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持続可能なエネルギー

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持続可能なエネルギー
デンマークのヴェンディセル近くの風力タービン（2004）
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持続可能なエネルギーとは、「将来の世代が自分のニーズを満たす能力を損なうことなく現在のニーズを満たす」方法でエネルギーを使用する習慣です。[1] [2]

持続可能な方法で輸送のための電気、暖房、冷房、電力に対する世界のニーズを満たすことは、21世紀の人類が直面する最大の課題の1つであると広く考えられています。世界中で、10億人近くの人々が電気を利用できず、約30億人が調理するために木材、木炭、動物の糞などのスモーク燃料に依存しています。これらと化石燃料は、大気汚染の主な原因であり、年間700万人が死亡すると推定されています。エネルギーの生産と消費は、人為的な温室効果ガス排出の 70％以上を排出します。

地球温暖化を1.5°C に制限するために提案された経路は、電力を生成する低排出方法の迅速な実装と、輸送などのセクターでの電力のより多くの使用へのシフトを説明しています。経路には、エネルギー消費を削減するための対策も含まれます。また、再生可能電力によって生成された、または炭素の回収と貯蔵によって生成された水素など、カーボンニュートラルな燃料の使用。[3]これらの目標を達成するには、炭素価格設定、エネルギー固有の政策、化石燃料補助金の段階的廃止などの政府の政策が必要になります。

エネルギーの生産方法に言及する場合、「持続可能なエネルギー」という用語は、「再生可能エネルギー」という用語と互換的に使用されることがよくあります。一般に、太陽エネルギー、風力、水力エネルギーなどの再生可能エネルギー源は、持続可能であると広く考えられています。ただし、バイオ燃料の生産のための森林伐採などの特定の再生可能エネルギープロジェクトは、化石燃料エネルギーを使用する場合と比較して、同様の、またはさらに悪い環境被害をもたらす可能性があります。原子力があるゼロエミッション源とその持続性が議論されている間、[4] [5]欧州連合2050年までに低炭素エネルギーのバックボーンの一部となるように選択した。[6]

間欠的なエネルギー源である適度な量の風力と太陽エネルギーは、グリッドエネルギー貯蔵などの追加のインフラストラクチャなしで送電網に統合できます。これらのソースは、2018年に世界の電力の7.5％を生成しました[7]。2019年の時点で、風力、太陽光、電池のコストは引き続き減少すると予測されています。

定義

シュリールベルクの日和見の建物には、屋上にソーラーパネルが組み込まれており、エネルギー効率を最大化するように構築されています。その結果、消費するよりも多くのエネルギーを生成します。

持続可能な開発の概念は、環境と開発に関する世界委員会の 1987年の本「私たちの共通の未来」に記載されています。[1]現在広く使用されている「持続可能性」の定義は、「持続可能な開発は、将来の世代が自分のニーズを満たす能力を損なうことなく、現在のニーズを満たす必要がある」です。[1]

委員会はその本の中で、エネルギーに関する持続可能性の4つの重要な要素を説明しました。増大する人間のニーズを満たすためのエネルギー供給を増やす能力、エネルギー効率と保全、公衆衛生と安全、および「生物圏の保護とより局所化された形の汚染。」[8]それ以降、持続可能な開発の3つの柱、つまり環境、経済、社会に基づく持続可能なエネルギーのさまざまな定義が提供されています。

  • 環境基準には、温室効果ガスの排出、生物多様性への影響、および有害廃棄物の生成と有毒な排出が含まれます。
  • 経済的基準には、エネルギーのコスト、エネルギーが高い信頼性でユーザーに供給されるかどうか、エネルギー生産に関連する仕事への影響が含まれます。
  • 社会文化的基準には、エネルギー供給をめぐる戦争の防止（エネルギー安全保障）とエネルギーの長期的な利用可能性が含まれます。

持続可能性のための組織化の原則は、4つの相互に関連するドメイン（生態学、経済学、政治、文化）を含む持続可能な開発です。[9]

現在の状況

持続可能なエネルギーの提供は、現在のニーズを満たすことと将来の世代への影響の両方の観点から、21世紀の人類が直面する最大の課題の1つとして広く見られています。[10] [11] ビルゲイツ氏は2011年に次のように述べています。

次の10人の大統領を選ぶか、エネルギーが環境にやさしいか、4分の1のコストがかかるようにするかを選択できたら、私はエネルギーを選ぶでしょう。[12]

