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

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。

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

地球の温度の決まり方

F[w/m2_]

地

πR2_FA 反射(可視光 ) 黒体輻射 (赤外線 ) 4πR２_σT4 R πR2 太陽 4πR2_σT4 _＝πR2_{（1- A）F} T ＝ (1－A)F 1/4 4σ Ａ（アルベド）＝0.3 , F(太陽定数)＝1368 W/m2 σ（ステファン・ボルツマン定数)＝ 5.67×10-8_Wm-2_K-4

T

＝255K（－18℃）

温室効果 ガ ス 4πR2_σT’4 B

1

－B

地上

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 T’ ＝ (1－A)F 1/4 4(1－B)σ 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）

水資源

食

生態

異常現

突然の不可逆的なリス

水資

予測される気候変動の影響

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

気候システムの急激かつ大規模な転換のリ

スクが上昇

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

サンゴ礁の生態系

が不可逆的かつ破

壊的被害を受ける

世界の気温の変化（工業化前との比較）

0℃

1℃

2℃

3℃

4℃

5℃

‡出所：スターン・レビュー（環境省）、図2、p5（21枚目） http://www.env.go.jp/press/file_view.php?serial=9176&hou_id=8046

出典）

S. Rahmstorf “Ocean circulation and climate during the past 120,000 years.”, Nature, 2002. Box 1

♦

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。

‡

温室効果ガス排出量（1970-2004年）

♦

GHGは1970から2004年の間に約70%増加

♦

とりわけCO

2

の増加が大きい

♦

化石燃料燃焼CO

2

は約57%を占める

♦

2005年の大気中CO

2

濃度は379 ppm

♦

GHGによる等価CO

2

濃度は455 ppm-CO

2

eq

.

♦

エアロゾル等を含む等価CO

2

濃度は375

ppm-CO

2

eq

.

出典）IPCC WG3 AR4, SPM Figure SPM.1, p4

出典）IPCC WG3 AR4, Ch.1

Figure 1.1b (p103)

Y2004

‡

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 tCO

2

eq./cap

4.2 tCO

2

eq./cap

出典）IPCC WG3 AR4, SPM Figure SPM.3a, p5

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）

出典）B. Hare & M. Meinshausen, “How much warming are we committed to and how much can be avoided?”

PIK Report No.93, 2004

２℃をオーバーシュートする確率

は、400 ppmvCO

2

eq.で安定化し

ても数％～60％程度、550

ppmvCO

2

eq.では70%～100%程

度と評価

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

http://www.pik-potsdam.de/research/publications/pikreports/.files/pr93.pdf、figure2, p12、figure8,p26 ‡

安定化レベル別の温暖化影響被害と対策費用

CO

2

濃度

(ppm)

等価

CO

2

濃度

(ppm

CO

2

eq.)

産業革命以

降の気温上

昇幅

(℃)

2050年の

CO

2

削減率

(00年比%)

2050年削減

費用

(対GDP

比

%)

温暖化影響

損失

(対GDP

比

%)

350-400

445-490

2.0-2.4

-85～-50

400-440

490-535

2.4-2.8

-60～-30

440-485

535-590

2.8-3.2

-30～+5

1.3

(-0～4)

485-570

590-710

3.2-4.0

+10～+60

0.5

(-1～2)

570-660

710-855

4.0-4.9

+25～+85

―

1～5

660-790 855-1130

4.9-6.1

+90～+140

―

―

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

+5.5未満

地域により損

失(+)／便益(-)

混在

すべての

地域で

+

スターン・

レビュー？

EU提案

政府提案

（美しい星５０） (http://www.rite.or.jp/Japanese/labo/sysken/about-global-warming/ download-data/Long-termTarget.pdf ‡

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)

Category II (2.4–2.8ºC)

Category III (2.8–3.2ºC)

_{Category IV (3.2–4.0ºC)}

Category V (4.0–4.9ºC)

Category VI (4.9–6.1ºC)

2000年比2050年排出

–85～–50%

–60

–30～

+10～

+25～

+90～

排出量がピー

クとなる年

EU目標、Stern推奨値、安倍首相宣言

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

♦

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

出典）IPCC WG3 AR4 Ch.3

Figure 3.24, p204

ベースライン

Category II: 3-3.6 W/m2; 490-540 ppm CO2eq.

Category IV: 4.5 W/m2; 650 ppm CO2eq.

