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なぜ太陽光発電が地球の未来を担うのか

人類は砂漠から地球全体に電力を供給できる? 屋根の太陽光発電からソーラーシェアリング、浮体式太陽光発電まで、このアイデアとほかの選択肢を見ていきます。太陽光発電が実際にどう動くのかを紹介し、窓を太陽光パネルに変えるペロブスカイトのような新素材も探ります。太陽光は今や人類史上もっとも安いエネルギー源ですが、まだ乗り越えるべき課題もあります……

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排出削減効果速さコスト成熟度自然

4.6総合

この解決策の評価

  • 排出削減効果5 / 5太陽光は地球最大のエネルギー源で、太陽光発電は最も急速に広がっている。
  • 速さ5 / 5太陽光発電所は許可取得から数か月で稼働し、すぐに規模を広げられる。
  • コスト5 / 5史上最も安い電力で、元が取れる。
  • 成熟度5 / 5成熟した技術で、大量生産され、ほぼすべての国に設置されている。
  • 自然3 / 5害は少ないが、パネルには材料が必要で、大規模な太陽光発電所は場所を取る。

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クイズ

質問 1 / 10

侵攻してくるローマ船に対して、アルキメデスが使ったとされるものは何ですか?

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書き起こし

何千年ものあいだ、人類は太陽を畏敬の念と驚き、そして細めた目で見つめてきました。太陽を崇拝し、時間を測り、その光を浴びるのが大好きです(たまに日焼けしすぎることもありますが)。

でも、太陽がただの日焼け装置以上のものになれるとしたら?化石燃料に代わって、人類のエネルギー問題を解決できるとしたら?

太陽光発電の世界へようこそ!

人類は、太陽があると気づいてからずっと、その熱を使ってきました。実は、古代ギリシャの科学者アルキメデスは、巨大な鏡をたくさん使ってあの美しい金色の光を集め、侵攻してきたローマ船を燃やすほど熱い光線にしたと言われています [1,2,3]。とんでもない日焼けだったでしょうね!

でも、同じくらい頭のいいフランス人、エドモン・ベクレルが、適切な材料を使えば太陽光を電気に変えられると発見するまでには、さらに2,000年かかりました [4,5,6]。

そして少し後の1954年、その発見は初のシリコン太陽電池の開発につながり [4,5,7,8]、誰もが使える、無限で安く豊富なエネルギーの可能性が生まれました。では、太陽光技術は実際どう動くのでしょう?

光は光子という小さな粒でできていて、光子はエネルギーを持ち…まあ、光の速さで進みます。

毎秒、太陽から放たれた光子が地球の大気、海、大陸にぶつかり、地球を暖める熱を生み出します…あるいは、手元に巨大な鏡がたくさんあれば、ローマ船を燃やします!

でも、半導体という特別な材料に当たると、光子はボウリングの球のようにふるまい、ぶつかった原子から電子をはじき飛ばします [9,10]。そして、この電子が電気を生み出します。これが太陽光パネルの基本原理です…

でも、この技術で本当に人類の尽きないエネルギー欲を満たせるのでしょうか?

テレビ、電話、日焼けマシンなど、電化できるあらゆるものを動かすだけの電気を作るには、10万平方キロメートルを超える太陽光パネルが必要です [11]。すごい広さに聞こえるかもしれませんが、サハラ砂漠のわずか1.5%です [11]。

ではなぜ、人類は巨大なサハラ太陽光発電所で世界に電力を供給しないのでしょう?

実は、砂漠はそれほど暮らしやすい場所ではありません。焼けつく暑さと砂漠の風に運ばれる砂は太陽光パネルの効率を下げることがあり [12,13,14]、サハラはとても遠いため、設置とメンテナンスも大変で [15,16]、しかも何千キロメートルものケーブルで電気を送る必要もあります [17,18]。

こうした技術的な課題は理論上は乗り越えられますが、もっと大きな問題は、この壮大な計画にともなう複雑な地政学的課題です [16,17,18]。そのため、世界全体に電力を送る巨大なサハラ太陽光発電所は、急にあまり賢い案ではなさそうに見えてきます!

