海洋再生可能エネルギー：クリーンな未来のために海の力を解き放つ

海洋エネルギーの未開拓の可能性

地球の表面の約70％が海であることから、地球資源の多くが海上にあるのは驚くべきことではありません。しかし、これは人間のような陸上生物にとって本質的に困難な環境です。その結果、海洋エネルギーはこれまで十分に活用されておらず、主にオフショアの石油・ガス採掘とオフショア風力発電に限られています。

しかし、海上でのエネルギー生成には他の形態でもはるかに大きな可能性があります。ほぼ無限の表面積や潮汐、波、そして高さと温度の差など、世界中の科学者が無限の波から再生可能エネルギーを取り出す新たな方法を模索しています。

そして、これは新たな再生可能エネルギーの大規模な供給源となり得ます。2050年までに設置容量が352 GWに達する可能性があり、現在の全世界の原子力発電所（399 GW）にほぼ匹敵します。

出典: IRENA

海洋エネルギー開発が遅れている理由

海洋でのエネルギー生産が始まったのは数十年前のことで、他のエネルギー形態（水力発電から陸上の化石燃料生産まで）は何世紀も前から存在していることに驚くかもしれません。

主な理由は、陸上での建設が明らかに容易であることです。対照的に、海や大洋ではインフラを浮体化または海底に固定する必要があり、コストと技術的制約が増大します。定期的な嵐や熱帯地域のハリケーンさえも、海上構造物の耐久性を確保する難しさを増します。

もう一つの重要な要因は海水の塩分です。海の塩分濃度は金属部品、特にタービンなどのエネルギー生成システムに対して極めて腐食性が高くなります。そのため、コーティングや油剤、その他の保護策といった複雑なカスタムソリューションを適用し、腐食によるインフラの劣化を防ぐ必要があります。また、藻類や貝殻などの海洋生物の増殖（「バイオファウリング」）も機械を詰まらせ、損傷を引き起こす要因となります。

出典: ResearchGate

最後に、広大であるものの、海の潜在エネルギーは非常に拡散しています。陸上では地質や地形が鉱床、河川、風通りの良い通路といった形で資源を自然に集中させますが、海の平坦な表面ではそれが実現できません。

オフショア風力発電：海上での規模拡大

ほぼすべての海上エネルギープラットフォームと同様に、オフショア風力は資本集約的です。居住地域からの距離や塩水腐食がメンテナンスコストを増大させ、風力タービンやその部品の寿命を短くする可能性があります。

しかし、オフショア風力にもかなりの利点があります：

• より効率的な発電：オフショアの風は陸上に比べて安定しており、強力で、頻繁に吹きます。
  • これにより、発電量が増えるだけでなく、より予測可能になり、断続的な陸上風力発電よりもベースロード電力に近くなります。
  • 多くの地域で、オフショア風力は需要が最大になる午後や夕方に増加します。
  • 世界人口の大半が海岸近くに住んでいるため、オフショアサイトは消費者に比較的近いことが多いです。
  • 海上の良好な風況は陸上よりもはるかに広大になる可能性があり、規模拡大が可能です。
• 環境への影響が少ない。土地利用を削減し、遠隔地でのアクセス道路や交通による生態系への影響を避けることで、オフショア風力は陸上風力よりも環境に優しいです。
  • 風力発電所の限定されたエリアは、海洋生態系の保護にも寄与することがあります。
• 反対が少ない：人口中心部からの距離と視界からの遮断により、オフショアの風力プロジェクトに対する反対は大幅に減少します。NIMBY（自分の裏庭に建てるな）反応も影響が小さくなります。

深さに応じて、オフショア風力タービンにはさまざまなアンカーが使用できます。

出典: DoE

風力技術が進むにつれ、巨大なタービンのために巨大な柱を建てるのではなく、さらに大きな「タービンの壁」を構築するという新たな選択肢が出てきました。40MWモデルのユニットが開発中で、最大126MWに達する可能性があります。

