自然変動電源大量導入とエネルギーシステムモデル。機構シンポジウムを振り返って
地球温暖化が、待ったなしのスピードで進んでいる。2015年にパリで開かれたCOP21では、世界の平均気温の上昇を産業革命前に比べて2℃以下に保ち、1.5℃に抑える努力を追求する「パリ協定」が採択された。気候変動枠組条約に加盟する196か国のすべてが、この目標に向けて取り組むこととされ、産業界を中心に日本でも脱炭素化社会への歩みが加速している。さらに目標に向けて、社会の変化が効率よく、着実に進むよう、指針を示すための研究活動も盛んに行われている。エネルギーモデルの構築もその一つだ。——シンポジウム「不確実な未来へ：地球規模課題に挑むデータサイエンス」では、東京大学の藤井康正教授に、「自然変動電源大量導入とエネルギーシステムモデル」というタイトルで講演を行っていただき、後日改めてお話を伺った。
答える人：藤井 康正 教授（東京大学）
ふじい・やすまさ。東京大学 教授。大規模線形計画法やマルチエージェントシミュレーションなどのシステム工学的手法を用いたエネルギーシステムの解析に関する研究に従事。電気学会、エネルギー・資源学会、計測自動制御学会、日本原子力学会、日本エネルギー学会、IEEE会員。2008年より現職。
未来を見渡し温暖化対策を支える
「過去30年間に起きた変化をはるかに超えるエネルギーシステムの転換が、この10年間で必要とされています」と話すのは、東京大学工学部システム創成学科の藤井康正教授だ。エネルギーシステムをシミュレーションする『エネルギーモデル』の研究を推進している。日本ではパリ協定を受けて、2030年までにCO2排出量を今よりも46％削減し、さらに2050年までにカーボンニュートラルを達成させるという目標を掲げている。過去に例のないスピードで社会の転換が計られようとする現在、目標の達成の指針となり、頼りになる存在として、このエネルギーモデルが期待されている。「エネルギーモデルはコンピューターのプログラムにより、エネルギー保存の法則といった物理的な現象から経済性まで、複雑なエネルギーシステムを定量的に計算し、評価することを可能とします。5年から10年先、あるいはさらに未来のエネルギーシステムをどのように変えていかなければならないのか、議論のたたき台を提供するものです」と藤井教授は説明する。
エネルギーシステムとは、資源の採取からエネルギー消費まで、社会におけるエネルギーの流れ全体を指す。エネルギーモデルを用いれば、この複雑な過程を定量的に捉え、その合理性を数字で比較することができるという。さらに、「この先、新しい技術や考え方が出てきた場合、それを利用するかどうか判断する際にも役立ちます」と藤井教授。「例えば、コストは少し高いけれど、エネルギー効率も高い発電技術があったとします。エネルギーシステム全体のコストを最小にすることを目標におき、エネルギーモデルで最適となるよう計算を行います。導き出された結果の中に、新しい技術を利用すべき割合が数値として少しでも表れてくれば、その技術は有望であり、将来使われる可能性があると評価されます。一方で、導き出された結果に割合が算出されない場合もあります。それはコストが高過ぎるため、目標の範囲では利用できないことを意味します。CO2排出量が削減できる場合であったとしても、他の技術を使った方が良いという判断になります」こうしたエネルギーモデルは、エネルギー基本計画や政策立案の現場で広く活用されているという。「エネルギーモデルは望遠鏡で遠くを見るように、遠い将来のエネルギーシステムの姿を描くとともに、羅針盤や方位磁針のように、私たちが進むべき方角を計算結果として示してくれるものなのです」と藤井教授はその役割の重要性を語る。
藤井教授は他の要因を含めた拡張版の恒等式を用いて、技術の3分類による影響を踏まえながら、CO₂の排出総量とのバランスを導き出す。エネルギーモデルは、このような計算式や膨大なデータを集めて作られる。
導き出される現在の見通し