幸い、太陽光発電所は砂漠につくる必要はありません。実際、太陽光パネルはほぼどこにでも置けて、世界中の屋根の半分に設置するだけで、人類の電力需要を満たせるかもしれません [19,20,21]。

農地では作物のそばにも置けます [22,23]。そうすれば、人類が大好きなものを2つまとめて作れます: 食べ物と電気です。

浮体式のパネルなら世界中の貯水池にも設置でき [24,25]、水の蒸発を防ぎ [26,27]、長い日光浴のあいだも人類が水分不足にならないようにできます。実際、貯水池だけでも、世界中の電力をまかなえるだけの水面積があります [28,29,30]。

つまり、太陽光パネルで世界に電力を供給することは確かに可能ですが、現実的なのでしょうか?

最初の課題は、人類にはとてもおなじみのものです: まずパネルを作ることです。作るには資源とエネルギーが必要で、どちらにもコストがかかります [31]。たとえば、太陽電池に使うシリコンは採掘して加工しなければならず、それ自体が環境問題を起こすこともあります [32,33]。

太陽光発電にとって最大の壁は、たった1つのシンプルな質問にまとめられるかもしれません… 太陽が照っていないときはどうするのでしょうか?

地球で過ごしたことがあれば、24時間のうち約12時間は暗いことに気づいているでしょう。そして、どこにいるかによっては、ほかよりずっと暗い地域もあります [34,35]。

さらに悪いことに、昼間でもやっかいな雲が邪魔をすることがあります。電気のために太陽光が必要なら、これはまったく理想的ではありません [36]。つまり、太陽光発電は間欠的なエネルギー源なのです。

電力需要は1日のなかで変わるため、太陽エネルギーが必要な量をいつも作れるわけではありません: 作りすぎることもあれば、需要を満たすほど作れないこともあります [37]。だから、余ったエネルギーをあとで使うために貯蔵するか、太陽が照らないときには別のエネルギー源が必要です [38,39,40]。

今のところ、人類は世界全体に安定して供給できるだけの太陽エネルギーを貯蔵する方法を見つけていないので、当面は太陽光だけで地球に電力を供給することはできません。

でも、ご心配なく! 古代のアルキメデスや頭のいいベクレルのように、現代の多くの人々が技術的な解決策に取り組んでいて、その成果は出ています。

ペロブスカイトのような材料は、太陽光パネルをより高効率にし [41,42]、従来のシリコンパネルより環境への負荷を減らし、必要な資源も少なくできます [43]。ペロブスカイトはガラスを含む表面に塗ったり、印刷したり、吹きつけたりもでき [41,44]、窓を太陽光パネルに変えられます [45]。

リサイクル技術の進歩で鉱物を採掘する必要もさらに減っており [46,47]、太陽光パネルの価格はこの40年で99%以上も急落しました [48-52]。その結果、太陽光は風力と並び、人類史上もっとも安いエネルギー源を探す大レースで同率1位になりました [53,54]。そして人類が電気や食べ物、日焼けより好きなものが1つあるとすれば、それはお買い得品です!

では、太陽光を1点に集めるというアルキメデスのアイデアはどうでしょう?これで電気を作れるのでしょうか?ええ、作れます。集光型太陽熱発電所は今もあり、巨大な鏡で光を集めて溶融塩を熱します; その熱で電気を作るのです。ですが価格が急速に下がったため、今では太陽光パネルの設備は、集光型太陽熱発電所の約3分の1のコストで電気を作れます [54]。

というわけで、これから進むべき道は太陽光パネルのようです。実際、太陽光パネルは今やとても安く、世界全体の導入量はおよそ3年ごとに2倍になっていて [55]、2050年までに世界の電力の半分以上を供給する勢いです [56,57,58]。

でも、本当に化石燃料に取って代わり、地球を救えるのでしょうか?まあ、太陽光パネルだけではたぶん無理でしょう... でも、ほかのエネルギー源と組み合わせれば(そして相棒となるエネルギー貯蔵システムがあれば)、太陽光パネルは人類が化石燃料依存をやめ、これまで以上に明るい未来をつくる助けになります!

