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ゼロカーボン・エネルギーの星:再生可能エネルギー<2>太陽光・熱発電の現状とこれから

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POINT
■日本は、世界3番目の太陽光発電国だ。導入をさらに加速させるためのコストダウンや設置場所の確保に向けた新たなビジネスモデルの模索、次世代太陽電池の技術開発も進んでいる。

■次世代太陽電池が実用化すれば、移動体や建物の壁面など、これまで設置が難しかった場所への設置も可能になる。ただ、変換効率の向上が今後の課題になる。

■通常の太陽光発電より安定的で低コストで発電ができる集光型の太陽熱発電は、北緯37度以南の地域で導入が進んでいる。だが、日本での本格的な導入にはさらなる技術革新が必要だ。

日本エネルギー経済研究所 主任研究員 中村博子  

日本は太陽光発電をさらに増やせるのか

 国際エネルギー機関(IEA)は2021年5月18日、2050年にカーボンニュートラルを実現するための戦略を発表した(注1)。50年にカーボンニュートラルを実現するには、30年までに世界全体の太陽光発電の年間新規導入量を630ギガ・ワット(GW)まで引き上げる必要があるという。図1に示したように、世界の太陽光発電の新規導入量は順調に増えているが、それでも20年時点で約135GWにすぎない(注2)。年間の新規導入量を今の4倍以上に増やさなければ、50年のカーボンニュートラルは実現できないことになる。

出所:IEA(2021)Renewables2020を基に筆者作成
出所:IEA(2021)Renewables2020を基に筆者作成

 この連載の1回目でも触れたが、環境省によると、太陽光発電の導入可能量(ポテンシャル)は322~2745GWとみられており、さらに経済性を考慮すると、導入ポテンシャルは38~406GWにとどまる(注3)。近年は、森林伐採による生態系の破壊や土砂崩れの増加、景観の悪化につながる、との批判や、送電のための高圧電線の建設への不安などから、地域住民がメガソーラー建設に反対する動きも相次いでいる。地域社会の受容性が低下してきていることも踏まえ、導入ポテンシャルを環境省の高位シナリオの半分程度にとどまるとする推計もある(注4)。

 日本の太陽光発電は、発電した電気を固定価格で買い取るFIT制度(Feed-in Tariff)が2012年に始まってから急ピッチで導入が進み、20年9月時点の導入量は58.9GWと世界第3位になっている(図2)。だが、国内では近年、特に2メガ・ワット(MW)超の大規模案件が減少している(図3)。

出所:IEA(2021)Renewables2020を基に筆者作成
出所:IEA(2021)Renewables2020を基に筆者作成
出所:資源エネルギー庁「今後の再生可能エネルギー政策について」(第25回再生可能エネルギー大量導入・次世代電力ネットワーク小委員会<2021年3月1日>資料1)
出所:資源エネルギー庁「今後の再生可能エネルギー政策について」(第25回再生可能エネルギー大量導入・次世代電力ネットワーク小委員会<2021年3月1日>資料1)

 政府は現行の対策を継続し、今後も年間1.5GW程度の認定量が続けば、30年の累積導入量は88GWまで増やせると見込んでいる(表1)。しかし、国土面積当たり、平地当たりの太陽光発電の導入量では日本はすでに世界最大となっている(図4)。さらに新規導入を増やすには、まとまった土地が必要だが、その確保は簡単ではない。

 そこで模索されているのが、これまであまり活用されてこなかった場所への太陽光発電設備の設置だ。国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)は、今後、特に技術開発を推進すべき分野として、<1>建物の壁面<2>重量制約のある屋根<3>移動体(車載電池パネル)<4>戸建て住宅<5>水上<6>農地――の6か所を挙げている。有識者会合でも、ゼロエミッションハウス(ZEH)やゼロエミッションビル(ZEB)に対する財政支援や、太陽光発電設備の設置義務付けなどが提案されてきた。政府は、6月3日に新築の公共建造物への太陽光発電設備の設置を標準化する対策案を示した。また、ZEHやZEBに取り組んでいる事業者はまだ少ないことに鑑み、30年に新築の住宅・建築物でZEHとZEBを定着させる目標を掲げた。