2030年の経済ポテンシャル

♦

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

ボトムアップ評価

トップダウン評価

出典）IPCC WG3 AR4, SPMを基にRITEにて作成

0 10 20 30 40 50 60 70 80

2000 Low High Low High

G H G em is si ons ( G tC O 2eq. ) Red. by 0 $/tCO2eq. Red. by 20 $/tCO2eq. Red. by 50 $/tCO2eq. Red. by 100 $/tCO2eq. > 100$/tCO2eq. A1B B2 2030 0 10 20 30 40 50 60 70 80

2000 Low High Low High

G H G em is si ons ( G tC O 2 eq. ) Red. by 0 $/tCO2eq. Red. by 20 $/tCO2eq. Red. by 50 $/tCO2eq. Red. by 100 $/tCO2eq. > 100$/tCO2eq. A1B B2 2030 ‡

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

‡

DNE21モデルの世界地域分割

西ヨーロッパ

中東・北アフリカ

サハラ以南の

アフリカ

その他の

アジア

計画経済圏アジア

日本

オセアニア

ラテンアメリカ

北アメリカ

旧ソ連・東ヨーロッパ

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.113-139 (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 （1994－2002）

‡

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

省エネルギーの推進

変換効率の改善

0

10

20

30

40

50

60

70

1990

2000

2010

2020

2030

2040

2050

2060

2070

2080

2090

2100

発電効率(

%)

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

水素発電

化石燃料資源

0

100

200

300

400

0

2000

4000

6000

8000

10000

2000年以降の累積生産量 (石油換算億トン )

化石エネルギー生産コスト

(

米

ドル/

石

油換算トン)

石油

天然ガス

石炭

出所：http://www.rite.or.jp/English/lab/syslab/research/new-earth/download-page/downloadable-data/dne21-manual.pdf, 図2-4、p10 ‡

バイオマスエネルギー資源

0 20 40 60 80 100 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 西暦年 年間エ ネ ル ギ ー 供給可能量 ( 石油換算億ト ン) _{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：http://www.rite.or.jp/English/lab/syslab/research/new-earth/download-page/downloadable-data/dne21-manual.pdf, 図2-5、p11

再生可能エネルギー資源

0 5 10 15 20

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） 0 100 200 300

太陽光

年間エ ネルギ ー 供給可能量（ 兆キ ロワ ッ ト 時）

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

原子力発電

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

原子力発電導入容量の上限値

(GW

)

1990

2010

2030

2050

2070

2090

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：http://www.rite.or.jp/English/lab/syslab/research/new-earth/download-page/downloadable-data/dne21-manual.pdf,図2-8、p14

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

₃

←

_150℃

•

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

CO

₂

の処理

地中処理、海洋処理

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

CO

₂

の処理

地中処理、海洋処理

0 20 40 60 80 100

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 ） 0 2000 4000 6000

帯水層

二酸化炭素処分可能容量（ 炭素換算億ト ン）

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

エネルギーシステム構成

Natural Gas Splitting

Coal Gasification

Biomass Gasification Coal Liquefaction

IGCC with CO Rec.2

Biomass Liquefaction (Fermentation) Shift Reaction CO2 Recovery CO Liquefaction2 CO Compression2 CO Injection2 Methane Synthesis Methanol Synthesis EOR Gas Well Aquifer Ocean Methanol Synthesis Coal Methanol CO (pipeline)2 CO (tanker)2 Water Electrolysis Water Electrolysis

H Liquefaction2 Hydrogen (tanker) Methane (tanker) Synthetic. Oil Hydrogen (pipeline) Methane (pipeline) CH Liquefaction4 Methanol Upgrading (into Gasoline) Oil Refinery (Distillation)

Oil Refinery (Gasoline) Natural Gas Methane Crude Oil Synthetic Oil Oil Coal Coal Energy Crops Wind&O.R.E. Photovoltaics Nuclear H2 CO CH4 CO2 CO2 CH OH3 Methanol Electricity CO Disposal2 Hydrogen

From Other Regions

From Other Regions To Other Regions To Other Regions

Hydro Geothermal

Electricity Gaseous Fuel

Light Fuel Oil

Solid Fuel

: Electricity Use

Gasoline

Heavy Fuel Oil

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 Synthetic Oil Crude Oil SOx Syn.Oil Oil Refinery (Distillation) Oil Refinery (Gasoline)

Biomass Liquefaction Biomass Gasification (Anaerobic Digestion) Crude Oil Ethanol Coal Cleaning

N.Gas power gen.