専門アドバイザー

ご協力いただいた皆さまに感謝します

Prof. Alastair Buckley

シェフィールド大学

数理・物理科学部

Dr. Dan Lamb

スウォンジー大学

酸化物・カルコゲナイドMOCVDセンター、CISM

関連動画

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概要 - ソーラーパネルの仕組み - 半導体の内部 - PN接合と物理学

概要 - ソーラーパネルの仕組み - ソーラーパネルシステム - ソーラーアレイ、ファーム、グリッド

ソーラーパワーの未来 - コスト、規模、世界的普及 - 100%再生可能な未来に向けたケーススタディ(風力とバッテリーと組み合わせて)

ソーラーパワーの未来 - コスト、規模、世界的普及 - シンクタンクの予測

地理と応用 - ファーム、浮体式、ハイブリッドシステムの世界的な機会

関連資料

これらのリソースは提携していません。ここで紹介しているリンク先はすべて英語です。

歴史

仕組み

参考文献

ここで紹介しているリンク先はすべて英語です。

  1. [1] シラクサ包囲戦 (紀元前214-212年) | 意義、概要、& アルキメデス | Britannica
  2. [2] アルキメデス - 「ユーレカ!」と叫んだ以外に何をした?(Archive.orgで閲覧)
  3. [3] 古代の死の光線を再現 | The New York Times
  4. [4] 初の実用的なシリコン太陽電池 | American Physical Society
  5. [5] 太陽光パネルの簡単な歴史 | Smithsonian Magazine
  6. [6] ベクレルによる1839年の回想録 - 金属板に対する放射線の作用 | Academy of Sciences Weekly Reports
  7. [7] 太陽電池の発明 | Popular Science(Let It Shine – The 6,000-Year Story of Solar Energyより抜粋)
  8. [8] 文書を徹底解説: 初の実用太陽電池の特許 | Smithsonian Magazine
  9. [9] 太陽光発電と電気 | U.S. Energy Information Administration
  10. [10] Handbook of Photovoltaic Science and Engineering | Wiley Online Library
  11. [11] サハラの1%で太陽エネルギーを活用すれば世界全体に電力を供給できる | Forbes(「参考メモ*」を参照)
  12. [12] 太陽電池技術と高温が太陽光発電システムの性能に与える影響 | Ain Shams Engineering Journal
  13. [13] 砂粒が太陽光パネルのガラス表面に垂直衝突する影響 | Tribology International
  14. [14] 非常に暑い天候は太陽光パネルの妨げになる可能性、専門家が指摘 | World Economic Forum
  15. [15] サハラの巨大な太陽光発電設備は私たちのエネルギー需要を満たせる? | CORDIS European Commission
  16. [16] クリーンエネルギーだけではない: サハラの風力と太陽光はサヘルの降雨を増やす可能性 | UNEP
  17. [17] クリーンエネルギー争奪戦で、ヨーロッパは北アフリカに目を向けている | Yale E360
  18. [18] (なぜ)Desertecは失敗した? 大規模再生可能エネルギーインフラプロジェクトの中間分析 | Local Environment
  19. [19] 再生可能電力の発電に向けた屋根上太陽光発電の可能性を世界規模で時空間評価 | Nature Communications(「参考メモ*」を参照)
  20. [20] 農地と屋根: 太陽光発電の世界的に十分活用されていない可能性 | Environmental Research Letters(「参考メモ*」を参照)
  21. [21] 陸上における世界の太陽光発電ポテンシャルのモデル化と気候変動への感度 | Environmental Research Letters(「参考メモ*」を参照)
  22. [22] アグリボルタイクス: 太陽光パネルと農業を組み合わせて双方にメリット | Statkraft
  23. [23] アグリボルタイクス: 太陽光と農業の同一場所での導入 | US Department of Energy
  24. [24] 水上太陽光発電: 欧州で拡大中 | Intersolar Europe
  25. [25] 太陽と水が出会う場所: 水上太陽光市場レポート | ESMAP
  26. [26] 浮体式太陽光発電の夜明け-技術、利点、課題 | Proceedings of the World Conference on Floating Solutions 2019
  27. [27] 水ストレス地域で蒸発を減らし、揚水に電力を供給する浮体式太陽光PV: Jordanの事例研究 | Energy Conversion and Management