出所:各種資料から筆者作成 ※1資源エネルギー庁(2021)「2030年における再生可能エネルギーについて」※2電力中央研究所(2020)「2030年における再生可能エネルギー導入量と買取総額の推計」※3太陽光発電協会(2021)「2050年カーボンニュートラル実現に向けて 次期エネルギー基本計画について(2030年目標125GW)」※4自然エネルギー財団(2020)「2030年エネルギーミックスへの提案(第1版)自然エネルギーを基盤とする日本へ」
出所:各種資料から筆者作成 ※1資源エネルギー庁(2021)「2030年における再生可能エネルギーについて」※2電力中央研究所(2020)「2030年における再生可能エネルギー導入量と買取総額の推計」※3太陽光発電協会(2021)「2050年カーボンニュートラル実現に向けて 次期エネルギー基本計画について(2030年目標125GW)」※4自然エネルギー財団(2020)「2030年エネルギーミックスへの提案(第1版)自然エネルギーを基盤とする日本へ」

太陽光発電促進型のビジネスモデル

 フランスやドイツ、イタリアなどでは、ブドウ園、オリーブ園、養蜂場、放牧地などにメガソーラー級の太陽光発電設備を併設する動きが盛んである。このように営農を続けながら太陽光発電を行うことを「ソーラーシェアリング」(営農型太陽光発電)という。最近では、農地で利用した際に起こる日照時間への影響について、太陽光パネルを設置する角度や間隔の研究、可動式のパネルの導入なども進んでいる。

出所:METI資料、IEA(2021)Renewables2020を基に筆者作成
出所:METI資料、IEA(2021)Renewables2020を基に筆者作成

 仏エネルギー規制委員会が2021年1月に実施した革新的な太陽光発電技術の入札では、落札者47件(146.2MW)のうち31件(80MW)がソーラーシェアリング事業だった。フランスではエネルギー大手「エンジー」のグループ会社や、政府系電力大手「EDF」のグループ会社が、ソーラーシェアリング事業に投資しており、6月には世界初の業界団体も設立された。伊エネルギー大手のグループ会社「エネル・グリーン・パワー」は21年2月、スペイン、イタリア、ギリシャの9か所の既存の太陽光発電所を営農用に改修する実証事業を立ち上げた。

 日本では、ソーラーシェアリングの設備を設けるための農地転用許可は18年度までに1992件(560ヘクタール)に上っている(注5)。すでに野菜、観賞用植物、果樹、米・麦など、さまざまな農作物が太陽光パネルの下で生産されている。

 ソーラーシェアリングをさらに進めるため、農林水産省は21年4月、荒廃した農地に太陽光パネルを設置して発電する際の要件を緩和した。これまでは農地にパネルを併設する場合は耕作を続けることが前提で、地域の平均単収の8割以上を確保することが要件だったが、荒廃した農地を再生利用する場合には、この要件が撤廃された。太陽光発電用地に転用できる荒廃農地の要件も緩和した。これまでは<1>生産条件が不利で<2>相当期間耕作されておらず<3>耕作者を確保できない――という3要件がそろわないと耕作地転用の特例対象にならなかったが、<1><2>の2要件を廃止し、耕作者を確保することができず、耕作の見込みがないというだけで耕作地を太陽光発電に転用できるようになった。

 この変更によって、ソーラーシェアリングのハードルが下がったが、農業関係者の間には、「実質的には営農が行われない事例が増える」と懸念する声もある。

 カーボンニュートラル社会に向け、企業に対しては、使用電力のすべてを再エネ電力にするよう求める声が高まっている。これを受け、再生可能エネルギーのFIT制度や、プレミアム価格の上乗せ(FIP=フィード・イン・プレミアム)に依存しないビジネスモデルが広がりを見せている。

 再エネの導入コストが十分に下がっている米国や欧州などでは、FITやFIPに代わって、需要家(企業)と再エネ事業者が直接、電力購入契約(PPA=Power Purchase Agreement)を締結する「コーポレートPPA」が再エネ売電の枠組みの主流になりつつある。電力は事業者から公共の送電線網(系統)を通じて需要家に届けられることが多いため、買い取り料金のほかにバランシング(需給調整)サービスのコストや託送料金(注6)が上乗せされて割高にはなるが、企業側には、「追加性」(注7)の高い再エネを長期的・安定的に調達できるなどのメリットがある。

