気候変動・エネルギー

太陽光発電はどのくらい持続可能か?
How Sustainable is PV solar power?

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www.lowtechmagazine.com/2015/04/how-sustainable-is-pv-solar-power.html

太陽光発電の持続可能性一般に、太陽光発電は数年後には発電量と同じだけのエネルギーを生み出し、その結果、従来の系統電力と比較して温室効果ガスの排出量が非常に少なくなると考えられている。

しかし、より批判的に分析すると、業界の累積エネルギーとCO2の収支はマイナスであり、太陽光発電はエネルギー使用量と温室効果ガス排出量を減らすのではなく、実際には増やしていることになる。

問題は、私たちがソーラーパネルを使用する場所と生産する場所を間違えていることだ。製造場所と設置場所の両方を慎重に選ぶことで、太陽光発電の可能性は大きく広がるはずである。


最近、太陽光発電については良いニュースばかりだ。2008年以降、PVパネルの世界平均価格は75%以上急落しており、この傾向は今後数年間、低率ではあるが続くと予想されている[1-2]。投資銀行であるドイツ銀行による2015年の太陽光発電の見通しによると 2017年末までに世界市場の最大80%で太陽光発電システムがグリッドパリティとなり、太陽光発電の電気はグリッドからの電気と比較して費用対効果が高くなることを意味する[1-2]。[3-4]

コストの低下は、太陽光発電の設置数の増加に拍車をかけている。Renewables 2014 Global Status Report』によると 2013年には39ギガワット(GW)以上の太陽光発電容量が追加され 2013年末の世界の総容量(ピーク時)は139GWと記録されている。これは世界の電力需要の1%を発電するのにも十分ではないが、その伸びは目覚ましいものがある。現在稼働している太陽光発電容量のほぼ半分が、過去2年間(2012~2013)に追加されたものである[5]。[5] 2014年には推定45GWが追加され、合計184GWになった。[6] [4].

Solar PV total global capacitySolar PV total global capacity, 2004-2013. 出典: Renewables 2014 Global Status Report.

一方、太陽電池のエネルギー効率は向上しており、その製造技術も同様である。例えば、最もエネルギー集約的な要素である太陽電池のポリケイ素含有量は、1ワットピークあたり5.5~6.0グラム(g/wp)まで下がっており、この数字は2017年にはさらに4.5~5.0g/wpに減少すると予想されている[2]。[2] この2つの傾向は、太陽光発電システムの持続可能性にプラスの影響を与える。ソーラーパネルの生産から廃棄までの環境影響を測定する最新のライフサイクル分析によると、温室効果ガスの排出量は、10年前の40~50グラムのCO2換算量から、発電量1キロワット時あたり約30グラム(gCO2e/kWh)にまで減少している[7-11][12]。[7-11] [12]

この数字によると、太陽光発電システムで発電した電気は、天然ガスプラントで発電した電気(450 gCO2e/kWh)よりも15倍、石炭プラントで発電した電気(+1000 gCO2e/kWh)よりも少なくとも30倍も炭素集約度が低くなっていることになる。太陽光発電システムのエネルギーペイバックタイム(EPBT)は、1年から2年が最も多く引用されている。1970年代からある太陽光発電が、いよいよ化石燃料の役割を引き継ぐ準備が整ったようだ。

製造拠点は中国へ

しかし、太陽光発電産業の現状を俯瞰してみると、残念ながら全く異なることがわかる。多くの人は、太陽光発電のコストが下がったのは、より効率的な製造工程と規模の経済によるものだとしている。しかし、下のグラフを見ると 2009年以降、コストの下落が急激に加速していることがわかる。この加速度は、製造プロセスの効率化や技術的なブレークスルーとは関係がない。むしろ、労働力やエネルギーが安く、環境規制の緩やかなアジア諸国に、太陽光発電の製造業のほとんどを移した結果なのである。

10年足らず前、ソーラーパネルのほとんどはヨーロッパ、日本、米国で生産されていた。2013年には、アジアが世界の生産量の87%を占め(2012年の85%から上昇)そのうち中国が67%を生産している(2012年は62%)。ヨーロッパのシェアは下がり続け 2013年には9%(2012年は11%)日本のシェアは5%にとどまり、アメリカのシェアは2.6%にとどまった。[5]