世界中で、10億人近くの人々が電気を利用できず、25億人を超える人々が汚い燃料を調理に利用しています。[13] 大気汚染は、主に燃料の燃焼によって引き起こされ、毎年推定700万人が亡くなっています。[14]国連の持続可能な開発目標は、2030年までに「すべての人が手頃な価格で信頼性が高く、持続可能な現代的なエネルギーにアクセスできるようにする」ことを求めています。[15]

エネルギーの生産と消費は気候変動の主な原因であり、2014年現在、人為的な温室効果ガスの年間排出量の72％を占めています。 15％、製造と建設におけるエネルギーの使用が12％を占めています。さらに5％は化石燃料の生産に関連するプロセスを通じて、8％はさまざまな他の形態の燃料燃焼を通じて放出されます。[16] [17] 2015年現在、世界の一次エネルギーの80％は化石燃料から生産されています。[18]

発展途上国では、25億人を超える人々が、伝統的な調理用コンロ[13]と直火に頼って、加熱と調理のためにバイオマスや石炭を燃やしています。この慣行は、有害な地域の大気汚染を引き起こし、火災による危険を増大させ、その結果、毎年推定430万人が死亡しています。[19]さらに、砂漠化を含む深刻な地域の環境破壊は、木材や他の可燃性物質の過剰な収穫によって引き起こされる可能性があります。[20]したがって、よりクリーンな燃料の使用と調理のためのより効率的な技術の使用を促進することは、国連持続可能なエネルギーの取り組みの最優先事項の1つです。 2019年現在、デザインへの取り組み安価で持続可能なエネルギー源を利用し、ユーザーが受け入れられるクリーンな調理器具は、ほとんどがっかりです。[19]

気候変動緩和のための提案された経路

バンギウィンドファームでフィリピン。
労働者はマラウイでソーラーパネルアレイ構造を構築

費用便益分析は、世界のエネルギー供給を脱炭素化するための最良の方法を決定するために、さまざまな専門家や機関によって行われました。[21] [22] 1.5°Cの地球温暖化に関するIPCCの2018年の特別レポートは、温暖化を1.5°Cに制限し、気候変動の最悪の影響を回避するために、「COの人為的地球規模の正味排出
2このレポートの一部として、気候変動緩和に関するIPCCのワーキンググループは、経路を説明する以前に発行されたさまざまな論文（つまり、シナリオと緩和オプションのポートフォリオ）。エネルギー、土地利用、農業、その他の分野の変化を通じて気候システムを安定させる。

警告を約1.5°Cに制限することと一致する経路は、排出量の少ない方法で電気を生産し、輸送などのセクターで他の燃料の代わりに電気の使用を増やす方向への急速な移行を表しています。[23]これらの経路には以下の特徴があります（特に明記しない限り、以下の値はすべての経路の中央値です）：

  • 再生可能エネルギー：の割合の一次エネルギー 2050年に60％に2020年に15％の再生可能エネルギーの増加によって供給される、[24]の10％から27％のバイオマス増加によって供給される一次エネルギーの割合は、[25]かに効果的なコントロールとバイオマスの成長に伴い土地利用が変化します。[26]風力と太陽光の割合は1.8％から21％に増加します。[25]
  • 原子力：によって供給される一次エネルギーの割合原子力 2050ほとんどの経路中の4％に2020年の2.1％から増加し、原子力の利用の増加を説明したが、いくつかの減少を記載しています。幅広い可能性の理由は、原子力エネルギーの配備は「社会的選好によって制約される可能性がある」ためです。[27]
  • 石炭と石油： 2020年から2050年の間に、石炭からの一次エネルギーの割合は26％から5％に減少し、石油からの割合は35％から13％に減少します。[25]
  • 天然ガス：ほとんどの経路では、天然ガスによって供給される一次エネルギーの割合は減少しますが、一部の経路では増加します。すべての経路の中央値を使用すると、天然ガスからの一次エネルギーの割合は、2020年の23％から2050年には13％に減少します。[25]
  • 炭素の捕獲と貯蔵：経路は、バイオエネルギーと化石燃料エネルギーのための炭素の捕獲と貯蔵のより多くの使用法を説明しています。[27]
  • 電化： 2020年には、最終的なエネルギー使用量の約20％が電気によって供給されます。2050年までに、この比率はほとんどの経路で2倍以上になります。[28]
  • 省エネルギー：経路は、すべてのセクター（産業、建物、および輸送）でエネルギー効率を高め、エネルギー需要を削減する方法を説明しています。これらの対策では、経路は、2010年と2030年の間に同じ周りのままであり、2050年までにわずかに増加し、エネルギー使用量を表示する[29]