 BloombergNEFの調査によると、全世界の契約量は17年の6.2GWから、20年には4倍近い23.7GWまで急増している。

 日本でも、再エネ電力を自己託送(注8)の仕組みを使って発電設備から離れた場所(オフサイト)の需要地で受電し、不足分は小売り電気事業者から部分供給を受けている企業の例はある。だが、現行の日本の制度では、社内・グループ内の電力融通、または小売り電気事業者を介した3者間のPPA(第三者所有モデル)しか認められておらず、再エネ事業者と企業が直接、小売り契約を締結することはできない。総合エネルギー調査会電力・ガス基本政策小委員会は現在、制度の見直しを検討している。

 21年4月には、環境省が第三者所有モデルで太陽光発電による電力を供給する事業者に対して、設備等の導入を支援する補助金の募集を始めており、日本でもコーポレートPPAの拡充に向けた動きが今後、加速しそうだ。

次世代太陽電池技術の進展

 太陽光発電の新たな用途への展開に向けて、技術面から期待されているのが次世代太陽電池技術だ。

 太陽電池は、素材によってシリコン系、化合物系、有機系の三つに大別されるが、現在は結晶シリコン型が市場の約9割を占めている。化合物系では、銅・インジウム・セレンの化合物である「CIS太陽電池」や「テルル化カドミウム(CdTe)系太陽電池」といった既存の技術に加えて、ガリウムヒ素(GaAs)を利用する太陽電池が次世代技術として注目を集めている。

リア部分に貼られた電気自動車向け太陽電池パネル(シャープ提供)
リア部分に貼られた電気自動車向け太陽電池パネル(シャープ提供)
リコーが開発した固体型色素増感太陽電池(リコー提供)
リコーが開発した固体型色素増感太陽電池(リコー提供)
ソーラーマッチングの栽培実験(公立諏訪東京理科大学 渡邊康之教授提供)
ソーラーマッチングの栽培実験(公立諏訪東京理科大学 渡邊康之教授提供)

 シャープは、ガリウムヒ素を中心とした原料から作られる3層の半導体で構成された太陽電池をつくりあげ、約30~32%という世界最高水準の光電変換効率を実現した。もともと人工衛星向けに開発されたが、シャープはこの技術を利用して、厚さがわずか0.03ミリメートルしかないフィルム状の電気自動車(EV)向け太陽電池パネルも製作している。2019年からは自動車メーカーと協業して、太陽電池パネル搭載自動車による公道での実証実験が進んでいる。

 有機物系の太陽電池技術では、照度が低くても安定的に発電できる「色素増感太陽電池」が通信・センサー用電源として採用されており、IoTの進展に伴って、さらなる展開が期待される。液体型の色素増感太陽電池は液漏れや腐食を起こしやすく、安全性や耐久性が課題だったが、リコーは20年、液漏れしない固体型の色素増感太陽電池を開発した。すでに室内光だけで充電しながら使えるパソコン用のマウスに搭載され、一般向けに実用化されている。

 安価で、資源性に優れる有機半導体を用いる「有機薄膜太陽電池(OPV)」も、次世代の低コスト太陽電池として期待されている。原材料を印刷機で薄膜状に塗布して製造でき、半透明化や多色化が可能なため、海外では主に建材一体型太陽電池(BIPV)として採用されている。国内でも、農業用ビニールハウスの代わりにフィルム状の「透過性有機薄膜太陽電池」を使い、農作物の栽培と発電を両立させる「ソーラーマッチング」の技術開発が進められている。OPVは軽量で柔軟なため、シリコン太陽電池の適用が難しい場所にも設置できる。十数%という低い光電変換効率が今後の課題だ。

*色素増感太陽電池についてはセル変換効率 出所:NREL調査、シャープウェブサイトなどから筆者作成
*色素増感太陽電池についてはセル変換効率 出所:NREL調査、シャープウェブサイトなどから筆者作成

 有機無機ハイブリッド太陽電池に分類される「ペロブスカイト太陽電池(PSC)」は、09年に日本で発明された。原材料を液体に溶かしてインク状にし、基板に塗布するだけで製造でき、コストを抑えられる。基板にフィルムを使うことで軽量かつ柔軟になるため、ガラスへの印刷や建物への利用をはじめ、さまざまな用途への展開が期待される。

