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  3.11以後のエネルギー戦略3  05.22.2011




 3月4月とイベント・会議などがすべて流れて暇だったのだが、このところ、流れたものがほぼ同時に再開されて、かなり忙しくなってきた。

 土曜日も、名古屋でNACS(日本消費生活アドバイザー・コンサルタント協会)中部支所の大会があり、リスクの低減の原則と実践について、90分の講演を行って来た。


 V後藤新平をはじめて復興の議論を進めてきたものの、復興会議などをはじめとする動きは極めて遅い。やはり、合意形成が無限の時間が掛かる社会になってしまったのか。

 各地の復興のプランなども出てきたが、ほぼすべてが高台避難型。これでは漁民はやっていけない。農業従事者の安全性も確保できない。ここで提案してきた受け流し型住区の優位性がどうも評価されないのは、やはり発想が「突拍子も無い」ので「受け入れ難い」ということなのだろう。

 権威者を先につくって、その言い分を聞くことで自己の責任を逃れたい。自分では判断できないというメディア、地方官僚などが感染している症候群の一つである。

 個人的には、もう一度、津波対策で失敗を繰り返すと、その次には、このような街の設計になっていると思うのだ。何が合理的なのか、是非、自分で判断をしていただきたい。

 一方、原発事故がきっかけとなって、エネルギー政策については、多くの発言がなされるようになった。しかし、風力で原発を代替できるという話だけは、信じられない。


 まず、エネルギー政策の関わる議論の一例をご紹介した上で、これまでの続きを記述したい。

 5月18日の日経の経済教室の記事が、日本エネルギー経済研究所専務理事の十市 勉氏が執筆した「エネルギー政策再構築(上)震災機に供給安定を重視」であった。

 論旨は、エジプトやリビアの情勢を反映して石油先物価格が高い。そして、福島第一の情勢。この2つを考慮すると、「供給安定」を重視すべきである。

 十市氏の個人的な見解として、「世界と日本のエネルギー安全保障および地球温暖化防止の面からも、原子力発電の選択肢は必要」だと考えているとのこと。

 そして、21世紀は、「高品質の電気」をいかに安定的に供給できるかが、国家の存立を左右する重要課題となる、と述べている。

 個人的にやや引っかかるのは、「高品質の電気」という言葉である。供給安定は大賛成であるが、高品質というものが何を意味するのか、それが説明されていない。

 以下、6つの提案がなされている。

 第一に、どうやら「シェールガス革命」論者であるようだ。当面は天然ガス利用の拡大、そして、これは述べられていないのだが、原発の継続という主張のようである。

 第二に、日本エネルギー経済研究所は、どちらかと言えば、保守的な組織、敢えて言えば、旧体制維持的な発想をもつ組織ではあるが、風力、太陽光発電の大規模導入を再生可能エネルギー固定価格買取により進めるべきである、としている。

 30年の導入量として、太陽光発電を5300万kW、風力を1000万kWとし、総発電量に占める比率は、それぞれ6%、2%程度の合計8%と推定している。

 この量は割合を見るだけだと少ないように思えるかもしれないが、現状の電力網を維持したままであれば、必要となる蓄電池などへの投資のコストを考慮すれば、妥当なところだろう。

 しかし、2050年に二酸化炭素排出量の80%削減が求められ、原発が使えず、CCSもそれほど有効ではないとしたら、導入量はこんなものでは済まないかもしれない。

 十市氏の主張する「高品位電気」の意味は良く分からないが、恐らく、現在のようなサイズのグリッドを、現在のような基本的な原則で運用すると、合計8%の導入は最大値として良いところだから、現状の過剰とも言える品質を維持すると理解できる。

 過剰な品質と言うと、反対に、今でも瞬断といったトラブルが起きるのだから、さらに品位を高める必要があると主張する人も多いかもしれない。

 しかし、後述するように、品位というものを、「瞬断しない」、「停電しない」と読み替えるべきで、周波数が一定というものが高品位な電力ではない。

 さて、それはそれとして、1000万kWの風力は10GWであるので、イギリスで導入が計画されている32GWほどではないが、相当な量ではある。やはり、日本エネルギー経済研究所のスタンスも随分と変わったのかもしれない。