  28. [28] 世界の貯水池に浮体式太陽光発電を導入した場合のエネルギー生産と節水効果 | Nature Sustainability(貯水池の水上太陽光パネルは世界の3分の1に電力を供給できる、研究結果 | The Independentで引用)(「参考メモ*」を参照)
  29. [29] 浮体式太陽光発電所と水力発電用貯水池の組み合わせ | Energy Procedia(「参考メモ*」を参照)
  30. [30] 世界の浮体式PVの現状と可能性 | Progress in Energy(「参考メモ*」を参照)
  31. [31] 太陽光PVによる発電の環境影響-エネルギー供給の選択肢を批判的に比較 | 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference | UN CTNC
  32. [32] シリカ採掘の環境への影響 | Journal of Geography and Regional Planning
  33. [33] 太陽光PVシステムの環境影響: 最近の進展と今後の見通しの批判的レビュー | Science of The Total Environment
  34. [34] 世界規模での太陽エネルギーの可能性に関する空間評価。地理学的アプローチ | Journal of Cleaner Production
  35. [35] 太陽光発電の変動性と集約 | Nature
  36. [36] 気候変数の時空間的な変動と断続的な再生可能エネルギー発電 - レビュー | Renewable and Sustainable Energy Reviews
  37. [37] ダックカーブ分析の10年:2008年のNRELの発見が、今日の送電網でより多くの太陽光発電を可能にするまで | NLR (NREL)(アーカイブ)
  38. [38] 手頃で信頼できる、徹底的に脱炭素化された電力システムづくりにエネルギー貯蔵が重要 | MIT News
  39. [39] 再生可能エネルギー源の相互補完性に関するレビュー | Solar Energy
  40. [40] 揚水貯蔵と風力-太陽光PVのハイブリッド相互補完発電システム | Applied Energy
  41. [41] はじめに: なぜペロブスカイトとペロブスカイト太陽電池なのか? | Prevoskite Photovoltaics
  42. [42] タンデムには力がある | Science(「奇跡の素材」ペロブスカイトが太陽光パネルの効率の壁を突破 | The Independent内)
  43. [43] ペロブスカイト-シリコンタンデム太陽電池の環境性能に関する新たな知見 | Sustainable Energy & Fuels | RSC(ペロブスカイト太陽光発電の環境影響 | PV magazine International内)
  44. [44] 太陽電池用ペロブスカイト技術 | Encyclopedia of Sustainable Technologies (第2版)
  45. [45] 新しいスマート窓は太陽光で暗くなり、同時に発電する | Science | AAAS
  46. [46] 太陽電池モジュール/パネルのリサイクルに関するレビュー | Solar Energy Materials and Solar Cells
  47. [47] 太陽光PVリサイクルの技術的進歩: レビュー | Minerals
  48. [48] 技術革新が低コストの気候変動対策を可能にする | Energy Research & Social Science(太陽光パネル価格の急落で化石燃料は「時代遅れ」に | The Independent内)
  49. [49] 世界の設備容量が2倍になるたびに、太陽光パネル価格は約20%下落した | Our World in Data(「参考メモ*」を参照)
  50. [50] なぜ再生可能エネルギーはこれほど急速に安くなったのか? | Our World in Data(「参考メモ*」を参照)
  51. [51] 太陽光(太陽電池)パネル価格 | Our World in Data(「参考メモ*」を参照)
  52. [52] 2024年第3四半期の世界PV市場見通し | BloombergNEF(「参考メモ*」を参照)
  53. [53] World Energy Outlook 2024 - Analysis | IEA
  54. [54] 2023年の再生可能エネルギー発電コスト | IRENA(「参考メモ*」を参照)
  55. [55] 2022-2026年の太陽光発電の世界市場見通し | Solar Power Europe(アーカイブ)
  56. [56] 持続可能性に向けた世界のエネルギー移行を進めるカギとなる低コストの再生可能電力 | Energy
  57. [57] 太陽エネルギー移行の勢い | Nature Communications(UCL News | University College London内)
  58. [58] 太陽エネルギーは2050年までに世界の電力の半分を生み出すかも | Bloomberg

