2 - 中部大学

近い未来のエネルギー
いま変わり行く形態
中部大学・大学院工学研究科
田中基彦
http://dphysique.isc.chubu.ac.jp/en_mirai_A.pdf
Update: 7/21/2016
近い未来のエネルギー（総括）
ここでは，風力，太陽光，水力の再生可能エネルギーを軸に，
1. 未来エネルギーの予想，2. 人類活動のためのエネルギー，
3. 省エネルギーの移動手段，4. 風力，太陽発電のリンク，
5. 鉄とレアメタル等の消費量，で構成する。
未来の力は，約90%以上を占める「太陽光」にある。
１．太陽光である太陽電池により発電，蓄電，
２．風力 -> 電磁誘導 -> 電気，および風力 -> 機械力の利用，
３．水力による発電，送電へ。
未来のエネルギーについて，以下で説明しよう。
－石油，天然ガス，原子力資源は枯渇，他の選択をしよう！
はじめに
私たちは豊かなネット情報を享受し，コンピュータと交信して
決済を行う。チャットを楽しみ，海外へ仕事や旅行のため，飛
行機に乗って出かける。新しいFCV(水素)，EV(電気)自動車が
国道を走り，国産ジェット機が日本の空に加わる21世紀である。
しかし，聞いたことがあるように，石油・天然ガスなどが急騰，
じきにマーケットから姿を消してゆくのはいまから50年（～100
年）後である。それは地殻に含まれる石油，天然ガス，原子力
エネルギーが有限資源であり，いつかは訪れる未来である。
石油文明が始まってまだ2世紀のことであり，アメリカ，ロシア，
アジア，ヨーロッパ，アフリカなど固有の問題ではない。
そのとき独裁者が力をもち統制経済が始まるという人々，そ
れとは対照的に，理性により正しい道を選ぶことができるとい
う人もいる。しかし実際は，未来エネルギーの道標ははっきり
記されており，私たちは正しい方向を選べる，が真実である。
ここでは近い未来の人たちがどう対処すべきか，考えよう。
“近い未来のエネルギー”
はじめに
1. 未来エネルギーの予想
化石資源から再生可能エネルギーへ
*石油はいつまで使えるのか?
2. 人類活動のためエネルギー
風力，太陽光，水力，バイオマス
3. エネルギーの移動手段
水素自動車 vs，電気自動車，電気鉄道
4. 風力，太陽発電のリンク
5. 鉄とレアメタル等の消費量
結論
もし30年後 (いま 20歳 -> 50歳）に，
“化石燃料は，終わりが近づいている…”
資源寿命の試算
 化石資源の消費
資源は2020年に減少に転じ，2040年にかけて
石油などは急速に凋落
European Renewable Energy Council
 いまの予測では，“石油 40年，天然ガス 60年，
原子力 80年，石炭 150年，…..“
「資源エネルギー庁」（日本政府） 2008年予測 *)
*) 前後に２倍の誤差は生じる：
要因：新規開発 (+) – 新しい油田などを発見
浪費による枯渇 (--) – どんどん使おう !?
 石油，天然ガス，原子力エネルギー等が僅か…
飛行機は空を飛べない (石油の賜物だった)..…
外国の人とは仕事ができない，友達と逢えない.….
夜は長く，その道は暗くなる..…等々
 あなたの行動は？
だれかに相談して行動 or なにもしない
生き残るため戦争の準備（それで生き残るか ??）
正しい方法を考え賢しく生きる… 等々
 未来は，あなたが選ぶもの！
「未来エネルギーの予想」（第1部）へ続く
第1部未来エネルギーの予想
 新しい未来のエネルギー
石油，天然ガス等が僅か，であると…
×石油による電気，水素（地殻から来る）が使えない
×ガソリン，軽油，天然ガスの自動車，… が使えない
×飛行機，ロケットが使えない，化学工業は存在しない
だが，再生可能エネルギー：使えるものは十分に！
○ 風力，太陽光，水力による電気
風力，太陽光，…
○ Si（シリコン）の太陽セル
○ 電気自動車（風力，太陽光），水素自動車（太陽光）
○ 電気鉄道
○ 帆船
○ 自転車
△ 鉄鋼業（石炭…，水力，電気）
× 化学・薬品 <- これは節約（替えがない！）
 近未来のエネルギー
緑の縦線がいま（2016年）
“2020年ころから
石油，天然ガス
化石資源は減少に
転じ，2040年に半減”
全世界
いま第3位
いま第２位
“風力，太陽光は
水力，風力，太陽光
いま第１位
今後大きく成長
していくか？”
案）
出典：Renewable energy scenario to 2040, European Renewable
Energy Council, http://www.erec.org/ (有機薄膜太陽電池の科学，
図1.3，松尾豊より転載)
2020年(25PWh)を
ベースに，それを
維持できないか？
 化学工業：地球の賜物
「高分子（化学）」
石油により，あらゆる応用化学を可能にした
自然のゴム（枯渇） -> 合成ラバーの発明（World War-1で）
プラスチック，タイヤ，品質改良剤，バイオ，医薬品，…..