ケイ素系太陽電池の価格 wikipedia

欧州、日本、米国と比較して、中国の電力網は約2倍の炭素集約型であり、エネルギー効率は約50%低い。[13-15] 太陽電池の製造は、電力の使用に大きく依存しているため(95%以上)[16]、これは、低価格化と効率化にもかかわらず、太陽電池の生産がよりエネルギー集約的になり、エネルギー回収期間が長く、温室効果ガス排出量が増加していることを意味する。このような製造の地理的な変化により、太陽光発電パネルのライフサイクル分析は、欧州や米国での国内製造のシナリオに基づいているため、ほとんどすべて時代遅れになっている。

中国製太陽電池のLCA

中国での太陽光発電パネルの製造について調査した研究は1件しか見つからなかったが、それはごく最近のものである。2014年、研究者チームは、プロセスや材料の現地在庫データを活用し、地理的多様性を考慮した国内製造シナリオと海外製造シナリオの比較ライフサイクル分析を実施した。[13] 国内製造シナリオでは、ケイ素PVモジュール(効率14%のモノSi、効率13.2%のマルチSi)をスペインで製造・設置する。海外生産シナリオでは、パネルは中国で生産し、スペインに設置する。

中国製ソーラーパネルでは、カーボンフットプリントとエネルギーペイバックタイムがほぼ2倍となる。

国内生産シナリオと比較して、海外生産シナリオではカーボンフットプリントとエネルギーペイバックタイムが約2倍となる。欧州の平均よりもクリーンな送電網を持つスペインで製造したモジュールのカーボンフットプリントは、mono-Siとmulti-Siでそれぞれ37.3gCO2e/kWhと31.8gCO2e/kWh、エネルギーペイバックタイムは1.9年と1.6年となっている。一方、中国製モジュールでは、モノシリックとマルチシリックでそれぞれ 72.2 と 69.2 gCO2e/kWh であり、エネルギーペイバックタイムは 2.4 と 2.3 年である[13]。[13]

中国とヨーロッパで生産された太陽電池のカーボンフットプリント

製造場所と同じくらい重要なのが、設置場所である。中国での生産を含むほぼすべてのLCAは、南ヨーロッパとアメリカ南西部の典型的な日射量である1,700 kWh/m2/yrを想定している。中国製の太陽電池をドイツで設置した場合、二酸化炭素排出量は単相・複相ともに約120gCO2e/kWhとなり、天然ガスの15倍ではなく、3.75倍しか二酸化炭素排出量が少なくならないことになる。

2014年末時点で、ドイツの太陽光発電の導入量は南欧諸国の合計よりも多く、米国全体の2倍であることを考えると、この数字は最悪のシナリオとは言えない。これは 2009年から2014年の間に設置されたほとんどの太陽光発電システムの炭素強度を反映している。より批判的な研究者たちは、すでにこの結果を予想していた。2010年の研究では、上記の50gCO2e/kWhという2008年のコンセンサス数字に言及し、「日当たりの悪い場所や炭素集約型の経済圏では、これらの排出量は最大で2~4倍にもなる」と付け加えている[17]。[17] 太陽電池と製造効率の向上を反映した30gCO2e/kWhという最近の数字を出発点とすると、60-120gCO2e/kWhとなり、これは2014年の研究の数字ときれいに一致することになる。

欧州の日射量

北米の日射量

ヨーロッパとアメリカの太陽熱日射量 出典は SolarGIS。

この結果には、中国からヨーロッパへのソーラーパネルの輸送に必要なエネルギーは含まれていない。国内生産を前提とした太陽電池のLCAでは、輸送は無視されるのが普通であり、これでは比較が困難である。さらに、輸送に必要なエネルギーは非常にケースバイケースである。また、これらの結果は、太陽光発電の寿命を30年と想定している点にも留意する必要がある。中国への生産移転は、太陽光発電パネルの品質低下と関連しているため、これは楽観的すぎるかもしれない[18]。[18] 近年、不良品や性能の低い太陽電池の割合が大幅に増加していることが調査で明らかになっており、これが平均的な太陽電池の寿命にマイナスの影響を与え、持続可能性を低下させる可能性がある。

エネルギーのカニバリズム

太陽電池を中国で製造し、日射量の少ない国に設置した場合でも、太陽光発電による電力は従来の系統電力よりも炭素集約度が低い。これは、太陽光発電がどこで生産され、設置されたとしても、良い選択であることを示唆しているように見える。しかし、産業の成長を考慮すると、エネルギーと炭素の収支はすぐにマイナスに転じてしまう。高い成長率では、太陽光発電システムの累積設置容量によるエネルギーとCO2の節約は、新しい設置容量の生産によるエネルギー使用とCO2排出によって相殺される可能性があるからだ。[16] [19-20]

高い成長率では、太陽光発電システムの累積設置容量によるエネルギーとCO2の節約は、新しい設置容量の生産によるエネルギー使用とCO2排出によって打ち消される可能性がある。