このようなシステムは、北海のように非常に強くほぼ一定の風が吹く地域に最適です。

出典: Recharge News

オフショア風力プロジェクトをメガプロジェクトに集中させることは、業界大手オーステッドが検討している10GW規模の北海エネルギーアイランドのように、将来的に支配的なトレンドになると考えられます。これは、より多くの風力タービンでコストを分担することで、メンテナンスと設置コストを削減します。

海上の豊富な風エネルギーと、すでに成熟した技術により、オフショア風力は今後10年間で海上エネルギーの主要な非化石燃料源であり続ける可能性が高いです。

一部のアナリストは、2040年までにオフショア風力が12倍に拡大し、2030年代には多数の新しい浮体式風力タービンが導入されると見積もっています。

出典: Rystad Energy

潮力発電：月からの予測可能な再生可能エネルギー

風力が海上エネルギーの主流であるにもかかわらず、実際に最も古いのは潮力発電です。これは、月の重力が引き起こす潮の満ち引きによって海面が上下するエネルギーを利用するものです。

当初は河川の代わりに海の流れを利用して水車を回す水車小屋で収穫されました。最初の大規模潮力発電所は1966年に建設され、240MWのランス潮力発電所、ブルターニュ、フランス北西部が設置されました。

出典: Dialogue Earth

潮力発電の主な利点は、極めて安定かつ予測可能であり、非常に信頼性の高いベースロード再生可能電力を提供できることです。また、夜間や冬季でも出力が低下せず、太陽光エネルギーの良い補完となります。

しかし、エネルギーを収穫するには困難があります。通常、高潮が起きる地域や潮流が狭い海峡に集中する場所が必要であり、これが歴史的に潜在的な設置場所を制限してきました。また、多くの場合、潮汐バリヤの建設が必要となります。

潮力プロジェクトの稀少さは、量産による規模の経済を失わせ、高価な設計が必要なカスタムソリューションへと置き換えることで、業界の発展を阻んできました。

“We are at the point where we’re demonstrating the technology reliably, and we’re scaling it up to commercial utility scale. What we’ve got to do is look at relatively small projects, just to demonstrate that the technology is reliable, overcoming environmental hurdles, and also build momentum and the scale we need.”
Seumas Mackenzie – 潮力開発企業 Nova Innovation の最高執行責任者

現在までに多数の設計が検討されていますが、量産されているものはありません。

出典: IRENA

タービンが常に海水中で回転し続ける必要があるため、腐食やバイオファウリングによる困難も増大します。

全体として、潮力がすぐに電力網への主要なエネルギー供給源になる可能性は低いです。

しかし、シェトランド諸島やオークニー諸島のパイロットプロジェクトが示すように、離島や沿岸地域にとっては非常に有効な解決策となり得ます。これらの島々は高額な送電網接続または化石燃料の輸入が必要です。

海流を活用した再生可能エネルギー

大量の水を安定的に流す深海流を利用すれば、潮力を上回る非常に強力なエネルギー源となり得るという理論的可能性があります。

出典: Energy Encyclopedia

しかし、極端な深さや海岸からの距離、さらにこれらの流れを乱すリスクがあることから、近い将来に実現可能な選択肢とは言えません。

しかし、より弱いが沿岸に近い流れが、この概念のより現実的な選択肢になる可能性があります。

波力発電：海の波を電気に変える

潮汐よりもさらに広く存在する波は、海の自然な一部であり、理論上は無限に近いエネルギー源で、海のエネルギー潜在量のほぼ半分（風を除く）を占めます。

出典: IRENA

ここでも、多くの設計が検討されており、どれが優れているか、または量産されているかはまだ示されていません。全体としては、水位の上下、ブイの揺れ、またはブイの回転を利用してエネルギーを収穫するという考え方です。

出典: IRENA

潮力よりも技術成熟度は低いものの、波力は2040年までにエネルギーの主要供給源となり得ます。欧州連合は2030年までに1ギガワット、2040年までに40ギガワットの海由来出力を目指しています。

