再生可能エネルギー と 原子力 によるカーボン ネガティブ ・ エネルギー システム～ 地球環境の回復 と 持続的エネルギ－供給 ～2017 年9月21日
エネルギー問題に発言する会・座談会

堀 雅夫
1

堀の座談会での講演歴
2003 「原子力による水素エネルギー 」
2005 「2050年の原子力 -- ビジョンとロードマップ –-」2006 「電気自動車・プラグインハイブリッド車の主な動き」（BEV： 東電・姉川尚史氏、 PHEV： 電中研・岡野邦彦氏）

2007 「プラグインハイブリッド車の動向・展望」
2009 「電動自動車導入のエネルギー効果と関連技術の現状」
2

3

プラグインハイブリッド車導入の環境・エネルギーへの効果
06年5月
自動車技術会春季学術講演会で発表
07年3月
自動車技術会論文集に掲載

PHEVは，石油消費の削減，車のエネルギー利用効率の向上，電力需要の平坦化などに効果（定量的提示）
PHEVの導入に伴って電源構成を自給可能・炭酸ガス排出削減可能な原子力発電などにシフトしていけば，日本のエネルギーセキュリティと地球環境の保全に貢献（定量的提示）
この発表から1年以上後に、トヨタのPHVの公道試験、GMのシボレーVoltの開発などが始まり、国内外の自動車メーカーの動きも本格化
4ユーティリティファクターとは
全走行距離に占める外部充電電力によって走行する距離の割合
この割合は左図のドライブパターン（１日あたりの走行距離の分布）から下図のような電池容量km（充電電力走行距離）の関数として計算される

数値計算式
電力走行割合（距離） =[∑{X * ∆V} (for X=0 to X) + (1-V) * X]
/ ∑{X * ∆V} (for X=0 to maximum)
X: 走行距離および電池容量 [Km]
V: 累積台数割合 [-]
電力走行割合70%の電池容量
軽自動車：

35 Km走行可能電池

登録自動車： 60 Km走行可能電池

5

10.90.8

Utility Factor, UF [-]ユー ティリティファクター

国交省

0.7

堀

0.6
0.50.40.30.20.1
0020406080100120140

充電電力走行距離
ChargeDepleting Range [km]国交省： 国土交通省 「プラグインハイブリッド自動車の燃費算定等に関する実施要領について」 国自環第85号（2009.7.30）
6
堀： 堀 雅夫 「プラグインハイブリッド車導入の環境・エネルギーへの効果」 自動車技術会論文集 Vol.38, No.2, p.265 (2007)

自動車技術会からの執筆依頼により会誌「自動車技術」にPHEVの燃費に関する解説を掲載

7

原子力の熱を炭素資源に供給

8

協働的エネルギー転換プロセス
日本原子力学会誌, Vol. 49, No. 5（2007）

原子力から炭素資源（化石燃料・バイオマス）に熱を供給
CO2排出の削減
高効率エネルギー転換
炭素資源のノーブルユース

9Virgin Earth Challenge
大気中CO2除去の実用技術の提案者に２千５百万ドル（27億円）の賞金！
10

IPCCシナリオ評価で気温上昇を2℃未満に抑えるには負排出が必要

出典： Fuss, S., et.al., "Betting on negative emissions" Nature Climate Change 4, 850-853 (2014),
Adapted by Noah Deich at https://carbonremoval.wordpress.com

11排出削減、ネガティブ・エミッション、実質ネガティブ・エミッション
Emissions reductions, Negative emissions, and Net negative emissions

Honegger, M., et.al., (2017). "Climate change, negative emissions and solar radiation management: It is time for an open societalconversation", White Paper by Risk-Dialogue Foundation St.Gallen for the Swiss Federal Office for the Environment.

