私たちの未来のエネルギーミックス

エネルギーシステムの予測

将来の社会のエネルギー構成ほど複雑で重要な問題は、そう多くありません。化石燃料への依存から抜け出せないと考える人もいれば、再生可能エネルギーが急速に主流になると考える人もいます。現実は複雑で、エネルギーの未来を予測するのは困難です。

この2023年の記事は、当時の状況と複数の可能性を検討し、どのような経済・技術の変化が各シナリオの実現可能性を高めるかを考えます。

我々の現状

エネルギー利用の増加を歴史的に見ると、新しいエネルギー源は、以前のものを完全に置き換えるより、追加される傾向があります。

世界は今も木材を中心とする大量のバイオマスを使い、総エネルギー消費は19世紀より増えています。石炭の絶対消費量も長期的には増加しました。そこに石油、ガス、水力、原子力、その他の再生可能エネルギーが主に加わりました。ただし、個々の国や時期にはエネルギー源の置き換えも起こります。

出典: OurWorldInData

再生可能エネルギーによる発電の進展を考えると、意外かもしれません。背景には複数の要因があります。

• 中国は再生可能エネルギー設備の新設とEVへの移行を主導する一方、新しい石炭火力発電所の建設でも先行していました。
• 電力はエネルギー利用の一部です。輸送、暖房、産業は、鉄鋼、肥料、プラスチック、医薬品、その他の化学製品の生産などで燃料を直接使います。一次エネルギーと最終利用者に届く電力は異なる指標です。
• 人口増加と、何十億人もの人々が極度の貧困から抜け出したことは、エネルギー需要を増やしました。石炭は多くの場所で安価に利用できる選択肢でした。食肉消費、冷房、自動車、航空移動の増加も影響します。
• 経済のグローバル化は、原材料、半製品、完成品の繰り返しの移動を含め、貨物輸送を増やします。
• 農業の工業化は収量を増やし労働需要を減らしますが、化石燃料や肥料の使用も増やします。

気候変動や炭素排出を心配する人にとって、世界のエネルギー構成に化石燃料が深く根付いている状況は暗く見えるでしょう。ただし、これが全体像ではありません。

進行中の変化

電気自動車は2016年にも商用販売されていました。その後販売は急増し、IEAによれば2022年には1,000万台を超え、世界の新車販売の約14%を占めました。この集計にはバッテリーEVとプラグインハイブリッドが含まれます。中国と欧州が成長を主導しました。

出典: IEA

水力、太陽光、風力、地熱などの再生可能エネルギーの比率も伸びています。ノルウェー、ブラジル、カナダは、豊かな水力資源によって以前から高い比率を持っていました。近年の変化の多くは太陽光と風力が担っています。

出典: Our World In Data

国別の系列では、2010年ごろからその後の数年間に明確な増加が見られます。中国とオーストラリアでは特に太陽光と風力が貢献しました。2010年の一年だけで比率が倍増したという意味ではありません。

出典: OurWorldInData

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技術革新と工業生産の規模拡大がコストを下げ、再生可能エネルギーの競争力を高めました。多くの新設案件が化石燃料の代替案より安価であることは、IRENAのコスト資料でも示されています。これは2023年に紹介された国際再生可能エネルギー機関の発電コスト比較であり、電力システム全体のすべての費用を自動的に含むわけではありません。

出典: IRENA

課題

記事の数年前から再生可能エネルギーのコストが急低下し、化石燃料が絶滅したドードーのように間もなく姿を消すと期待する人が増えていました。

出典: Twitter/X

ウクライナ戦争に関連するエネルギー危機は、価格と供給への圧力を強めました。ドイツはロシア産ガスへの依存を減らすため、石炭火力の追加能力を一時的に利用しました。エネルギー転換全体を撤回したわけではありません。

インフレ、資金調達費用、サプライチェーンの問題は、2023年の再生可能エネルギー計画の採算を悪化させました。大型洋上風力計画が中止され、太陽光・風力企業の株価が下がりました。詳細は「2023年の再生可能エネルギー部門の低迷」をご覧ください。

EVへの移行日程も、GM、フォード、ホンダなどによる計画や提携の延期・変更で圧力を受けました。ただし、各社のEV戦略がすべて中止されたり、世界販売の成長が終わったりしたという意味ではありません。

太陽光・風力の変動する発電量

太陽光と風力は天候に左右され、発電時刻が需要と一致するとは限りません。電力網は供給と消費を常に均衡させる必要があります。蓄電は、送電網の連系、需要の柔軟化、調整可能な発電とともに使われる手段です。

揚水発電のように確立された貯蔵技術もあります。一方、他の長期間貯蔵の方法は当時まだ限定的でした。柔軟性が不足すると、気候、電源構成、電力網に応じて異なる時刻に余剰や不足が生じます。

