これからのエネルギー技術

NEXT ENERGY TECHNOLOGY「サイエンス ZERO」に見る“新エネルギー”
青木 伸之

NHK 制作局科学環境番組部チーフプロデューサー「サイエンス ZERO」は、NHK・E テレで 2003 年 4 月か二酸化炭素の排出量を現在の 4 分の 3 に減らすことができら放送している科学番組です。これまで 350 本以上の番るとされています。

組を制作し、この 4 月で放送開始から 10 年目を迎えます。

このように未来のエネルギーとして期待される燃料電池数年で終わることもあるテレビ番組の中では比較的長寿のですが、「新エネルギー」として考える場合には、大きな課部類に入ります。とりあげるテーマは最先端の科学ならど題があります。それは水素をどう供給するか、というものんなものでも。宇宙や素粒子、IT 技術、生命科学、医療、です。メタノールなどから水素を取り出す方法では、結局災害、自然環境など。その時々に注目を集めている最先端のところ化石燃料をつかうことになります。これでは発電

科学、そして私たちの未来を大きく変えるであろう技術に効率がよくても、本当にクリーンエネルギーとは言い難いついて取り上げてきました。2011 年 3 月に東日本大震災ものがあります。そこで考えられている燃料電池の究極のが起こってからは、巨大地震や原発事故についても数多く姿は、太陽光発電で水を電気分解し水素を取り出し、そのの番組を制作しています。

水素を燃料電池の燃料として使う、というものです。こうもちろんエネルギー問題は、サイエンス ZERO が取り上すれば化石燃料を一切使わずに太陽光のエネルギーだけでげる大きなテーマのひとつであり、 いわゆる「新エネル発電することができるのです。さらにもうひとつ、特殊なギー」についても数々の番組を制作してきました。そこでバクテリアを使って生ごみなどから水素を取り出そうとい今回は、「サイエンス ZERO」で 9 年間に取り上げてきた主う試みも行われています。未来の新エネルギーとして期待な新エネルギーを見ていくことで、その歴史と現状を振りされる燃料電池の開発は、様々な方法で今も進められてい返ってみたいと思います。

るのです。

燃料電池

太陽光発電

まずサイエンス ZERO の第 1 回目のテーマが「燃料電池」

太陽光発電については、サイエンス ZERO でこれまで何でした（「燃料電池実用化最前線」2003 年 4 月 9 日放送）。

度か取り上げてきました。今回はそのうちユニークな 2 つ2003 年の放送当時は、ガソリン自動車に代わるものとしの研究についてご紹介します。て「燃料電池車」が大きな期待を集めていました。大手自①宇宙太陽光発電（「宇宙太陽光発電に挑む」2010 年 3 月

動車メーカーがこぞって燃料電池車の開発に参入し、技術を競い合っていました。燃料電池は、水素と酸素を反応さ6 日放送）せて電気を取り出すため（よく水の電気分解の逆の反応と宇宙太陽光発電は、宇宙空間に巨大な太陽電池パネルをいわれます）廃棄物は水だけというクリーンさが最大の売浮かべて発電するという壮大な計画です。太陽光発電の課り物です。技術的なポイントとなるのは、厚さ 0.1mm ほ

題は、コストの高さ、エネルギー変換効率の低さ、それにどの「高分子膜」です。この高分子膜は、水素イオンだけ立地スペースの制約、さらには曇っている日は発電できなを通すという性質があり、この性質を利用して燃料電池をい、などがあります。宇宙で発電ができれば、後の 2 つに実現しています。

ついては大きく解決に近付くことになります。宇宙空間で燃料電池は、自動車だけでなく携帯電話やパソコンの電はスペースの制約は少なく（静止衛星の軌道に上げる予定源としても実用化が進められています。発電の方式はメタなので制約がゼロではありませんが）、曇っている日に発ノールから水素を取り出し、発電するというものです。燃電できないということもないためです。

料電池の開発は家庭用にも進められています。こちらの燃では実際に宇宙太陽光発電はどんな計画なのか？ まず料になるのは、都市ガスのメタンガスです。ガス会社の試は地上から 3 万 6 千 km の上空に一辺が 1 〜 2km の巨大な算によると、家庭量燃料電池を最も効率よく運転すれば、太陽光パネルを浮かべ発電し、その電気をマイクロ波など