再生可能エネルギー源

1965年から2016年までの再生可能エネルギー消費の増加

エネルギー源について言及する場合、「持続可能エネルギー」と「再生可能エネルギー」という用語はしばしば同じ意味で使用されますが、特定の再生可能エネルギープロジェクトは、持続可能性に関する重大な懸念を引き起こすことがあります。再生可能エネルギー技術は、一般に世界のエネルギー安全保障に貢献し、化石燃料資源への依存を減らし、それにより温室効果ガスの排出を軽減するため、持続可能なエネルギーに不可欠な貢献者です。[30]

太陽光発電

ポルトガル、セルパ近郊の11 MW太陽光発電所

2018年、太陽光発電は世界の電力の約3％を供給しました。[7]太陽光発電は、光起電（PV）セルを使用して光を電流に変換します。太陽光発電モジュールは、建物に統合したり、送電網に接続された太陽光発電所で使用したりできます。それらは遠隔地への電力供給に特に役立ちます。一般に25年間保証されていますが、平均的なソーラーパネルは40年間持続すると主張されており[31]、そのほとんどすべてをリサイクルできます。[32]

現在、太陽光発電（PV）パネルは、太陽光に当たる太陽光の約24％を電気に変換する能力しかありません。[33]このレートでは、太陽エネルギーは依然として広範囲の実装に多くの課題を抱えていますが、製造コストの削減と太陽光発電効率の向上は着実に進歩しています。 2008年、マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究者は、太陽エネルギーを貯蔵して水から水素燃料を製造する方法を開発しました。[34]このような研究は、太陽光が当たらない夜間の時間に使用するためにエネルギーを貯蔵するという太陽光開発が直面する障害に対処することを目的としています。

人工光合成に関する大規模な国および地域の研究プロジェクトは、太陽エネルギーを使用して水を水素燃料に分解するナノテクノロジーベースのシステムを設計しており[35]、グローバル人工光合成プロジェクトが提案されています。[36]

宇宙ベースの太陽光発電の研究が進行中です。このコンセプトでは、太陽電池パネルが宇宙空間に打ち上げられ、それらが捕捉するエネルギーがマイクロ波として地球に送り返されます。この技術のテスト施設は中国で建設中です。[37]

1939年に建てられたMITのソーラーハウス＃1は、年間を通して暖房に季節の熱エネルギー貯蔵（STES）を使用していました。

太陽熱

放物線トラフコレクターのスケッチ

ソーラーヒーティングシステムは、通常、太陽熱コレクター、熱をコレクターからその使用ポイントに移動する流体システム、および蓄熱とその後の使用のためのリザーバーまたはタンクで構成されます。システムは、家庭用温水、プールの水を加熱するため、または暖房用に使用できます。[38]熱は、工業用途に、または冷却装置などの他の用途のエネルギー入力としても使用できます。[39]多くの気候では、太陽熱暖房システムは家庭用温水エネルギーの非常に高い割合（20〜80％）を提供できます。熱は、熱エネルギー貯蔵技術を通じて貯蔵できます。たとえば、夏の暑さを冬の暖房用に保存できます。同様の原則は、夏のエアコンの冬の寒さを保存するために使用されます。

風力

風力：世界の設置容量[40]

2018年、風力は世界の電力供給の約6％を供給しました。[7]ただし、美的または環境的な理由により、一部の地域に風力タービンを配置することが難しい場合があります。[30]大型風力発電所は、数百の個々の風力タービンから成り、および平方マイル数百の拡張エリアをカバーするが、タービン間のランドは、農業または他の目的のために使用されてもよいです。風力発電所は沖合に配置されることもあります。

約20年後、風力タービンのブレードはより大きなブレードに交換する必要があり、それらをリサイクルする最良の方法と、よりリサイクルしやすいブレードを製造する方法についての研究が続けられています。[41]