解決不能な問題ではありませんが、政策の連携と電力網への追加投資が必要です。

エネルギーシステムを比較する際は、貯蔵、送電網の拡充、その他の統合費用も考慮すべきです。変動する太陽光・風力の比率が高まると、これらは特に重要になります。化石燃料の代替システムより安価かどうかは、発電費用だけでなく地域の条件に左右されます。

バッテリーの限界

EVの普及には購入価格、航続距離、充電時間が影響します。初期の購入者が受け入れた妥協を、他の人は望まないかもしれません。リチウムの供給と当時の価格圧力も懸念を生みました。

ナトリウムイオン電池や固体電解質を使う電池は、開発中の選択肢です。設計によって価格、航続距離、充電、安全性を改善する可能性があります。ただし、新技術がすべての航続距離や火災への懸念を自動的に解消するわけではありません。

化石燃料から転換しにくい用途

一部の用途は転換が難しく、例えば長距離海運には十分なエネルギー密度を持つ実用的な燃料が必要です。航空も高いエネルギー密度を必要とし、特に長距離路線では当時の電池は重すぎました。多くのプラスチックは石油、窒素肥料は主に天然ガス、従来の高炉製鉄は原料炭を使います。

こうした分野にも代替策はありますが、多くは開発段階で、世界的な普及には至っていませんでした。

エネルギーシステムを変える技術

比較的可能性の高い技術変化

再生可能エネルギーやその他の低炭素技術の成長を支える手段は、すでに複数あります。

原子力イノベーション

原子力は議論の多い技術ですが、炭素排出が少なく、再生可能エネルギーを中心とする将来への移行を支え得ます。

小型モジュール炉（SMR）も2023年に事業費の増加に伴う後退を経験しました。同時に、SMRやマイクロ炉といった新設計や、トリウムなどを使う燃料サイクルが開発されていました。2023年の中国では24基の原子炉が建設中で、長期的には最大150基という計画も報道されていました。

より良い再生可能エネルギー

太陽光は新素材や製造方法の恩恵を受ける可能性があります。例えば、アモルファスシリコンなどを使う薄膜電池、有機材料やペロブスカイトを使う新しい電池です。アモルファスシリコンは、後二者と同じ材料分類ではありません。

大規模な蓄電池は電力網を支えます。記事が参照したEIAの2022年12月の見通しは米国に関するもので、2022年末の予想出力約9.2GWから2025年末に30GWへ、3倍以上になるという内容でした。計画に基づく予測であり、確認済みの世界全体の成長実績ではありません。

出典: EIA

固体電解質を使う電池

固体電解質を使う電池は大きな改善をもたらす可能性があります。2023年には開発企業ごとに2026～2029年という幅広い時期が語られていましたが、共通の確定発売日ではありません。記事はQuantumScape (QS )（QS）、CATL（300750.SZ）、Toyota（TM）、Panasonic（6752.T）、LG（051910.KS）、Samsung SDI（006400.KS）を挙げています。例えばトヨタは当時2027～2028年を目標としていました。Tesla (TSLA )（TSLA）はリンク先の記事で異なる電池改善の方法として紹介されており、このリンクだけで商用の固体電解質製品を確認できるわけではありません。

不確実性の高い技術変化

他の技術は成熟度が低いものの、長期的に大きな可能性を持ち得ます。2040～2050年のエネルギー構成にどれだけ寄与するかは不確実です。

増殖炉と核燃料の再利用

増殖炉は親物質から新たな核分裂性燃料を作れます。リンク先の増殖炉の解説はこの原理を説明しています。一部の高速炉は再処理と組み合わせ、使用済み燃料のアクチノイドも利用できます。資源利用を改善し、一部の廃棄物を減らせますが、すべての廃棄物をなくしたり、燃料を無限にしたりするわけではありません。フランスはスーパーフェニックスなどの経験を持ち、同施設は1997年に閉鎖されました。政治だけでなく、技術、費用、再処理、廃棄物管理も課題です。

宇宙ベースの太陽光

軌道上の太陽光発電は、雲や一部の日周・季節変動の影響を減らせます。ただし軌道、食、建設、費用、地上への安全な送電といった課題が残ります。Starlinkは巨大な衛星網が可能だと示しますが、宇宙からのエネルギー伝送の経済性を証明するものではありません。

この問題は「SFから軌道へ：宇宙の太陽光パネルは優れたアイデアか？」で詳しく扱っています。

地熱

地熱は適した地域で安定した熱と電力を供給できます。関連企業にはVulcan Energy（VUL.AX）、Ormat Technologies (ORA )（ORA）、Eavorがあります。石油・ガス産業で発達した掘削の知識も利用しますが、すべての企業が水圧破砕を使うわけではありません。例えばEavorは閉じた循環系を使います。（Ormatはこちらの記事、Vulcanは別の記事で紹介しています。）

