社会連携
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未来社会DESIGN機構（DLab）の未来シナリオ20番「人類が等しくエネルギー不足・食料不足に悩まなくなる」が実現されるために、今、どんなことが必要なのか。5名の研究者がエネルギーを「創る・運ぶ・貯める、あるいは使う」を切り口に、エネルギーシステムとこれからの社会を考える。
未来放談
DLabではこれまでの活動を通して、「ありたい未来」の姿を具体的に描いた24の「未来シナリオ」を作成しました。動画シリーズ企画「未来放談」では、毎回、この「未来シナリオ」から1点を選び、「シナリオの実現に向け、科学技術をどう発展させていくか」を、本学の第一線の研究者が自由に語り合っていきます。
佐藤：今回はシナリオの20番「人類が等しくエネルギー不足・食料不足に悩まなくなる」で取り上げた、持続社会のエネルギー開発をテーマに議論を進めます。最初に総論として、本学ゼロカーボンエネルギー研究所の所長を務める竹下先生に、未来のエネルギー社会全体のあり方についてお話をいただきたいと思います。
竹下：日本政府は、温室効果ガスの排出量を2030年までに2013年度比で46%削減し、2050年には実質の排出量をゼロとする「カーボンニュートラル」を実現することを目標に掲げました。しかし、2019年に日本で供給された19エクサジュールという大量のエネルギーのうち、ゼロカーボンのものはわずか15%ほど。目標達成には、残り85%の化石エネルギーを脱炭素化する、エネルギーシステムの大変革が欠かせません。
まずは電力について見てみましょう。電源のベストミックスを考えるポイントとしてよく言われるのが、「Safety（安全）」「Energy security（安定供給）」「Economic efficiency（経済性）」「Environment（環境）」の「S＋3E」です。さらに2050年までのカーボンニュートラル達成を目指すなら、「Renewable（再生可能エネルギー）」「Resilient（回復力）」「Reliable（信頼性）」の「3R」も外せない条件になるでしょう。
竹下：「カーボンニュートラル」の実現に向けた主力電源となり得るのは再生可能エネルギーですが、現在、地熱や水力といった安定性再生可能エネルギーによる発電は全電力量の10%程度で、今後増やせても15%程度です。そこで再生可能エネルギーを主力電源とするなら、太陽光や風力など出力に波がある変動性再生エネルギーを、現状の約8%から大幅に伸ばす必要がある。すると、朝夕の電力不足や、電力の供給過剰による出力抑制の問題が顕著になってきます。
これを解決するには、回復力、信頼性、調整力を備えたエネルギーシステムの構築が不可欠で、電池などによる電力の貯蔵や、電力を熱変換して貯蔵する蓄熱システムは必須と言えます。また、コストを押さえ、常時安定的に発電できるベースロード電源としては、原子力の活用が考えられるでしょう。特に近年では、現行の軽水炉に加え、安全性・機動性を追究した小型モジュール炉の開発も進んでいます。
さらに、火力発電も必要です。そこで、CO2を回収・貯留するCCSや、CO2を分離、回収して有効活用するCCUSの技術を導入したり、再生可能エネルギーで発電した余剰電力を使ってCO2フリーの水素やアンモニアを生成し、それを燃料に使ったりして発電を行っていくことになるでしょう。
そして、忘れてはいけないのが、我が国のエネルギー利用のうち約75%を占める非電力エネルギーへの対応です。非電力エネルギーは大半が熱として利用され、約2割が運輸、1割強が製鉄、約1割が石化製品素材に使われています。ここでも水素やアンモニアなどのエネルギーキャリアを存分に活用したり、CO2から合成したメタンやメタノールなどの合成燃料を燃料電池などで利用していくことになるでしょう。
