再生可能エネルギーの導入がどんどん進んでいますが、コスト面でメリットがあることがその大きな理由です。一方でエネルギー密度、すなわち必要なエネルギーを生むためにどのくらいの土地や空間が必要なのかということを様々な発電手法別で考えていくと、自前で必要なエネルギーを賄っていくことがどのくらい現実的なのかが見えてくると思います。
私たちにとって身近な一般家庭の使用エネルギー量をイメージしながら考えてみたいと思います。以下の記事で触れたように家庭部門はエネルギー消費全体の14％しかなく、エネルギー消費のメインは産業セクターです。そのため一般家庭で自律的なエネルギーシステムが考えられたとしても、日本全体に適用させるには更なるハードルがあるのですが、まずは一般家庭から出発してみたいと思います。
エネルギー密度の観点から見た電源比較
原子力発電
最もエネルギー密度の大きい原子力発電所の基本単位が100万kWと膨大なのですが、発電所の敷地面積は0.6km2とのことです。
原子力の稼働率は以前触れたように稼働率7割ほどなので、計算すると1MWh月間発電するのに必要な敷地は1.2[m2]になります。ちなみに月間1MWhはオール電化の一般家庭の消費電力です。わずか1m四方の面積しか必要ないというのは衝撃的です。エネルギー密度で原子力の右に出るものはありません。
火力（LNGコンバインド）発電
火力発電の中でも二酸化炭素の排出量が少なく効率もいい、LNGコンバインドサイクルプラントを見てみます。調べても一般的な敷地面積という情報が出てこないので、JERAのHPで個別の発電所の敷地を見てみました。同じコンバインドサイクル発電所でもかなりばらつきがあり、単位面積あたりの設備容量を見ると、3～8kW/m2程度でした。ここでは平均して5kW/m2とします。
1MWh月間発電するために必要な敷地面積は38.0ｍ2、原子力と比べると30倍大きいですが、約6m四方です。一軒家では庭を専有されてしまうかもしれません。
水力発電
水力発電はダムが必要になるため考えるのは難しいです。水力発電は水の位置エネルギーを利用しているため、必要な発電量を賄うために水がどのくらい必要なのか、ということを考えてみたいと思います。何mの高さからどれくらいの水の量を落とし続ければ月間1MWh発電できるでしょうか。
1m3の水を2mの高さから落としたときのエネルギーは、
(水の体積)1m3×(密度)1,000kg/m3×(重力加速度)9.8m×(落差)3m×(変換効率)80%=23,520J
単位換算して月間のエネルギーを計算すると、
23,520J÷3,600×24(時間)×30(日)＝4.7kWh
従って、1MWhのエネルギーを得るためには、約213m3の水を3mの高さから落とし続けて水車で発電する必要があります。3mの落差は2階をイメージしてみたのですが、必要な水の量は213m3とは、１辺6mの立方体です。この大きな水の塊が毎秒流れている様子を想像すると相当な規模です。
例え近くに小川があってもマイクロ水力発電ではこんな水のエネルギーは確保できません。水というのは改めてエネルギー密度が低いことがわかります。
風力発電
風車を家に置くのは現実的ではないと思えますが、以下のようなイメージ図は成立しないこともないと思えます。
エコめがね：「小型風力」がなくなったのはなぜか
エネルギー密度という観点から考えてみたいと思います。
以前は再生可能エネルギー普及促進のための固定価格買取制度の中で、風力発電には20kW以下という括りで補助金の対象になっていました。この補助金は導入が進む中でコストが低減し、いずれ補助金が無くとも導入が進むことを前提に考えられています。しかしこの規模ではいつまでも補助金なくしては成立しないことがわかり、今は廃止されています。
以下の記事を見ると、その理由として設備利用率は8%ほどと、非常に低くなってしまったことが挙げられるようです。この20kWという規模は、ちょうど一般家庭に合うくらいの年間消費電力に相当するので、イメージしやすいのですが、電気代がものすごい高くなるため現実的ではありません。
一般的な陸上風力のラインナップのデータを見ながら、どのくらいのエネルギー密度が計算してみます。なお、設備利用率は15%とします。また必要敷地面積は、「ローター径分の長さを半径とした円」と仮定しました。風車のデータは以下のサイトから引用します。
| 設備容量 | 20 | 750 | 2000 | 4000 | kW |
| 稼働率 | 8% | 15% | 15% | 15% | |
| 月間 | 1.1 | 81.0 | 216.0 | 432.0 | MWh |
| ローター径 | 10.8 | 57 | 93 | 136 | m |
| 地上部面積 | 366 | 10,207 | 27,172 | 58,107 | m2 |
| 1MWhあたり | 335 | 126 | 126 | 135 | m2 |