12地球温暖化対策
緩和・適応・気候工学

緩和
緩和
緩和
Mitigation
Mitigation
気候工学
地球気候の改善・復元（Geoengineering）（気候工学、CO2 除去 太陽放射管理
Geoengineering）
適応
適応
AdaptationAdaptation（CDR）（SRM）「緩和」策を踏まえて、さらに積極的に地球気候を「改善・回復」する方策として、大気中からCO2を除去する技術およびそれと同様の効果が期待される技術が研究されている。
13

地球気候を改善/復元するための技術
太陽放射管理（SRM）と 大気中CO2除去（CDR）
SRM

CDR

杉山 昌広 「気候工学（ジオエンジニアリング）に関する文献調査」 電力中央研究所調査報告：Y09003（2010年）掲載の図を編集
原図の出所： Lenton TM & Vaughan N. “Radiative Forcing potential of climate geoengineering”. Atmos. Chem. Phys. 9, 5539-5561 (2009)14

大気中CO2の直接捕集
Direct Air Capture (DAC)
2017年5月運転開始した
世界最初のDACプラント
スイス Climeworks社 ↓↑ 将来の実用DAC
プラント想像図
米国 CarbonEnginering社

15

地球規模炭素循環（2000-2005）
大気中760 GtonC + 4 GtonC/Y

光合成
113 GtonC/Y

呼吸・放出
112 GtonC/Y

92 GtonC/Y

90 GtonC/Y

燃焼
7 GtonC/Y

植生 600 GtonC
土壌 1400 GtonC
永久凍土 1700 GtonC

海洋（表・中・深層）
38000 GtonC「GtonC」とは 炭素にしてギガ（109 =10億）トン

化石燃料
4000 GtonC
16

参考： IPCC-AR4 2007 Report、Kevin Schaefer (NSIDC)、Charles Koven (Berkeley Lab)

地球規模炭素循環
自然の状態
CO2 安定Decay in Soil17
The carbon cycle diagram is adapted from the South Yorkshire Woodfuel <http://www.wood-fuel.org.uk>

地球規模炭素循環
人為的化石燃料燃焼
CO2 増加Decay in Soil

燃焼

化石燃料
18

The carbon cycle diagram is adapted from the South Yorkshire Woodfuel <http://www.wood-fuel.org.uk>

大気中CO2濃度の年代変化
PROXY (INDIRECT) MEASUREMENTS
Data source: Reconstruction from ice cores.
Credit: NOAA

図の出所： https://climate.nasa.gov/vital-signs/carbon-dioxide/19

地球規模炭素循環
BECCSでCDR

BECCS＝バイオ発電＋CCS

CO2 減少バイオ発電

Decay in Soil

燃焼CCS
20
The carbon cycle diagram is adapted from the South Yorkshire Woodfuel <http://www.wood-fuel.org.uk>

石油とその燃焼から排出するCO2
超臨界流体に圧縮してもCO2の体積は元の石油の4～5倍になる！

石油CO2（CCS時）

1.65 km2.71 km

世界の石油生産量
38.8億 トン／年
45億 m3／年

石油起源のCO2排出量
120億 トン／年
200億 m3／年（地中圧入時、密度 0.6 g/cm3として）出所： Oxford Conference on Negative Emission Technologies, September 2013における発表をヒントに作成

21

地球規模炭素循環
バイオ炭でCDR
CO2 減少

バイオ燃料
バイオ燃料

Decay in Soil

炭化反応

バイオ炭
22

The carbon cycle diagram is adapted from the South Yorkshire Woodfuel <http://www.wood-fuel.org.uk>

地球規模炭素循環
原子力利用のバイオ炭でCDR
CO2 減少バイオ燃料
原子力ガス化反応

Decay in Soil

炭化反応

バイオ炭
23

The carbon cycle diagram is adapted from the South Yorkshire Woodfuel <http://www.wood-fuel.org.uk>

CO2除去による「大気中CO2濃度」と「気温上昇」の長期変化（モデル計算結果）24

バイオマス・原子力利用の協働的CO2除去プロセス

材料利用
安定化貯留バイオ燃料熱原子力

0.45 GtC/年

燃料化

ガ ス化

原子力

合成ガ ス

加工

熱

電気気 化物

炭化乾燥バイオマス

原子力

バイオ炭

1.0 GtC/年

貯留 材料

バイオマス+原子力→バイオ炭＋バイオ燃料

エネルギー利用（化石燃料代替）
0.36 GtC/年

各プロセスに必要なエネルギーを原子力から供給することにより、バイオマス中の炭素のバイオ炭およびバイオ燃料への転換率を最大にすることができる
1.0 GtonCのCO2除去に使用する原子力エネルギー量は年0.36 GtonOE、1200 MWe (3000 MWt)
プラント 150基（設備利用率 85%）に相当
出所： M. Hori “Nuclear Carbonization and Gasification of Biomass for Effective Removal of Atmospheric CO2”
Progress in Nuclear Energy Vol.53, 1022-1026 (2011)25