日本が掲げる2030年、また2050年までの目標に向けて、エネルギーモデルは現在どのようなエネルギーシステム像を描き出しているのだろう。藤井教授は、「CO2排出量の目標値を設定し、コストが最小となるエネルギーシステムを計算しました。その結果を見ると、現時点では再生可能エネルギーだけを使い、カーボンニュートラルの実現を目指すのは困難と考えられます。これは、コストが非常に高くなるという結果によるものです。どれか一つの技術にだけ頼るのではなく、原子力やCO2回収貯留をはじめとする、さまざまな技術をうまくミックスして、対応していくことが重要と考えられます」と話す。安全性を維持しつつ、CO2排出量とコストを抑えたエネルギーシステムを目指すためには、どのエネルギー資源をどれだけ活用するのか、経済的評価を踏まえたエネルギー選択が要となる。特に、再生可能エネルギーの導入がどこまで可能かという問題については、メリットとデメリットを含めて長い間議論が続いている。藤井教授は次のように説明する。「再生可能エネルギーのうち、水力や地熱、バイオマスは安定して得られるエネルギー資源です。しかしながら、土地や河川が無いなど、導入したくても利用することが難しい場合があり、地球の有限性に左右されると言えます。太陽光や風力にも期待を持ちますが、夜間や風の吹いていない時間は発電できないなどの特徴があります。これを克服するためには、二次電池などにより電力を貯留したり、輸送する技術を確立しなければなりません。しかしそのためには、膨大なコストが必要となります」
さらに藤井教授は、「再生可能エネルギーの中でも、特に太陽光と風力に対する社会からの期待が高まっています。これらがどこまで導入可能か、どれほどの効果が期待できるのかを正確に評価する必要があります。そのためには、既存のエネルギーモデルの解像度を、今よりもさらに高める必要があります」と続ける。
エネルギーモデルを育てる
エネルギーモデルの解像度とは何だろうか。エネルギーモデルを構築する上で重要なものに、「地理的解像度」と「時間的解像度」があるという。「解像度とは、どれほどの細かさでモデルを作るかということです。太陽光や風力は、場所や時間に依存するエネルギー源です。それらを正確に評価するためには、場所や時間を細かく分割したモデルが必要となります。1990年代には、世界を10地域ほどに分割する手法が主流でした。現在では、コンピューターやソフトウエアの進歩により、観測所がない場所も含め、世界を400地域ほどに分割して捉えることができるようになりました。これが『地理的解像度』というものです。『時間的解像度』も1万倍近く向上しました。化石燃料を主体とする場合は、1年から10年という年単位の解像度が適用されます。しかし変動が大きなエネルギー源を評価するためには、1時間単位か、それよりも細かなモデルの構築が目指されています」と藤井教授。さらに、「先に触れましたが、太陽光や風力発電では、蓄電や輸送技術の確立が課題となります。これらがどれほど大変かを評価するためには、地理的にも時間的にも細かい解像度が必要とされます。今まさに取り組んでいる課題です」と説明する。
また興味深いことに、「エネルギーモデルの構築は、同時にモデル作成者自身のエネルギーシステムへの理解を深める活動でもある」と藤井教授は指摘する。「モデルを作成する過程で、効率をどのように計算すればよいか、入力と出力の関係をどのような式で表そうかなど、検討を重ねる中で疑問にぶつかる時があります。エネルギーシステムは、すべてが物理的に決まるわけではありません。社会インフラや制度など、エンジニアの知識だけでは分からない部分も多く含まれます。社会のいろんな立場の人びとの知識を集大成しなければ把握しきれません」。さらに、エネルギー選択には社会対話が不可欠であり、さまざまな人々の意見や価値観に耳を傾ける姿勢も必要となるだろう。「研究課題は尽きることがありません」と藤井教授が言うように、エネルギーモデルの構築には、ゴールという考え方がないと捉えることができそうだ。不足している視点を見つけては補い、新しい技術や考え方の誕生に合わせて、必要なデータや計算式を追加するなど、日々進化を続けていく。藤井教授は最後にこのように締めくくる。「エネルギー選択をめぐっては、大激変の時代がやってきます。そうした中では何ができるのか、何ができないのかという判断を的確に行う必要があります。エネルギーモデルは、望遠鏡や羅針盤のようにその助けになるものではありますが、既存のモデルを鵜呑みにすることなく、欠けた視点や新しい視点がないか、考える姿勢を持ち続けることが大切と考えます」
※本インタビューは、オンラインで行われました。
（聞き手：ノンフィクションライター 西岡真由美 公開日：2022/03/29）