俯瞰講義 : エネルギーと地球環境エネルギー地球環境問題における技術の役割山地憲治 (10 月 22 日 29 日 11 月 5 日 ) エネルギーシステムの視点エネルギー資源と技術地球温暖化対策の長期技術シナリオ : このマークが付してある著作物は第三者が有する著作物ですので同著作物の

Size: px

Start display at page:

Download "俯瞰講義 : エネルギーと地球環境エネルギー地球環境問題における技術の役割山地憲治 (10 月 22 日 29 日 11 月 5 日 ) エネルギーシステムの視点エネルギー資源と技術地球温暖化対策の長期技術シナリオ : このマークが付してある著作物は第三者が有する著作物ですので同著作物の"

りえさわい
4 years ago
Views:

1 俯瞰講義 : エネルギーと地球環境エネルギー地球環境問題における技術の役割山地憲治 (10 月 22 日 29 日 11 月 5 日 ) エネルギーシステムの視点エネルギー資源と技術地球温暖化対策の長期技術シナリオ : このマークが付してある著作物は第三者が有する著作物ですので同著作物の再使用同著作物の二次的著作物の創作等については著作権者より直接使用許諾を得る必要があります

2 地球温暖化対策の長期技術シナリオ - 地球温暖化の原理現状影響の概要 IPCC 第 4 次報告の知見を中心に - 地球温暖化対策の究極目標科学の不確実性の下での対策大気中 GHG 濃度の安定化レベル IPCC 第 4 次報告での対策に関する知見 - 地球温暖化対策の長期シナリオ研究地球温暖化対策の基本構造世界エネルギーモデル DNE21 の構成 CO 2 濃度 550ppm 安定化の最適対策シナリオ - 茅方程式による地球温暖化対策の評価 - 地球温暖化対策に関する基本認識

(IPCC 第 4 次報告 ) 出所 :IPCC 2007 WG1-AR4 翻訳版 p13(15 枚目 ) 図 SPM-4 http://www.

3 (IPCC 第 4 次報告 ) 出所 :IPCC 2007 WG1-AR4 翻訳版 p13(15 枚目 ) 図 SPM-4

4 地上地球の温度の決まり方 πr 2 FA 反射 ( 可視光 ) 太陽 F[w/m 2 ] R πr 2 地黒体輻射 ( 赤外線 ) 4πR 2 σt 4 4πR 2 σt 4 =πr 2 (1- A)F T = (1-A)F 1/4 4σ A( アルベド )=0.3, F( 太陽定数 )=1368 W/m 2 σ( ステファンボルツマン定数 )= Wm -2 K -4 T=255K(-18 ) B T = (1-A)F 1/4 4(1-B)σ 温室効果ガス4πR 2 σt 4 宇宙B: 温室効果ガスによる輻射エネルギーのトラップ率 1-B B=0.4 T =288K (15 ) 出所 : 山地憲治エネルギー環境経済システム論岩波書店 2006 年図 3-9(p87)

5 予測される気候変動の影響世界の気温の変化 ( 工業化前との比較 ) 食多くの地域特に開発途上地域での農作物の収量の減高緯度地域での収量増加の可能性多くの先進地域での収量の減少水資水資源小山岳氷河の消滅 - いくらかの地域での水資源減少の脅威水利用に大きな変化 ( アフリカの多くをはじめ 10 億人以上が水不足に襲われるという研究もある ) 主要都市での海面上昇の脅威生態異常現サンゴ礁の生態系が不可逆的かつ破壊的被害を受ける生態系の大多数は現状維持が不可能に暴風雨林野火災干魃洪水熱波の強度の増加突然の不可逆的なリス出所 : スターンレビュー ( 環境省 ) 図 2 p5(21 枚目 ) 気候システムの急激かつ大規模な転換のリスクが上昇

6 熱塩循環停止 ( 不可逆的リスクの例 ) 熱塩循環 (THC) の停止は特に北大西洋における気候システムへの影や全球的な海洋生態系への大きな擾乱等が危惧され予防的な視点からはこれを避けることは地球温暖化対策の一つの基準となる出典 )S. Rahmstorf Ocean circulation and climate during the past 120,000 years., Nature, Box 1

7 温室効果ガス排出量 ( 年 ) Y2004 GHG は 1970 から 2004 年の間に約 70% 増加とりわけ CO2 の増加が大きい出典 )IPCC WG3 AR4, Ch.1 Figure 1.1b (p103) 化石燃料燃焼 CO2 は約 57% を占める 2005 年の大気中 CO2 濃度は 379 ppm GHG による等価 CO2 濃度は 455 ppm-co2eq. エアロゾル等を含む等価 CO2 濃度は 375 ppm-co2eq. 出典 )IPCC WG3 AR4, SPM Figure SPM.1, p4