合成燃料

再生可能エネルギーや原子力の電力を使い、気体・液体のエネルギー媒体を製造できます。例えば、水素、アンモニア、合成ガス、合成燃料です。

生物学的な方法には、「藻類バイオ燃料：次のエネルギー革命か？」で紹介した微細藻類の燃料や、有機性廃棄物からバイオガスやバイオメタンを作る生物処理があります。

これらの燃料は、航空機、船舶、製鉄など、高いエネルギー密度や高温を必要とする用途に使える可能性があります。

核融合

核融合は軽い原子核が結び付く際にエネルギーを放出します。太陽も核融合をエネルギー源としますが、地上実験の反応や条件は異なります。数百万度から数億度の温度を扱うのは大きな技術的課題です。

核融合反応そのものは燃焼由来のCO₂を出しません。ただし、中性子で構造材が放射化すれば放射性廃棄物が生じ、トリチウムも放射性物質です。重水素・トリチウム融合には特定の水素同位体が必要で、リチウムからトリチウムを作る技術が重要です。普通の水素が、そのまま無限に使える燃料になるわけではありません。

重要な研究計画の一つはITERです。ほかに多くの新興企業が核融合を開発しており、Helion、General Fusion (GFUZ )、Commonwealth Fusion、TAE Technologies、ZAP Energy、NEO Fusion（中国のEVメーカーNioも出資）などがあります。ITERは研究施設であり、商用発電所ではありません。

将来のエネルギーミックス

長期的な可能性はありますが、以下の2040年ごろを見据えたシナリオでは、主にこうした不確実な技術革新が実現していないエネルギー構成を検討します。

米エネルギー情報局（EIA）はInternational Energy Outlook 2023で、基準ケースと六つの代替ケースを示しました。経済成長、燃料価格、技術費用の仮定が異なります。以下の区分はこの記事独自の整理であり、EIAの正式なシナリオ名ではありません。

多くのEIAケースではエネルギー利用が増え、2050年にも化石燃料が大きな比率を保ちます。結果は仮定や当時の政策に左右される条件付きの見通しであり、確定した予言ではありません。

出典: EIA

従来の路線を続ける場合

気候変動に関心を持つ人には厳しいシナリオです。その後の約20年間も石炭、ガス、石油がエネルギーシステムを主導し、大半を供給すると仮定します。

危機の際のドイツの一時的な石炭火力追加利用は、供給の安全と気候目標との緊張を示しました。システム全体が化石燃料だけに戻ったという意味ではありません。

先端技術を活用する道

別の選択肢は、社会がエネルギー技術の転換を進めることです。再生可能エネルギーに加え、従来型と小型の双方の原子炉を使う大規模な原子力拡大も含みます。

このシナリオでは、化石燃料発電は優れた代替策に価格競争で敗れるか、法律で制限・禁止されます。

EVも、より良い電池技術の支えを受け、急速な普及を続ける可能性があります。

原子力は冬季にも調整可能な低炭素電力を供給します。再生可能エネルギーの余剰電力は、航空、海運、重工業の排出を減らす燃料に使えます。適切な工程と十分に安い電力が必要です。

消費を減らす道

中国、南米、アフリカ、インド、インドネシアのエネルギー需要の拡大を考え、記事はこの道の可能性を低く見ています。

これは意図的に生産を縮小する選択であり、筆者の見方では平均生活水準の低下を伴う可能性があります。旅行と国際貿易が減り、農業の工業化が一部後退し、経済はより地域中心になります。

記事はこうした急激な経済活動低下を、国際的緊張、戦争、世界的不況の可能性と結び付けます。筆者は、民主主義国でも権威主義国でも、自発的な生産縮小の政治的可能性は低いと考えています。

徐々に適応するシナリオ

ここでは複数の変化が同時に起きます。化石燃料は少し減るものの、なくなりません。石炭の縮小は石油やガスより進みます。原子力に賭ける国、再生可能エネルギーに賭ける国、従来の路線を続ける国が混在します。

電化と排出削減は望まれるより遅く進みます。CO₂排出は、IPCCが温暖化を抑えるために検討するネットゼロの経路を大きく上回ります。

これは先に挙げたEIAの一部のケースに似ています。将来、炭素回収が新規排出を減らし、大気からのCO₂除去が過去の排出の一部に対応する可能性があります。

技術的突破のシナリオ

このシナリオでは、発電に画期的な進歩が生じ、豊富なエネルギーを供給する方法を世界へ速やかに展開できます。

例えば、SpaceX (SPCX )と中国企業の競争で、軌道上の太陽光インフラの費用が大幅に下がる場合です。減るのは設備量ではなく費用です。

ITERでの大きな科学的成果も例です。2023年に挙げられた2025～2026年の開始は旧計画の節目であり、商用発電の開始ではありませんでした。その後日程は改定され、旧日付は現在の開始目標ではありません。

あるいは、太陽電池や蓄電池に革新的な設計が登場するかもしれません。

こうした変化は本質的に予測や数量化が困難です。それでも、完全に排除すべきではありません。