豊葦原中津谷のニニギ

食糧自給率の向上を目指して! (2100年の日本へワープ)

カテゴリ: 地球温暖化

トヨタ自動車は、太陽電池によって発電した電力で人工的に光合成を装置の改良に成功したと、発表しました。
この装置は、二酸化炭素を含む水に酸化電極と還元電極を入れ、太陽電池の電力で二酸化炭素からギ酸(CH2O2)を生成します。
効率は、入射した太陽光のエネルギーの7.2%がギ酸の生成に変換されたとしています。具体的な記述はありませんでしたが、おそらく、ギ酸の化学エネルギーへ変換できる割合が、7.2%なのだと思います。


さて、実際の植物は、どれくらいの効率なのでしょうか。
多くの植物の光合成の効率は、1%以下と言われています。人工的に高効率になる環境を与えても、5%には届かないだろうとも、言われています。

となると、エタノール燃料で車を動かすことは、効率が悪いことになります。どんなに工夫しても、太陽光から得たエネルギの1%も、車を動かすためには使えないはずです。
太陽電池の効率は20%を超えており、送電や蓄電によるロスがあっても、光合成の10倍以上の効率は得られるはずです。
前回の話題である『人工光合成』でも、7.2%でした。
人工光合成の生成物はギ酸なので、これをエタノールに変換する必要があります。パナソニックの古い研究では、この過程で、エネルギの1/4が失われるようです。
人工光合成を用いても、エタノール燃料は太陽電池を超えられそうにありません。


エタノール燃料は、電動化が難しい動力に利用するのが良いと思います。
つまり、蓄電量では不足する船舶や、重量の制約が大きな航空機のカーボンニュートラル燃料としての利用です。
ですが、自然発火しにくいのでディーゼルエンジンには不向きと思います。
「エタノール燃料という手段もある」くらいに考えておいた方が、良さそうですね。

ギ酸からメタンを作ることも可能ですので、現状のコンバインドサイクルの発電所の燃料とすることも不可能ではないと思います。
コンバインドサイクルも、船舶なら搭載できるかもしれません。ですが、ガスタービンとランキンサイクルの2種類のエンジンを搭載しなければならないので、スペース面で経済的とは言えません。


考えてみると、エタノール燃料を含むバイオ燃料は、次世代エネルギ源としては、あまり有益ではなさそうですね。

火星探査車パーシヴィアランスに搭載されたMOXIE(the Mars OXygen In-situ resource utilization Experiment の略)を用いて、二酸化炭素から酸素を取り出すことに成功したそうです。

MOXIEは、火星大気中の二酸化炭素を圧縮・加熱して、一酸化炭素と酸素に分離後、加熱&低電圧を印加したセラミックメンブレン膜で、酸素を収集する仕組みだそうです。
MOXIEの諸元は、以下の通りです?

・サイズ  :239×239×309mm
・重量   :17.1kg
・消費電力 :300W
・酸素生成量:10g/h

今回の実験では、1時間に約5gの酸素を生成できたそうです。
これは、10分間の呼吸量に相当するとのこと。
当ブログでは、ダイエット法について書いていますが、その際は、10分間で約3gと計算しています。これは、安静状態をベースにしたためです。
それより多い酸素消費量ですので、軽い作業を想定しているのだと思われます。

1時間に300Wを消費して5gの酸素を生成できるなら、60W/gの性能です。



この装置、温暖化が懸念される地球で使えるでしょうか。

まず、二酸化炭素の分圧を考えてみましょう。
火星の大気圧は750Paで、二酸化炭素の割合は95%なので、二酸化炭素の分圧は713Paくらいです。
地球の大気圧は101300Paで、二酸化炭素の割合は0.040%(400ppm)くらいなので、二酸化炭素の分圧は41Paくらいです。
地球の二酸化炭素の分圧は、火星の1/17ほどしかないので、同等の性能を出すことはできないでしょう。

他にも、地球の酸素分圧が高いので二酸化炭素から酸素を取り出しにくいとか、地球は窒素が多く装置内が高温であることから窒素酸化物が生成されてしまうかもしれないこととか、副産物の一酸化炭素は僅かでも中毒を起こすので大気中に放出できないこととか、色々と気になります。