8 地域別の一人当たり GHG 排出量 (2004 年 ) Annex I Non-Annex I 人口 19.7% 80.3% GHG 排出量 48% 52% 一人当たり排出量 16.1 tco2eq./cap 4.2 tco2eq./cap 出典 )IPCC WG3 AR4, SPM Figure SPM.3a, p5

9 地球温暖化対策の究極の目標 ( 気候変動枠組み条約第 2 条 ) 目標水準 : 気候系に対して危険な人為的干渉を及ぼすこととならない水準において大気中の温室効果ガスの濃度を安定化目標達成期限 : 生態系が気候変動に自然に適応し食料の生産が脅かされずかつ経済開発が持続可能な態様で進行することができるような期間内に目標達成

2 安定化目標の意味 ( 気候科学の不確実性 ) 8 種類の気候感度の確率密度分布を基に 2 をオーバーシュートする確率を導出 2 をオーバーシュートする確率は 400 ppmvco2eq. で安定化しても数 %~60% 程度 550 ppmvco2eq. では 70%~100% 程度と評価出典 )B. Hare & M.

10 2 安定化目標の意味 ( 気候科学の不確実性 ) 8 種類の気候感度の確率密度分布を基に 2 をオーバーシュートする確率を導出 2 をオーバーシュートする確率は 400 ppmvco2eq. で安定化しても数 %~60% 程度 550 ppmvco2eq. では 70%~100% 程度と評価出典 )B. Hare & M. Meinshausen, How much warming are we committed to and how much can be avoided? PIK Report No.93, figure2, p12 figure8,p26

11 安定化レベル別の温暖化影響被害と対策費用 EU 提案スターンレビュー? 政府提案 ( 美しい星 50) CO2 濃度 (ppm) 等価 CO2 濃度 (ppm CO2eq.) 産業革命以降の気温上昇幅 ( ) 2050 年の CO2 削減率 (00 年比 %) ~ ~ ~ ~ 年削減費用 ( 対 GDP 比 %) +5.5 未満 1.3 (-0~4) 0.5 (-1~2) 温暖化影響損失 ( 対 GDP 比 %) 地域により損失 (+)/ 便益 (-) 混在すべての地域で ~+85 1~ ~+140 ( download-data/long-termtarget.pdf 出典 )IPCC WG2 & WG3 AR4, SPMより整理注 ) 費用便益的には削減費用と影響損失の和が最小になる濃度が望ましい

各レベルに安定化するために必要な排出量推移 Category I (2.0 2.4ºC) EU 目標 Stern 推奨値安倍首相宣言 Category II (2.4 2.

12 各レベルに安定化するために必要な排出量推移 Category I ( ºC) EU 目標 Stern 推奨値安倍首相宣言 Category II ( ºC) 2000 年比 2050 年排出 85~ 50% 60 排出量がピークとなる年 Category III ( ºC) Category IV ( ºC) 30~ +10~ Category V ( ºC) Category VI ( ºC) +90~ +25~ 出典 )IPCC WG3 AR4, SPM Figure SPM.7, p16

安定化レベルによる必要となる削減技術 Category II: 3-3.6 W/m2; 490-540 ppm CO2eq. Category IV: 4.5 W/m2; 650 ppm CO2eq.

13 安定化レベルによる必要となる削減技術 Category II: W/m2; ppm CO2eq. Category IV: 4.5 W/m2; 650 ppm CO2eq. ベースライン出典 )IPCC WG3 AR4 Ch.3 Figure 3.24, p204 いずれのモデルの結果も 2100 年には一次エネルギー供給の半分以上は再生可能エネルギー ( 少々楽観的?) MESSAGE はバイオマス CCS の大規模利用も

14 2030 年の経済ポテンシャル GHG emissions (GtCO2eq.) ボトムアップ評価 Red. by 0 $/tco2eq. Red. by 20 $/tco2eq. Red. by 50 $/tco2eq. Red. by 100 $/tco2eq. > 100$/tCO2eq. GHG emissions (GtCO2eq.) トップダウン評価 Red. by 0 $/tco2eq. Red. by 20 $/tco2eq. Red. by 50 $/tco2eq. Red. by 100 $/tco2eq. > 100$/tCO2eq Low High Low High A1B B Low High Low High A1B B 出典 )IPCC WG3 AR4, SPMを基にRITEにて作成世界の排出量の伸びを相殺または現在のレベル以下に削減することも能な削減ポテンシャルが存在世界で最も安価なところから理想的に削減できた場合の値通常 SRESのシナリオ自体にはネガティブ費用は折り込み済み