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②サハラ・ソーラーブリーダー計画（「サハラ砂漠に太陽に変換して地上まで送る、というものです。資源の少ない日本では、期待の発電技術とされていて、国は 2030 年

光発電基地をつくれ！」2011 年 5 月 7 日放送）

代のうちに商業用の宇宙太陽光発電を実現したいとして太陽光発電については、福島第一原発の事故を受けて、います。

日本の大学や企業が参加している大規模な計画がありま

宇宙太陽光発電を実現するために、現在研究されているす。その名も「サハラ・ソーラーブリーダー計画」。アフリのが主に 2 つの技術です。ひとつめが、宇宙に太陽光発電

カのサハラ砂漠に広大な太陽光発電基地をつくり、そこか施設を建設する方法です。宇宙に建設する太陽光パネル

ら日本をはじめとする世界各国に送電しようという計画では、一辺が 1 〜 2km の巨大なものになることが想定されす。最初のステップとしてまず 2 メガワットの太陽電池をています。 こんな大きなものを上空 3 万 6 千 km までロつくり、そこで作った電気を使ってさらに太陽電池を作りケットで運んで、宇宙空間で組み立てるのは、とても困難出します。計算上は 2 年ごとに太陽電池の数を倍に増やしです。そこで現在検討されているのが、「風呂敷衛星」といていくことができるので、30 年後には 100 ギガワットのうものです。神戸大学と東京大学の研究チームが開発して発電ができるようになる計算です。これができれば、原発いる「風呂敷衛星」とは、複数の小型衛星を宇宙空間に展100 基分、世界のエネルギーの 10 パーセントはまかなえ開させてその間に網のような構造をつくり、その網の上でる可能性があるといいます。

小型ロボットを移動させて太陽光パネルを組み立てる、とこの計画の最大のポイントは、砂漠の砂に含まれるケイいう構想です。小型衛星によってつくられた網が風呂敷の素からシリコンを作り出し、これを材料にして太陽光パネような形をしていることからこの名前がつけられたといいルをつくりだそうというところです。太陽光発電の大きなます。2006 年から風呂敷衛星の実験ははじめられていま課題がコストです。このコストの中でも大きなウエイトをす。現在の最大の課題は、衛星同士の距離をいかに適正に占めるのが電池の原料となるシリコンです。砂漠の砂から保つかということです。太陽光発電施設の建設には、もうシリコンを作り出し、さらに降り注ぐ太陽光を利用できれひとつ別のアイデアを JAXA（宇宙航空研究開発機構）が研ば一石二鳥。この計画は、20 年以上前にアイデアが出さ究しています。それは、あらかじめ小さくたたんだ太陽光れ、去年アルジェリアの大学と日本の研究機関の共同研究パネルをロケットで打ち上げ、宇宙で展開するというものが本格的にはじまりました。

です。そのために、たたんだ太陽光パネルの “骨組み” に計画のひとつめのポイントは、砂からいかに効率よくシは形状記憶合金を使います。形状記憶合金は、温度が上がリコンを作り出すか、という点です。これまで半導体用にると伸びる性質にしておきます。実際には、打ち上げた太は純度 99.999999999％（イレブンナインと呼ばれます）

陽光パネルを宇宙に行ってから電気であたため、展開させのシリコンが使われ、太陽光発電についても同様の純度のるのです。

シリコンが使われてきました。この場合「シーメンス法」

宇宙太陽光発電を実現させるもうひとつの技術的課題という方法を使います。しかしこの方法を使うとシリコンは、発電した電気を地上まで送る方法です。現在有力と考の純度は高まるものの、コストが高くなってしまいます。

えられているのは、電気をマイクロ波に変換して地上に送そこで弘前大学で現在開発が進められているのが、製鉄法る方法です。ただし、マイクロ波は、空間に広がりながらを応用してシリコンを作り出す方法です。製鉄では、通常進むため、ピンポイントで地上に送ることが難しいという酸化鉄とコークス（炭素）を混ぜて高温に熱すると酸素と欠点があります。これを解決するために神戸大学のチーム