「波力装置は嵐の条件に耐え、乗り切るように設計する必要があり、嵐がますます激しくなる温暖化した世界では大きな懸念となります。

波力は豊富に存在しますが、確かにコストが高く、技術的に困難です。

Conchúr Ó Brádaigh – シェフィールド大学工学部副学部長

このエネルギーソリューションは地域ごとの波の大きさに大きく依存し、適切な地域とそうでない地域があります。北大西洋、北太平洋、オーストラリア南部が最有力候補です。

出典: ResearchGate

海洋温度差エネルギー（OTEC）：深層の熱を利用する

(OTEC) は、温かい表層水と深層の非常に冷たい水との温度差を利用します。このような熱勾配は、理論上非常に強力なエネルギー生成手段です。

出典: Britannica

経済的に実用的とするには、表面下最初の1,000メートル（約3,300フィート）で温度差が少なくとも20°C（36°F）である必要があります。

勾配が大きいほどエネルギー生成ポテンシャルが高く、コストが低減するため、温暖な熱帯海域で急激に海底が下がる地域、特に東南アジアやメキシコ・ブラジル沿岸が適した解決策となります。

出典: Ocean Energy Systems

OTEC施設は陸上（海へパイプを通す）または浮体式のいずれかです。浮体式は潜在的な設置場所が多いものの、建設・維持コストが高くなります。オフショアで生成されたエネルギーは、電力ケーブルで陸上に送るか、現地で水素、メタノール、アンモニアを生成し、人口中心部へ輸送する必要があります。

OTECの潜在的な副産物として、栄養豊富な深層水を表層に持ち上げることが挙げられます。これにより、環境に優しい海洋養殖が可能になり、植物プランクトンの成長を通じて炭素捕捉にも寄与できるでしょう。

浮体式太陽光発電所：海面を最大活用したクリーンエネルギー

海自体のエネルギーを利用するだけでなく、海はもう一つ豊富な資源、すなわち表面積を提供します。

陸地は農地や自然生息地として利用され、平方メートルあたりのコストも高いのに対し、海面は特に日射量の多い熱帯地域では比較的生産性が低く、広大です。

また、オフショア太陽光フィールドの美観に不快感を示す近隣住民もいません。これにより、オフショア浮体式太陽光フィールドの可能性が魅力的になります。

出典: RWE

さらに、海面による太陽光の反射が総絶熱効果を高めます。この現象は、両面型太陽光パネルを活用することで、さらなるエネルギー生成に利用できるかもしれません。

比較的冷たい海水はパネルを冷却し、耐久性と最大出力を向上させます。

アフリカ、カリブ海、南米、中央アジアなどの複数の国々は、FPV（浮体式太陽光）を導入することで年間電力需要の40〜70％を賄える可能性があります。フィンランドやデンマークといった先進国でも、それぞれ年間需要の17％、7％をこのような源から供給できるでしょう。

しかしながら、この太陽光発電所設計にはいくつかのリスクがあります。

最初の課題は塩分の存在です。塩分は感電しやすい電気系統や支持構造物の腐食リスクを引き起こすだけでなく、海霧からの塩結晶がパネル上に堆積し、光電変換効率を低下させます。潜在的な解決策としては、中国の開発企業華能グループが実施した黄海1号プロジェクトのように、太陽光パネルプラットフォームを海面上部に高く設置することが考えられます。