エネルギー源としての化石燃料を再生可能エネルギーや脱炭素ガスに転換する「グリーントランスフォーメーション（GX）」を成し遂げ、カーボンニュートラル社会を実現する。今後はこの目標に向け、多様な技術を導入しながら、変動に強く、復元力、柔軟性を持ったエネルギーシステムを構築し、エネルギーの安定供給、低炭素化、環境性や経済性を目指していくことが大切になっていくと考えています。
ゼロカーボンエネルギー研究所の考えるエネルギー社会
佐藤：ゼロカーボンエネルギー研究所では、現在、どのような技術の研究を行っていますか。
竹下：蓄電技術や蓄熱技術の研究はかなり進んでおり、原子力関連でも小型モジュール炉をはじめ長期にわたる研究実績があります。非電力エネルギー関連では、CO2排出に占める割合が高い製鉄の脱炭素化に向けた、炭素循環型製鉄などの研究も行われています。
佐藤：ゼロカーボン社会の実現は、エネルギー研究全般に関わるテーマです。皆さん本テーマについてご意見はありますか。
岡崎：私が気になっているのは、最近、「カーボンニュートラル」という言葉が一人歩きして、マスコミも含めた一般の方が誤解をしているケースが増えていることです。例えば「CO2を使って燃料のメタンを創りさえすれば、CO2が減る」など物質の生成過程を無視した意見も少なくありませんし、1年で約12億トンという膨大なCO2の排出量をどう減らすかという議論で、その100万分の1レベルの細かい話にこだわっている例も多い。
少なくとも私たち専門家は、それぞれの技術について、将来的な可能性も踏まえた上で、ゼロカーボンに向けた正味の貢献、量的な貢献がどれだけあるかを科学的な判断に基づいて考える必要がありますし、一般の方に対しても正しい情報を提供する義務があると感じています。
佐藤：再生可能エネルギーのなかでも、特になじみ深いものの一つが太陽光です。太陽から注がれるエネルギーの量は、地球上で消費される量の何千、何万倍にもなるはずで、これをいかに活用するかは非常に重要でしょう。太陽光発電の研究に取り組まれている山田先生に、その現状についてお聞かせいただければと思います。
山田：エネルギーについて考える際は、エネルギーを「創る・運ぶ・貯める、あるいは使う」という全体的なシステムの中で見ていくことが大切です。太陽光発電は、このうち「創る」部分を担う再生可能エネルギーです。
大気圏内の中緯度帯では、晴天の日、太陽から1 m2あたり約1000 Wの光エネルギーが降り注いでいます。これを100%活用できれば、家庭によくある500 Wの電子レンジを2台動かせる。しかし現実的にはそれは不可能です。そこで「光エネルギーを、どれだけ電気エネルギーに変換できるか」を示す、「変換効率」が、発電性能を示す重要な指標になってきます。
例えば、家庭用の太陽光発電システムでよくある4 kWの出力を実現するのに、変換効率が100%なら、ソーラーパネルの面積は4 m2あれば十分です。しかし変換効率が10%に下がれば、必要な面積は10倍の40 m2になってしまう。つまり変換効率が高いほど、パネルを小さくすることが可能になるわけです。
太陽光発電の特徴～近づく電源～
山田：発電システムの変換効率を上げてソーラーパネルを小さくし、あわせて軽量化やフレキシブル化も実現できれば、より多くの場面で太陽光発電が利用できるようになります。例えば、ビルや家庭での太陽光発電による電力の自家利用やソーラーカーなど、運輸、産業、民生といった幅広い分野への導入が考えられるでしょう。
変換効率を上げ、低コスト・高効率・多用途の太陽光発電を実現すれば、CO2を出さずに、クリーンなエネルギーを生み出せる太陽光発電がどんどん私達の生活の中に入ってきて、脱炭素社会の実現により貢献できる。そんな思いで研究を進めています。
佐藤：ありがとうございます。今、太陽光発電の変換効率はどのくらいですか。
山田：高いもので25%くらいで、太陽から来る光エネルギーの1/4を電気エネルギーに変換できます。