 米国の国立再生可能エネルギー研究所(NREL)によると、PSCの光電変換効率は単結晶シリコン太陽電池と同程度の25%前後に達する。有害物質である鉛を使用する点が課題とされており、他物質による製造も研究開発が進められている。米バイデン政権は21年3月25日、「太陽エネルギー技術の導入加速化に向けて、30年までにコストを60%低減する」という野心的な目標を発表したが、投入予定の総額1億2800万ドルのうち、約4分の1がPSCの研究開発に充てられることになっている。

 このほか、理論上の変換効率で75%という高い潜在性を有し、第3世代太陽電池とも呼ばれる「量子ドット太陽電池」の研究も進められている。

出所:NRELウェブサイト
出所:NRELウェブサイト

横たわる新疆ウイグル自治区の強制労働問題

 世界中で使われている太陽光発電用の多結晶シリコンの約半分は、中国・ 新疆(しんきょう) ウイグル自治区で生産されている。同自治区では強制労働が国際問題化しているが、多結晶シリコンも強制労働によってつくられている可能性が報じられ、太陽光パネルのサプライチェーン(供給網)は見直しが進んでいる。米国と欧州連合(EU)は、多結晶シリコンを含む同自治区からの製品について、輸入禁止措置の拡大(注9)を検討している。

 また、世界のトップ企業を含む260社以上が、サプライチェーンが強制労働に関与していないことを誓約する署名を求めている。米国太陽エネルギー産業協会(SEIA)は21年5月、調達した製品が強制労働問題とは無関係なことを確認する追跡システムまで導入している。今後、日本の企業もより厳しい対応を迫られることになるだろう。

 太陽光発電には、大量導入が進むと、使用済み太陽電池モジュールが大量発生するという問題もある。NEDOの推計によると、日本国内のモジュール発生量のピークは2035~37年頃で、その量は年間17万~27万トンに達するという。太陽光発電設備は長期にわたる屋外の使用を前提に、セル、封止材、ガラスを複層的に重ねた構造になっており、これらを低コストで分離するリサイクル技術の開発が今後の課題となる。

太陽熱発電には4種類ある

出所:IEA(2021)Renewables2020を基に筆者作成
出所:IEA(2021)Renewables2020を基に筆者作成

 集光型太陽熱発電(CSP=Concentrated Solar Power)は、太陽光をレンズや反射鏡で集めて熱に変換し、熱を使って生成した蒸気でタービンを回転させることで発電するシステムだ。蓄熱設備を持つことで、日照のある昼間に熱エネルギーをため、夜間に発電することができるので、安定した電力供給が可能になる。ソーラーパネルを利用する太陽光発電より低コストで発電でき、他のタービンを回転させる発電方式と併用することもできる。しかし、図6に示したように、太陽熱による発電量は「直達日射量」(注10)によって大きく変わる。このため、設置場所は北緯37度以南の「サンベルト地帯」に集中している。

 主な太陽熱発電システムには、図7に示した四つの種類がある。パラボラ・トラフ型(図7-a)は、曲面反射鏡の前にオイルなどの液体が流れるパイプを置いてパイプに集光する。反射鏡の構造が比較的単純で、製造コストを抑えられるのが利点だ。

 リニア・フレネル型(図7-b)は、トラフ型と似た仕組みで、凹面の反射鏡を少しずつ角度を変えて並べ、数メートル上にある集熱管に光を集めることで蒸気を生み出して発電するシステムだ。トラフより簡易なシステムで、風圧や風速の影響を受けにくい。

出所:NEDO『再生可能エネルギー技術白書(第2版)』
出所:NEDO『再生可能エネルギー技術白書(第2版)』

 タワー型(図7-c)は、タワーの上部に集熱器を取りつけ、周囲に同心円状に平面鏡を置くシステムだ。光を1点に集めるため、最高1000℃まで加熱でき、発電効率が良いのが利点だ。しかし、光を集中させるために正確に反射鏡を動かしたり、障害物に遮られることのないようタワーを高くしたりする必要があるため、設備費とランニングコストが高くなりやすい。

 マイクロソフト社のビル・ゲイツ氏が支援しているクリーンエネルギーのスタートアップ(新ビジネスで急成長する企業)のひとつ、Heliogen(ヘリオジェン)社は、米カリフォルニア州ランカスターにあるタワー型CSPシステムで、1000℃を超える太陽エネルギーを発生させることに成功した。同社は技術ロードマップ(工程表)で「最高温度1500℃を目指す」としている。実現すれば発電した電気で二酸化炭素(CO2)や水の電気分解が可能になり、水素などが生成できる。同社はCSPを利用した超臨界CO2発電事業(注11)にも取り組んでいる。

