低炭素電力

2018年の低炭素源からの一次エネルギーの割合
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低炭素電力または低炭素電力とは、化石燃料を使用した発電よりもライフサイクル全体を通じて温室効果ガスの排出量が大幅に少ない電力のことです。[1]低炭素電力へのエネルギー転換は、気候変動を抑制するために必要な最も重要な対策の一つです。[2]

低炭素発電源には、風力、太陽光発電、原子力発電、およびほとんどの水力発電が含まれます。[3] [4]この用語は、従来の化石燃料発電所の電源をほぼ除外し、稼働中の化石燃料発電システムの特定のサブセット、具体的には、排気ガス 炭素回収貯留（CCS）システムとうまく連携しているシステムを説明するためにのみ使用されます。[5] 2020年には、世界全体でほぼ40％の電力発電が低炭素電源に由来し、そのうち約10％が原子力、ほぼ10％が風力と太陽光発電、約20％が水力発電とその他の再生可能エネルギーでした。[2]化石燃料を起源とする低炭素電力はごくわずかで、これは主にCCS技術のコストによるものです。[6]

歴史

2019 年の低炭素電源による電力発電の割合。

20世紀後半から21世紀初頭にかけて、地球温暖化に関する重要な知見が示され、炭素排出量の削減の必要性が浮き彫りになりました。このことから、低炭素発電という概念が生まれました。 1988年に世界気象機関（WMO）と国連環境計画（UNEP）によって設立された気候変動に関する政府間パネル（IPCC）は、低炭素発電の導入に向けた科学的先例を確立しました。IPCCは、定期評価報告書と特別報告書を通じて、国際社会に科学的、技術的、社会経済的助言を提供し続けています。[7]

国際的に、低炭素発電に向けた最も顕著な初期の一歩は、2005年2月16日に発効した京都議定書の署名でした。この議定書に基づき、ほとんどの先進国が炭素排出量の削減を約束しました。この歴史的な出来事は、低炭素発電技術の導入に向けた政治的な先例となりました。

温室効果ガス排出量による電源

電力供給技術のライフサイクル温室効果ガス排出量、IPCCによって算出された中央値[8]
IPCC 2014に基づく選択された電力供給技術からのライフサイクルCO2換算値（アルベド効果を含む）。 [8] [9]中央値（g/kWh CO2換算値）の降順で並べています。
テクノロジー分。中央値マックス。
現在市販されている技術
石炭– PC740820910
ガス複合サイクル410490650
バイオマス– 専用130230420
太陽光発電– 公益事業規模1848180
太陽光発電– 屋上264160
地熱6.03879
集光型太陽光発電8.82763
水力発電1.0242200 1
洋上風力発電8.01235
核3.712110
陸上風力発電7.01156
商用化前の技術
海洋（潮汐と波）5.61728

1貯水池の環境への影響#温室効果ガスも参照してください。

ライフサイクルGHG排出量（g CO2換算/kWh）、UNECE 2020 [10]
ライフサイクルCO2排出量/kWh、EU28カ国、UNECE 2020による。[10]
テクノロジーg / kWh CO2換算
石炭PC、CCSなし1000
IGCC （ CCSなし）850
SC、CCSなし950
PC、CCS付き370
IGCC （ CCS付き）280
SC、CCS付き330
天然ガスNGCC （ CCSなし）430
NGCC、CCS付き130
水力発電660MW [11]150
360MW11
核平均5.1
CSPタワー22
トラフ42
PVポリシリコン、地上設置型37
ポリシリコン、屋根設置型37
CdTe、地上設置型12
CdTe、屋根設置型15
CIGS、地上設置型11
CIGS、屋根設置型14
風陸上12
沖合、コンクリート基礎14
オフショア、鉄骨基礎13

頭字語の一覧:

低炭素電源の差別化要因

世界全体の低炭素電力発電量（電源別）

現在の炭素排出量レベルを下げるための選択肢は数多くある。風力発電や太陽光発電など一部の選択肢は、完全に再生可能な資源を使用し、ライフサイクル全体の炭素排出量が少ない。原子力発電などの他の選択肢は、ライフサイクル全体の排出量では再生可能技術と同量の二酸化炭素を排出するが、再生不可能だが持続可能な[12]物質（ウラン）を消費する。低炭素発電という用語には、天然ガスや石炭など世界の天然資源を継続的に利用する電力も含まれるが、燃料としてこれらの資源を燃焼させる際に二酸化炭素排出量を削減する技術を採用している場合に限られ、2012年時点では二酸化炭素回収・貯留（CCS）を実施しているパイロットプラントがその一例である。[5] [13]