出典: Daily Galaxy

別の潜在的な問題は、嵐やハリケーンで、浮体式太陽光施設が建設に要したエネルギーを回収する前に破壊される可能性があることです。

したがって、淡水湖のように直接水面に浮かぶ構造ではなく、海上太陽光はミニ油田リグに似た浮体プラットフォーム上に設置される可能性が高いです。

深海地熱エネルギー：将来のフロンティア

現在は理論段階にあるこのエネルギー形態は、長期的には多くの国、特に太平洋の「火山帯（リング・オブ・ファイア）」に位置する国々にとって重要になる可能性があります。

出典: HowStuffWorks

海洋地殻は大陸地殻よりもはるかに薄く（4マイル対10〜43マイル）、浅い掘削で非常に高温に達することが可能です。

出典: GeologyIn

この潜在的なエネルギーを活用するには、地熱発電：赤熱するグリーンエネルギーで詳しく議論したように、地熱エネルギーのさらなる進展が必要です。

このエネルギー源の最終形態は、超深海掘削（現在は石油生産に使用）とオープンまたはクローズドループの地熱発電を組み合わせたものになると考えられます。

出典: BGS

海水からのウラン：新たな原子力燃料源

風、太陽、潮、波に加えて、海は驚くべき方法で低炭素エネルギーの源となり得ます。それは地球上最大のウラン鉱山であることです。

海水には微量の溶存ウランが含まれており、海の膨大な体積により、効率的な抽出プロセスが実現すれば、実質的に無制限の放射性燃料供給源となります。その量は45億トンに達し、陸上ウラン埋蔵量の約1000倍です。

私たちは最近、処理された炭素繊維布を用いた表面積が十分大きくウランイオンを捕捉できる技術的突破口により、電気化学反応でウランを回収できる可能性がありますと報じました。

ロシアが既に運用しているモデルや、デンマークの Saltfoss などの企業が試作した浮体式原子力発電所と組み合わせることで、海は将来の原子力の中心になる可能性があります。

出典: Saltfoss

藻類バイオ燃料：海からエネルギーを育む

最後に、海は微細藻類の成長を利用してバイオ燃料やプラスチックなどのバイオマテリアルを生産することで直接エネルギーを生み出すことができます。

海水を使用することで、藻類バイオ燃料はバイオ燃料施設への水供給問題を解決できます。最適な地域は、日照が豊富で淡水資源が限られた半砂漠地域です。

商業的に実用化するには、藻類の収量最適化、培養汚染リスクの管理、バイオディーゼルなどの利用可能な燃料への変換効率向上が必要です。

水素、アンモニア、メタノール

海水は水素製造の原料としても利用可能で、特に電気分解が挙げられます。一般に、海水からの水素製造は塩分が電極触媒を損傷するため課題があります。そのため、理想的には海水をまず淡水に変換する脱塩が必要です。

エネルギー生産、脱塩、電気触媒のプロセスは、太陽光パネル、蒸発による脱塩、そして現地での水素製造を統合した設計として最近議論しました。

出典: Energy & Environmental Science

生成された水素は、アンモニアやメタノールに変換すれば、グリーン燃料の貯蔵・輸送が容易になります。

海水から水素とグリーン燃料を製造する

太陽光による脱塩：より環境に優しい淡水ソリューション

海から直接エネルギーを生成するだけでなく、海は現在大量のエネルギーを消費している活動を代替し、排出量削減に寄与できます。

最初に挙げた脱塩は、多くの国で重要な淡水供給源となりつつあります。海面に直接日光を当てることで改善された脱塩方法は、淡水生産に必要なエネルギー需要を削減できるでしょう。

海水冷却システム：効率的な沿岸空調

この概念は海洋温度差エネルギー変換（OTEC）に似ており、深層の低温を利用しますが、電力への変換を必要とせず、冷水を空調システムの冷却剤として直接使用するため、はるかに効率的です。

出典: Solar Impulse

このシステムは、従来の空調システムと比較して約42％のエネルギーを節約（海底930 mまで2.6 kmの配管が必要）します。

主な実験プロジェクトには、ENGIE (GZF.DE ) の 20 MW Thassalia と EDF の 21 MW Massileo が含まれます。

このシステムの制約は、事前に設置された集中型空調システムへの接続が必要であることです。また、必要な深度に短い配管で到達できるよう、沿岸部の海底が十分に急傾斜である必要があります。