炭素が結びつき、純粋な鉄が残ります。

が考えたのが、いくつものアンテナを並べて、一斉にマイこの方法を砂の成分・二酸化ケイ素に応用しようというクロ波を発射するという方法です。この方法を使うと、マのです。実際には、二酸化ケイ素と炭素を熱しても一酸化イクロ波同士が影響しあうことで、横に広がることなくピ炭素と一酸化ケイ素しかできません、そこで、さらに酸素ンポイントで伝送することができます。そしてさらにもうを完全に取り除くために、炭化ケイ素を使います。ちなみ

ひとつ、福井大学では、太陽光を直接レーザーに変換してにこの炭化ケイ素も砂からつくることができる物質です。

地上に送る技術の研究も進められています。ここで使うのこの方法によって二酸化ケイ素からシリコンを取り出すこは、セラミック素材の「レーザー媒質」です。クロムやネとができることがわかってきました。さらに効率を高めてオジムを含むレーザー媒質に太陽光を当てると、クロムがいけば、将来太陽光パネルに使えるシリコンを取り出せる太陽光を吸収し、ネオジムにそのエネルギーが伝わりまのではないかと考えられています。

す。そして最後にネオジムから強いレーザーが出るというサハラ・ソーラーブリーダー計画のもうひとつのポイン仕組みです。こちらの技術もすでに実験が行われ、宇宙太トが、長距離の直流送電を実現することです。現在日本で陽光発電を成功させる技術として期待を集めています。こは交流で電気を送っていますが、実は長距離の場合直流のうしたマイクロ波制御の技術が宇宙太陽光発電成功のカギほうがロスが少ないといわれています。そのためサハラ砂を握っています。

漠から世界中に送電するサハラ・ソーラーブリーダー計画

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NEXT ENERGY TECHNOLOGY
では、直流送電を実現することが必要になります。直流送の中に存在することが知られています。研究では、二酸化電を行う場合に課題となるのが、送電ロスをいかに減らす炭素をメタン生成菌のいる海底に閉じ込めて、そこでメタか、という点にあります。送電線に電気抵抗があると、そンを生成させようとしています。研究を行っている海洋研れがわずかなものであっても長距離を送電する場合には大究開発機構では、まず下北半島の石炭の一種・褐炭層を二きなロスになってしまいます。そこで注目されているのが酸化炭素を閉じ込める候補地として選びました。褐炭層

超電導技術です。現在、マイナス 163 度で超電導になるは、固まりきっていないいわば未熟な石炭で、多くの隙間ビスマス系の素材を使った送電実験が中部大学で行われてがあります。その隙間に二酸化炭素を閉じ込めようといういます。実は、超電導ケーブルは内管と外管の 2 重構造にのです。そしてここにメタン生成菌が生息しているかどうなっていて、この管同士の間の距離を決めるのが実用化にかを調べました。さまざまな試行錯誤を経た結果、メタノあたっての重要な課題です。 実験では、 この管の間をバクテリウムというメタン生成菌の存在を確認すること14cm にすることで 200m の送電に成功しました。今後は、ができました。今後は、火力発電所などから排出されたさらに送電距離を伸ばしていくことで、サハラ・ソーラー

二酸化炭素を海底に送り込み、メタン生成菌を使ってメブリーダー計画を少しでも実用化に近づけていきたいといタンに変え、それを再び燃料として使う構想が立てられうことです。ています。

二酸化炭素の利用

熱電発電
サイエンス ZERO では、 ちょっとユニークな新エネル

ちょっと意外な新エネルギーとして、地球温暖化の原因ギーも紹介してきました。といわれる二酸化炭素を利用しようという研究も行われてそのひとつが「熱電発電」（「身近な熱を電気に変えろ 実います。
（「資源になる !? 二酸化炭素を利用せよ」2010 年 5

用化迫る！ 熱電発電」2011 年 10 月 15 日放送）です。熱

月 15 日放送）
まずは火力発電所から出る二酸化炭素を利用しようとい電発電は、「熱を電気にかえる」発電なのですが、ちょっとう技術です。光合成をおこなう海藻の中には、地上の植物