水力

水力発電ダムは、持続可能なエネルギー源として最も広く普及しているものの1つです。

再生可能エネルギー源の中で、水力発電所には長寿命という利点があります。多くの既存の発電所は100年以上稼働しています。また、水力発電所はクリーンで排出量が少なく、風力と太陽光発電の変動を補償できます。[42]大規模な水力発電所に向けられた批判には、貯水池が計画されている場所に住む人々の転位、貯水池の建設中および洪水時の温室効果ガスの放出が含まれる。[43]

ただし、高排出量は暖かい（熱帯）地域の浅い貯水池にのみ関連付けられていることがわかっており、水力発電タービン技術の最近の革新により、影響の少ない河川水力発電プロジェクトの効率的な開発が可能になっています。[44]一般的に言って、水力発電所は、他のタイプの発電よりもはるかに低いライフサイクル排出を生成します。

2015年、水力発電は世界の電力の16％を供給しましたが、20世紀半ばから後半にかけての20％近くの高電力から減少しました。[45]カナダでは60％、ブラジルでは80％近くの電力を生産しています。[45] 2017年現在、中国を除くほとんどの国で、1980年以降、新しい水力発電の建設が停止または減速している。[45]

バイオマス

ブラジルでエタノールを生産するサトウキビ農園
CHP発電所フランスで30.000以上の世帯に電気を供給するために木材を使用して

バイオマスは、生きている、または最近生きている生物に由来する生物材料です。エネルギー源として、バイオマスは燃焼して熱を生成し、電気を生成するか、バイオディーゼルやエタノールなどの最新のバイオ燃料に変換することができます。

バイオマスは非常に用途が広く、再生可能エネルギーの最も使用されている源の1つです。多くの国で入手可能であり、輸入化石燃料への依存を減らすのに魅力的です。バイオマスの生産が適切に管理されている場合、炭素の排出量は、その寿命中の植物による二酸化炭素の吸収によって大幅に相殺されます。ただし、この「炭素負債」は返済が遅すぎるか、（特に米国では）適切に会計処理されない可能性があります。[46]バイオマス源が農業廃棄物または都市廃棄物である場合、それを燃やすか、またはバイオガスに変換することは、この廃棄物を処分する方法も提供します。[47]バイオエネルギー生産は、炭素の回収と貯蔵と組み合わせることができますゼロカーボンまたはネガティブカーボンシステムを作成することはできますが、これが十分に迅速にスケールアップできるかどうかは疑問です。[48]

バイオマスが植林地などの作物から収穫される場合、これらの作物の栽培は、自然の生態系を置き換え、土壌を劣化させ、水資源や合成肥料を消費する可能性があります。[47] [49]場合によっては、これらの影響により、石油ベースの燃料を使用する場合と比較して、実際に全体的な炭素排出量が増える可能性があります。[49] [50]

バイオ燃料

バイオ燃料は、トウモロコシやテンサイなどのさまざまな種類のバイオマスから製造されたエタノールなどの燃料です。バイオ燃料は通常液体であり、輸送に使用され、ガソリン、ディーゼル、灯油などの液体化石燃料と混合されることがよくあります。 2020年のようであるバイオ燃料の持続可能なされて議論されています。

セルロース系エタノールは、伝統的なトウモロコシベースのエタノールよりも多くの利点があります。木材、草、または植物の非食用部分から生産されているため、食物供給を奪ったり直接競合することはありません。[51]さらに、いくつかの研究では、セルロース系エタノールがトウモロコシベースのエタノールよりも費用対効果が高く、経済的に持続可能な可能性があることが示されています。[52] 2018年の時点で、セルロース系エタノールの生産を商業化するための取り組みはほとんどがっかりですが、新しい商業的取り組みが続いています。[53] [54]

燃料を成長させるために農地を使用すると、食料を成長させるために利用できる土地が少なくなる可能性があります。以来、光合成は、本質的に非効率的であり、また、収穫のエネルギー、乾燥、及び輸送の有意な量を必要とする作物、土地面積の単位当たりに生成されるエネルギーの量は、0.25 W / mの範囲内で、非常に小さい2〜1.2 W / m ２。[55]米国では、トウモロコシベースのエタノールが、2011年以降、モーターガソリンの10％未満に取って代わりましたが、国の年間トウモロコシ収穫の約40％を消費しています。[49]マレーシアとインドネシアでは、バイオディーゼル用のパーム油を生産するための森林伐採により、これらの森林は絶滅危惧種の重要な炭素吸収源および生息地であるため、深刻な社会的および環境的影響。[56] 2015年、液体バイオ燃料の世界的な年間生産量は、原油から抽出されたエネルギーの1.8％に相当しました。[45]持続的に生産できる量には限りがあるため、すべてを航空バイオ燃料にする必要があることが示唆されています。他の輸送形態とは異なり、長距離航空はバッテリー、水素、アンモニア、または燃料電池で駆動できないためです。[57]

