新たな研究：米国のゼロエミッション化は今やかなり安価

米国の多くの地域では、既存の化石燃料発電機用の燃料を購入するよりも、風力発電所や太陽光発電所の設置費用が安くなっています。これは米国の電力市場を劇的に変化させ、多くの人々が以前の予測の修正を迫られています。このことが、米国全体をカーボンニュートラルにするためのコストと課題を改めて検討する研究者グループの動機となっています。

研究者たちは、米国全体のエネルギー市場モデルを構築することで、2050年までにエネルギー消費による純排出量をゼロにするためには何が必要かを探り、排出量がマイナスになるシナリオも検討しました。その結果、予想通り、気候変動による最悪の影響を防ぐことで回避できるコストを考慮に入れなくても、コストは劇的に低下し、GDPの1%未満になることがわかりました。さらに、おまけに電気代も安くなります。

しかし、モデリングでは、この最終結果がかなり珍しい特徴を持つことも示唆されている。たとえば、炭素回収は必要になるが、発電所には設置されないだろう。

あらゆるものをモデル化する

将来のエネルギー経済を予測する適切なモデルは複雑です。通常、送電網を地域ごとに分割し、過去のデータを用いて典型的な需要をシミュレートします。これらのデータは、需要の増加を反映するようにスケール調整されることがよくあります。そして、様々なエネルギー源を用いて、その需要を満たそうとしますが、同時にいくつかの制約も課します。この場合、制約の一つは明らかに炭素排出量の制限です。モデルは、需要と制約の両方を最も経済的に満たすための方法を反復的に検討し、最適な解を見つけ出します。

今回のケースでは、研究者たちは異なる制約条件を適用した8つのシナリオを設定しました。これらのシナリオには、現在の傾向が将来（化石燃料価格が低い場合）まで継続する、あるいは単に最も安価なカーボンニュートラルな道筋を特定するといったものが含まれています。その他のバリエーションとしては、再生可能エネルギーのみで構成された電力網と高度な効率化技術を備えたシナリオ、エネルギー生産に充てられる土地が制限されるシナリオ、そして米国が実質排出量をマイナスにするというシナリオなどがあります。

米国では発電以外にも多くの用途で化石燃料を使用しており、これらを排出ガスゼロの選択肢へと転換することもモデルの一部です。これには、車両や暖房を電気に切り替えたり、可能な範囲で産業プロセスを変更したりすることが含まれます。CO2回収は、排出量目標の達成に必要な範囲で実施されます。

現状維持モデルを運用することですぐに明らかになることの一つは、風力と太陽光発電の価格低下によって、既にどれだけの変化が起こっているかということです。このシナリオでは、主に石炭火力発電の代替により、炭素排出量は22%減少します。この数値を知っておくことは重要です。なぜなら、この分野における目標設定の提案は、的外れとして却下される可能性があるからです。もう一つ明らかなことは、エネルギーシステムの脱炭素化は、米国が温室効果ガスの排出をゼロにすることを意味するわけではないということです。非炭素温室効果ガスは、依然として500メガトンの二酸化炭素に相当する排出量を排出することになります。

効率性とそれ以上

研究によって明らかになったことの一つは、排出量目標の達成には効率化が不可欠だということです。2050年までに人口とGDPの増加は、効率化が進まない限りエネルギー需要を押し上げると予想されます。しかし、カーボンニュートラルを達成するには、エネルギー使用量を現状とほぼ同等に維持する必要があります。電気自動車や暖房システムは本質的に効率が高いため、ある程度の効率化は実現するでしょう。しかし、研究チームの推定によると、カーボンニュートラルを達成するには、今後30年間で一人当たりのエネルギー使用量を約40%削減する必要があるため、それ以上の削減が必要になることは明らかです。

エネルギー消費量は横ばいにとどまる可能性はありますが、住宅や自動車の電化が進むにつれて、発電能力の大幅な増強が必要になります。典型的なシナリオでは、約3.2テラワットの新たな発電能力が必要となり、そのほぼすべてが風力発電と太陽光発電の形で賄われることになります。

朗報なのは、この取り組みは比較的安価だということです。研究者たちは、この変革にかかる純コストは2050年までに総額1450億ドルになると推定しており、これはその年のGDPの0.5%未満に相当します。この数字には、電気暖房や自動車のコストの一部を相殺する節約効果が含まれています。しかし、気候変動によるコスト削減や、化石燃料の使用削減による医療費の削減は含まれていません。これらの節約額は相当なものとなり、コストを相殺する以上の効果を発揮することはほぼ確実です。

再生可能エネルギー発電のコストが下がるため、全体的な電気代も下がるだろうと著者らは予測している。

最も費用のかかるシナリオでは、コストは2050年のGDPの約1%にまで上昇します。注目すべきは、ネットマイナス排出量の実現は最も費用がかかるわけではないということです。むしろ、土地利用を制限することで、導入可能な再生可能エネルギーの量が削減され、コストが上昇します。

コストがこれほど安い理由の一つは、目標達成に既存のハードウェアの交換が不要なことです。石炭火力発電機からガス給湯器まで、廃止が必要な機器はすべて耐用年数に限りがあります。研究者たちは、すべてを再生可能エネルギーまたは高効率の電気式に置き換えるだけで、十分な時間で移行を完了できると計算しています。

予想とは違う

カーボンニュートラルな電力網に関する多くの見解では、太陽光発電や風力発電の発電量が少ない時期は、二酸化炭素回収・貯留（CO2回収・貯留）機能を備えたガス発電機で補填されると想定されています。しかし、今回の分析は、残存するガス発電所の稼働頻度が、CO2回収設備の経済的正当性を満たすほどには十分ではないことを示唆しています。バッテリーについても同様のことが言えます。需要が供給能力を上回る時期は非常に稀であるため、それをカバーするためこれほど多くのバッテリーを建設することは経済的に合理的ではありません。

代わりに、ガス発電所は二酸化炭素を大気中に放出するだけです。これは最終的にカーボンニュートラルです。なぜなら、飛行機などの移動には依然として液体燃料が必要であり、大気中から回収した炭素と、再生可能エネルギーが過剰供給されている時期に水から製造した水素を組み合わせて製造するからです。研究者たちは、十分な量の水素を製造するだけで3,500テラワットの電力が必要になると推定しています。これは、現在私たちが生産している電力とほぼ同じ量です。

「最近まで、変動性再生可能エネルギー、原子力、あるいは炭素回収・貯留機能を備えた化石燃料が、脱炭素化された電力システムにおける主要な発電形態となるかどうかは不明でした。しかし、ここ数年の変動性再生可能エネルギーのコスト低下により、状況は明確に変化しました。」

追加の制約条件が加わったシナリオでは、奇妙な結果もいくつか生じています。原子力発電が経済的に意味を持つ唯一のシナリオは、土地利用が制限されているシナリオです。これにより、洋上風力発電が増加し、CO2回収機能を備えた化石燃料発電所への依存度が高まります。当然のことながら、これは研究者が調査した中で最もコストのかかる状況となりました。CO2回収とバイオマス発電の強化は、電気自動車や電気家電への移行が遅れるシナリオでも大きな役割を果たしています。