 2050年には、やはり洋上風力を充実させざるを得ないことを考えると、2030年でも、もう少々自然エネルギーを、と言いたいところではあるが、これがギリギリというところなのだろう。

 第三に、分散型エネルギーとしてのガスや石油のコジェネなどを推進すべきだという主張になっている。これは、本HPでの主張と一致している。電力業は必ずしも賛成ではないはずなので、その真意を知りたいところである。

 第四が、50Hz、60Hz問題であって、周波数を全国で統一する必要はなく、技術的、経済的、社会的な利害損失を考えると、現在の3箇所の変換所(それぞれ100万kW級)を大幅に増やすことを提案している。これに対する本HPの見解を後述する。

 第五が、省エネ基準の規制強化と同時に、税制や財政面での支援策の必要性。ほぼ同意できるが、これも若干見解を述べる。

 第六が、エネルギーコストの高止まりが予測されるが、これが製造業の海外移転を過度に加速することがないような対策が必要。本HPも95%程度同意。
 しかしながらも、日本がいつまで製造業の国家としての立場で行くのか。未来永劫なのか。実際、それが可能なのか、若干の疑問が無い訳ではない。


 さて、これからが本論で、もう少々先を見据えた議論をしてみたい。

 とりあえず、前回の続きからスタートしたい。

5)直流送電網への転換

 十市氏の見解には出てこない。恐らく、現在のグリッドのサイズを維持することが前提のように見える。2050年には、地球温暖化の影響がより深刻になっていないとも限らない。となると、2007年以来、日本が公約してきた80%削減を現実のものにできるような準備をしておくことが必要になるかもしれない。

 原発がもしも禁じ手になってしまえば、残るはCCSと自然エネルギー、さらには極端な省エネを手段として、80%削減を目指すことになる。

 CCSが有効なのは、やはり石炭発電止まりなので、自然エネルギーに相当量を依存せざるを得ない。不安定な風力・太陽光発電を導入しつつ、巨大グリッドを維持することはかなり困難になるので、まったく別の考え方を導入すべきである。

 その具体案が、幹線を直流にすることである。大規模な発電所からの電力は、直流にして幹線に入れる。そして、直流幹線の先に、最終配電網を繋ぐが、そのとき現在使用中の周波数に変換する。

 そのサイズは、現在の単一巨大電力網の1/10〜1/20程度を想定する。

 このようなシステムなら、配電の周波数は自由自在なので、それが50Hzでも60Hzでも、場合によっては、55Hzでも可能である。

 もしも直流幹線に繋がった風力発電の電力が不足すれば、最終配電網に入る電力も不足するので、最終配電の電圧は下がる。勿論、他の発電機からの出力を上げて制御をするのだが、フラツキに完全に追従することは難しい。すなわち、電圧という点からみれば、電気は低品位になる。

 しかし、給電が止まることは無いので、停電はしない。なぜなら、モーターなら若干出力が下がって、結果的に消費電力も下がる。それ以外の機器であれば、電源電圧が下がれば、それによって、消費電力を下げるような設計にしておけばよい。

 交流幹線でもこのような形式のものができそうに思えるが、実は、結構難しい。それは、交流発電機の位相が狂うからである。

 例えば、火力発電所のタービンによって発電機を回しているとする。大規模風力からの出力が突然少なくなったとすると、発電機に繋がっている負荷が大きくなって、発電機は回りにくくなる。すると、回転速度が下がる。ということは、周波数も比例して下がる。その結果、ある発電機が50Hzの電気を出し続けたものの、別のところにある発電機が49Hzの電気を出したとする。この2つの電気をそのまま混ぜると、約0.25秒後には、位相が180度狂うので、電圧がゼロになってしまう。