聞くと、どこが新エネルギーなのか？ と思われるかもしの 10 倍以上のスピードで成長する種類のものがいます。

れません。現在行われている発電は、火力発電にしろ原子

こうした海藻に二酸化炭素を吸収させて光合成を行わせ、力発電にしろ、熱でお湯を沸かして、出来た水蒸気をつかさらにその海藻からバイオエタノールを作り出そうというってタービンを回して発電しています。つまり熱を電気にものです。沖縄で琉球大学が研究しているこの技術では、かえるのは、当たり前の技術なのです。しかし、熱電発電

まずは海水に大量に二酸化炭素を溶かす研究からはじめまの画期的なところは熱を「直接」電気に変えるところです。

した。一般的に液体に気体を溶かす場合は、液体の中に気熱→お湯→水蒸気→タービンと段階を経て発電するには、体を発生させます。しかしこの方法では、気体と液体の触大規模な施設が必要で、しかしも段階ごとに発電効率はれる面積が少なく、効率がよくありません。そこで、琉球低下していきます。しかし熱電発電は、熱を直接電気に大学の研究チームでは、この逆の方法を考えました。つま変えれば、小規模な施設で効率よく発電できるという発り、筒を二酸化炭素で満たし、そこに海水を噴射するとい想です。

う方法です。この方法を使えば、飽和状態ギリギリまで海では、一体どうやってそんなに都合のいい発電ができる水に二酸化炭素を溶かすことができることがわかりましのか？ そこで登場するのが「ゼーベック効果」という不思た。さらに海藻の育て方にも工夫しました。海底に根をは議な現象です。この現象は、ドイツの物理学者・トーマス・るのではなく、浮遊させながらお互いにからませて育てるゼーベックが 19 世紀前半に発見したものです。その時のという方法です。高知大学の考案したこの方法と、さきほ実験は、金属の棒の片方の端を温めると中間に置いた磁石

どの海水に二酸化炭素を噴霧する方法を組み合わせて実験が動いたというものです（磁石は金属の棒を流れた電流にが行われました。その結果、海水の濃度が 2％の場合に海よって動いた）。ではなぜこんな現象が起こるのか？ 実

藻がおよそ 1.4 倍も速く成長することがわかりました。現は、金属の中に温度差が生じると、電子の運動の活発さに在大規模な実験設備が作られ、海藻を育てる実験が始まっ差が生まれます（温かいほうの電子が活発に運動する）。ています。さらに育てた海藻からエタノールを取り出す研そして、活発に運動する温かいほうの電子が冷たいほうへ究も進められています。と流れていきます。こうして電流が生じるのです（ちなみ二酸化炭素利用でもうひとつ期待されているのが、メタに電子が流れる方向と電流が流れる方向は逆方向です）。

ン生成菌という細菌を使って、二酸化炭素をメタンに変え

この熱電発電は、1977 年に打ち上げられた惑星探査機ボる方法です。メタン生成菌とは、酸素がない場所で有機物イジャーにも搭載されています。こんな簡単な発電方法がを分解し、メタンを合成する細菌で、海底の堆積物や地殻あるなら、すぐにでも実用化したらよいのでは、とも思い2012.5.14. no.265

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ます。なんといっても熱は私たちの身の周りにあふれていう問題もあります）。

ますから。工場や自動車、太陽熱、さらには私たちの体のそこで、東北大学では、地震波を使って地熱貯留層の場

体温だってあります。これらを全部利用できたらエネル所を把握する、MTC というプロジェクトを立ち上げましギー問題なんてすぐにでも解決してしまいそうです。

た。MTC とは「more than cloud」の頭文字。今まで雲の現在、熱電発電の実用化が進められているのは、工場のようにぼんやりとしか見えていなかったものからはっきり廃熱利用や自動車の排気ガスの熱を利用した発電などでとした情報を取り出す、という意味です。この技術では、す。工場の廃熱利用については、石川県にある焼却炉メー高温の蒸気や熱水があると推測される位置の近くに高圧のカーが「凝縮熱」を利用した熱電発電を実用化しています。