参考メモ

11

サハラ砂漠の太陽光発電で世界を賄うために必要な砂漠の面積

この参考文献の記事は、オンライン知識共有プラットフォームQuoraでの議論が元になっており、科学誌や報告書で正式な査読・発表はされていない。だが、Forbesとニューヨーク・タイムズの両方で広く引用・参照・転載されており、世界のエネルギー需要に向けた太陽光発電の解決策を提案し、「サハラ解決策」の実現可能性、実用性、必要な数値を検討した最初の事例だと著者は述べている。これは学界と業界の専門家でもある著者によって厳しく批判・擁護され、同分野の研究者や業界の専門家から非公式な支持も得ている。提案の一部と裏づけとなる計算は、仮説的な「ざっくりした」試算、または現実の解決策シナリオの土台として考えられ、両方の文脈で議論されているが、ここでは説明のための概算として使われている。

特に、この推計は総エネルギー消費量を基にし、熱、輸送、産業プロセスを含むすべてのエネルギー利用が完全に電化されると仮定している。これらの用途を直接電化できるかどうかはさまざまで、ときには現実的でなかったり不可能だったりする(一部は太陽光発電による電気分解で作るグリーン水素を燃料にできる可能性がある)。McKinsey、IRENA、IEAの世界エネルギー見通しによる部門別の知見に基づくと、実用上の課題があることを認めつつ、現在および近い将来の技術で世界のエネルギー需要の約60-70%は現実的に電化できるという(AI作成の)集計推計があるA,B,C。現在の世界の電力需要を支えるために必要なサハラの太陽光発電所の面積は、これよりずっと小さい。

サハラ砂漠の1.2%という推定必要面積は、近年の世界エネルギー需要の増加を考慮して1.5%に調整されている(2023年時点で約19.6TWD,E)。

19,20,21

屋根設置型太陽光パネルの世界的な可能性

複数の論文が屋根上太陽光発電(PV)の世界的な可能性をモデル化しているが、結果は異なる。ある論文[19]は、PVに適した屋根の総面積では年間27 PWhを発電でき、2018年時点の世界の電力需要を上回ると推定している。日照量、ひいてはPVの可能性には地域差や季節差があるため、地域ごとの屋根面積がこの総潜在力に占める割合は一様ではない、つまり、ある地域の発電能力は地域需要を大きく下回る一方、別の地域では需要を上回り、世界全体の供給に不釣り合いに大きく貢献する可能性がある。著者らは、地域をまたいで合算した世界の年間電力需要を満たすには、世界の屋根面積の少なくとも50%が必要だと推定している。

2023年時点で、世界の電力需要は30 PWh弱Fまで増え、[19]で報告された世界の屋根-PVの潜在力を上回っている。一方、電力に加え、暖房、輸送、産業プロセスを含む総エネルギー需要は、約172 PWhだったD,E。別の論文[20]は、[19]の手法には不整合があると指摘し、世界の屋根-PVの潜在力は最大で約30.5 TWの設置可能容量に相当し、年間267 PWh超になると推定している。これは総エネルギー需要さえ大幅に上回る。3本目の論文[21]は、進行中の排出シナリオによって変わりうるものの、2050年までに世界の屋根-PVの潜在力が年間175 TWhに達すると推定している。この予測では、[19]が現在報告しているより大幅に広いPV面積を支えるため、屋根上設置を拡大する必要がある。これらの結果とそれぞれの手法を踏まえると、世界の屋根の半分だけでも人類の電力需要を満たせる可能性がある、という控えめな結論になる。

28,29,30

世界中の貯水池における浮体式太陽光パネルの可能性

ある論文 [28]では、世界中のすべての貯水池(114,555か所、計556,111 km2)の水面を最大30%まで水上太陽光発電(FPV)で覆った場合、年間9,434 TWhの発電が見込めると推定している。これは、技術面・環境面の制約からFPVの設置面積を30%に抑えた、控えめな推定である。同様に、別の論文 [29]では、世界の貯水池の水面積の25%で年間8,000 TWh 年-1を発電できると報告している。IEAの予測 Gによれば、これは当面の世界の電力需要の少なくとも4分の1にあたり(2023年末時点では需要のほぼ3分の1 F)、新たな貯水池が造られれば容量はさらに増える可能性がある。