Meth. power gen. Coal power gen. H power gen.2

Biomass power gen.

Oil power gen. Oil power gen.

Photov. power gen. Hydro power gen. Geoth. power gen. Nuclear power gen.

Sorbent Injection Wet limestone scrub. Wellman-Lord

Sorbent Injection Wet limestone scrub. Wellman-Lord SOx Rec. in End Use

SOx Rec. in End Use

‡

気候変動モジュールの概要

以下に示す結果では、大気中CO

₂

濃度までを計算

CO排出量2 エネルギーシステムモデル SOx排出量 メタン排出量 NO排出量2 ハロカーボン (20種)排出量 大気中 CO濃度2 海洋吸収 地表植生 CO 放射強制力 2 大気中 メタン濃度 大気中 NO濃度2 大気中ハロカー ボン(20種)濃度 メタン 放射強制力 N 放射強制力 2O ハロカーボン 放射強制力 (20種) SOx 放射強制力 HO 放射強制力 2 オゾン 放射強制力 全球平均 気温上昇 海面上昇 地域別 気温上昇 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 全放射強制力 エネルギー システム以外 からのCO排出量2 エネルギー システム以外 からのSOx排出量

大気中CO2濃度安定化の経路

出所：IPCC第２次報告

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。

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。

‡ http://www.aec.go.jp/jicst/NC/tyoki/ chokei2004/chokei01/siryo2.pdf、p3

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.267-282 (1999)

Case

CO2 constraints

1 BAU

free

2 550ppm

Global atmospheric CO2 concentration

at 550ppm in 2100

3 COP3 forever

COP3 forever in Annex1 after 2010

4 300%

after 2020:

Annex1:80% CO2 emissions at 1990

Primary energy production

0 5,00 0 10,00 0 15,00 0 20,00 0 25,00 0 30,00 0 200 0 2020 2040 20 60 2080 2100 P ri m a ry E n e rgy P rodu c ti on(M T O E /yr) 0 5,000 10,00 0 15,00 0 20,00 0 25,00 0 30,00 0 200 0 2020 2040 20 60 2080 2100 P ri m a ry E n e rgy P rodu c ti on(M T O E /yr) Nuclear Photovoltaics W ind Hydro & G eoth. B iomass C oal C rud e Oil Natural Gas

0

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

30,000

2000

2020

2040

2060

2080

2100

Fi

nal Energy Consum

ption(MTOE/yr)

Final energy consumption

BAU

_550ppm

0

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

30,000

2000

2020

2040

2060

2080

2100

Fi

nal Energy Consum

ption(MTOE/yr)

Electricity

Biomass

Coal

Methanol

Oil Products

Natural Gas

Hydrogen

Contributions of each

technological option

-5,000 0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 C O 2 E m is si ons , R e du c tions , a n d S e que s tr a ti o ns (M t-C ) Reforestation D em and Decrease F ossil Fuel Sw itching Biom ass

P hotovolta W ind Pow er

H ydro & G eotherm al N uclear Pow er O cean D isposal A cq uifer G as W ell Disposal EOR CO 2 Emission (550ppm ) CO 2 Emission (BAU )

CO2 emissions

0

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

30,000

35,000

2000

2020

2040

2060

2080

2100

CO2 emissions (Mt-C/yr)

annex1

non-annex1

0

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

30,000

35,000

CO2 emissions (Mt-C/yr)

2000

2020

2040

2060

2080

2100

annex1

non-annex1

0

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

30,000

35,000

CO2 emissions (Mt-C/yr)

2000

2020

2040

2060

2080

2100

annex1

non-annex1

0

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

30,000

35,000

2000

2020

CO2 emissions (Mt-C/yr)

2040

2060

2080

2100

annex1

non-annex1

BAU

550ppm

COP3

300

400

500

600

700

800

900

1990

2000

2010

2020

2030

2040

2050

2060

2070

2080

2090

2100

Atmospheric CO2 concentration (ppmv)

BAU

550ppm

COP3 forever

300%

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。

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。

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。

dt

dGDP

GDP

dt

dY

Y

dt

dX

X

dt

dCO

CO

1

1

1

1

₂

2

+

+

=

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

(1-0.025)

50

_=0.975

50

_=0.282

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。