電力部門における排出量削減のコストは運輸部門などの他の部門よりも低いと思われるため、経済的に効率的な気候政策の下では、電力部門が最大の炭素削減効果をもたらす可能性がある。[14]

低炭素排出で電力を生産する技術は、様々な規模で利用されています。2020年には、これらを合わせると世界の電力の約40%を占め、風力と太陽光は約10%を占めました。[2]

出典: [15]

テクノロジー

2014年の気候変動に関する政府間パネルの報告書では、適切な場所での原子力、風力、太陽光、水力発電は、ライフサイクル全体での石炭火力発電の温室効果ガス排出量の5%未満で電力を供給できる技術であると特定されています。[16]

水力発電

フーバーダムは1936年に完成した当時、世界最大の発電所であると同時に世界最大のコンクリート構造物でもありました。

水力発電所は長寿命という利点があり、既存の発電所の多くは100年以上稼働しています。また、水力発電は電力網運用の観点からも非常に柔軟な技術です。大規模水力発電は、今日のエネルギー市場において、化石燃料と比較しても最も低コストの選択肢の一つであり、発電所の運転に伴う有害な排出物もありません。[17]しかし、貯水池からの温室効果ガス排出量は一般的に低く、熱帯地域では排出量が高くなる可能性があります。

水力発電は世界最大の低炭素電源であり、2019年には総電力の15.6%を供給しました。[18] 中国は圧倒的に世界最大の水力発電国であり、ブラジルとカナダがそれに続きます。

しかし、大規模水力発電システムには、いくつかの重大な社会的・環境的デメリットがあります。例えば、貯水池建設予定地に人が居住している場合の移転、貯水池建設時および湛水時の二酸化炭素とメタンの大量排出、水生生態系や鳥類の破壊などが挙げられます。 [19]現在、各国は水資源管理において、他の水利用部門と協力して水力発電開発を計画する統合的なアプローチを採用すべきであるという強いコンセンサスが形成されています。[17]

原子力

原子力発電は、2025年時点で440基の原子炉から世界の電力生産量の9%を占める。[20]

原子力発電は2010年には、欧州連合（EU）加盟27カ国の低炭素エネルギーの3分の2を供給しており[21] 、一部のEU加盟国では電力の大部分を原子力発電で賄っている。例えばフランスは電力の79%を原子力発電で賄っている。2020年時点で、EUでは原子力発電が低炭素電力の47%を供給しており[22]、原子力発電を主に利用している国では、炭素強度が30～60 gCO2eq/kWhを日常的に達成している。[23]

2021年に国連欧州経済委員会（UNECE）は、原子力発電は気候変動を緩和するための重要な手段であり、過去半世紀で74GtのCO2排出を抑制し、欧州のエネルギーの20％と低炭素エネルギーの43％を供給してきたと述べました。[24]

1985年から2020年までの化石燃料、原子力、再生可能エネルギーによる電力生産の割合を示すグラフ
1985年以降、低炭素電源による電力発電の割合はわずかに増加したに過ぎない。再生可能エネルギー導入の進展は、原子力発電の割合の低下によってほぼ相殺されている。[25]

原子力発電は1950年代から低炭素のベースロード電源として利用されてきました。[26] 30カ国以上の原子力発電所が世界の電力の約10％を発電しています。[27] 2019年現在、原子力はすべての低炭素エネルギーの4分の1以上を発電しており、水力発電に次ぐ第2位のエネルギー源となっています。[28]

原子力発電のライフサイクルにおける温室効果ガス排出量（ウランの採掘と処理を含む）は、再生可能エネルギー源からの排出量とほぼ同程度である。[29]原子力発電は、主要な再生可能エネルギー源と比較して、エネルギー生産量あたりの土地消費量が少ない。さらに、原子力発電は局所的な大気汚染も引き起こさない。[30] [31]原子核分裂発電所の燃料として使用されるウラン鉱石は再生不可能な資源であるが、数百年から数千年分の供給を賄えるだけの量が存在する。 [32] [33]しかし、現状では経済的に採算が取れるウラン資源は限られており、ウラン生産は拡大期に追いつくのが困難である。[34]野心的な目標と整合した気候変動緩和策では、通常、原子力による電力供給が増加する。[35]