私は、MOXIEの仕組みが理解できていないので、上記の説明は間違っている可能性があります。
でも、地球では、火星と同等の性能は出ないことは、確実だろうと思います。



MOXIEと似たもので、人工光合成があります(仕組みは全く異なる)が、こちらは、後日、書くつもりです。

カーボンニュートラルを実現するための施策に、『カーボンプライシング』があります。
簡単に言うと、二酸化炭素排出量を販売単価に反映させるのです。二酸化炭素排出税や排出権取引によって、製品価格に転嫁します。

最も手っ取り早い方法が、石油・石炭・天然ガスなどに輸入関税をかけることです。
日本は、石油は99.7%、石炭は99.3%、天然ガスは97.5%を海外に依存しています。なので、ここに関税をかければ、末端までカーボンプライシングが届きます。
この考えによる『地球温暖化対策税』が2012年から始まり、2016年からは予定されていた最高税率で課税されています。

これらの施策の欠点は、国内法であることです。つまり、海外で生産された製品には、課税されません。
この対策として、『国境調整措置』が検討されています。
これは、二酸化炭素排出量の削減ができていない国からの輸入には関税をかけ、輸出には補助を出すやり方です。欧米では、既に検討・実施されています。

ですが、『国境調整措置』には、いくつかの問題があります。

まず、『国境調整措置』を実施している国から「日本に対して何ができるのか」です。
『国境調整措置』は、恣意的に運用できます。
相手国の二酸化炭素排出量は、正確には判定しにくいところがあります。
例えば、該当国が「個人の暖房需要が多いので、産業の排出量は少ない」と主張した場合、どう判断すれば良いでしょうか。正確な判断は難しいので、『国境調整措置』を発動した国の主観的な判断で運用することになります。
これを拡大すると、例えば「石炭火力を使っているから」とか、「再生可能エネルギー比率が低いから」とか、「製品の生産量を偽っている(単品当たりの二酸化炭素排出量を偽る)」とか、いくらでも恣意的に運用できてしまいます。

逆に、日本が『国境調整措置』を運用する場合、関税外貿易障壁として扱われる可能性もあり、TPPの規定に抵触するかもしれません。
日本の貿易は、TPPで縛られています。
TPP加盟国が、二酸化炭素を大量に排出しながら安価に製品を生産していても、関税をかけることは難しいはずです。
また、『国境調整措置』が恣意的に運用できるので、TPPに『国境調整措置』を盛り込んでしまうと、TPPの本来の自由貿易が崩れてしまう。
また、『国境調整措置』を組み込む条件として、日本が持つ高生産効率の技術供与が持ち出されるかもしれません。その場合には、日本の技術開発費が回収できません。また、国内企業は、海外での技術開発にシフトするかもしれません。
また、国家主導による技術開発も、TPPによって制限を受けるはずです。



当ブログでは、かねてからTPPには反対の考えを伝えてきました。
当ブログの主目標である食糧自給率の向上でも、副目標である地球温暖化の防止でも、TPPは足枷になります。だから、反対の意思を表明していました。
カーボンプライシングも、TPPの影響を受ける可能性があります。
日本が、目先の経済を優先するために他国に流され続けるなら、様々な面で世界から遅れていくことになりそうです。

既に、成立してしまっているTPPですが、それならば、二酸化炭素排出量削減で先進的な取り組みが行われることを期待します。日本が主導することによって、日本国民の生活の向上に繋げてほしいものです。
その上で、TPP加盟各国の共栄を図ってもらいたいものです。
(接待漬けの官僚には無理だな・・)
 

自動車の電動化が打ち出され、日本の自動車メーカーも重い腰を上げようとしています。
自動車の電動化だけがカーボンニュートラルではないので、二面から見てみましょう。


まず、内燃機関を搭載するカーボンニュートラル自動車を考えてみましょう。
現在の日本では、乗用車に搭載される内燃機関は、圧倒的にガソリン(オットーサイクル)エンジンが多く、ディーゼルエンジンは一部です。逆に、バスやトラック等の大型車は、ほぼディーゼルエンジンです。
ガソリンエンジンとディーゼルエンジンの燃料は、それぞれガソリンと軽油です。
ガソリンも軽油も、石油から生成されます。日本に輸入されるサウジアラビア産原油からは、ガソリン19%、灯油・軽油46%、重油34%に分離されます。軽油は、国内生産量を上回るため、輸出しています。

