エネルギー
持続可能なエネルギーへの探求が型破りな発見へと導く
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世界のエネルギー消費は加速的に増加しています。2023年の成長率は2.2%で、2010年から2019年の年間平均1.5%と比較して高いです。
このエネルギー消費の加速した速度は主に牽引されている中国が主に牽引しており、+6.6%で2010-2019年の平均の2倍です。他の貢献国にはインド、イラン、ブラジル、UAE、アルジェリア、ベトナム、インドネシアが含まれます。対照的に、日本、韓国、南アフリカ、EUではエネルギー消費が減少し、米国では安定しています。
全体として、2000年以降、世界のエネルギー消費は約3分の1増加しています。現在は580百万テラジュールと推定されており、この年間の世界エネルギー消費ははさらに予測されている2040年までに740百万テラジュールに達すると予測されています。
しかし、最も懸念すべき点は、このエネルギーの大部分—83%—が化石燃料から来ていることです。石油が最大のエネルギー源で、次いで石炭と天然ガスが続き、これらは大気中に膨大なCO2を排出します。
これは、グリーンエネルギーの革新が緊急に必要であることを示しています。再生可能エネルギーは成長が期待されているものの、その増加はわずか4%で、世界の一次エネルギー使用の6%に達しています。
したがって、エネルギーシステムを変革する世界的な必要性の中で、太陽エネルギーは潜在的なゲームチェンジャーとして浮上しています。これは、太陽から生成されるエネルギーが世界全体、さらにはそれ以上を動かす可能性があるからです。
地球は、1年分のエネルギーを供給するのに、数時間分の太陽エネルギーだけで足ります。
それはまた、利用可能な中で最もクリーンで最も豊富な再生可能エネルギー源です。さらに、脱炭素化、エネルギーコスト削減、はるかに低い環境影響、エネルギーアクセスと安全性の向上という利点があります。
もちろん、太陽エネルギーの活用にはいくつかの課題があります。さもなければ、すでに広範に利用しているでしょう。太陽の間欠性という主要な課題に加えて、太陽が一日中照っているわけではないため、場所、蓄電ソリューション、そしてこのエネルギーを活用するための技術に関する追加の課題があります。
太陽エネルギーを活用する際、太陽放射を捕捉してエネルギーに変換する方法はいくつかあります。
1つの方法はアクティブ太陽エネルギーを使用することで、電気または機械装置を用いて太陽エネルギーを別の形態に能動的に変換します。これは光伏（PV）または集光型太陽熱（CSP）によって実現されます。
PVでは、光伏効果を示す半導体材料を使用して太陽光を電気に変換します。PV技術は一般的にソーラーパネルとして知られ、これは太陽電池の集合体で、各セルは太陽光を吸収して電流を生成する半導体を含んでいます。
CSPでは、レンズや鏡が広い領域から太陽光を小さな領域に集めて電気を生成します。ソーラーファーネスは、ソーラーパワータワーやパラボリックトラフなど、さまざまなタイプを含みます。
別の方法は受動的太陽エネルギーを使用することで、外部装置を使わずに地域の気候を利用します。例えば、建物を設計して適切な日照量を確保したり、断熱性のある建物を建設することがこの方法の例です。また、クールルーフやグリーンルーフもこの方法の例です。
しかし、これは太陽エネルギー活用技術の終わりではありません。その膨大な可能性を考えると、研究者は常に太陽エネルギーを捕捉し有用なエネルギーに変換する新しい方法を探求しています。
携帯電話と車から太陽電力を生成する
オックスフォード大学の研究者は、太陽エネルギー技術の分野で興味深い開発を最近行いました。この技術により、太陽電力は車や携帯電話の表面から生成できる。
はい、その通りです。シリコンベースの太陽光パネルを何本も設置する代わりに、日常的な物体だけで増加する太陽電力を生成できます。