佐藤：かつては太陽光発電に対して、「発電設備を作るときに使うエネルギーと、設備の寿命が来るまでに発電できるエネルギーはそう変わらない」という意見もあったようですが、最近はどうなのでしょうか。
山田：その点については、「発電システムの製造時に使ったエネルギーを、どのくらいの年月で回収できるか」を示す「エネルギー・ペイバック・タイム」という指標があり、現在の平均的な太陽光発電システムなら1年半～2年程度で同量のエネルギーを発電できる計算です。また、システム製造時に排出されるCO2についても同様に「CO2・ペイバック・タイム」という指標があって、おおよそ1年半～2年程度で、製造時に発生したCO2を相殺できる。2年を過ぎたら、その後は長く使えば使うほど、プラスが大きくなる計算です。
佐藤：再生可能エネルギーはどうしても出力が変動します。一方で電力の需要も変動する。両者のマッチングを図る上では、「エネルギーを貯める」ことが非常に重要です。蓄電池などの電気化学デバイスを研究されている菅野先生に、この観点からエネルギー貯蔵の将来像についてご説明をお願いします。
菅野：蓄電池は内部に貯めたエネルギーを放電した後、再び充電して反復使用できる電池で、二次電池とも呼ばれます。エネルギーシステムのうち「貯めて使う」という部分を担うサポート役として、低炭素社会の実現に向け、特に輸送などの分野に欠かせないものだと言えると思います。
電池は1800年、ボルタによって発明されました。その後1859年に、現在広く使用されている鉛蓄電池が登場。そして1991年に「画期的な蓄電池」とされるリチウムイオン電池が日本で初めて実用化され、30年後の今、車に搭載されようとしています。実は、蓄電池はそれほど進化に時間のかかるデバイスで、新技術がその後50年、100年単位で社会を支えていく可能性が高い。しかし、もちろん研究者はそれを良しとしているわけではありません。
現在、蓄電池研究で重要なテーマとなっているのが、高い性能を持つリチウムイオン電池を、いかにより使いやすく、環境に負担のかからないものにするかということです。また、空気電池をはじめとする多彩な革新電池の開発も続けられています。また、幸いなことに、東工大で発見した固体の電解質が、安全性や環境面で課題のあったリチウムイオン電池の液体の電解質に代わる次世代電池の材料として有望だという評価を受けており、現在、世界で全固体電池の開発競争が行われています。
菅野：蓄電池の今後について考えた場合、エネルギーを「貯めて使う」上で、より上手な「使い方」を探ることがポイントになるでしょう。また環境負荷の低い素材を使い、負荷を抑えて製造する努力も必要です。電池の容量を増やし、安全で耐久性も高く、使いやすいものにすることで、さらに活用範囲を広げていければ嬉しいですね。
佐藤：「化石燃料から電気へ」という観点で考えた場合、特にエネルギー消費が多い輸送分野などで、全固体電池に寄せられる期待は非常に高いと思います。また現在、市販されている電気自動車には、一般家庭が一日分に使う分以上のエネルギーを貯められる、容量数十kWhのバッテリーが載っている。蓄電池がエネルギー供給全般のあり方を変えていく可能性は大きいと感じています。
ただ、ガソリン車と同じようにスタンドでチャージをする場合、充電スタンドの電気容量が大変大きくなって、発電・送電などの社会インフラが耐えられるかという点は気になるところではあります。
菅野：現在、ガソリン車ではスタンドでの燃料補給が常識になっていますが、電気自動車が主流になった場合は、スタンド以外の場所で夜間に充電したり、太陽光で時間のあるときに充電するなど、また違うチャージ方法が生まれる可能性があります。さらに、車の役割自体が変わっていくかもしれない。新技術が広がることで、社会のあり方がどう変化するか、大いに期待が広がっていくところです。