<- 石油の産物である !
しかし，石油の存在は生命線（20世紀からおなじ）
原料を温存すべき（燃やすのは NG） !!
「自然世界の高分子」（Grosberg & Khokholov著）
田中基彦，鴇田昌之監訳，吉岡書店 (2016)
 石油は，いつまで使えるのか？
○ 石油：寿命は延びる傾向
新しい油田（石油抽出法が進化して，
取り出せる技術），メタンハイドレート
× 化石燃料：地球温暖化が加速
産業革命以来，温暖化（11年周期で変動しつつ）
気候変動（寒暖が激しい）
暑い夏/寒い冬，ブロック現象
ハリケーン，豪雨，洪水 /or 寒波
温帯で，熱帯の伝染病，鳥類の病気
温度の上限を決める：今より +2 C以内に収める？
 原子力エネルギーの是非
資源寿命ウラニウム，約80年で尽きる…
核分裂炉：寿命40年？
事故（不注意 -Chernobyl，津波対策を無視 -福島）
次世代の転換炉（プルトニウム使用）は技術的に未知
- 炉心で，重水 -> ナトリウムが十分に扱えない
保存期間（冬眠） 5,000年（100世代の時間）以上
静かで安定な保存場所はどこか？
地下の岩塩鉱山（ヨーロッパ）
日本は，長期安全な保管場所はあるか？
<- 長い期間，地震，火山噴火によらない（原子力発電所に臨時に保管）
第２部人類活動のためのエネルギー
 未来の人類は，何によるのか？…
石油，天然ガスは希少資源になる
宇宙からエネルギーを伝送する !? – 資源量に見合う？
未来に，確実な主動力源は，
電気自動車－太陽光で太陽電池（蓄電がメイン）
風力・水力による電気・機械力の動力
電気鉄道
海外には：帆船（風力＋電気発電）日本-USAへ1週間？
飛行船
（石油，天然ガス，原子力がなくなっても OK）
 未来の自然エネルギー
主要エネルギーとして
１．風力発電 Wind factory
現在の予測は
シェア５割
風車は単価あたり設備費が安い。メガ風力発電所
１日24時間で運転可能
２．太陽電池 Solar power
シェア３割
潤沢な Si （シリコン）太陽発電，2400 H/年の稼働（太平洋側）
-> Ga-In-As, CdTe の太陽電池は活躍しているが，
21世紀終わりまで資源がもつか？（稀少資源に）
３．水力発電 Hydraulic power
シェア１割
小さい水力発電(KWからMW，p.9で下から２番目)，を活用
風力発電，太陽光，水力発電
12 MW (2MW*6)
風力発電機
せたな町,北海道
70,000 solar panels, generates 14 MW
of solar power, Nevada, United States
海上風力発電
京都大学など
（カーボンファイバ）
黒部川第4発電所、富山
小さな水力発電も多い
４．バイオマスの利用
バイオ燃料、バイオマス
残り１割
コーンから油脂 -> 自動車に使うメキシコ、南米で
落葉、糞尿、食品廃材を肥料にして使う
生物微生物 -> メタン、CO2 を発生する
バイオマス・ガス化発電
その他：
潮汐発電，地熱発電など
 日本では，太陽電池の設置が多い
その理由は？
エネルギー危機があった – 中東戦争（1970年台）
石油がない！
太陽電池の補助金を契機に，研究がブームになった
特徴
ハイテク：運転実績がある，節約の志向
設置場所が少ない —騒音が嫌い? （周りに対して）
しかし，太陽発電は足りるか？
-> 風力発電と対で発電する
<-第4部に
 木質バイオマス
日本の現況
間伐材は未利用
（山のなかが理由）
 いつ，石油から脱しきれるのか？
火力発電
現在まで，資源（地殻）で，輸入に頼る
天然ガス
-- 循環サイクルが回らない！
水素ガスプラント
原子力
約80年の資源寿命，その運転は安全か？
風力発電
陸上発電；海上発電スペースがとれる
太陽発電
シリコン太陽電池； III-V族は特殊（限定）？
水力発電
面積大きな水力発電；小さな水力発電
バイオマス利用
太陽光の水素発電（未来）には，良い触媒が必要！