このイノベーションは、これらの物体の表面にコーティングされた新しい発電材料によって可能になりました。光吸収材料は薄く柔軟で、ほぼすべての表面に適用できます。この革命的なアプローチは、複数の光吸収層を単一の太陽電池に積層することを含みます。
このために、オックスフォード大学物理学部の科学者は、光スペクトルのより広い範囲を利用できる技術を開拓し、同じ量の太陽光からより多くの電力を生成できるようにしました。
薄膜ペロブスカイト材料は、日本の産業技術総合研究所（AIST）によって独立して認証され、27%以上のエネルギー効率を実現しています。これらの数値は、従来の単層シリコン光伏材料と同等です。
研究者によると、マルチジャンクションまたはスタッキング手法を用いたわずか5年の実験で、電力変換効率を約21%向上させました。これは、初期効率が約6%だったものが、現在では太陽光エネルギーの22%以上を変換できることを意味します。
この材料はすでに今日の単層光伏が達成できる限界に近づいている中、オックスフォードのポストドクター研究員である胡帅峰博士は次のように述べました：
（彼らの技術は）光伏デバイスがはるかに高い効率、将来的に45％を超える効率を実現できるようにする可能性があります。
エネルギー効率に加えて、材料の多用途性も重要な要素です。材料は超薄型で、わずか1ミクロン（0.001mm）を少し超える厚さで、シリコンウェハーの約150倍薄いです。シリコンウェハーは一般に0.5mmから400ミクロン（0.4mm）の厚さですが、2〜25ミクロンの範囲は特定の科学的目的に使用されます。
この新材料の薄さは、既存の光伏とは異なり、一般的な物体や建物だけでなく、実質的にほぼすべての表面に適用できることを意味します。
新しいコーティング材料を使用することで、王俊科博士は次のように指摘しました：
（彼らは）シリコンを再現し、さらに上回ることができ、柔軟性も得られることを示しました。これは、多数のシリコンベースのパネルや特別に建設された太陽光発電所を必要とせずに、より多くの太陽エネルギーを提供できるという点で重要です。
この新しいアプローチは、太陽エネルギーを最も持続可能な再生可能エネルギー形態にし、過去14年間で最大90%もコストが下がったことをさらに減少させると期待されています。
世界経済フォーラムによると、2010年には、太陽光光伏で1メガワット時の電力を生成する平均コストは補助金なしで378ドルでしたが、2019年にはわずか68ドルに低下しました。太陽エネルギーは現在、石炭や原子力よりも安く、陸上風力にほぼ同等の経済効率です。この期間に風力エネルギーもコストが下がった一方で、原子力と石炭は増加またはわずかな減少を記録しています。
現在、薄膜ペロブスカイトのようなイノベーションは、シリコンパネルや専用太陽光発電所の必要性を減らすことで追加のコスト削減を約束します。
研究者によると、この最新のイノベーションは、既存の物体を利用して材料を製造し、太陽エネルギーを安価かつ持続可能に生成する独自の産業になる可能性があります。
『人工葉』でクリーン燃料を生成
科学者たちは、日常的な物体を使って太陽電力を安価に生成できるようにしただけでなく、光合成を再構築し、クリーン燃料の生成方法を革命的に変えています。
2019年、ケンブリッジ大学の研究者は、太陽光、二酸化炭素、水だけを使用して人工葉が合成ガスを生成することに成功し、新たなベンチマークを樹立しました。
合成ガスは化石燃料から作られるガスで、水素と一酸化炭素の混合物であり、プラスチック、医薬品、燃料、肥料の製造に使用されます。私たちが日常的に消費する製品を生産している以上、持続可能に「それを生産する」方法を見つけることが重要です。
そこで登場するのが人工葉で、太陽光で動く炭素中立デバイスであり、大気中にCO2を放出しません。さらに、太陽光で動作するにもかかわらず、曇天や曇りの日でも効率的に機能します。