太陽光発電の成長率を考慮したライフサイクル分析は、個々の太陽光発電システムのみを対象とした「静的」LCAとは異なり、「動的」ライフサイクル分析と呼ばれる。動的ライフサイクル分析の結果を決定する2つの要因は、一方では成長率、他方では太陽光発電システムの体積エネルギーと炭素である。成長率や体積エネルギー、炭素が増加すると、新たに設置された設備の生産によって節約されたエネルギーやCO2の「侵食」または「カニバリゼーション」が発生する。[16]

太陽光発電システムの導入が温室効果ガスの削減を維持したまま成長するためには、CO2回収時間の逆数よりも遅い速度で成長する必要がある[19]。例えば、太陽光発電システムの平均エネルギーとCO2回収期間が4年で、産業が25%の割合で成長する場合、正味のエネルギーは生産されず、温室効果ガス排出も相殺されない[19]。[成長率が25%より高ければ、太陽光発電システムの集合体は、実際にCO2とエネルギーの純吸収源となる。このシナリオでは、産業が急速に拡大し、太陽光発電システムによって防止されたエネルギー節約とGHG排出が、次の波の太陽光発電システムを製造するために否定されることになる。[20]

太陽光発電のCO2バランス

いくつかの研究では、再生可能エネルギー技術の動的ライフサイクル分析が行われている。その結果は、1998年から2008年までの期間について有効であり、太陽光発電の炭素削減効果に期待していた人々にとっては、非常に厳しいものであった。2009 年の論文では、世界の太陽光発電設備の地理的分布を考慮し、持続可能な年平均成長率の上限を 23% としているが、1998 年から 2008 年までの太陽光発電の実際の年平均成長率は 40% であった。[16] [21]

これは、1998年から2008年の間、太陽光発電の純CO2収支がマイナスであったことを意味する。太陽光発電は持続可能であるには急成長しすぎ、ソーラーパネルの集合体は実際にGHG排出量とエネルギー使用量を増加させたのである。論文によると、その10年間の太陽光発電産業の純CO2排出量は80万トンを占めた[16]。これらの数字は、よりクリーンな送電網とより良い製造プロセスの結果として、太陽光発電パネルの生産が時間とともにエネルギー効率と炭素集約度をより低くするという事実を考慮に入れている[16]。

2009年から2014年にかけて、太陽光発電は持続可能な成長を遂げるには4倍の速度で成長した

太陽光発電の持続可能性は 2008年以降、さらに悪化している。一方では、業界の成長率が加速した。1998年から2008年の年間成長率が40%であったのに対し 2008年から2014年の間に太陽光発電は年平均59%成長した 。[5] その一方で、製造はより炭素集約的になっている。前述の研究では 2008年のCO2収支の計算において、世界の生産の炭素集約度を500 gCO2e/kWhとみなしている。これが2013年には、生産の87%をアジアで占めるようになり、約950gCO2e/kWhに上昇し、最大持続可能成長率は約12%に半減している。

また、太陽電池の地理的分布の変化も考慮すると、日射量の多い地域に設置される割合が増え、最大持続可能成長率は約16%に上昇する[23-24]。[23-24] より新しい研究はないが 2009年から2014年の間に、太陽光発電産業のCO2排出量がさらに増加していることは明らかである。もし、世界中のすべての太陽光発電パネルを1つの大きなエネルギー生成プラントとみなすなら、それは正味のエネルギーもCO2節約も生み出さなかったことになる。

解決策 太陽光発電の製造と利用を見直す

もちろん、太陽光発電産業の成長を抑制することで、太陽光発電のCO2収支を改善することはできるが、それは望ましくない。太陽光発電を重要なものにしたいのであれば、早く成長させなければならない。したがって、太陽光発電システムの体積エネルギーを低減することに注力する方がはるかに面白く、その結果、持続可能な成長率は自動的に高くなる。エネルギーとCO2の投資回収期間が短ければ短いほど、CO2の純生産者になることなく、より速く成長することができる。

太陽光発電の成長率に応じた年間CO2排出量

生産国と設置国の組み合わせで成長率を変えた場合の、結晶ケイ素系太陽光発電産業の年間CO2純増加量。出典 Briner 2009.