 ディッシュ型(図7-d)は、衛星放送のアンテナのような放物曲面状の反射鏡(ディッシュ=皿)の中央に電力変換ユニットを置いて発電する。直径5~15メートル、発電出力5~50キロ・ワットで、他のシステムより発電効率がよく、冷却水を必要としないのが特長だ。しかし、小型のためディッシュが発電する電力量が小さく、大規模に発電できるものはほとんどない。

 CSP発電設備は、構造上日照時間が長く湿気が少ない場所が望ましく、曇天の日が比較的多く多湿の日本には適地が少ない。また、技術によっては広い敷地が必要になるという課題もある。日本で本格的に導入するには、今後、集光技術や湿気への耐性の向上など、さらなる技術開発が必要になる。

 太陽エネルギーを利用した発電は、古くから導入が進んでいる技術でありながら、将来も様々な形での技術開発が期待される。今後はこれまでなら想像されなかった場所にも設置されるようになるのではないか。ただし、前述した中国の人権問題、リサイクルなどの問題を解決し、社会が受容できるシステムを構築していく必要がある。技術的な課題のほかに、今後解決していかなければならない問題は多い。

(注1)IEA(2021)Net Zero by 2050:A roadmap for the global energy sector
  https://www.iea.org/reports/net-zero-by-2050

(注2)IEA(2021)Renewable Energy Market Update 2021:Outlook for 2021 and 2022
  https://www.iea.org/reports/renewable-energy-market-update-2021

(注3)環境省(2020)「令和元年度再生可能エネルギーに関するゾーニング基礎情報等の整備・公開等に関する委託業務報告書」

(注4)電力中央研究所(2020)「ネットゼロ実現に向けた風力発電・太陽光発電を対象とした大量導入シナリオの検討」

(注5)農林水産省(2020)「営農型太陽光発電設備設置状況詳細調査(平成30年度末現在)調査結果について」
  https://www.maff.go.jp/j/nousin/noukei/totiriyo/attach/pdf/einogata-31.pdf

(注6)電力を送るための送配電ネットワークの利用料金。

(注7)企業が選択した調達方法が、再エネへの投資を促進する新規の発電設備であると評価されること。

(注8)電力会社の送配電ネットワーク(電線など)を利用して、自家発電設備で発電した電力を、発電設備所有者が所有する別の場所で消費できるよう送電できる制度。通常の電力供給とは異なり小売電気事業者を必要とせず、再生可能エネルギー発電促進賦課金の対象外となる。

(注9)米国は21年1月、中国の新疆ウイグル自治区での強制労働を理由に、同自治区からの綿とトマト、それらの派生製品の輸入を留保する違反商品保留命令を発出した。同自治区産の全ての綿製品とトマトの輸入を禁止しており、太陽光パネルの輸入禁止措置も検討している。欧州議会の議員も同様の措置に踏み込む用意があると述べている。

(注10)雲がないとき、太陽光線に垂直な地表の1平方メートルの面が1秒間に受けるエネルギー量。

(注11)超臨界CO2発電は、燃焼器にCO2と天然ガス、酸素を投入し、CO2を高温・高圧で液体と気体の両方の性質を備える「超臨界」の状態にしてタービンを回転させ発電する仕組み。CO2を分離して回収する設備を別に設置しなくても、タービンからの排ガス(CO2と水蒸気)を冷却してCO2と水に分離することができる。このCO2のほとんどは再び燃焼機に供給され、システムの中を循環するが、燃焼により増加したCO2(すなわち、燃料に含まれるCから生成されるCO2)はシステム外高純度・高圧の状態で回収される。

ゼロカーボン・エネルギーの星:再生可能エネルギー <1>再エネはどこにでもある?

プロフィル
中村 博子氏( なかむら・ひろこ
 1977年生まれ。日本興業銀行、フリーランスリサーチャーを経て、2019年より日本エネルギー経済研究所に勤務。

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2135546 0 経済・雇用 2021/06/18 13:46:00 2021/06/24 11:46:00 2021/06/24 11:46:00 https://www.yomiuri.co.jp/media/2021/06/20210617-OYT8I50107-T.jpg?type=thumbnail

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