炭素の関わる反応 (1)
大気中のCO2 と水から太陽光をエネルギーとして光合成反応でグルコース（ブドウ糖）と酸素を生成し、グルコースはバイオマスを構成するセルロースなどの炭水化物（多糖類）になる。
CO2 + H2O→C6H12O6 + O2
C6H12O6→ (C6H10O5)nここで、 C6H12O6 はグルコース、 (C6H10O5)nはバイオマスを構成する炭水化物。
自然の炭素循環では、バイオマスは土壌中で微生物などにより分解してCO2になって大気中に戻る。
(C6H10O5)n →CO2 + H2O
本方法では、放置すれば分解してCO2になるバイオマスを炭化反応（空気を遮断した状態での熱分解）により固体の炭素「炭」（Biochar、バイオ炭）と炭素を含む気化物（Volatile、成分はC、H、Oなど）にする。
26

炭素の関わる反応 (2)本方法では、放置すれば分解してCO2になるバイオマスを炭化反応（空気を遮断した状態での熱分解）により固体の炭素「炭」（Biochar、バイオ炭）と炭素を含む気化物（Volatile、成分はC、H、Oなど）にする。バイオマス中の炭素は炭化の条件により最大約5割までバイオ炭になる。
(C6H10O5)n → C (バイオ炭) + 気化物
気化物は、温度を下げると凝縮して乾留液・木酢液になる成分とCO・メタン・水素などの気体から成り、この気化物中の炭素成分を水蒸気ガス化反応（吸熱反応、原子力熱を供給）させると合成ガス（CO + H2）になる。
C + H2O + 熱 → CO + H2
合成ガスはそのままで気体燃料であるが、この水素分を調整してフィシャー・トロプシュ（Fischer-Tropsch、FT）合成反応などにより炭化水素の合成燃料にすることができる。
CO + 2H2 → [CH2] + H2O
ここで、[CH2] はFTディーゼル軽油など合成燃料の代表的組成比。

27

2007年5月、鹿児島での「木質炭化学会」に発表「バイオマスの原子力炭化・ガス化による大気中炭酸ガスの削減」
原子力システム研究懇話会・堀 雅夫

28

29

英国で開催されたネガティブエミッションの会議に参加

30

Virgin Earth ChallengeFinalists（最終選考）に11候補
ApproachCompany

Country

Biochar Solutions
Black Carbon
Full Circle Biochar

USDenmarkUS

Biorecro

SwedenCarbon Engineering
Carbon Sink -- Infinitree
Climeworks
CoAwayGlobal Thermostat

CanadaUS
Switzerland
USUS

Enhanced Weathering（加速風化）

Smartstones – Olivine Foundation

Netherlands

Grassland Restoration（草地回復）The Savory Institute

US

Biochar（バイオ炭）
BECCS（バイオマス発電＋CCS）

Direct Air Capture（直接空気回収）

Source： http://www.virginearth.com/ & http://www.theenergycollective.com

31

世界が使用する主なエネルギー ： 現在と将来
主なエネルギー社会 一次エネルギー

主なエネルギーキャリアー（二次エネルギー）

現 在化石燃料社会---------大気中CO2の増加

将来

カーボンネガティブ・エネルギー社会---------大気中CO2の除去・制御

化石燃料
再生可能
原子力

再生可能
原子力

エネルギーキャリアーの製造に使用される一次エネルギー
量の大小

化石燃料ベースの製造に使用される（ガソリン、軽油、灯 一次エネルギーは燃料

油、都市ガス、・・・）

電気

燃料＞電力

電気

製造に使用されるバイオマスベースの 一次エネルギーは燃料（一部水素）

電力＞燃料32

カーボンネガティブ・エネルギーシステム

エネルギー供給におけるポイント
供給する一次エネルギーは、現在の化石燃料主体に代わって再生可能エネルギーと原子力のみエネルギーキャリアー（二次エネルギー）の構成を現在の燃料主・電力従から電力主・燃料従に変えてエネルギー効率を向上させ、エネルギーキャリアー生産に使用する一次エネルギーの使用量を抑制
定置用のエネルギー需要は熱需要を含めて出来得る限り電力で供給してエネルギー使用効率を向上
運輸用のエネルギー需要は電動化により燃料需要を削減した上、配送インフラおよび取扱の便益から炭化水素の液体燃料（燃料成分中の炭素はバイオマスベース）を主として使用。特別な用途には水素を使用。
33