こう見ると、20kWは設備利用率が低いため対象外として、大型風車はスケールが大きくなっても1MWhの発電量を得るための必要敷地という観点では変わらないことがわかりました。
およそ130m2ということで、火力発電の3倍程度です。空気のエネルギー密度はとても小さいですが、上空を使えるため、敷地面積の消費量はそれほど大きくなりません。ただし、複数風車を建てようとすると風が乱れるため干渉してしまうという問題が生じます。
太陽光発電
最後に本丸の太陽光発電です。以下の「ソーラーシンギュラリティの影響度等に関する調査」が一般家庭における太陽光発電のあり方を考える上でとても参考になる資料だったため、ここから引用します。
家の屋根の形により屋根における太陽光パネルの大きさが変わるのですが、ここでは戸数の多い、「寄棟・切妻」タイプの屋根の基本形と想定して考えます。
太陽光パネルそのものの必要面積は、1kWhあたり6.67m2、太陽光の稼働率は12%ほどなので、月間1MWhを賄おうとすると、77.2m2必要だということがわかります。
そして上の表によると、これだけの屋根面積を持つ家の敷地面積はなんと150m2以上…この表の一番下にあることからもわかる通り、これは相当大きな一軒家でしか成り立ちません。太陽光を一次エネルギーに頼るのはコスト以前にエネルギー密度の壁が超えられないように見えます。
もっとも、オール電化ではなく、ガスも使う仮定を想定すると、電気の消費量は半分ほどまで落ちるため、必要面積は38m2ほどまで落ち、ボリュームゾーンである敷地面積50~74m2の家でも屋根上に設置できます。
この面積は火力の二倍です。意外と違いが小さいことに驚きました。風力にせよ太陽光にせよ、エネルギー密度自体は非常に低いのですが、火力発電所は燃料のエネルギー密度は高くても付帯設備含めることで大きな面積が必要です。
太陽光や風力は設備の大部分が発電に寄与する部分で占められているので結果的にエネルギー密度の差はそこまで大きくないということがわかります。
そう考えると、不安定さの解消はいずれにせよ必要ですが、ある程度まとまった量の分散電源を消費地である家庭に設置するのはリーズナブルに見えてきます。系統寸断による停電のリスクや、エネルギー安全保障といった面ではむしろ安定です。
太陽光発電の置き方を屋根から拡大
エネルギー密度の観点から太陽光で一般家庭のエネルギーを全て賄うことが可能か検討してみましたが、屋根上に太陽光パネルを設置することを前提として考えると難しいことがわかりました。成立するのは、150m2以上の敷地がある全体の7.5%ほどの住宅のみです。
しかし家の敷地は建物だけではありません。敷地面積を見てみると、違った景色が見えてきます。以下は政府統計e-statから引っ張ってきたデータの抜粋ですが（小さくてすいません）、まず全国の総戸数はおよそ３千万戸です。
このうち、一軒家の持ち家が2.6千万戸と大半を占めるので、（都市にいると集合住宅が当たり前の感覚になりますが）まだまだ全国にはたくさんの一軒家があることがわかります。
敷地面積が200m2以上くらいあれば、先に計算した77m2の太陽光パネル設置面積は確保できるのではないかと考えました。これは屋根上だけではなく地上にも置くということを前提にしています。
そして200m2以上の敷地面積を持つ持ち家率は、全体3千万個のうち41%にものぼります。これだけの一軒家にその家の一次エネルギーを賄う分の太陽光パネルの設置の可能性があるというのは希望が持てると思いました。
系統との接続、安定性の問題
現在の家庭用太陽光パネルの導入は、固定価格買取制度の後押しで進んでいます。これは発電した分を電力会社があらかじめ決めた価格で10年間買ってくれるという大変予見性を持ちやすい制度です。そのおかげで随分と導入が進み、導入コストも大幅に下がりました。
一方で、電力は需要と供給をピッタリ合わせる必要があります。この部分の役割は、電力会社に丸投げしている格好です。系統に頼らずに自力で電力を賄おうと考えたときに大きなハードルになるのは発電量以上にこの部分です。
送配電線は維持コストもかかるため、人口密度が低いエリアは、この大きなハードルを超えて電力の自給自足ができると社会全体のコスト低減にもつながると考えられます。。
しかしながら、99％自給自足できても、1%系統に頼るとなった時点で、送配電網自体は必要になってしまうため、100％でないと意味がありません。
むしろ少ない販売電力のために送配電線を維持することは経済性を悪くすることに繋がります。
エネルギーを総量としての確保ができるという前提がある程度現実的であることが今回わかりました。次は100％の電力を自給自足しようと思った場合の、需給バランスを担保するためにどうしたらいいのか、考えていきます。
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