水を送り込み、微弱な振動、いわば人工の地震を起こしま「凝縮熱」とは、水蒸気が水滴に変わる時に出す熱です。

す。そして、そこから伝わる P 波と S 波を高精度の受信機

このメーカーでは、当初排ガスの熱を利用した発電を考えでとらえます。このデータを地熱探査用のソフトを使ってていましたが、熱の密度が低く断念した経緯がありまし分析するのです。東北大学のチームは、実際に地下の様子た。その過程で、水蒸気の「凝縮熱」を利用すれば、排ガを調べた実験でも、地熱資源の位置を確かめることに成功スの 100 倍以上の発電ができるようになり、実用化が可しました。そしてフランスやスイスなどでこの技術を使っ能になったのです。また自動車の排ガス熱利用についてて地熱資源の位置を確かめてきたのです。さらに現在は、も、海外のメーカーが実装試験をはじめるなど、実用化へ

センサーをマイクロチップにすることで、観測の精度を高の動きが進んでいます。

精度にするとともに観測地点も増やし、地熱資源の開発に「熱電発電」に関連して、もうひとつ驚くべき方法で発つなげていきたいといいます。さらにこの地熱発電は、こ電できる可能性が出てきました。おととしの 10 月、「スピれまで地熱エネルギーに縁が薄いと考えられていた国でもンゼーベック効果」を使って発電ができることを示す論文開発がはじめられています。その国とはオーストラリア。

を東北大学の研究チームが発表したのです。
「スピン」となぜ火山も温泉もないオーストラリアで地熱資源が開発では、電子が持つ自転のような性質のことです。熱を加えるきるのか？ その理由は、地下 4000 メートルにある高温とスピンは大きく揺らめくような動きをするため、このエの花崗岩の層にあります。通常の地熱発電で掘る深さはおネルギーを取り出して発電ができるというのです。このス

よそ 2000 メートル。火山国ではこの地点に地熱貯留層がピンゼーベック効果を使えば、電気を通さない絶縁体でもあることが多いのですが、 火山がない国でも地下 4000発電が可能になるため、熱電発電の可能性が大きく広がっメートルの花崗岩から熱水や蒸気を取り出すことができるていくといいます。というのです。

熱電発電は、大規模ではありませんが、分散型の発電の日本では、2020 年に、150 万キロワット、現在の 3 倍一翼をになう可能性のあるユニークな発電技術なのです。という地熱発電の数値目標がかかげられていました。そして最近、環境省が国立・国定公園内での地熱発電開発につ地熱発電（「眠れるエネルギー 地熱を掘り起こせ」2009

いて規制緩和する方針を固めたというニュースが報じられ

年 6 月 27 日放送）ました。地熱発電が有力な新エネルギーとなるかもしれません。

4 枚のプレートがぶつかり合う火山国・日本にとって、風力発電（風レンズ風車）地熱発電も有望な新エネルギーだと考えられています。地
熱発電は、地価のマグマに熱せられた高温高圧の熱水や蒸気がたまっている「地熱貯留層」まで井戸を掘り、そこか太陽光とならぶ次世代の新エネルギーとして期待されてら蒸気を取り出します。この蒸気を使ってタービンを回しいる風力発電については、意外なことにサイエンス ZERO発電するのです。水蒸気の温度は 200 度以上。冷えた蒸ではこれまで 1 回しか番組を制作していません。理由はい

気は地下に戻すという循環型システムを構成します。太陽

ろいろありますが、ひとつには風の力で風車を回して電力

光や風力と比べた場合の地熱発電の長所は、天候や風向きを生み出す、という仕組みが比較的単純で、テレビで紹介に関わらず、24 時間常に安定して発電できるところにあできるような科学的に画期的な技術というのがあまりなります。そして日本の地熱資源量は、2347 万キロワット。

かったからではないかと思います。しかし、この 2 月に初インドネシア、アメリカに続いて世界で 3 番目に地熱資源めてサイエンス ZERO で風力発電を取り上げました。
（「海が豊富であることが知られています。の風を集めろ！ 実用化目指す新型風車」2012 年 2 月 4 日

しかし、現在日本で利用されている地熱発電は、発電量

放送）そのきっかけの一つは、去年 12 月の環境省の調査

全体の 1％未満です。その原因のひとつが地熱貯留層の位で、新エネルギーの中で最もコストの安い発電方式となる置を正確に把握するのが難しいという点があります（このことが期待されると発表されたこと、そして同じく 12 月

