルギー導入先進国は30%前後となっており、アメリカやフランスとともに低水準にとどまっているのです。目標値としては、2030年度のエネルギーミックスにおいて、再生可能エネルギー比率22~24%が見込まれています。

エネルギーミックスとは、電気の安定供給という観点から、電源別の構成比を最適化する考え方です。日本では政府が策定するエネルギー政策基本法にもとづいて、経済産業省が決めています。この法律では、原子力を電気の安定供給源としての基幹的「ベースロード電源」と位置づけており、天然ガスも重視されています。日本の送電システムの系統制約の問題もあり、再生可能エネルギーの重要性は認識されている一方で、ヨーロッパの先進国と比べると積極性には欠けるようです。”

「なっとく!再生可能エネルギー」とは何?

再生可能エネルギーについて詳しく知りたい場合は、「なっとく!再生可能エネルギー」というウェブサイトがおすすめです。このサイトは経済産業省資源エネルギー庁が運営し、再生可能エネルギーについて、補助金や導入促進制度、支援制度、固定価格買取制度について詳細に解説しています。事業計画の申請書など専門的かつ事務的な情報はもちろんのこと、一般の消費者の再生可能エネルギーへの理解を深めるためのコンテンツも充実しているのです。たとえば、「動画でわかる!」ページには、YouTubeのMETIチャンネルのコンテンツが掲載されています。人気アニメーションのキャラクターたちが、再生可能エネルギーの重要性をわかりやすく解説する動画が楽しめるのです。

固定価格買取制度について

「なっとく!再生可能エネルギー」には固定価格買取制度についての詳細も掲載されています。固定価格買取制度とは、太陽光・風力など再生可能エネルギーを、国が満たした条件で発電する場合、一定の価格で買い取るという発電事業者向けの優遇制度です。化石燃料と比べると、高コストな再生可能エネルギーの普及を経済的な側面からバックアップしています。「なっとく!再生可能エネルギー」の固定価格買取制度のページには、直近3カ月間の地域別設備導入状況データが公表されています。また、制度に関してのFAQなども充実しており、引っ越しを控えていて、地域別の違いに興味がある人にとっては、太陽光発電の具体的なイメージが持てることでしょう。

再生可能エネルギーの未来

再生可能エネルギーの今後の展望について検討してみましょう。太陽光や風力の発電量は天候に左右される不安定な面がありますが、再生可能エネルギー全体としては地球環境に優しい基幹エネルギーとしての地位を確立しつつあります。水力や地熱は低コストと安定供給が両立できるため、今後も開発が期待されるのです。なお、再生可能エネルギーの発電コストは年を追うごとに低下する傾向が見られます。海外と比較すると、日本の再生可能エネルギーによる発電は、コスト、技術、規制改革などの面で、さらなる環境整備が必要です。また、発電事業の海外輸出などの点で戦略的なビジネス展開を強めていく必要もあります。なぜなら、再生可能エネルギーの導入促進には、産業界全体のマーケット拡大も重要なポイントになっているからです。

まとめ

再生可能エネルギーの研究開発は、環境保護の観点からも注目を浴びています。環境に敏感な国々では、化石燃料からの脱却とその代替として、エネルギー政策の中心に位置づけられている例も見られるのです。日本では、エネルギー政策を推進する経済産業省がさまざまな情報発信を行っています。ウェブサイト「なっとく!再生可能エネルギー」には、再生可能エネルギーについての情報が目的や用途ごとに整理されて掲載されています。気軽にアクセスして、再生可能エネルギーについて知見を深めてみましょう。

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