地熱

カリフォルニア北部の地熱発電所であるThe Geysersの多くの発電所の1つで、総出力は750 MWを超えます。

地熱エネルギーは、地球内で生成および貯蔵された熱エネルギーを利用して生成されます。それは、地球の地殻で見つかるカリウムと他の元素の同位体の放射性崩壊から生じます。[58]地熱エネルギーは、石油探査と非常によく似た地面への掘削によって得られ、熱伝達流体（水、塩水、蒸気など）によって運ばれます。[58]主に水によって支配されている地熱システムは、システムにより大きな利益をもたらす可能性があり、より多くの電力を生成するであろう。[59]これらの液体が支配的なシステムでは、地下水資源の沈下と汚染の懸念が存在します。したがって、これらのシステムでは地下水資源の保護が必要です。これは、液体が支配的な地熱貯留層システムでは、注意深い貯留層の生産とエンジニアリングが必要であることを意味します。[59]地熱エネルギーは継続的に補充されるため、持続可能なと考えられています。[60]

地熱エネルギーは、発電と暖房に利用できます。使用されている技術には、乾式蒸気発電所、フラッシュ蒸気発電所、バイナリサイクル発電所などがあります。 2010年現在、地熱発電は24か国で使用されており[61]、地熱暖房は70か国で使用されています。[62] 国際市場は、2015年までの3年間で平均5％のペースで成長しました。[63]

地熱は、地球の熱量に比べて熱の抽出量が少ないため、持続可能で再生可能なエネルギー源であると考えられています。[64]地熱発電所の温室効果ガス排出量は、1キロワット時の電力あたり平均45グラムの二酸化炭素であり、従来の石炭火力発電所の二酸化炭素の 5％未満です。[62]

海洋エネルギー

海洋エネルギーは主に潮力と波力です。2020年の時点で、フランスと中国でいくつかの小規模な潮力発電所が稼働しており[65]、エンジニアは嵐に対する波力発電設備の堅牢性を高め続けています。[66]

再生不可能なエネルギー源

原子力

2020年5月27日時点のフランスの発電に関連するCO 2排出量。全体のCO 2強度は52 gCO2eq / kWhです。
2020年5月27日現在のフランスの発電に関連するCO 2排出量。全体のCO 2強度は52 gCO 2 eq / kWhです。出典：electricitymap.org

核分裂に基づく原子力の持続可能性は、今日広く使用されている技術が非再生可能資源である採掘されたウラン鉱石を消費するため、議論されています。ただし、燃料の単位あたりの核エネルギーの量は、他の燃料の化学エネルギーの数百万倍であるため、核分裂に使用される燃料の量は比例して少なくなります。燃料使用量が比較的少なく、使用済み燃料のリサイクル率が高く（最大96％）、埋蔵量も多いため、原子力は数百年の規模で実質的に持続可能なと見なすことができます。[67]

原子力発電所は、1950年代から、地域の大気汚染を引き起こすことなく、ゼロエミッションの安定した電力供給を行うために使用されてきました。2012年には、30か国の原子力発電所が世界の電力の11％を生成しました。[68] IPCCを有する、低炭素エネルギー源と原子力発電を考慮し、ライフサイクル温室効果ガス排出量（の採鉱及び処理を含むウラン再生可能エネルギー源からの排出量と同様）。[69] 2020年の時点で、原子力は欧州連合の低炭素電力の50％とヨーロッパの総エネルギー生産量の26％を供給しています。[70]

2020年5月27日現在のドイツの発電に関連するCO 2排出量。全体のCO2強度は257 gCO2eq / kWhです。
発電関連CO
2全体的に27のように、ドイツの排出量2020年5月CO
2257 gCO2eq / kWhの強度。出典：electricitymap.org