化学工業には，原料が不可欠（原料を変える？）
 動力源として，水素は？
石油にかえて，水素へ
現在：石油の副産物として，水素を使う
<- ただし，無くなるまで約40年後か？
未来：太陽光を使って，水素を発生する
効率的な触媒が必要…
III-V族セミコンダクタ (IV族Siの両隣にある）は優秀，
しかし，約 1世紀で資源Ga etc.が尽きる？ -> 第５部に詳細
-> パラダイムシフト：固定の水素利用，電気自動車
ただし，×原油，天然ガス
-> ○ 風力，水力，太陽光で電気をえる
 貿易統計(2016年1‐3月，中部電力)
原油24,242円/kl，液化天然ガス46,038円/t，石炭8,135円/t;
平均燃料価格 26,200円/kl
第3部省エネルギーの移動手段
まずは自動車のPreviewをしよう
高分子・燃料電池
電気自動車
電気鉄道
 未来の自動車 A la carte
 エタノール(C2H5OH) 自動車
穀類を原料 — 食糧危機になった
現在，サトウキビや廃棄物を利用（中，南アメリカで）
-> 再生可能なサトウキビを使っている
パワーは？触媒（ミドリ虫など）は？
 PHV（Plug-in Hybrid Vehicle） <- トヨタが開発
ガソリン＋電気自動車，燃費を改良
電気は補助的（動きだし，バックアップ用）
-> ガソリンが消えると，PHVの存在は消滅する !
 水素自動車
<- ドイツ，日本など
液体水素で運搬して，使用する
-> 長距離1500kmが得意だが，給油場所が少ない
石油の副産物である水素（燃量，いずれ枯渇）
 高分子・燃料電池
高圧に圧縮して，運搬して利用
-> 稀少資源Dy を使う - ほとんど中国から輸入
水素は石油の副産物：枯渇！
将来は，電気分解（太陽光）で貯蔵，利用する？
 電気自動車
いまの石油依存，から脱却することが大切
 風力，水力，太陽発電により，電池に蓄電する
モーター -> 電磁誘導 -> 蓄電
 太陽電池で，そのときに発電
ただし，短時間での畜電量（運転中）はわずか
シリコン(Si) で十分か？触媒は？
- いまは火力，夜間電力（原子力）を
使用している
Honda ソーラーカー
飛行機に似ている？
 固体高分子・燃料電池
(PEFC)
水素で動く自動車
いまはガソリンと産出 <- 石油精製に
高炉で，いらない水素を燃やす代わりに…
TOYOTA FCV
cf. 固体酸化物(SOFC) － “エネファーム”，据え置き型
水素を使うと，
 ゼロ・エミッション
水ができる
１モル（2 g）： H2＋1/2 O2 = H2O ＋ 287 KJ
 航続距離が長い << EV（電気自動車）よりも長い
1000-1500 km
しかし，
 高圧タンクを使用
（気体のまま） 700気圧に圧縮して運搬
H2１モル：NTP（常温常圧）で 22.4L <- 大きすぎる！
-> 超圧縮は，液体水素（ロケットは使っている）
この3割のエネルギーは，最初から使えない！
燃焼エネルギー 287kJ > うち，81kJは圧縮エネルギー
<- この圧縮のために，石油・天然ガスなど
余分なエネルギーを使って？
 レアメタルを使用
固体高分子：高分子イオン交換膜に必要
Pt（白金）触媒層：各車で５０gは必要か？
-> 200トン/年で，残りは約１万トン（50年）に？
 「有限な資源」
地球（地殻）は起源のものだから
〔宇宙からは「大量」にはもって来れない！]
-> その後，FCVはどうなるか？
太陽光で水素発生：触媒（資源）に見合うか？
再び，エタノール自動車に復帰？
 ほかの水素の利用
太陽光：電気分解で水素を発生
１．H2O + 287 kJ = H2 + ½ O2 熱量を蓄える
試験管： H2O -> H2, O2 -> 電流
-> 太陽光の「水素プラント」に向いている
太陽電池
２．3層型・集光型太陽電池
宇宙では，実績ある半導体
レアメタル種を使用（Ga-In-As など）
-> いまの種類では，将来は限界に !?