人工的に生成できる燃料としては、エタノールと、ユーグレナによる燃料があります。
エタノール燃料は、ガソリンの代替燃料です。発熱量が少なく、材質によっては腐食等の問題がありますが、現時点でも広く使われていて、エンジンや自動車側に大きな問題はないでしょう。
残る問題は、食糧生産とトレードオフ関係にあることです。
食糧自給率が100%を大きく下回る日本では、エタノール燃料は不向きでしょう。

ユーグレナ燃料は、灯油の代替が期待されます。
ディーゼルエンジンでは、灯油でも重油でも動作します。
ただし、ユーグレナ燃料は、現時点では、灯油も軽油も完全には代替できません。また、ディーゼルエンジンは、燃料ポンプの潤滑を燃料の粘性を利用するため、燃料の性質に合わせて設計を変える必要があります。同時に、燃料の品質が一定していなければなりません。
ユーグレナは、現時点の食品利用は多くありませんが、今後は食糧とのトレードオフ関係になる可能性があります。


電気自動車は、大きく二つの問題があります。
一つは、蓄電池です。
充電量と充電時間が、実用レベルに達していません。充電量は、搭載する電池の量を増やすことで、ある程度は改善できます。
ですが、重量や搭載方法を考えると、小型軽量化は必須です。そのための新技術の開発は、国策として進めていくべきでしょう。

もう一つが、元々の発電方法です。
電気自動車に供給する電力は、3/4以上が化石燃料で作られています。電気自動車で需要が増加すれば、電力消費も増加します。
今冬には、大雪によって電力需給が逼迫する事態もありました。
電力不足の原因は、再生可能エネルギー発電(以下、再エネと略す)が、積雪で大幅に低下したためのようです。再エネ発電は、天候や日照時間の影響が大きいためです。

そこで、供給過剰時のみ電力を販売する電気自動車専用の充電ステーションがあったら、面白いと思います。
例えば、太陽光発電が過剰になる夏場の日中にだけ、電気自動車に電力を供給するのです。なので、夜間はいつまで経っても充電されません。
その代わり、電気代は原価(固定買取価格)に近い安価なものとします。
ただし、原価割れにはしません。原価割れを起こしてまで、再エネの電力を販売する理由はありません。
原価割れを再エネ発電事業者が負担するなら、話は別です。ですが、発電量が増える時に電気自動車に充電することになるので、再エネ発電事業者は利益どころか、電力を廃棄物扱いすることになります。これでは、再エネ発電を衰退させます。
再エネによる電力供給の変動分を吸収する手段の一つが、蓄電池です。ですが、必要な蓄電池は桁外れで、到底、用意できる量ではありません。
電気自動車の蓄電池を、再エネ発電の蓄電に利用することで、余剰分の一部を吸収させるのです。これは、再エネ発電の拡大ではなく、電気自動車の拡大を目的としているので、その視点でのアイデアです。

ところで、太陽光発電の買取価格は、12〜19円/kWhです。
仮に、20円/kWhで販売する場合、電気自動車の電費が8km/kWhとすると、2.5円/kmくらいになります。ガソリン単価を130円/l、燃費を40km/lとすると、3.25円/kmです。
電気自動車が有利になるので、電気自動車の普及にプラスになるかもしれません。
必要時に充電されているとは限らないので、利便性は低いのですが、電気自動車の充電量が増えれば、余剰電力が多い土日に充電して平日に使うような利用形態もあります。

電気自動車は、もう一つの道が考えられます。
FCVです。
燃料の水素は、余剰電力で生産します。つまり、余剰電力を水素の形で保存し、必要時に電力として利用する考え方です。
ただし、水素を生産するためには、電力の他に大量の水が必要になります。細かく見れば、電極の素材も消耗するので、これもかなりの量が必要になります。
ただ、静岡県知事の反応を見ると、水の確保も、相当に難しいでしょう。
同時に、廃棄物として出る大量の酸素も、問題になるはずです。
ただ、蓄電池だけで走る電気自動車よりも、日本では可能性があるように思います。