 この状況は、次の図によって理解できる。


図 50Hzと49Hzの波形 当然のことだけど、徐々に位相がずれてくる。


図 周波数がずれた交流をそのまま重ねるとどうなるか。約0.25秒に電圧がゼロになる。いわゆる瞬断が起きる。

 幹線を直流にすれば、このような状態は起きないが、電圧は上下する。これは、需要側が個別に対応すれば良いことである。むしろ、品質によって電力価格を決めれば良い。

 お薦めは後ほどご紹介する次世代燃料電池である。これを使うことによって、電圧のふらつきも多少なりとも改善できるし、万一、それでも停電してしまったら、燃料電池の発電量の範囲内で、例えば、800Wの範囲内での電気は利用できる。


6)蓄電技術の現状と将来: 二次電池(リチウム、NaS)、電解水素+燃料電池、フライホイール、超電導コイル、揚水発電

 風力発電を大量導入できるか。勿論、量による。極論だが、100%風力でやれと言われても難しいと言うと、それなら二次電池を使えば良い、と言われる。しかし、電池の最大の問題点は、恐ろしく高価なことである。

 1000kWhといったちょっと大容量の電池になると、すぐ億円の単位になる。

 家庭用の蓄電装置が今後販売されるようだが、1日分として10kWhの電力を貯めようとしたら、電池だけで100万円。それにコントローラ。コントローラは、プリウス用程度の販売数になれば、10万円台かもしれないが、少数販売だと、やはり50万円か。一式、200万近くなるか。

 一方、電気自動車は、補助金もあって、むしろ割安である。

 電池を量産すれば良いではないか。しかし、電池については、すでにスケールメリットが無い状態に近い。

 もっとも普通のリチウム電池である18650タイプは、もともとパソコンなど用で、これをテスラモーターが自動車用に使って話題になったが、すでに年間xx億本(xx=20?)製造されている。銅箔、アルミ箔、電極用炭素粉末、リチウムとレアメタルの化合物などで、これらはもともと高価である。加工代などは知れているので、それほど下がらないのではないか。というよりも、すでに、この汎用電池のメーカー間での取引価格は、1本300円程ではないか、と言われている。アマゾンで買うと、1本800円以上だが。

 3.7V×2.5Ah=9.25Whなので、300円とすると、33円/Wh=3.3万円/kWh。しかし、安全に充電できるようなコントローラが必要なので、もしも2倍になるのならば、6.6万円/kWh。せめて、5万円/kWhぐらいにはしたい。

 しかし、問題は寿命だろう。18650の充電回数は1000回と言われており、電気自動車だと2〜3日に1回程度の充電は必要になるかもしれない。となると2〜3000日。もう少々欲しい。

 もしも、電力網用の充電池に使うのであれば、さらにさらに寿命が欲しい。

 NAS電池は、電力網用としては、寿命と容量のバランスが良いシステムである。しかし、日本ガイシが唯一のメーカーなので、普及しない。日本という国は妙な国である。技術が分かるとも思えない、中東の石油産出国は、太陽電池を主力にするために、NAS電池の大量導入を目指している。

 水素と燃料電池で蓄電ができるではないか。その通りである。
 しかし、水素はダメ。それはなぜか。

(1)事実その1:「水素は軽い(体積がでかい)」

 水素は、重さあたりのエネルギー発生量で比較すると、ガソリン100としたときに、260ぐらいの実力がある。2.6倍だから、これはすごい値。

 ところが、体積あたりのエネルギー発生量にすると、液体水素の場合で、ガソリンの0.22倍ぐらい。

 液体水素は、零下253度で蒸発を始める。この温度を保温するのは無理なので、どうしても徐々に気化する。高圧に耐えるタンクであれば、内圧が高くなるが、しばらくはOK。そのうち、タンクが破裂する可能性があるので、液体水素を貯蔵するときには、少しずつリークして圧力を下げている。