一次エネルギー； 現在～2065年
供給量・エネルギー構成・電力/非電力
一次エネルギーの供給源と供給量 [GtonOE]

電力化率（一次エネルギーベース）[%]
電力

非電力

2000

38 %

62 %

2013

41 %

59 %

2065

75 %

25 %

化石燃料

再生可能

原子力

合計

2000

8.1

0.7

0.6

9.3

2013

11.0

1.1

0.6

12.7

2065

0.0

14.4

6.4

20.8

発電・燃料製造への一次エネルギー供給量 [GtonOE]
発電

燃料製造

合計

2000

3.5

5.8

9.3

2013

5.3

7.5

12.7

2065

15.7

5.1

20.8

34

カーボン ネガティブ・エネルギー システム実現のための主要方策
再生可能エネルギー発電拡大時の系統安定化– 電力貯蔵の容量と範囲の拡大• 電池のコストダウン• 需要側での「司令可能な」エネルギー貯蔵– 自動車と系統のエネルギー統合
非電力二次エネルギー（燃料）の縮小– 熱はヒートプンプに転換– 自動車用燃料はBEV・PHEVなどの電動化で削減
35

「電力貯蔵」の考え方「電力貯蔵」は、揚水発電・蓄電池・圧縮空気貯蔵などのエネルギー貯蔵システムと電力系統との双方向の電力流通によって電力系統の周波数・電圧維持や負荷調整などの合理的運用を目的としている 。
図に示すような電力系統の上流の一次側エネルギーでの貯蔵や下流の最終側エネルギーでの貯蔵も、系統からの電力供給指令・電力使用指令などの「指令可能な」（dispatchable）方式
であれば「電力貯蔵」の目的を充たしているので同等と考えられる。

一次側
エネルギー

エネ転換
（発電）

電力系統
送電
変電
配電

エネ転換
（電力使用）

最終側
エネルギー

貯蔵

貯蔵

貯蔵

高温熱 *1
（溶融塩）

揚水
蓄電池

中低温熱
（氷、冷水、温水）

圧縮空気

水素 *2

*1 太陽熱発電の場合

その他 *2*2 水素を系統電力貯蔵に使用する場合もある

36ヒートプンプによる熱の供給

欧州の例

燃焼から電気へ！

一次エネルギーを40%程度削減可能（The Swedish Heat Pump Association）

日本の例（ヒートポンプ・蓄熱センター）

37

PHEVなど自動車電動化による運輸用エネルギーの削減
運輸部門のエネルギー消費の約70 %を占める自動車は現在の約3倍に増加
プラグイン自動車（PHEVとBEV）の導入によって燃料消費率を現在の9 %に削減（ハイブリッド化で40%減、ユーティリティファクター（電力走行割合）0.85のプラグイン化でさらに85%減）
3倍に増加する自動車の液体燃料消費量は0.3倍に減少
自動車の走行距離当たりの液体燃料＋電力の合計のエネルギー消費率も5割以上減少。3倍に増加する自動車の全エネルギー（電力＋燃料）消費量は1.4倍に抑制38

カーボンネガティブ・エネルギーシステムの炭素・エネルギー収支（2065）
バイオマス
6 GtonC処理
標準ケース

39

カーボンネガティブ・エネルギーシステム
CO2除去とエネルギー供給 -- 2065年のビジョン
2065

参考データ

標準ケース
バイオマス
6 GtonC処理

加速ケース
バイオマス
10 GtonC処理

一次エネル
ギー

一次エネルギー
20.8 GtonOE
内訳
化石燃料 0 %再生可能 69 %原子力 31 %一次エネルギー
21.4 GtonOE
内訳
化石燃料 0 %再生可能 68 %原子力 32 %18.5 GtonOE （Z650 2050）
内訳
化石燃料 5 割
再生可能 3 割
原子力 2 割