海中エネルギー貯蔵：揚水式水力と重力バッテリー

深海揚水式水力貯蔵

海をエネルギー貯蔵のバッテリーとして利用する別の選択肢です。

その第一の方法は深海揚水式水力貯蔵です。これはダムや山岳を利用した揚水式水力貯蔵と似ていますが、代わりに海の深さを利用します。

出典: Department of Energy

これにより、揚水式水力貯蔵の大きな課題である、規模拡大に十分なサイズの適切なサイトが不足している問題が解決できる可能性があります。揚水式は実績がありスケーラブルな技術で、数週間から数か月間エネルギーをほとんど損失なく蓄え、70〜80％という優れた蓄電効率を持ちます。

パイロットプロジェクトとして、この概念を検証する「StEnSea（海中に蓄えたエネルギー）」が進められています。

深さ600〜800メートルの海底に空洞コンクリート球体を配置し、すでに相当な圧力がかかる環境を利用します。

出典: Clean Technica

電力需要が低いときは、電動ポンプで球体から水を排出し、余剰電力を蓄えます。需要が増加すると、球体に水を戻し、圧力がエネルギーとして利用されます。

出典: Fraunhofer Institute

これらのシステムはオフショア風力発電所と共に導入でき、風力の変動を緩和しつつ、同一の電力ケーブルでエネルギーを陸上へ送電できます。

技術経済評価によれば、StEnSeaシステムは従来の揚水式エネルギー貯蔵（PHES）とコスト競争力があります。もう一つの利点は、複数のStEnSeaユニットを組み合わせてプラントを構成できるモジュラー設計で、プラントの柔軟性と適用範囲が拡大します。

海洋重力バッテリー：深度で電力を蓄える

海の深さを利用する類似のアイデアとして、オフショア重力バッテリーの構築があります。重力バッテリーは「エネルギー転換のための非化学的バッテリー代替策」で議論した概念の一つで、岩石、コンクリートブロック、鉄鉱石などの超重量物体を上下させて電力を蓄えたり発電したりします。

重力バッテリーの主要部品はシンプルで既に量産されており、アンカー、金属ケーブル、交流発電機、電動モーターです。エネルギー蓄積効率は80〜85％で、希少資源や金属を使用せずに最大50年持続可能です。発電は非常に柔軟で、反応的かつ長寿命です。

重力による「固体エネルギー貯蔵」の制約は、数十メートルから数百メートルの深さで蓄えられるエネルギーがそれほど大きくないことです。そのため、可能であれば鉱山の坑道や崖など、より深い場所が必要です。

浮体プラットフォームを深海底の上に設置し、数千メートルにわたって重量物を上下させることができます。この概念はDeep Ocean Gravitational Energy Storage（DOGES）と呼ばれます。この概念に取り組んでいる企業はフランスのスタートアップ Sink Float Solutions です。

現在、最大荷重能力を持つオフショアクレーンは4,000トンの質量を持ち上げることができ、垂直速度20 km/hで計算すると約200 MWの出力に相当します。同一サイトで複数のウインチを並列に使用することも可能です。

この方法の利点は、海水にさらされる部分が金属ケーブルと岩石/コンクリートだけという非常にシンプルで、感度の高い電気・電子部品は浮体プラットフォーム上部、海面上に配置できる点です。

最終考察：クリーンエネルギーで潮流を変える

地球の海や大洋は、オフショア風力から深層の温度差、潮汐、波まで、未開拓のエネルギー資源として最大規模かもしれません。同じ海水の特性は、脱塩や冷却にも利用可能です。

海面に当たる太陽光は、水素やバイオ燃料の製造にも利用でき、電化が難しいセクターの脱炭素化に貢献します。

例えば、海水からのウラン精製や深海地熱エネルギーなど、海は資源や将来のエネルギー供給の重要な源となり得ます。

最後に、重力バッテリーや深海揚水式水力など、エネルギー貯蔵の強力かつスケーラブルな選択肢となり得ます。

しかし、これらすべての可能性は、塩分腐食、塩分沈着、バイオファウリング、激しい嵐やハリケーンといった現実的な課題を考慮しなければなりません。

逆説的に、これらの課題への解決策は、オフショアプラットフォームの建設や海上での複雑かつ繊細な機械の維持に長年の経験を持つ石油・ガス産業から大いに恩恵を受ける可能性があります。