原子力発電が持続可能かどうかについては、核廃棄物、核兵器の拡散、事故への懸念などから議論がある。[33]放射性核廃棄物は数千年にわたって管理する必要がある。[33]原子力発電は、生産されるエネルギー単位当たりの事故による死亡や汚染関連の死亡者数が化石燃料よりもはるかに少なく、原子力発電の歴史的な死亡率は再生可能エネルギー源に匹敵する。[36] 原子力発電に対する国民の反対により、原子力発電所の建設が政治的に困難になることが多い。[33]

新しい原子力発電所を建設するための時間とコストを削減することは、何十年にもわたる目標であったが、コストは依然として高く、期間も長い。[37]従来型の原子力発電所の欠点を解消することを期待して、さまざまな新しい形態の原子力エネルギーが開発されている。高速増殖炉は核廃棄物をリサイクルできるため、地層処分を必要とする廃棄物の量を大幅に削減できるが、大規模な商業ベースではまだ導入されていない。[38] トリウム（ウランではなく）をベースとする原子力発電は、ウランの供給量が少ない国々に、より高いエネルギー安全保障を提供できる可能性がある。[33] 小型モジュール炉は、現在の大型原子炉に比べていくつかの利点がある可能性がある。より迅速に建設でき、モジュール化によって学習することでコストを削減できる。[39]また、従来の発電所よりも安全に使用できると考えられている。[40]

いくつかの国では、廃棄物が少なく爆発の危険性もない核融合炉 の開発を試みています。 [41]核融合発電は実験室では進歩を遂げていますが、商業化と大規模化には数十年かかるため、2050年までに温暖化を緩和するためのネットゼロ目標の達成には貢献しません。[42]

風力

中国新疆ウイグル自治区の風力発電所

風力発電とは、風力エネルギーを利用して有用な仕事を生み出すことです。歴史的には、風力は帆、風車、風力ポンプによって利用されていましたが、今日では主に電力を生成するために利用されています。この記事では、発電を目的とした風力発電についてのみ扱います。今日、風力発電はほぼすべて、風力タービンによって発電されており、一般的には風力発電所として集約され、電力網に接続されています。

2024年には風力発電が約2,500TWhの電力を供給し、これは世界の電力の8％以上を占める。[43] 2021年には主に中国と米国で約100GWが追加され、世界の風力発電設備容量は800GWを超えた。[44] [45] [46] 2024年には30カ国が電力の10分の1以上を風力発電で発電し、風力発電は2015年以来ほぼ3倍になった。[43]気候変動を制限するというパリ協定の目標を達成するためには、アナリストは風力発電を年間発電量の1％以上というより速いペースで拡大する必要があると述べている。[47]

風力発電は持続可能な再生可能エネルギー源であり、化石燃料の燃焼に比べて環境への影響がはるかに少ない。風力発電は変動性が高いため、安定した電力供給のためにはエネルギー貯蔵やその他のディスパッチ可能な発電源が必要となる。陸上（オンショア）風力発電所は、他のほとんどの発電所と比較して、生産エネルギーあたりの景観への影響が大きい。[48] [49]洋上風力発電所は景観への影響が少なく、設備利用率も高いが、一般的に高価である。[44]現在、洋上風力発電は新規設備の約10%を占めている。[50]

風力発電は、生産エネルギー単位あたりのコストが最も低い電源の一つです。多くの地域では、新規の陸上風力発電所は、新規の石炭火力発電所やガス火力発電所よりも安価です。[51]

北半球および南半球の高緯度地域は、風力発電の潜在性が最も高い。[52]ほとんどの地域では、風力発電は夜間および太陽光発電の出力が低い冬季に高い発電量を示す。そのため、多くの国では風力発電と太陽光発電の組み合わせが適している。[53]

太陽光発電

PS10は、中央のタワー上のヘリオスタットのフィールドからの太陽光を集光します。

太陽光発電は、太陽光を電気に変換する発電方式で、太陽光発電（PV）を用いて直接的に行う場合と、集光型太陽熱発電（CSP）を用いて間接的に行う場合があります。集光型太陽熱発電システムは、レンズや鏡、追尾システムを用いて、広範囲の太陽光を小さなビームに集光します。太陽光発電は、光電効果を利用して光を電流に変換します。[54]

商業用集光型太陽光発電所（CSP）は1980年代に初めて開発されました。カリフォルニア州モハーベ砂漠に位置する、354MWのSEGS CSPは世界最大の太陽光発電所です。その他の大型CSP発電所としては、スペインのソルノバ太陽光発電所（150MW）とアンダソル太陽光発電所（150MW）があります。米国の200MWを超えるアグア・カリエンテ太陽光発電プロジェクトと、インドの214MWのチャランカ太陽光発電所は、世界最大の太陽光発電所です。2014年末時点で、世界の電力消費量に占める太陽光発電の割合は1%でした。[55]