 したがって、液体水素を車に搭載するのは、無理がある。駐車場で水素をリークするのは、場所がデパートの地下などといったケースがありうるので、まずい。

 最初から高圧タンクに貯蔵するとすれば、圧力にもよるけど、体積あたりのエネルギーが液体水素の場合よりもさらに半分になる。

 ガソリンタンクが50Lの車を、もしも水素エンジン車にして同じ航続距離を持たせようとしたら、500Lの高圧タンクを積む必要があるが、これはかなり無理がある。

 水素を搭載する車は、燃料電池だからもっと航続距離が稼げるはず、という反論は十分にあり得る。

 燃料電池車の効率は、Tank to Wheelで、ハイブリッド車並には行く。普通のガソリン車の2倍だと考えれば、250Lの水素タンク(トランクの大部分と同じ体積)でなんとか、通常のガソリン50L満タン相当走れるとも言えそうだが、実際には、それほど燃費が良くないらしい。

 それに、事故対策を考えると、このタンクをかなり強度の高いものにしなければならない。米国の状況を考えると、銃弾にも耐える必要があって、コストが高い。その値段は、車1台分だとも言われている。

 要するに、移動体用のエネルギーとしては、「水素は軽すぎる」のが最大の弱点。


(2)事実その2:「水素は作らなければならない」

 水素は化石燃料ではないので、何かから作らなければならない。もっとも簡単なのは、天然ガスのメタンから作る。

 CH+1/2O→2H+CO

 水素燃料電池だと、COが白金触媒の作用を止める(被毒と言う)ので、機能しなくなる。そのため、水素から極限までCOを取り除く必要がある。これが大変。コストが高くなるだけでなく、そのためのエネルギーが必要ということになる。

 次世代の固体電解質型の燃料電池SOFCができれば、メタンを直接、もしくは、水素と一酸化炭素の混合物を燃やすことができる。現行の固体高分子型は中途半端である。

 ただし、この電池は、常時800度で運転を続ける必要があるので、それなりのシステムを構築しなければならない。

 もしも、風力発電などで、余った電気があれば、水を電気分解して水素を作るという方法論はあり得る。最近、電解技術も膜を使うものなどが進化したため、結構効率的にも高いようだ。

 ただし、電気をそのまま蓄電して電気自動車などに使うことができれば、その方が当然賢い使い方になる。

 水素をエネルギー貯蔵手段として使うのは、極めて大量の太陽光発電や風力発電のようなフラつく電源を、オフラインで使うが、充電すべき電気自動車もない、といった特殊な状況下で、なにかメリットがでるような場合に限られる。

 結局、2004年頃言われていた水素エコノミーは、最初からウソだった。本HPでかなり否定しつづけたのだけど、結局、日経新聞あたりの記者でも理解してくれなかった。

 そして、最後にその他の電力貯蔵法

 実は、1970年代に、様々な電力貯蔵法が検討された。例えば、超電導マグネット、フライホイール、などなどである。ところが、結局、揚水発電にコストと規模の両面で敵わなかった。


7)揚水発電の利用について

 水力発電はそれほど大型ではない。黒四としてしられる黒部発電所(揚水ではない)ですら、出力は33.5万kWでしかない。原発の1/4台分である。それでも有用なのである。

 揚水発電が大量の電力を貯蔵するには、いまだに最善の方法である。電力貯蔵効率は70%と言われているが、もしこれが事実なら驚異的な値である。

 揚水発電所の発電能力はかなり大きい。黒四が33.5万kWなのに、揚水発電所は、100万kW級の出力を持つ。そのかわり、この出力を出し続けるには溜め込んでいる水が足らない。数時間で、上池の水がゼロになる。

 揚水発電所は、ピーク電力に対応するために使われている。日本では、昼休みに照明用の電力を減らす習慣があるので、そこだけディップになって、ピーク電力の形が非常に複雑である。

 このように複雑な需要に対応するためには、水力発電は最適である。所定出力になるまでの所要時間が5分間程度だからである。

 予想される昼休みの電力ディップの5分前から発電機を回し始めて、5分間で所定の50Hzぴったりに合わせて、エイとスイッチを入れて電力網につなぐ。

 揚水発電は、深夜の電力を使って、水を下池から上池に水を汲み上げる。深夜電力の正体は、原発なので、もしも原発が無くなれば汲み上げる電力を石炭発電かなにかにしなければならない。