光合成に触発され、植物が太陽光エネルギーで二酸化炭素と水を食料に変える自然プロセスを模倣し、研究者は人工葉上に2つの光吸収体とコバルト触媒を組み合わせました。水に浸すと、1つの吸収体は触媒の助けで酸素を生成し、もう一方は化学反応を行い、水とCO2を水素と一酸化炭素に還元し、合成ガスを形成します。
光吸収体は低光量でも機能するため、この技術は一日中、世界中どこでも使用可能です。
他の人工葉デバイスも開発されていますが、ケンブリッジの研究者は、それらは水素のみを生成し、彼らのデバイスは使用した材料と触媒の組み合わせにより合成ガスを生成できると指摘しました。
分子触媒に使用された材料はコバルトで、低コストで豊富にあり、白金や銀など他の触媒に比べて一酸化炭素の生成に優れています。
一方、光吸収体はシリコンや染料感光材料ではなくペロブスカイトで作られました。ペロブスカイト光吸収体は高い光電圧と電流を提供し、化学反応を駆動してCO2をCOに還元しました。
合成ガスの次のステップは、ガソリンの代替となる持続可能な液体燃料を開発することです。合成ガスを作ってから液体燃料に変換するのではなく、この研究は二酸化炭素と水から直接液体燃料を作ることを目指しています。
電力だけでは世界全体のエネルギー需要のごく一部しか満たせないため、合成ガソリンは重要な開発となり得る、とケンブリッジ大学化学部のシニア著者エルウィン・ライスナー教授は述べ、持続可能に重輸送、船舶、航空を動かす液体燃料への「大きな需要」を指摘しました。
過去数年、ライスナーはグループと共に開発を進めており、合成ガスを先に作らずにすぐにクリーンなエタノールとプロパンを生成できる新しい人工葉を実現しました。これは銅とパラジウムベースの触媒を開発することで達成されました。
論文の第一著者であるモティアール・ラハマン博士は次のように述べました：
「太陽の力だけで実用的な液体燃料を生産できることは」我々の研究に全く新しい道を開くエキサイティングな進歩です。
現在、この装置は概念実証段階にすぎません。研究者は葉を太陽光をよりよく吸収するよう最適化し、触媒を改良して太陽光をより多く燃料に変換し、最終的に大量の燃料を生産できるようスケールアップを目指しています。
ライスナー教授は実際に今年初め、受賞し、ロイヤル・アカデミー・オブ・エンジニアリングの新興技術チェアを得ました。250万ポンドの賞金は、彼のチームが太陽化学技術の研究室から市場への移行を可能にするために活用されます。
ライスナー・チームが製品のスケーラビリティに取り組んでいる間、ウォータールー大学の工学教授ユミン・ウーは、合成ガス研究と同時期に別の論文を発表しました。この論文も低コストで有害なCO2を有用な代替燃料に変換する「人工葉」を低コストで有害なCO2から有用な代替燃料へ変換しました。
再び、光合成プロセスに触発され、人工葉はメタノールと酸素を生成しましたが、自然の葉はグルコースと酸素を生成します。
ここでの主要成分は酸化銅(I)で、最適化された赤い粉末で、八角形の粒子を持つように設計されました。これは、酢酸銅、ブドウ糖、ドデシルナトリウム、硫酸ナトリウム水酸化物を特定の温度で加熱した水に加えることで得られました。
水と混合しCO2に曝露されると、別の化学反応のトリガーとなり、酸素を生成しCO2をメタノールに変換しました。白色光を照射するためにソーラーシミュレーターが使用されました。
量子ドットで二重ガラス太陽光窓を作る
この分野の別の進展は量子ドットで、2〜10ナノメートルの範囲の小さな半導体粒子です。その小ささにより独自の電子的・光学的特性を持ち、多用途に利用できます。
研究では、量子ドットが窓ガラスに埋め込まれ、電力を生成しました。これらの「デザイナー」量子ドットは太陽光を吸収し、窓の透明性を損なうことなくエネルギーに変換します。
このイノベーションは、従来の高価でスペースを取る太陽光パネルを必要とせず、建物全体を太陽エネルギー発電装置に変えることを実質的に可能にします。