自動車の未来を考えてきました。
ざっと見ただけですが、日本はどんな方向性を考えるのか、今までの常識も見直す必要もあるでしょう。

例えば、バスとトラックで、同じタイプの動力を使う必要はありません。
中・大型トラックは、荷重が大きいのでRWDであるべきですが、荷重が小さいバスは、FWDが可能です。後輪は、逆位相操舵で小回り性を確保してもいいはずです。
FCVを含む電気自動車なら、モータは小型なので、FWDもRWDもAWDも容易です。コストを考えると、FWDかRWDになるでしょうが、自由度の高さは魅力です。

バイオ燃料を使う内燃機関の場合、ほぼ従来から変わりません。車の基本構造を変える必要はありません。
ただ、バイオ燃料は、低温で固化しやすいと聞きます。バイオ燃料を改質する酵素のようなものを開発しないと、実用的に使えないかもしれません。
トラックは、厳しい環境で使われることがあるので、それに耐えられることが条件に追加されます。


2050年のカーボンニュートラルに向けて、どんな方向性が出てくるのか、注目していきます。

ローターセール船を御存知でしょうか?
船に、帆柱のような円筒(ローター)を立て、それを回転させて推進力を得ます。
横から風を受ける時、ローターを時計方向に回転させ、ベンチェリー効果で推進力を得ます。もちろん、右からの風ならば、反時計回りの回転させます。
100年前から存在する古い技術ですが、今年になって、ノルウェーで可倒式ローターを取り付けたRORO船(SC Connector号)がデビューしたとのことなので、取り上げることにしました。


まず、RORO船を解説します。
Roll On・Roll Offの略で、簡単に言えば、貨物専用フェリーです。
フェリーとの決定的な違いは、原則として一般乗客を乗船させません。
(※例外的に12人までの乗客(通常は運転手)が乗船できる)
ROは、Rotorの略ではないので、御注意ください。

ローターセール船が推進力を得られるのは、横からの風です。
帆船と似ていますが、帆のように向きを最適化できないため、真正面だけでなく、真後ろからの風でも、推進力を得られません。
もちろん、角度をつければ推進力を得られるので、ジグザグに航行すれば良いのですが、そんな無駄な航路を航行するメリットがあるのか、気になるところです。

帆装でも、最も推進力を得られるのは、横からの風ですが、真後ろからの風でも推進力を得られます。大型帆船では見たことがありませんが、ヨットではスピネーカーと呼ばれる追風専用の帆もあります。
帆船も、最大の推進力を得られるのは、斜め後ろからの風です。
スピネーカーは別として、帆に働く力は、風の流れによって生み出される揚力です。なので、帆の表面を風が流れていく必要があります。
また、揚力は帆の面に垂直に働くので、帆は横方向に展開している時に、揚力を最大限に利用できます。つまり、ほぼ横風の時、最大の推進力が得られることになります。
ですが・・・

ですが、ですが、航行風ってあるんですね。
船が前へ進めば、当然、前から風が吹きます。実際に船が受ける風は、この航行風と自然風の合成風です。
船の真横から風速10m/sの風を受けている時、船が20ノット(約10m/s)で航行しているなら、合成風は斜め前方(約45度)から風を受けることになります。
これでは、最大の推進力を得られません。
実は、最大の推進力を得られるのは、斜め後方からの風なのです。

さて、航海速力が上がれば上がるほど、前寄りの風に変わります。
では、船は、真正面からの風では進めないのでしょうか?
真正面からの風でも、前へ進むことは可能ですし、模型では製作されたこともあります。
ですが、航行風で前へ進むことはできません。航行風を起こすためのエネルギーが、航行風から得られるエネルギーより大きくなる(損失があるから)ためです。
そもそも、航行風で船が動くなら、第1種永久機関になってしまいます。
合成風を考えると、風力を利用する船は、風速を超える速さで航行することはできないことが、わかります。


ところで、一般的な貨物船は、どれくらいの速さで航行しているのでしょうか。
特殊なものを除くと、15ノット前後です。これを風速に換算すると7.7m/sです。
実際の帆船は、どれくらいの速さで航行できるのでしょうか。
咸臨丸(3檣バーク型)は、37日でざっと10000kmを航行しているので、平均は6ノットくらいです。
世界一周のヨットレース、ヴァンテ・グローブでは、80日ほどでゴールします。
このレースの航路は、24000〜26000海里になると言います。南極周極流を利用できることもあり、平均で約13ノットで航海しています。
逆説的に見ると、スピードだけを追求しても、平均13ノットが限界となりそうです。
貨物船にしても、客船にしても、決められた期日に間に合うように到着したいところです。ですが、速度に特化したレース用のヨットでも、平均速度は13ノットで、貨物船の速度としては下限に近いところです。