ただし、より新しい論文 [30]では、太陽追尾システムや両面受光型太陽光パネルなど、これまでの研究では考慮されていなかった太陽光パネル技術の進歩を取り上げている:「トラッカーはシステムの浮体と係留の要件を増やし、全体のシステムコストを上げる可能性があるが、固定-傾斜システムに比べた大きな発電量の増加、技術の進歩、コスト低下により、今後数年でより一般的になるだろう」。これらの新技術が世界規模でどれほど機能するかを調べるため、著者らは「世界中の249,717か所の内陸貯水池(人工-自然の両方、総面積222,623 km2)で、傾斜角の異なる固定-傾斜設備、さまざまな追尾方式、異なるパネル種類(片面受光型 vs. 両面受光型)を含む、さまざまなFPV構成の導入容量と発電ポテンシャルを分析した -約4倍の規模である」 [28]。こうした更新により、著者らは最大22 TWp(ピーク-出力)のFPV容量が見込め、世界全体の電力需要を満たせると結論づけている。

49-52

現在の太陽光発電の価格

Our World in Data [51]は、IRENA 2024 Hを含む複数の情報源のデータをまとめている。ウェブページによると、IRENAは複数の異なる技術について太陽光発電モジュール価格を示している。2013年第4四半期以降のデータは、「薄膜a-Si/u-Si」技術の年間平均価格、または全太陽光技術の基準となる世界価格指数で、2023年には世界価格が0.31ドル/Wに達した。他の情報源 I,J,Kは、主流である片面型単結晶パネル技術を主な基準としており、その価格はさらに下がっている:

2024年1月、欧州で販売された薄膜a-Si/u-Siモジュールの価格は約0.16ドル/Wまで下がった H。2024年4月、片面型単結晶モジュールの世界スポット価格は0.11ドル/Wと報告された I。2024年11月には、市場の主流である単結晶PERCパネルと次世代c-Si TOPCon技術の価格が、中国、欧州、米国でそれぞれ0.087ドル/W、0.1ドル/W、0.29ドル/Wに達した J,K †。

†輸出価格は通常、物流、関税、地域市場の要因、とくに国際商取引条件(中国からの輸出はFOB、米国・欧州はDDP J)のため、中国より世界市場で高くなる。

Bloomberg [52]は、世界平均のモジュール価格が0.096ドル/Wまで下がったと報じている。1984年の世界平均モジュール価格19.48ドル/W [51]と比べると、モジュール価格は40年間で99%以上下落した。

さらに比べると、米国の平均モジュール価格は2024年第1四半期までに0.29ドル/Wへ下がった I。これは1989年から35年間で96%の下落にあたる L,M。米国で価格が高めに保たれているのは、中国製モジュールへの関税やその他の輸入要因による I。

54

太陽光発電と集光型太陽熱発電のLCOE比較

IRENA『Renewable Power Generation Costs 2023』によると、太陽光発電の世界加重平均の均等化発電原価(LCOE)は0.044米ドル/kWhだった。2010年から2023年にかけて、CSP発電所の世界加重平均LCOEは0.393米ドル/kWhから0.117米ドル/kWhへと70%低下した。したがって、2023年時点で、事業用規模の太陽光発電のLCOEはCSPの3分の1強にすぎない。とはいえ、太陽光発電のコストは下がり続けている。2021年から2023年にかけて、運転を開始したCSP発電所は毎年1基だけだったため、これらの年が必ずしも代表的とは限らない。CSPの導入は減速し、太陽光発電との競争も激しいことを考えると、これらの発電所は競争力を示すために進められた、高度に最適化されたプロジェクトだった可能性がある。したがって、報告された平均LCOEは、より一般的または多様なCSPプロジェクトが導入された年に見られる値より低いかもしれない。

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