出典: Los Alamos National Laboratory
主任研究者のヴィクター・クリモフによれば、量子ドットベースの二重窓は、これらの「低コストで溶液プロセス可能な材料」によって実現できる高い性能のおかげで、コスト削減の新たなアプローチを提供します。
この新しい方法は現在のPV技術に取って代わるものではありません。効果的な太陽光コレクターは既存の太陽光パネルに単に追加されます。また、建物の構造に半透明の窓として統合することも可能です。
現在の光伏パネルが約25%の効率を達成しているのに対し、量子ドットはキャリア乗算を利用することでこれを上回る可能性があります。
典型的な光伏太陽電池は光子1つを吸収し、1つの電子を放出してエネルギーに変換します。しかし、キャリア乗算と磁性マンガンイオンの組み込みにより、量子ドットベースの太陽電池は吸収した光子1つにつき2つ以上の電子を生成します。
しかし、この技術的進歩の核心は「太陽スペクトル分割」であり、高エネルギーと低エネルギーの太陽光子の処理を分離します。
これは、量子ドットにマンガンイオンを組み込んで高発光不純物として機能させることで実現しました。量子ドットが光を吸収すると、不純物が活性化され、マンガンイオンが量子ドットの吸収開始エネルギー以下のエネルギーで光を放出します。
現在、窓をタンデム発光太陽光コレクターに変えるため、研究者は前面ガラスに高発光マンガンをドープした量子ドット層を堆積させました。一方、背面ガラスには銅インジウムセレン化物を含む量子ドット層が堆積されました。
このように、前面層は可視の青色と紫外線領域を吸収し、背面層が残りを吸収します。吸収された後、量子ドットはより長い波長の光子を再放出します。再放出された光は全内部反射により窓のガラス端部へ導かれ、統合された太陽電池が光を集めて電気に変換します。
さらに、クリモフのチームは量子ドットを用いてアンモニアを生成する方法も研究しています。アンモニアは世界エネルギー使用の2%以上を占めます。この特定の応用では、光電放出による光の代わりに「自由電子」を生成するために量子ドットと太陽光を使用しています。
では、太陽エネルギー分野の主要企業2社を見てみましょう。
#1. NextEra Energy
再生可能エネルギー分野のリーダーとして広く知られるNextEra Energy (NEE ) は、2024年第2四半期に5億5200万ドルの純利益と8億6500万ドルの調整後利益を報告しました。
NEE 価格チャート
彼らは再生可能エネルギー容量に3GWを追加し、重要な太陽光開発を含め、2027年までの収益上昇軌道を予測し、調整後1株当たり利益が年々上昇する見込みです。
#2. First Solar
First Solar (FSLR ) は太陽光パネルの製造と包括的な光伏発電所サービスを専門としています。薄膜半導体技術の革新的な活用が同社を太陽光産業で際立たせています。
FSLR 価格チャート
財務面では、First Solarは前会計年度に35億6000万ドルの収益と10億2000万ドルの純利益を報告しました。持続可能な技術と国際市場拡大への注力が、同社の太陽光セクターにおける戦略的地位を強調しています。
結論
これらの最新イノベーションは、太陽エネルギーの完全な可能性を実現する上で大きく重要な前進を示しています。太陽エネルギーは、環境を汚染する化石燃料に対する強力な代替となるクリーンで再生可能な資源です。
今後の年で世界のエネルギー需要が増加すると予想され、持続可能な太陽エネルギーが豊富に利用できる中、この無限のクリーンエネルギー源を活用することが不可欠です。しかし、太陽光発電は現在、すべてのエネルギー源からの総世界電力生成に占める割合が非常に低い（単一の）パーセンテージです。これは、政府と組織間の継続的な研究、開発、協力が緊急に必要であり、太陽エネルギーの利用を本格的に推進し、世界全体に電力を供給することを強調しています。