反核運動は、 1993年以来、世界の電力供給に原子力エネルギーの寄与の減少をもたらした[71]原子力パブリックサポートは、安全性の問題の結果として、しばしば低い[72] の各単位しかしながら原子力エネルギーは、化石燃料エネルギーよりはるかに安全です。[73]グリーンピースやシエラクラブ などの伝統的な環境団体は、すべての原子力の使用に反対している。[74]グリーンエネルギー源として原子力発電を記載している個人は含まスチュワートブランド、[74] ジョージ・モンビオット、[75] ビル・ゲイツ、[76] James Lovelock [77]、 Greenpeace UK（2001-2007）のスティーブンティンデールディレクター。[78]

2018年、原子力は欧州連合によって低炭素ヨーロッパ電力システムの一部として選択されました。[6]

将来のデザイン

新しい原子炉の設計は、もはや（または劇的に）危険がなくなるまで核廃棄物からエネルギーを抽出することができ、原子力事故の可能性を大幅に最小限に抑える設計機能を備えています。これらの設計（例えば溶融塩反応器）はまだ商品化されていない。Integral Fast Reactorなどの他のいくつかの原子炉は、核変換と呼ばれるプロセスを通じて核廃棄物を「燃やす」ことができます。原子力発電所は、核再処理や高速増殖プラントなどの新しいプラントを使用することにより、核廃棄物の問題から多かれ少なかれ排除することができます。

トリウムは、トリウムベースの原子力で使用される核分裂性物質です。トリウム燃料サイクルの特許請求の範囲に比べていくつかの潜在的な利点ウラン燃料サイクルを含む、より大きな存在量、優れた物理的及び核特性に対するより良好な耐性核兵器増殖[79] [80] [81]および還元プルトニウムおよびアクチニド生産。[81]したがって、それは持続可能なと呼ばれることもあります。[82] すでに稼働している原子力発電所の寿命を延ばすための安全性評価は、おそらく80年まで続く[83]。[84]過去の事故に関係なく、原子力は、他のエネルギー源と比較して、エネルギー単位あたりで利用可能な最も安全なエネルギー源であり続けています。[85]

融合

将来のエネルギー源は核融合です（現在使用されている核分裂とは異なります）。それは太陽を含む星に存在する反応です。現在建設中の核融合炉（ITER）は、連鎖反応がないため本質的に安全であることが期待されており、長寿命の核廃棄物を生成しません。[86]核融合炉の燃料は、非常に広く利用可能な重水素、リチウム、トリチウムです。[87]

炭素の捕獲と貯蔵

理論的には、化石燃料とバイオマス発電所の温室効果ガス排出量は、炭素の回収と貯蔵により大幅に削減できますが、このプロセスは高価です。気候変動に関する政府間パネルによれば、2°Cの目標を達成するための最低コストの経路には、炭素の捕捉と隔離を伴うバイオエネルギー、またはBECCS と呼ばれる特定のタイプのネガティブエミッションテクノロジーの大規模な展開が含まれます。[88]ただし、BECCSを通じてこの目標を達成するには、現在世界中で利用可能なリソースよりも多くのリソースが必要です。たとえば、年間100億トンのCO 2（GtCO 2/ y）世界の現在の耕作地の40％からのバイオマスが必要になります。[89]

断続的なエネルギー源の管理

揚水発電の設備、水が圧送される上り坂発電需要を超えています。水は後に水力発電のために放出されます。

太陽光と風力は、天候や時刻に応じて断続的に電力を供給する可変再生可能エネルギー（VRE）ソースです。これらのソースを組み合わせることにより、全体的な断続性を減らすことができます。[90] [91]

ほとんどの送電網は、石炭火力発電所などの非断続的なエネルギー源のために構築されました。国際エネルギー機関によると、「電力システムの柔軟性はさまざまなタイムスケールにわたって必要であり、さまざまな柔軟性のあるハードウェアソリューションと運用プラクティスソリューションはタイムスケール固有の機能を提供します」。[92]世界の半分の電力は、2050年までにも、以下の2°Cまでの温度でのグローバルな上昇を制限するために、2030年までに風力や太陽光である必要があります[93]太陽光や風力エネルギーの大きな量がグリッドに統合されると、電力の供給が需要に見合うようにするには、システム全体に変更を加える必要があります。これらの変更には、次のものがあります。

