再生可能エネルギーは、化石燃料に代わる自然で環境に優しいエネルギーであると考えられています。しかし、風や太陽などを利用することで、私たちは地球の自然エネルギーの流れにも介入します。研究者たちは現在、惑星の負荷制限を超える前に地球システムからどのくらいのエネルギーを「排出」できるかを計算しました。彼らはまた、この点においてどの形式の再生可能エネルギーが最も効果的であるかを決定しました。
人類は、地球が持続的に供給できる以上の資源を消費しています。さらに、人類は毎年何百万トンものプラスチックを生産し、最終的には廃棄物として環境中に排出されます。その結果、私たちはすでに生態系、気候、生物多様性の大部分を危険にさらしています。地球への負担を軽減するために、持続可能な循環経済の概念を求める研究者が増えています。材料は廃棄物として失われないように、できるだけ長く使用、加工、再利用する必要があります。真に持続可能な社会では、物質の流れだけでなく、エネルギーの流れも、私たちの故郷である地球が設定した制限内にとどまらなければなりません。
人類はどれだけのエネルギーを「利用」できるのでしょうか?
したがって、中心的な疑問は、地球の境界を越えることなく、持続可能な経済のために世界中で利用できる十分な再生可能エネルギーがあるのかということです。スイス連邦材料試験研究機関エンパのハラルド・デジング率いる科学者らがこれを調査した。これを行うために、彼らはまず、人々が地球の自然エネルギーの流れから転用できる再生可能エネルギーの割合がどれだけ大きくなるかを調べました。地球自体は、太陽エネルギーを使用して、海、大気、森林だけでなく、反射する氷の表面も「稼働」させています。これらのサブシステムのほとんどは、主に太陽放射によって供給されるエネルギーを、風力や水流、バイオマス生産など、他の形態のエネルギーに変換します。自然の地球システムであろうと人工の技術圏であろうと、用途に関係なく、すべてのエネルギーは最終的に宇宙に放射されます。
もし人間が地球の自然エネルギーの流れを利用するなら、地球システムが利用できる割合は減少します。地球システムは、そのような混乱をある程度までしか補償できません。それらが大きすぎると、いわゆる転換点を超える可能性があります。これは地球システムに急速かつ不可逆的な変化をもたらし、たとえば極地の氷床が溶け、それが気候変動を加速させます。これを防ぐには、エネルギーを生成するために使用される土地の面積が地球の負荷制限を超えてはなりません。この地域がどのように利用されるかも重要です。たとえば、かつての森林地域に太陽光発電システムを建設すると、とりわけ生物多様性、水の蒸発、宇宙への熱の反射が破壊されます。太陽光利用と同じ上限が、バイオマスなどの化学エネルギーの利用にも適用されます。
これらの側面と影響要因を調査できるようにするために、研究チームはさまざまな再生可能エネルギーの可能性を電気エネルギーに換算しました。彼らはこれらの計算を、現在利用可能な発電所技術の効率に基づいています。このようにして、彼らは人類が地球システムからどれだけのエネルギーを引き出して自分たち自身のために使用できるか、そしてどの再生可能エネルギーが最も「経済的」であるかを判断することができました。
0.04パーセントを使用する必要があります
その結果、地球システム自体が利用可能なエネルギーの大部分を必要とし、宇宙から地球に届くエネルギーの 99.96 パーセントは、地球システムを駆動し、食料を生産するために必要となります。デジング氏と彼のチームが判断したように、惑星の境界を越えられない場合、人類は技術的に総エネルギーの 0.04 パーセントしか使用できません。つまり、発電や熱生成などに使用できます。しかし、この潜在力は依然として今日の世界のエネルギー需要の約 10 倍です。
また、計算では、エネルギーを生成する最も効果的な方法は、変換損失が最も少ない太陽エネルギーを使用することであることも示しました。風力、水力、バイオマス生産など、ほぼすべての再生可能エネルギー資源は、最終的には太陽によって電力を供給されます。太陽エネルギーを直接利用すると、エネルギーの損失が少なくなります。風力やバイオマスなど、他のすべてのエネルギー潜在力は、太陽エネルギーの直接利用よりも桁違いに小さく、研究チームが説明しているように、それらの一部はすでに過剰使用されています。それにもかかわらず、特にストレージ容量の必要性を軽減できるため、ローカルで重要な役割を果たすことができます。
太陽エネルギー: 鍵は実装にあります
研究チームによると、建物の屋根やファサードだけでなく、道路、レール、駐車場など、すでに密閉されている世界中のすべての表面を太陽エネルギーに利用できれば、最も安価で環境に優しいだろうという。研究者らによると、これらの分野だけでも、中程度から低消費電力で世界社会に電力を供給するには十分だという。需要が高い場合は、砂漠地帯を使用する必要があります。ただし、これは技術的にもロジスティクス的にも複雑であるため、他のすべてのオプションが使い尽くされた場合にのみ意味があります。
しかし、デジング氏らが強調するように、太陽エネルギーの利用にも限界がある。理論的には、持続可能な循環経済におけるエネルギー生産に大きな可能性をもたらします。ただし、実際に利用できるエネルギー量はさらに少なくなります。このようなシステムの実際の使用を制限する要因は数多くあります。これらには、原材料の入手可能性だけでなく、太陽光発電システムの建設のための金融資本や労働力も含まれます。さらに、原材料の抽出と生産、およびシステムの運用と廃棄は、環境に重大な影響を与えることがあります。さらに、エネルギーの分配や貯蔵などのインフラストラクチャには、コスト、労力、および環境介入が必要です。
出典: Empa、専門記事: Energies、 doi: 10.3390/en12244723