15 出所 : 山地憲治エネルギー環境経済システム論岩波書店 2006 年図 3.11(p93)

16 DNE21 モデルの世界地域分割西ヨーロッパ中東北アフリカ旧ソ連東ヨーロッパ日本計画経済圏アジア北アメリカサハラ以南のアフリカその他のアジアラテンアメリカオセアニア DNE21 モデルについては下記の参考文献参照 : 山地憲治藤井康正 : グローバルエネルギー戦略電力新報社 1995 年 Fujii, Y., K. Yamaji: Assessment of technological options in the global energy system for limiting the atmospheric CO2 concentration, Environmental Economics and Policy Studies, vol.1, pp (1998) 新エネルギー産業技術総合開発機構 /( 財 ) 地球環境産業技術研究機構 : 地球再生計画の実施計画作成に関する調査事業報告書 ( ) 図 2-2 p6

17 CO 2 排出削減のための技術省エネルギーの推進最終需要での節約 ( 自動車燃費など ) 変換効率の改善燃料転換燃料転換 ( 石炭から天然ガスへの転換など ) 再生可能エネルギー原子力 CO 2 分離回収処分発電所排ガスからの CO 2 回収 CO 2 の地中処理海洋処理

18 省エネルギーの推進変換効率の改善 70 天然ガス火力石油火力石炭火力 CO2 回収装置付き IGCC バイオマス発電メタノール発電 0 水素発電発電効率 (%)

化石燃料資源 400 石油化石エネルギー生産コスト ( 米ドル / 石油換算トン ) 300 200 100 天然ガス石炭 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 2000 年以降の累積生産量 ( 石油換算億トン )

19 化石燃料資源 400 石油化石エネルギー生産コスト ( 米ドル / 石油換算トン ) 天然ガス石炭年以降の累積生産量 ( 石油換算億トン ) 出所 : 図 2-4 p10

バイオマスエネルギー資源年間エネルギー供給可能量 ( 石油換算億トン ) 100 80 60 40 20 0 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 西暦年新型燃料用丸太エネルギー作物産業用丸太伐採残渣製材残渣廃材等

20 バイオマスエネルギー資源年間エネルギー供給可能量 ( 石油換算億トン ) 西暦年新型燃料用丸太エネルギー作物産業用丸太伐採残渣製材残渣廃材等穀物収穫時残渣サトウキビ収穫時残渣バガス古紙黒液家庭ゴミ家畜糞尿 ( 乾 ) 家畜糞尿 ( 湿 ) 人糞尿出所 : 図 2-5 p11

21 再生可能エネルギー資源年間エネルギー供給可能量 ( 兆キロワット時 ) 水力地熱風力年間エネルギー供給可能量 ( 兆キロワット時 ) 太陽光旧ソ連東欧ラテンアメリカサハラ以南のアフリカ中東北アフリカその他のアジア計画経済圏アジアオセアニア日本西ヨーロッパ北アメリカ

22 原子力発電原子力発電導入容量の上限値 (GW) 旧ソ連東欧ラテンアメリカその他アフリカ中東北アフリカその他アジア計画経済圏アジアオセアニア日本西ヨーロッパ北アメリカ出所 : 図 2-8 p14

23 CO 2 の分離回収排ガスからの CO 2 回収化学吸収法アルカノールアミンの一種 40 R-NH 2 + H 2 O + CO 2 R-NH 3 HCO 物理吸収法 SELEXOL プロセス CO 2 をポリエチレングリコールに溶解させる

24 CO 2 の処理地中処理海洋処理 CO2 分離回収プラント火力発電所など CO2 タンカー洋上基地 CO2 パイプ海洋処分 ( 浅海注入 ) パイプ 3,700m CO2 地下 2,000~3,000m 以深 CO2 海洋処分 ( 深海貯留 ) 地中処分 ( 帯水層貯留 )

25 CO 2 の処理地中処理海洋処理二酸化炭素処分可能容量 ( 炭素換算億トン ) 石油増進回収廃ガス田二酸化炭素処分可能容量 ( 炭素換算億トン ) 帯水層旧ソ連東欧ラテンアメリカサハラ以南のアフリカ中東北アフリカその他のアジア計画経済圏アジアオセアニア日本西ヨーロッパ北アメリカ