他にも地熱資源のある場所の多くが国立公園内にあるといに九州大学による海上風力発電の本格的な実験がはじめら

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NEXT ENERGY TECHNOLOGYれたことです。九州大学では、長年にわたって「風レンズ的経済水域を持つ日本にとって、極めて重要な技術となる風車」という風車を研究・開発してきました。風レンズ風可能性があります。九州大学のチームでは、今後さらに実車は、風車の周りにつばのような構造物をとりつけること験をすすめて、海上風力発電の可能性を追求していきたい

で、風速をアップして発電効率を 3 倍にあげることができとしています。

る技術です。つばをつけた風レンズ風車には空気の “渦”

原子力発電についてができます。この渦が空気を引き込むことで風速がアップするというのです。もともと空気の渦は、建築物にとって大敵でした。突風が吹いて空気の渦ができることで、ビル新エネルギーを考える時に避けて通れないのが原子力発や橋に大きな被害を与えることがあるためです。有名な例

電の問題です。東日本大震災以前には、原子力が国内の発として、1940 年に起きた、アメリカのタコマ橋の崩落事電のおよそ 3 割を占めていました。しかし、東京電力福島故があります。しかし、風レンズ風車では、この渦を逆に第一原発の事故から 1 年が過ぎた今、国内で稼働している利用して風速をアップし、発電効率を 3 倍に上げることに原発は 1 基。サイエンス ZERO では、東京電力福島第一原成功したのです。

発の事故の後、「シリーズ原発事故」と題して 6 本の番組を風レンズ風車の次なる課題は、海上での実験です。陸上放送してきました。今後のエネルギーを考える場合に、原での風力発電は、山地の多い日本では立地可能な場所が少発事故の原因を究明することが必要になるからです。しかないことに加えて風が不安定なこと、さらには騒音問題、しながら、事故から 1 年過ぎても事故の詳細なプロセスはバードストライキング、低周波騒音問題などがあり、発電明らかにならず、今後原発をどうしていくのか、国民のコ量を増やしていくのは容易ではないといわれています。一ンセンサスも得られているとはいえない状態です。福島第方、海上の風力発電は、風が安定して吹いていること、さ一原発で何が起こったのか、現在どのような問題が発生しらに発電ポテンシャルの面でも日本の全発電量をまかなえているのか、そして事故の収束はどうなるのか、引き続きるほどだといわれ、今期待を集めています。しかし、問題取材を続けていきたいと考えています。

は、どういう方法で海上風力発電をおこなうのか、です。
海上風力発電の実用化がすすんでいるヨーロッパでは、風車を柱のように海底にたてる「着定式」と呼ばれる方式が数多く採用されています。しかし、着定式風車を立てるには、海が遠浅であることが条件になります。日本では、遠浅の海が少ないため、着定式は現実的ではないと考えられています。そこで登場したのが「浮体」という発想です。
海上に風車を浮かべて発電しようというアイデアです。しかし、これまで浮体式の風車は、世界でもほとんど実現していません。そこで九州大学のチームが考えたのは、6 角形の浮体です。6 角形の形は外部からの力に対して強い構造であることに加えて、水に浮かべた時の安定性が高いためです。材質には、安価でかつ海水でもさびないコンクリートを採用しました。中を空洞にすることで浮力を確保しています。
実験が行われたのは去年 12 月。この時の大きな課題のひとつが、意外にも強風の時の風車がちゃんと止まるのか？ という点でした（もちろん発電量や浮体の安定性も大きな課題でしたが）。実は、風車は風が強すぎると壊れてしまうことがあります。これまで陸上に設置されていた

profile風車の中にも強風で壊れたものが少なくありません。今回の実験では 1 分間に 300 回転を越えた場合にブレーキがか青木 伸之（あおき のぶゆき）かる仕組みを備えつけました。その結果、見事システムが1989 年 NHK 入局
高松局、青森局、長崎局などを経て現職作動。毎分 300 回転を超えそうになった時、風車が停止していました。
今回の実験は「風レンズ風車」が海上で発電を行う大きな一歩となりました。海上での発電は、世界第 6 位の排他

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