  • 水力発電、天然ガス発電所、または他の化石燃料または原子力発電所を使用してバックアップ電力を生成する
  • グリッドエネルギーストレージを使用して、余剰の太陽光エネルギーと風力エネルギーを貯蔵し、必要に応じて放出します。最も一般的に使用されている貯蔵方法は、揚水貯蔵水力発電です。これは、大きな丘または深い地下鉱山の隣にある場所でのみ実行可能です。バッテリーは広く配備されています。power-to-gasなどの他の貯蔵技術は、限られた状況で使用されてきました。[94]
  • 地域グリッド内または長距離送電線を介して他の場所と電力を取引する
  • エネルギー需要管理とスマートグリッドの使用により、特定の時間に電力需要を削減します。
  • エネルギー市場、より具体的には電力市場は、電源の柔軟性がより適切に支払われるように変化します[95] [96]

2019年現在、大規模な人口密集地のエネルギー貯蔵のコストと物流は大きな課題ですが、バッテリーシステムのコストは劇的に下がっています。[97] たとえば、2019年の調査では、米国の東部および中西部で極度の寒さの1週間にわたってすべての化石燃料発電を太陽エネルギーと風力エネルギーで置き換えるには、エネルギー貯蔵容量を11 GWから増加させる必要があることがわかりました。その時間は230 GWから280 GWの間です。[97]

揚水貯蔵と、石炭、化石ガス、原子力発電所に続く負荷は、2020年現在、断続的なエネルギー源のバランスをとるための最も普及している技術です。

2020年の時点では、欧州連合（EU）このとなっている事実上のことを決めた国における標準シャットダウン自分のゼロ・エミッションドイツなどの原子力発電所を。[98] [99] [100] [101]この慣行は、化石ガスの輸入に多額の投資をしたが、そのCOに失敗したドイツ間の議論につながっています
2排出削減目標[102]とフランス。エネルギー構成は主に原子力で構成され、エネルギー部門からの平均CO2排出量はドイツの5分の1である。[103] [104]

エネルギー効率

エネルギーの持続可能性に向けて進むには、エネルギーの供給方法だけでなく、その使用方法も変更する必要があり、さまざまな商品やサービスを提供するために必要なエネルギー量を削減することが不可欠です。エネルギー方程式の需要側での改善の機会は、供給側での改善と同じくらい豊富で多様であり、しばしば大きな経済的利益を提供します。[105]

効率はエネルギー需要の成長を鈍化させるため、クリーンなエネルギー供給の増加は化石燃料の使用を大幅に削減することができます。最近の歴史的分析によると、エネルギー効率の改善率は一般に、継続的な経済成長と人口増加によるエネルギー需要の成長率を上回っています。その結果、エネルギー効率の向上にもかかわらず、総エネルギー使用量と関連する炭素排出量は増加し続けています。したがって、エネルギー効率改善の熱力学的および実用的な限界を考えると、エネルギー需要の成長を遅らせることが不可欠です。[106]ただし、クリーンエネルギーの供給が急速にオンラインにならない限り、需要の伸びの鈍化は総排出量の削減を開始するだけです。エネルギー源の炭素含有量を減らすことも必要です。したがって、持続可能なエネルギー経済の深刻なビジョンには、再生可能エネルギーと効率の両方への取り組みが必要です。[107]

トレンド

2019年現在、化石燃料は依然として世界のエネルギー消費の 80％以上を供給しており、1人あたりのエネルギー消費は2020年代にピークになると予想されていますが、持続可能なエネルギーの使用は、パリ協定の2度の目標を満たすのに十分な速さで増加していません。[108]

2018年に世界の電力の10％を供給した400 GWの原子力容量の2019年の予測では、2030年までに8％の減少から25％の増加に変化します。[109]

2020年、国際エネルギー機関は、コロナウイルスの発生によって引き起こされた経済的混乱が、企業によるグリーンエネルギーへの投資を妨害または遅延させる可能性があると警告しました。 [110] [111] [112] この行動は、何の行動も起こらなければ、世界のクリーンエネルギーの移行を鈍化させる可能性があります。[113]