太陽電池の効率向上や製造技術の効率化などの技術進歩、また、まだ実現されていない太陽電池パネルのリサイクルなどにより、体積エネルギーとCO2は徐々に減少していくだろう。しかし、最も重要なのは、ソーラーパネルがどこで製造され、どこに設置されるかということだ。ライフサイクル分析では、生産に使われる電力の炭素強度,設置場所での電力ミックスの炭素強度,設置場所での日射量という3つのパラメータが場所に依存するため、生産と設置の場所は決定的な要因になる[16]。[16]

生産と設置の場所を注意深く選ぶことで、太陽光発電の持続可能性を目を見張るほど向上させることができる。フランス、ノルウェー、カナダ、ベルギーといった低炭素エネルギーグリッドの国で生産された太陽光発電モジュールを、中国、インド、中東、オーストラリアといった日射量が多く炭素集約型のグリッドで設置した場合、温室効果ガスの排出量は6-9 gCO2/kWhと低く抑えることができる[16]。16] [20] [14-15] これは、中国で製造され、ドイツに設置された太陽電池と比較して、1kWhあたり13〜20倍のCO2削減量である[25]。[25]

低炭素エネルギーグリッドを持つ国でPVモジュールを生産し、日射量が多く炭素集約型のグリッドを持つ国に設置した場合、300-460%の持続可能な成長率が可能である

これによって、必要さえもはるかに上回る、最大300-460%の持続可能な成長率が可能になる。仮に太陽光発電が年平均100%の割合で成長するとしたら、現在の電力需要を満たすのに10年もかからない。もし、私たちが計算した最大16%の持続可能な成長率で成長すると、今日の電力需要を満たすには2045年までかかり、CO2の純削減は見込めない。そのころには、世界の総電力需要は2倍以上になっていることが予測されている。[26]

もちろん、ソーラーパネルを生産し、適切な場所に設置するためには、国際的な協力と健全な経済システムが必要だが、そのようなものは存在しない。また、ヨーロッパやアメリカでソーラーパネルを製造すれば、再び高価になるし、ソーラーに適した条件を備えた多くの国では、ソーラーパネルを大量に設置する資金がないのである。

中国製太陽光発電のCO2削減ポテンシャル

中国で生産され、各国で設置された結晶ケイ素太陽電池モジュールのCO2削減ポテンシャル。出典 Briner 2009.

代替案としては、自然エネルギーによる自家発電を利用して、PV製造施設の電力需要のより大きな割合を満たすことだ–これは、炭素集約型の送電網を持つ国でも可能である。例えば、太陽電池の製造に必要な電力を他の太陽電池で賄えば、太陽光発電システムの温室効果ガス排出量を、生産地(ヨーロッパやアメリカ)によって50〜70%削減することができる[7]。中国では、このCO2排出量の減少はさらに大きくなるだろう。

さらに別のシナリオとして、原子力発電所太陽電池の製造に特化させることも考えられる。原子力は太陽光発電よりも炭素集約度が低いため、エネルギー使用量や温室効果ガス排出量を増やさずに大量の太陽電池を生産し始めるには、これが最も早く、安く、簡単な方法のように思われる。しかし、この先の課題を甘く見てはいけない。1GWの原子力発電所で年間約1100万平方メートルの太陽電池を生産することができるが、これは166万kWpの太陽光発電に相当する(よく引用される平均値150w/m2を基準とした場合)。2013年に製造された太陽光パネルを生産するためには、24基の原子力発電所、つまり世界中の原子力発電所の20基のうち1基がフルタイムで稼働する必要があった。[27]

貯蔵についてはどうだろうか?

太陽光発電の生産には、なぜこれほど多くのエネルギーが必要なのだろうか。それは、化石燃料に比べて数桁低い出力密度と、太陽光発電の断続性が、化石燃料よりもはるかに大規模なエネルギーインフラを必要とするからである。ただし、この分析では、太陽光発電の間欠性は考慮されていない。太陽光発電は常に利用できるとは限らないので、バックアップ電源や、必要なときに利用できる蓄電システムが必要になるのである。この要素は、太陽光発電の持続可能性に大きな影響を与えるにもかかわらず、通常、太陽光発電のLCAでは考慮されていない。

E3DC_A_S10_seitlich_weissいくつかのメーカー(特にテスラ)は、系統連系太陽光発電システムの代替品としてリチウムイオン電池の蓄電を推進しているため、蓄電はもはや学術的な問題ではなくなっている。リチウムイオン電池は、オフグリッドソーラーシステムで一般的に使われている鉛蓄電池よりもコンパクトで、技術的にも優れている。さらに、多くの国でグリッド接続型太陽光発電システムの導入が抑制されているため、オフグリッドシステムがより魅力的になっている。

次回は、リチウムイオン電池を搭載した太陽光発電システムの持続可能性について調査する。それでは、期待してほしい。

Kris De Decker(編集:Aaron Vansintjan)

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