電力化率

75 %

73 %

67 % (Z650 2100)
53 PWh (WEC-Jazz 2050)
電源構成
化石燃料 63%
再生可能 31%
原子力 6%
42 PWh (Z650 2050)
電源構成
化石燃料 28 %
再生可能 41 %原子力 31 %15.7 GtonOE
69 PWh
内訳
化石燃料 0%
0 GtonOE
再生可能 75%
11.7 GtonOE
原子力 25%
4.0 GtonOE

電力

非電力
割合

非電力

CO2
排出

21.0 GtonOE (WEC-Jazz 2050)
内 化石燃料 77 %

25 %

27%

5.1 GtonOE

5.7 GtonOE

内訳

内訳

バイオマス（燃料分）
2.7 GtonOE

バイオマス（燃料分）
2.8 GtonOE

原子力
2.4 GtonOE

原子力
2.9 GtonOE

合成液体燃料
2.8 GtonOE

合成液体燃料
2.9 GtonOE-1.1 GtonC-4.5 GtonC

バイオマスエネルギー
ポテンシャル
2.4～7.2 GtonOE（IPCC-SRREN 2050）+5.2 GtonC (Z650 2050)+12 GtonC (WEC-Jazz 2050)

40

2050年の世界のバイオエネルギー生産ポテンシャル
2065年のカーボンネガティブ・エネルギーシステムでの想定処理量との比較 [EJ/Y]

世界全体生産ポテンシャル
450

想定処理量
328

250

197

2065年のカーボンネガティブ・エネルギーシステムでの想定処理量;
10 GtonC/Y = 328 EJ/Y
WEC, WEA and IPCC による予想量

2065年のカーボンネガティブ・エネルギーシステムでの想定処理量;
6 GtonC/Y = 197 EJ/Y

元の図： Edward Smeets et.al., “A quickscan of global bio-energy potentials
to 2050” Report NWS-E-2004-109 ( 2004)によるシナリオ１～４

単位換算: 1 GtonOE = 41.87 EJ 41
1 GtonC = 0.784 GtonOE原子力によるエネルギー最大供給可能量
FBR・Puリサイクル導入2030年、増殖率1.3（出典：小野 清、ほか 「世界における原子力エネルギー最大供給可能量の検討」 JNC TN9400 2001-028（2000年12月）

Maximu Nuclear Supply
FBR Pu recycle introduction from 2030 with breeding ration of 1.3
45,000Maximu m N uc lear Supply [Mton O E ]40,00035,00030,00025,00020,00015,00010,000
5,000
01980

2000

2020

2040

2060
Year2080

2100

2120

換算： 一次エネルギー消費量(原子力分）(Mtoe)=Σ炉型i[(炉型iの発電設備容量（GWe）)*10E9*24時間*365日*(炉型iの稼働率)/10E12/(熱効率0.4)*(TWh→Mtoe換算係数0.086)］

2140

42

ここまでの まとめ
現在の地球温暖化の進行状態から、エネルギーを持続的に供給しつつ大気中からCO2を除去可能な「カーボンネガティブ・エネルギーシス
テム」を21世紀の半ば頃までに構築・運用することが必要と考える。
提示したシステムは、バイオマスと原子力からバイオ炭と炭化水素合成燃料を製造するプロセスを用いて、地球規模炭素循環からCO2を効果的に除去すると同時に必要な燃料供給を行う。
想定したバイオマス処理量はWEC/IPCCなどの評価による2050年生産可能量の範囲内、また原子力使用量は高速増殖炉・Puリサイクル利用による原子力供給可能量の範囲内である。
このシステムの運用は、CO2除去を行う世界規模の巨大な公共事業、同時に燃料供給を統合的に行うので新たな環境・エネルギー産業となり得る。
43

日本の長期エネルギー計画の進め方（私考）
日本は「2030年温室効果ガス26%削減目標」（2015年12月パリ協定採択）の実施、「2050年温室効果ガス80%削減目標」（2016年5月閣議決定）の計画を進めている。
これら日本の長期エネルギー計画は、世界の地球温暖化対策の一環であり、温室効果ガスのゼロ・エミッション～ネガティブ・エミッションへ至る過程の一つの通過点と考える。
2030年、2050年、さらにその先の段階を考えて、一連の共通する技術の採用など発展的・体系的に計画する。
CO2除去は世界規模の 「巨大な公共事業」 であり、CO2除去とそれに伴う燃料供給事業は新しい大きな 「環境・エネルギー産業」 となり得る。
日本は先導的な技術確立により、世界規模での温暖化対策実施に技術的に先行し、国際的環境・エネルギー事業を展開していく。
44