26 From Other Regions Coal Synthetic Oil Crude Oil Methane Hydrogen エネルギーシステム構成 : Electricity Use CH 4 Liquefaction To Other Regions Crude Oil Synthetic. Oil Methane (pipeline) Methane (tanker) Hydrogen (pipeline) H 2 Liquefaction Hydrogen (tanker) Natural Gas Crude Oil Synthetic Oil Coal Energy Crops Modern Fuel Woods Wood Residues Sawmill Residues Timber Scraps Cereal Harvest Residues Sugarcane Harvest Resid. Bagasse Paper Scraps Black Liquor Kitchen Wastes Animal Wastes Human Feces Photovoltaics Wind&O.R.E. Hydro Geothermal Nuclear Methanol CO2 From Other Regions Coal Gasification Natural Gas Splitting Coal Liquefaction IGCC with CO 2 Rec. Biomass Liquefaction (Fermentation) Biomass Liquefaction Biomass Gasification Biomass Gasification (Anaerobic Digestion) Water Electrolysis H2 CO CO2 CO 2 Compression CO 2 Injection Water Electrolysis Methane Synthesis Shift Reaction Methanol Synthesis CO 2 Liquefaction EOR Ocean Gas Well Aquifer CO 2 Disposal Methanol Synthesis Coal Cleaning CO2 Recovery CH4 Oil Syn.Oil H 2 power gen. N.Gas power gen. Coal power gen. CH3OH Meth. power gen. Oil Refinery (Gasoline) Oil Refinery (Distillation) SOx Rec. in End Use Oil Refinery (Gasoline) Oil power gen. Biomass power gen. Photov. power gen. Hydro power gen. Geoth. power gen. Nuclear power gen. Ethanol Oil power gen. Oil Refinery (Distillation) Methanol Upgrading (into Gasoline) Electricity SOx Rec. in End Use Sorbent Injection Wet limestone scrub. Wellman-Lord Sorbent Injection Wet limestone scrub. Wellman-Lord SOx Gaseous Fuel Gasoline Light Fuel Oil Heavy Fuel Oil Solid Fuel Electricity Coal Methanol CO 2 (pipeline) CO 2 (tanker) To Other Regions 出所 : 図 2-3 p7

27 気候変動モジュールの概要エネルギーシステムモデル UIUC モデル計算結果 ( グリッドデータ ) 温暖化ダメージモデル地域別気温上昇エネルギーシステム以外からのCO 排出量 2 CO 排出量 2 大気中 CO 濃度 2 CO 2 放射強制力海洋吸収地表植生オゾン放射強制力エネルギーシステム以外からの SOx 排出量 SOx 排出量 SOx 放射強制力メタン排出量大気中メタン濃度メタン放射強制力全球平均気温上昇 NO 2 排出量大気中 NO 2 濃度 N2 O 放射強制力ハロカーボン (20 種 ) 排出量大気中ハロカーボン (20 種 ) 濃度ハロカーボン (20 種 ) 放射強制力海面上昇 HO 2 放射強制力全放射強制力以下に示す結果では大気中 CO 2 濃度までを計算

28 大気中 CO2 濃度安定化の経路濃度目標を決めてもそれを達成する排出経路は無数にある出所 :IPCC 第 2 次報告 chokei2004/chokei01/siryo2.pdf p3 DNE21 モデルは濃度目標を達成する排出経路地域ごとの削減量削減を実現する技術の選択を総費用最小化によって求めることが出来る

29 Simulation cases 以下のモデル解析の出所 :K. Yamaji, Long-Range Strategy for the New Earth 21 Plan, Japan Review of International Affairs,1999, Vol.12, No.4, pp (1999) Case CO2 constraints 1 BAU free 2 550ppm Global atmospheric CO2 concentration at 550ppm in COP3 forever COP3 forever in Annex1 after % after 2020: Annex1:80% CO2 emissions at 1990 non-annex1: 300% CO2 emissions at 1990

30 Primary energy production 30,000 25,000 Photovoltaics Wind 20,000 Hydro & Geoth. 15,000 Biomass Coal 10,000 Crude Oil Natural Gas 5, Primary Energy Production(MTOE/yr) ,000 25,000 20,000 15,000 10,000 5,000 0 BAU 550ppm Nuclear Primary Energy Production(MTOE/yr)

31 30,000 25,000 Electricity Biomass 20,000 Coal Methanol 15,000 Oil Products Natural 10,000 Gas Hydrogen 5, Final Energy Consumption(MTOE/yr) ,000 25,000 20,000 15,000 10,000 5,000 0 Final energy consumption BAU 550ppm Final Energy Consumption(MTOE/yr) 2000

32 Contributions of each technological option CO2 Emissions, Reductions, and Sequestrations(Mt-C) 30,000 25,000 20,000 15,000 10,000 5, , Reforestation Demand Decrease Fossil Fuel Switching Biomass Photovolta Wind Power Hydro & Geothermal Nuclear Power Ocean Disposal Acquifer Gas Well Disposal EOR CO2 Emission (550ppm) CO2 Emission (BAU)