地熱発電

地熱発電は地熱エネルギーから発電される電力です。現在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、バイナリーサイクル発電所などがあります。地熱発電は24カ国[56]で利用されており、地熱暖房は70カ国[57]で利用されています。

現在、世界全体の設置容量は10,715メガワット（MW）で、最大の容量はアメリカ合衆国（ 3,086MW）、[58] フィリピン、インドネシアです。地熱エネルギーの発電潜在能力は35GWから2000GWと推定されています。[57]

地熱発電は、地球の熱量に比べて抽出される熱量が少ないため、持続可能であると考えられている。 [59]既存の地熱発電所の排出強度は、平均122kgのCO
21メガワット時（MW·h）あたりの発電量は、従来の化石燃料発電所の発電量のごく一部です。[60]

潮力発電

潮力発電は水力発電の一種で、潮のエネルギーを電力やその他の有用なエネルギーに変換します。最初の大規模潮力発電所（ランス潮力発電所）は1966年に稼働を開始しました。まだ広く利用されているわけではありませんが、潮力発電は将来の発電手段として大きな可能性を秘めています。潮力発電は風力発電や太陽光発電よりも予測しやすいと考えられています。

炭素回収・貯留

二酸化炭素回収・貯留（CCS）は、発電所やその他の産業の排ガスから二酸化炭素を回収し、適切な場所まで輸送して地下貯留層に安全に埋設するものです。1972年から2017年の間に、1億7100万トンのCO2を貯留するために、十分な数の石炭火力発電所とガス火力発電所にCCSを追加する計画が立てられました。
22024年現在、CCSは世界中で5つの 発電所でのみ稼働している 。[ 63 ]

展望と要件

排出量

部門別温室効果ガス排出量。詳細な内訳については世界資源研究所を参照。

気候変動に関する政府間パネルは、最初の作業部会報告書で、「20世紀半ば以降に観測された地球の平均気温の上昇のほとんどは、気候変動に寄与する人為的な温室効果ガス濃度の観測された増加によるものである可能性が非常に高い」と述べた。[64]

人為的な温室効果ガス排出量全体のうち、二酸化炭素（CO2 ）は72％を占め（温室効果ガス参照）、大気中の濃度は1958年の315 ppmから2005年には375 ppm以上に増加している。[65]

エネルギー起源の排出は、温室効果ガス排出量全体の61.4%以上を占めています。[66]従来の石炭燃料による発電は、世界の温室効果ガス排出量全体の18.8%を占めており、これは道路輸送による排出量のほぼ2倍に相当します。[66]

2020年までに世界の二酸化炭素排出量は2000年の約2倍になると推定されています。[67]

欧州連合は来年、加盟27カ国すべてに温室効果ガスの実質ゼロ排出を義務付ける法律に署名したいと考えている。

電力使用量

地域別世界のCO2排出量

世界のエネルギー消費量は、2003年の123,000  TWh（421 京 BTU）から2030年には212,000 TWh（722京BTU）に増加すると予測されています。 [68]石炭消費量も同じ時期にほぼ倍増すると予測されています。[69]最も急速な増加は、経済成長によってエネルギー消費が増加する非OECDアジア諸国、特に中国とインドで見られます。[70]低炭素発電オプションを実施することで、世界の電力需要は安定した炭素排出量を維持しながら成長し続ける可能性があります。

運輸部門では、化石燃料から電気自動車（公共交通機関や電気自動車など）への移行が進んでいます。これらの傾向は小規模ですが、最終的には電力網への大きな需要増加につながる可能性があります。[71]

家庭用および産業用の熱と温水は、主に燃料油や天然ガスなどの化石燃料を消費者の敷地内で燃焼させることによって供給されてきました。一部の国では、電気への切り替えを促進するためにヒートポンプへのリベートを開始しており、電力網への大きな需要増加につながる可能性があります。[72]

エネルギーインフラ

石炭火力発電所は低炭素発電に比べて市場シェアを失っており、2020年代に建設される発電所は、設備利用率の低下などにより、座礁資産[73]または座礁コスト[74]になる危険性がある。

投資

低炭素電源と技術への投資は急速に増加している。[説明が必要]ゼロ炭素電源は世界のエネルギーの約2％を生産しているが、発電への世界の投資の約18％を占め、2006年には1000億ドルの投資資本を集めた。[75]

参照

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