 仕事： 2原子分子（1 mol）を，700気圧に圧縮
理想気体との違い（5/2*R）
5
W  nRTln(V2 /V1)
2
5
 1mol8.31J/Kmol297Kln700
2
8.08104J
80.8kJ
 Ptの産出量（2004，ｋｇ）
白金族元素
白金 78Pt，パラジウム 46Pd，イリジウム 77Ir
1 kgあたり5.2万ドル（2010）
•
•
•
•
•
南アフリカ共和国 160,013 (74.8 %)
ロシア 36,000 (16.8 %)
カナダ 7,000 (3.3 %)
ジンバブエ 4,438(2.1%)
アメリカ 4,040 (1.9%)
水素自動車は約200トン/年使用
-> 残りは，約１万トン/200= 約 50年に？
 電気自動車 Electric Vehicle
石油によらない「未来」の乗り物
日産，リーフ
現在の石油，原子力の電気は，過去の遺産：
未来は，電気を太陽光，風力（電磁誘導）で蓄電する
 簡単な機構
クラッチが不要 -> 静か，よいレスポンス
 効率がよい
試算：ガソリン車7%，燃料電池車15%，電気自動車27%
 停電のとき，緊急に使える
-> 蓄電で，もとに戻せる
 航続距離は中距離
テスラモデルS 90kWh，500km <- 高い！
日産リーフ 30kWh，280km
（走行距離 200km超は要注意に！）
 急速充電（10%->80%） 30分（日産）
EVの充填箇所日本：21,000か所（2016）
-> ガソリン車とは違う乗り物
燃費でなく，賢い乗り方を知るべき！
（自然の太陽光，太陽電池ではランコストが高い）
 車載用の電池
 リチウム・イオン電池
いまの方法 30 kWh – 100 kWh
 レドックスフロー電池
600 km/回 <- 500 L 液体タンクで！
将来性あるのか？
据え付け（装置）用には向いている
 電気鉄道
電車は，ごく普通の乗り物に
市内線，郊外線，長距離路線
メルボルン
高速鉄道は，多くの電気を消費
例：新幹線，TGV など（<- リニアではない！）
高い料金，コンセンサス(合意)が必要になる！
電気自動車：便利だが高くなる（?）
シェアリングで，必要なときに運転する（借りる）
君たちの町，の交通体系のシミュレーション…
第4部風力，太陽発電のリンク
自然のエネルギーを助け合って
 風力，太陽発電の長所/短所
 風力発電
1日24時間，運転できる (A)
一部だけ休止して，システムを交換できる
風がよわいと休止 <- 地域連携で風力確保する？
騒音の問題
 太陽発電
1日8-12時間程度で運転 (B)
夜は休止
昼間でも，曇り/雨は休止
熱い機器の問題
 (A)(B)の良いところを補って発電
その他に，長距離送電して利用
南北方向のエネルギーの輸送
比較的容易：山を越えるケーブルライン >1000km
実証がいる（中継地点，信頼性/バイパス，海峡…）
ときに，2国間の政治，治安問題も
東西方向のエネルギーの輸送
東(give)—西(take)間で，国どうしの力関係
大きな海：海底ケーブル <- 大容量の海底ケーブル
実証がいる
例）アメリカ（本土）－ハワイー日本，韓国，
一時（朝まで），開始を遅らす（どこかで蓄電）ことが必要
【考察】
 太陽発電は，人間の営みに近い（夜は休み，など）
南北方向において，エネルギー輸送に威力を発揮
-- 例）北アフリカ -> ヨーロッパ
 風力発電は，東西方向の「夜」にエネルギーを輸送
早朝・深夜で，かつ両近隣へエネルギー輸送に
理由：昼の送電は，同じ経度での消費で一杯か？
交流送電近場（設備が安い；送電ロス大きい） <- NG !