佐藤：カーボンニュートラルの実現に向けては、蓄電池などに加え、エネルギーを「貯めて」「運ぶ」媒体としての「水素」の役割もいっそう大きくなっています。水素のご研究をなさっている岡崎先生、そうした点についてご説明いただけますか。
岡崎：水素はエネルギーを「運ぶ」「貯める」部分はもちろん、実はエネルギーを「創る・運ぶ・貯める、あるいは使う」というエネルギーシステム全体に大きく関わる物質でもあります。
例えばエネルギーを「創る」部分については、水素を原料とするアンモニアの例が挙げられるでしょう。水素は輸送の利便性や安全性を考慮し、気化水素、有機ハイドライド、アンモニアといった形にし、体積を減らして運ばれています。そのうちアンモニアは、近年、水素の運搬手段としてだけでなく、炭素を含まないカーボンフリーの燃料としても注目を集めている。このアンモニアは、もとは水素から創られているわけです。
また、今は、太陽光発電などの再生可能エネルギーで需要を大きく超える発電が行えるようになっています。そこで余剰分の電力を使って水素を生成し、余ったエネルギーを水素の形で蓄えながら、配送も行い、無駄にせず利用するという形で、水素の「運ぶ」「貯める」「使う」力を生かせる場面も増えています。
そして世の中も、こうした「水素」の力を存分に生かす「水素社会」に向けて着々と動いている。本年行われたオリンピック・パラリンピックの聖火に水素が活用されていたのも、その一例と言えるでしょう。
【直接電化とセクターカップリングによるゼロエミ電気の需要拡大等（イメージ）】
CO2フリー水素の普及には、再生可能エネルギー電力による水電解技術の高度化（高効率、長寿命、低価格）が不可欠である。
再エネポテンシャルの最大限の利活用を可能とする水電解装置
岡崎：水素の活用を進める鍵となるのは、再生可能エネルギー電力を使って水を電気分解し、CO2フリーの水素やメタンを生成する「水電解」の技術です。水素社会の実現にはこの技術の高効率化、長寿命化、低価格化が欠かせません。
東工大では、水電解の基礎モデリングをはじめ、同分野の最先端の研究が行われています。また、水素を「使う」面でも、燃料電池内の水分挙動をその場で測定できる研究、水素を燃焼とした発電用ガスタービンの研究などがあり、さらに水素と空気中の窒素を使ってアンモニアを生成する方法として、一般的なハーバー-ボッシュ法に代わる革新的手法の研究も進められています。
1点、水素活用に関して留意すべきなのは、その生成過程も踏まえた上で、「カーボンニュートラル」への正味の貢献を考えることです。例えば水素にも一般の化石燃料から創られた「グレー水素」、再生可能エネルギーを利用して創られたCO2フリーの「グリーン水素」、そして、グレー水素からCCSなどでCO2を取り除いた、本来のCO2フリー水素とは意味合いの異なる「ブルー水素」があります。
また、CO2を含まない燃料として注目を集めるメタンのなかでも、工場や発電所から排出されたCO2と水素を反応させて合成された「メタネーション」によるものは、燃やすとCO2を排出しますから、そのCO2を最初のCO2源に戻さない限り正しい意味での「カーボンニュートラル」とは言えない。そうした点に気をつけながら、本学の技術力を生かし、脱炭素社会の実現に貢献していけるといいですね。
佐藤：グリーン水素を使いながら、社会に必要なエネルギーをどう供給していくかは重要なテーマだと思います。私自身、特にアンモニアについては、今後の可能性に大いに期待しています。
岡崎：水素もあくまでエネルギーシステムの中の一部ですから、再生可能エネルギーや蓄電池などさまざまな技術と有機的に組み合わせ、いかに適切なシステムを創っていくかが重要だと感じています。
佐藤：ゼロカーボン社会の構築に向けた、個別の要素の研究については、東工大の内部にも、世界に誇れるものが多数存在しています。ただ、今回のお話でも出たとおり、エネルギーについては「創る・運ぶ・貯める、あるいは使う」の各段階にさまざまな関係者が存在しますから、全体を見た議論も必要です。この点について、何かご意見はありますか。