「いやいや、帆走だけのヨットと違い、機走が主で、帆走は従の関係だ。速度はエンジンで維持し、帆走はエンジンの負荷を下げる役目だ」
それが上手くいけば良いのですが、航行風を考えると、中々微妙なところです。
貨物船の速度が15ノットなら、約7.7m/sの航行風が吹きます。真後ろから成分だけで、7.7m/s以上の風が吹かないと、推進力を得られません。
そのような気象条件を満たすことは、多くはないと思います。
なので、航海速力を抑える方が、風力を有効に使えるはずです。

さて、ローターセール船だけでなく、ノルウェーのお隣のスウェーデンでは、ワレニウス・マリン社が大型帆船オーシャンバード号の開発を進めています。
排水量32000t、全長200m、全幅40m、全高105m(短縮時45m)で、5檣スクーナー型に類型の帆船です。帆は、翼断面を持つ硬翼帆となっています。
速力は、10ノットだそうです。
一般的な貨物船より速力がありませんが、その分、風を有効に使えるのでしょう。



最後に、帆船の帆について、個人的なアイデアを紹介します。
帆は、機能的に飛行機の翼と似ています。
空気の流れを受けて、揚力を得ます。ですので、翼で使われる技術は、帆でも応用ができると思われます。
飛行機の離着陸時に、フラップを展開することは、多くの方が御存知でしょう。
民間旅客機は、隙間フラップが一般的ですが、水陸両用機であるUS-2では、吹き出しフラップと呼ばれる特殊なフラップが使われています。
US-2は、海上への離着水を行います。荒波の影響を抑えるため、民間旅客機よりも遥かに遅い50ノット程度の速度で離着水を行います。これを実現するために、吹き出しフラップが採用されました。(PS-1で採用し、改良型であるUS-2に受け継がれた)
吹き出しフラップは、動力を使って翼上面に気流を作り、翼上面から気流が剥がれるのを防ぎます。


これを応用し、帆に吹き出しフラップを付けることを提案します。
吹き出しフラップを付ければ、帆の面積以上の推進力を得られます。もちろん、抗力も大きくなりますが、揚力と抗力の合成が推進力になるので、抗力も推進力に変換できます。
もちろん、通常の帆では無理ですが、硬翼帆ならば、不可能ではありません。
1980年代の新愛徳丸から、散発的に硬翼帆を持つ貨物船が作られてきました。現在では、ウィンドチャレンジャー計画が進められているそうです。


硬翼帆の翼端に吹き出しフラップを設け、揚力を増やせるかもしれません。
また、一般的な吹き出しフラップではなく、オーグメンター翼も面白いかもしれません。

私には、ローター船のローターを回すより、吹き出しフラップの圧搾空気に動力を使う方が、効率が良いように思えます。
まぁ、自然風が相手ですから、フラップが効果を上げるほど、遅い気流が翼面から剥がれるのか、怪しいところはありますが・・・


政府は、2050年のカーボンニュートラルを発表しました。
民間の船舶の多くが、ディーゼルエンジンを動力としています。ディーゼルエンジンは、熱効率が高く、大型船の機関では50%を超えると言います。しかも、重油などの低質油も使えます。
なので、慌ててディーゼルエンジンから燃料電池などの代替動力に切り替えると、トータルではCO2排出量が増えたり、重油だけが余ってしまう可能性があります。
原油は、成分を分離して、それぞれに利用されます。ですので、特定の成分だけを使わないようにすると、原油の使用量は変化せず、使わない成分が廃棄物となります。その廃棄物が焼却処分されるようでは、本末転倒です。

広い視野を持ち、多角的に進めていかなければなりません。
前述の原油の利用削減も、バランス感覚と計画性が大切です。
社会の構造や運営も、同様です。
例えば、帆走が有効に使えるように、貨物船の航海速力を落としても成り立つ社会を考えていく柔軟性が必要ですね。

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