石炭から天然ガスへの燃料転換

生成されたエネルギーの所定の単位の平均での温室効果ガス排出量の天然ガスは、約半分の排出される石炭生産を加熱するために使用されるとき、電気を生成するために使用され、石炭の約三分の二排出ただし還元メタン漏れはあります必須。[114]また、天然ガスは石炭よりも大気汚染が大幅に少ない。したがって、ガス火力発電所とガスパイプラインの建設は、排出量を削減し、石炭の使用を段階的に廃止する方法として推進されていますが、これについては議論の余地があります。反対派は、天然ガスインフラストラクチャの開発により、何十年にもわたる炭素の閉じ込めと孤立した資産が生まれると主張、そして再生可能エネルギーは同等のコストではるかに少ない排出を生み出します。[115]天然ガスのライフサイクル温室効果ガス排出量は、風力および原子力エネルギーの排出量の約40倍です。

電化

電化が続いているにもかかわらず、化石燃料は2040年までに世界のエネルギーの3分の2以上を供給している可能性があります。[108]

政府のエネルギー政策

世界のエネルギー使用の傾向を比較すると、2015年までの再生可能エネルギーの成長は緑の線で示されています[116]

IPCCによると、地球温暖化を1.5°Cに制限するために、明示的な炭素価格と補完的なエネルギー固有のポリシーの両方が必要なメカニズムです。[117]

エネルギー固有のプログラムと規制は、化石燃料の排出量を削減するための取り組みの主力でした。[118]成功した事例には、1970年代と1980年代のフランスでの原子炉の建設や、米国での燃料効率基準が何十億バレルもの石油を節約したかなどが含まれます。[118]エネルギー固有のポリシーの他の例には、建築基準におけるエネルギー効率要件、新しい石炭火力発電所の禁止、電気製品の性能基準、および電気自動車の使用のサポートが含まれます。[119] [117]それでも、化石燃料の補助金は、クリーンエネルギーシステムへの移行の主要な障壁のままです。[120]

炭素税は、低炭素経済への動きを促進する効果的な方法であり、他の税を下げるために使用できる収入源を提供する[121]か、低所得世帯がより高いエネルギーコストを提供するのを助ける。[122]炭素税は一部の管轄区域で強い政治的反発に直面しているが、エネルギー固有の政策は政治的に安全である傾向がある。[118] OECDの気候変動によると、エネルギーの炭素税なしに抑制することはできないが、70％は、エネルギー関連のCO2排出量は2018ですべてで課税されなかった[123]いくつかの研究は、合成と推定炭素税をエネルギー固有で政策は炭素税だけよりも費用効果が高いでしょう。[117]

持続可能なエネルギー研究

持続可能なエネルギーの分野で大規模で高度な研究を行っている学術、連邦、および商業部門内には、数多くの組織があります。持続可能なエネルギーシステムに向けた科学的生産は指数関数的に増加しており、1992年の再生可能エネルギーのみに関する約500の英語のジャーナル論文から2011年には約9,000の論文に成長しています。[124]

水素

水素はゼロエミッション燃料であり、電気分解を使用して水分子を水素と酸素に分解することにより製造できます。水素は、それを生成するために使用される電力が風力や太陽光などの持続可能な源から生成される場合、持続可能なエネルギーシステムで役割を果たすことができます。水素は、断続的な再生可能電力の余剰がある場合に生成され、その後、貯蔵され、熱の生成または電気の再生に使用されます。水素は船[125]またはパイプラインを介して配布できます。パイプラインや器具を変更することなく、最大20％を天然ガスパイプラインに混合できますが[126]、水素は非常に軽いため、排出量の7％しか節約できません。[127] 2020年現在住宅用および産業用天然ガス暖房からの排出を削減または排除するために、天然ガスグリッドを100％水素に変換する方法[128]の試験が進行中です。[129] これは、水素有する動力車両に使用することができる燃料電池。[130]内容物に対するエネルギーが低いため、水素駆動の船舶や大型道路車両[131]での使用は、車や飛行機での使用よりも簡単です。

2018年の時点で、世界の水素供給のほとんどは持続可能な供給源から生み出されていません。ほぼすべての水素は、蒸気メタン改質（SMR）によって生成されます。これにより、温室効果ガスの排出量が多くなりますが、現在、電気分解によって水素を生成するよりも安価です。SMRから一部の炭素を回収することはできますが、排出される二酸化炭素の大部分を除去するために、炭素回収および貯蔵技術とオートサーマルリフォーミングを使用することにより、プロセスをより持続可能にすることができます。[129]

参照

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  • 化石燃料のダイベストメント
  • エネルギー源のライフサイクル温室効果ガス排出
  • すべてのイニシアチブのための持続可能なエネルギー

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