岡崎：エネルギーシステム全体を見据えた上で、必要な技術をうまく調整しながら伸ばしていく。まさにそれこそが、DLabの役割だと思います。
佐藤：おっしゃる通りですね。その際に気をつけたいのが、外部への発信のスタンスです。研究者が何かを発信しようとすると、つい「こうあるべき」という話になりがちですが、少なくともDLabでは“べき”は禁句。社会が「こうありたい」と願う未来を実現するために、技術や科学はどこでどんな貢献ができるかというスタンスで考えるようにしています。
DLabのワークショップに参加してくれた高校生などが、非常に新鮮で興味深い発想を語ってくれました。そうした一般の方に、技術の現状を伝え、彼らの期待を引き出し、その期待を実現する科学技術を開発するという好循環を生み出すことが大切ですね。
山田：今回のお話を聞いていて、社会にとって必要なエネルギーを、どう安定的に、手頃な価格で確保するかという視点が重要だと感じました。例えば、日本は今後もさまざまなエネルギーを輸入していくと思いますが、輸入に頼り切りでいいのか。そうしたエネルギーセキュリティの視点から、今後のエネルギー社会のあり方を考えることが重要だと思います。
佐藤：エネルギーを外から輸入するのであれば、各国の社会情勢や国同士の関係といった地政学的リスクも考慮する必要があります。ですから、そうした分野の研究や活動をされている方にも、ぜひ議論に入ってほしい。水素分野の産官学連携やグローバルな研究協力に多く携わってきた岡崎先生は、そうした可能性についてどうお考えですか。
岡崎：エネルギー問題でも、社会科学的な視点での考察が必要だというのはその通りで、私自身も力を入れてきた点でもあります。ただ、技術系の人間だけでは厳しい面もある。2019年、本学に、情報科学、社会科学、基礎技術開発などを統合しながら産学連携のエネルギー研究やエネルギー人材の育成を行う「InfoSyEnergy（インフォシナジー）研究/教育コンソーシアム」が設立されたことで、幅広い視点からエネルギーを考える動きがより強化されたと感じています。
佐藤：最後に竹下先生に、今回のお話をまとめていただければと思います。
竹下：本日のさまざまな論議を思い返しながら、改めて「カーボンニュートラル社会とはどんな社会か」を考えてみると、やはり第一には、再生可能エネルギーを主力電源とした社会であると言えるのではないかと感じました。ただ、再生可能エネルギーは出力が不安定な面がありますから、その不安定さを解消する技術や仕組みが欠かせません。
そこで電池による電力の貯蔵、水素やアンモニアなどのエネルギーキャリアの広範な利用、炭素循環システムなどの技術が必要になってくる。また、原子力についても、安全に使えるものをベースロード電源として取り込んでいく。そうした多様な技術をうまく組み合わせ、復元力や柔軟性を備えた、変動に強いエネルギーシステムを創っていくことが大切だと思います。
佐藤：皆さん、本日はありがとうございました。今後は、「未来シナリオ」の20番「人類が等しくエネルギー不足・食料不足に悩まなくなる」のなかで触れられなかった「食料」の問題なども踏まえながら、大学としてより幅広に議論ができる場も創っていきたいと考えています。引き続き、どうぞ宜しくお願いします。
DLab Future Techscapers （ディーラボ フューチャー テックスケーパーズ）
未来放談を含めた、研究者が未来シナリオに基づきながら研究を語る動画シリーズ。 「Techscapers」はテクノロジーと社会のつながりを広く見渡すとしてTechnologyとLandscapeを掛け合わせ、さらに人にスポットライトを当てた造語。
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2021年12月掲載