直流送電欧米 50万kV （電流遮断が難しい -> 設備がいる）
高温超電導 (－196 ℃以下に保つ)
システムを極端に冷却するので，Leak(漏れ)対策が重要
5. 残った問題：
鉄とレアメタル等の消費量
 鉄，レアメタル等の消費
青銅器，鉄器への発達は歴史が示す
ヨーロッパ、中東、インド、中国などは段階的
ヒッタイト: BC 15C
秦：青銅器，春秋時代：BC 8C 鉄器
日本：青銅器と鉄器が一緒に（AD 1C-7C 外から輸入）
戦争器具，農工具，いまは橋・建物・機械・自動車
 しかし，2050年までに，「資源が掘り尽くされる !?」
生活が向上，自由な消費行動が活性化
消費 Top 3：中国，インド，アメリカ（予想：全体の80％以上）
必要な元素で
埋蔵量の2倍以上必要： Mn, Zn, Pb, Cu, Ni, Sn, Sb, Ag, In, Au, Ga
埋蔵量の1～2倍必要： Fe, Al, Cr, Mo, W, Co, Li, Pt, Pd
(予想：2005-2050年に，日本NIMS）
現有の埋蔵量を各１（規格化），とした場合
既存採掘量
，2005年から2050年の累積需要
（出典：物質・材料研究機構 (NIMS））
 存在する「都市鉱山」（国内），を再開発すれば …
高品位，
廃棄物が多い，限りがある？
希土類：固体レーザ Y39, 磁石 Nd60，Dy66
電力価格等に依存する Ti, Al, Mg, Si
結論近未来のエネルギー
 近い未来のエネルギー（総括）
風力発電，太陽電池，水力，バイオマスを利用
石油，天然ガス，原子力，石炭，…は枯渇，かつ地球温暖化
近いところ：電気自動車（200km/day，乗り換え?）
動くよりも，電子ネットワークを活用すべき
自転車：ヨーロッパ（中北欧）は先進国！
遠いところ：
電気鉄道損失の少ない移動手段に
高速移動は損失になる
帆船（風力＋電気）
飛行船 <-容量は少ない
国内，外国に使える
 環境に良い（ように），バイオマスを工夫して使う
原料：燃料（木材チップ，木質ペレット）
木質バイオマスの発電所
-- 実績あり，活用方法を考えよう！
石油から，自然エネルギーへ
石油，天然ガス，原子力資源はいずれ枯渇する！
まだあるうちに，他の選択をしよう
未来のTop 3 のエネルギーは，
１．太陽電池により電気をえて，電池に蓄電
２．風力発電 -> 電磁誘導 -> 電気 -> 蓄電，の大きな道
そのほか，機械エネルギー，として使う方法もある
３．水力による発電と送電。
（調べる）電気は，今に比べどれくらい高くなる？
今：家に１台 -> 未来：必要なとき（シェアリング）１台として
オランダ：電気自動車以外は
10年で禁止 !? (2016)
Below-０ m island…
（多くが水面より低い国土）
The Netherlands is making moves to ban all non-electric vehicles by 2025 –
ScienceAlert http://www.sciencealert.com/the-netherlands-is-makingmoves-to-ban-all-non-electric-vehicles-by-2025
余談自然から学ぶ
現在の10割ではなく，5割より始める！
自然－春夏秋冬に違い，日照時間を有効に生かす
風力，太陽発電，水力，バイオマス
電気鉄道，電気自動車，帆船，化学工業（20世紀）
鉄鋼業（Fe? 石炭? 水力，電気），加工業（風力，水力，電気）
紙・窯業，コンピュータ（Au,Ag,Sn,Si; 電気）
農業・牧畜，近海魚業，槇，暖炉
書物（古書は宝物），散策，山歩き，花や動植物，…
吾
知口唯
足
山の夕昏はるか
Photo: M.Tanaka ，Tsurugi (Nagano)

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