 電力幹線が直流になって、周波数をぴったりと合わせるといった名人芸が不必要になれば、深夜に回り続ける風力発電を使って水を汲み上げるという方法が可能になる。

 このように、電力を供給するには、需給の予見ができることが極めて重要である。

 風力発電よりは、太陽光発電の方が予見しやすい。もしも、大量の太陽光発電が導入されたとして、個々の太陽電池の発電量が電力会社の中央制御室で監視できたとすれば、雲の流れがその発電量の推移によって極めて詳細に分かることになる。ある雲がある方向に流れていることが分かれば、次に発電の邪魔をするであろう場所に設置された太陽光発電装置の出力の予測が可能である。もっとも、雲は、流れるだけでなく、生まれたり消えたりするので、完全な予測は勿論無理である。

 ということで、風力発電が作る電力は、太陽電池の電力に比べても厄介な電力である。それが、十市氏の導入量にも見られる。すなわち、30年の導入量として、太陽光発電を5300万kW、風力を1000万kWとされている。出力比は5:1であるが、発電量としては、5:2程度になるであろう。

 ところで、フランスの原発は、出力調整をやっている。日本の原発も勿論可能な設計にはなっているのだが、地元との合意に基づいて、出力調整をやらないことになっている。

 前回、フランスからの電力の輸出入の図を示したところ、あの輸出入とピーク電力とは無関係だというメールをもらった。しかし、太陽光発電の電力を、南フランスなどでのエアコン用の電力に使えば、大変好都合であることは事実なので、スペインあたりから輸入することは、価格的な要素以外にも、なんらかの意味がありそうに思える。

 そして、揚水発電を自宅に設置すれば、停電になったときの電力の供給が可能なのではないか、というご意見がFacebookで出された。

 なかなか面白いのでちょっと計算してみることにした。題して、「家庭用揚水発電」

 発電量は、水の持っているポテンシャルエネルギー×0.8で計算することにする。有効高度差10mとすれば、3階建ての屋上に設置した1トンの水を10mの落差で落として、地上に設置した発電機を回す設備を作ったとして、発電量としては、22Whになる。100VACに変換できれば、20W級蛍光灯1本を1時間点灯できる。

 自動車用の鉛蓄電池が12V40Ahぐらいなので、480Whであり、我々でも1本800円で買えるリチウム電池18650が1本でも9Wh余もあることを考えると、1トン程度のタンク容量では、リチウム電池2本分ちょっとの電気量しか出ないので、「家庭用揚水発電」に現実性はない。

 もし大きくすれば、10×10×10mのタンクには1000トンの水が入るし、高層マンションの屋上に設置して、免震構造用のバラストも兼ねるということであれば、落差も10倍ぐらいは取れるので、発電量は1万倍になる。220kWhという発電量があれば、非常用電源として、実用上も可能性が無いとは言えないのかもしれない。



今回はここまで。残りは、
8)燃料電池の現状と未来
9)50Hz・60Hz問題
10)100V・200V問題
11)これらを解決?スマートグリッド
12)ガス供給網の有効活用
13)究極の分散型電源=オフライン利用
14)設備製造まで考慮したLCA的、EPR的な思考

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(b)省エネでどこまで行けるのか
民生部門
15)我慢大会型省エネ
16)仙人型・自然人型省エネ
17)新こたつ文明・スーパーこたつ文明

産業部門(CO2削減を含む)
18)コジェネ発電の売電
19)CCS付加型セメント製造
20)製鉄での水素利用とCCS

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(c)既得権益などの社会的情勢
21)漁業権による海洋利用の制限
22)水利権による河川水利用の制限
23)送電業・発電業分離の議論
24)山林土地所有とバイオマス
25)環境影響の評価
−1:低周波騒音、バードストライク
−2:地熱発電の排水
−3:国立公園の景観
−4:地中熱用の井水利用制限