バイオマスの炭化・ガス化プロセスのケース・バイ・ケースの運用
バイオマス （+原子力）

バイオ炭 ＋ バイオ燃料

炭化の温度条件によりバイオマス中の炭素Cはバイオ炭に [最大50%～最小0%]、バイオ燃料に [最小50%～最大100%]0.45 GtC/年
材料利用
安定化貯留
0.36 GtC/年バイオ燃料燃料化

合成ガ ス

原子力

貯留 材料

熱

熱
原子力

ガ ス化

炭化電気気 化物

乾燥

バイオマス

原子力

加工

1.0 GtC/年

バイオ炭

世界対象50%・50%のケース

エネルギー利用（化石燃料代替）日本の2050年80%削減のケースでは、バイオ炭0%・バイオ燃料100%で運用
将来のネガティブエミッションではバイオ炭50%までで運用

45

2050年目標達成のためのエネルギー供給・利用における主な方策
1. 発電と燃料製造には、石油・石炭・天然ガスなどの化石燃料を使用せず、再生可能エネルギーと原子力のみを使用
2. 燃料（非電力二次エネルギー）の製造は、バイオマスに原子力熱を供給して合成ガス（CO+H2）を製造し燃料化して使用（2050年以降のネガティブ・エミッションには、一部バイオ炭生成によりその安定貯留効果を利用）
3. 運輸動力や熱の用途の燃料需要は、電動推進やヒートポンプなどにより電力に置換して、必要な燃料の量の抑制・エネルギー利用効率の向上。
（二次エネルギーに占める電力の割合（電力化率）は現在の約2倍の50％以上）
4. 製鉄・セメント製造などには、2050年時点では石炭を使用し、これによるCO2はCCS方式の貯留を行わずそのまま排出。将来的には鉄鋼・セメント製造などのプロセスの革新とバイオマス起源の合成ガス・合成燃料の余剰分供給によりCO2排出を抑制
46

2050年の最終エネルギー構成案
燃料供給にバイオマス・原子力プロセス採用の場合
非電力
電力

最終 エネルギー
一次 エネルギー （参考 ）105 Mtoe1221 TWh
原子力
再生可能
60%
40%
63 Mtoe
42 Mtoe
733 TWh488 TWh
277.6 Mtoe
原子力60%
166.5 Mtoe
1936.8 TWh熱

再生可能
40%
111.0 Mtoe
1291.2 TWh熱

鉄鋼
セメント用燃料用エネルギー
合計

90 Mtoe
合成ガス
50 Mtoe

石炭
40 Mtoe65.6 Mtoe

42.1 Mtoe

バイオマス
50.0 Mtoe
2093 PJ
原子力
15.6 Mtoe
181.9 TWh熱

石炭42.1 Mtoe

195 Mtoe385.3 Mtoe

RITE報告書「２℃目標と我が国の2050年排出削減目標との関係」（2016年3月）のケースの最終エネルギー値を基に作成。
これに化学工業などのプロセスからの排出CO2、他の温室効果ガス（5種類）を加えて、2050年81%削減をCCSなしで達成。

47

これからの日本のエネルギー -- 技術と事業の展開

日本は、2050年80%削減を世界の地球温暖化対策への重要な道標としてエネル
ギー供給利用計画を設定し、その先の世界規模の環境・エネルギー技術/事業への展開を図っていく。推進のポイントは下記。
日本が研究・開発・産業で優位にある技術の積極利用
原子力技術（軽水炉・高速炉・高温炉、燃料サイクル）
バイオマス技術（炭化・ガス化、藻類・エネルギー植物、人工光合成）
自動車技術（BEV、PHEV、自動運転、コネクテッドカー、Vehicle-GridIntegration）
情報通信技術（次世代通信、ネットワーク、AI、Blockchain）
実用化・事業化・国際化を円滑に進めるための規制・基準の合理化
競争的環境による経済性注視の開発・事業化・国際展開支援
炭素プライシングによるネガティブエミッション事業化推進48