33 2100 CO2 emissions annex1 non-annex1 annex1 non-annex1 annex1 non-annex1 annex1 non-annex1 35,000 35,000 35,000 30,000 25,000 20,000 15,000 10,000 CO2 emissions (Mt-C/yr) 25,000 20,000 15,000 10,000 CO2 emissions (Mt-C/yr) 25,000 20,000 15,000 10,000 CO2 emissions (Mt-C/yr) 35,000 30,000 25,000 20,000 15,000 10,000 BAU 550ppm COP3 30,000 30,000 forever 300% 5,000 5,000 5,000 5, CO2 emissions (Mt-C/yr)

34 Atmospheric CO2 concentration BAU 550ppm COP3 forever 300% Atmospheric CO2 concentration (ppmv)

35 DNE21 モデルの解析から得られる主要な結論世界全体で技術を組み合わせることで CO 2 濃度 550ppm 安定化は可能 CCS と組み合わせることで地球温暖化対策において化石燃料は重要な役割を果たす削減のタイミングに関する柔軟性が重要京都議定書は重要な第 1 歩削減対策における途上国の参加は不可欠

36 茅方程式 (Kaya Identity) CO 2 =(CO 2 /Energy) (Energy/GDP) GDP ここで X=(CO 2 /Energy) とすると X はエネルギーの炭素強度つまりエネルギー源の選択による CO2 削減効果を表すまた Y=(Energy/GDP) とすると Y は GDP のエネルギー源単位つまり省エネルギーのマクロな指標を表すここで上式の時間微分を行うと次の式が導かれる dco 1 2 CO 2 dt = 1 X dx dt + 1 Y dy dt + 1 GDP dgdp dt つまり CO2 排出量の増加率は X( エネルギーの炭素強度 ) と Y(GDP のエネルギー源単位 ) および GDP の増加率の和で表現される茅方程式の出典 :Kaya,Y., K.Yamaji, R.Matsuhashi: Grand Strategy for Global Warming, Proceedings of the Government Symposium on Global Environment, Tokyo, September 1989

37 Y X ( ) 50 = =0.282

38 地球温暖化対策に関する基本認識温暖化は現実に進行しておりその原因が人間活動に伴う温室効果ガス排出であることは IPCCによって確認されている今からは現象の解明だけでなく世界規模で温暖化対策を本格化する必要がある温室効果ガス排出の環境コスト ( 逆に言えば削減の価値 ) を社会に発信する仕組みが必要しかし温暖化の科学( 特に影響予測 ) にはまだ不確実な領域が大きい予防保全の原則に基づいて対策に早期に着手する必要があるが対策の選択において不確実性の考慮が大切温暖化対策だけでなくほかにもメリットがある省エネや植林リサイクルなどを優先して実施すべきまたある程度の温暖化は避けられないので途上国の国土整備などの適応対策も重要対策の選択においては実効性と地域間および世代間の衡平性が大切世界が協調して対策を行う京都メカニズム ( 排出量取引共同実施 CDM) のような仕組みの工夫最先端の技術の世界的な普及長期的な排出経路に関する国際合意主要な排出国が対策に参加することが不可欠米国は当然中印をはじめとする途上国の参加も不可欠国別の排出目標設定という京都議定書の方策は実効ある国際制度としては参加国を広げることが難しい国別でなく主要排出部門別のアプローチ ( 省エネなど ) が重要世論に受け入れられやすい省エネや再生可能エネルギーの推進に加えて原子力 CCS(CO 2 回収貯留 ) についても社会が受け入れられるよう条件整備をする必要がある技術は大きな削減可能性を持つがそれを現実のものにするためには社会的側面( 経済性国際的な普及社会的受容 ) を重視する必要がある

資料１：地球温暖化対策基本法案（環境大臣案の概要）

資料１：地球温暖化対策基本法案（環境大臣案の概要）地球温暖化対策基本法案 ( 環境大臣案の概要 ) 平成 22 年 2 月環境省において検討途上の案の概要であり各方面の意見を受け今後変更があり得る 1 目的この法律は気候系に対して危険な人為的干渉を及ぼすこととならない水準において大気中の温室効果ガスの濃度を安定化させ地球温暖化を防止すること及び地球温暖化に適応することが人類共通の課題でありすべての主要国が参加する公平なかつ実効性が確保された地球温暖化の防止のための国際的な枠組みの下に地球温暖化の防止に取り組むことが重要であることにかんがみ