Firming weather dependent renewable generation yields single digit system level energy returns

あなたは、巨大で賑やかな都市に電力を供給しようとしていると想像してください。あなたには、太陽が照りつけ、風が吹いている時には素晴らしい電力を生み出す、ソーラーパネルと風力タービンの艦隊があります。しかし、ここには落とし穴があります。太陽は夜には輝かず、風は常に吹いているわけではありません。特に、長く暗い冬の数週間などはそうです。電灯を24時間365日灯し続けるためには、自然が休息に入った時に代わりを務めることができる「バックアッププラン」が必要です。これが、**エネルギー収益率（EROI）**の世界です。EROIをエネルギーの「利益率」と考えてみてください。もし、ある発電所を建設するために1単位のエネルギーを使い、その発電所がその寿命の間に10単位のエネルギーを返してくれるなら、あなたのEROIは10です。これは素晴らしい取引です！しかし、もし1単位を使って、返ってくるのがわずか1.1単位しかなければ、あなたのEROIは1.1となり、明かりを灯し続けることすらやっとであり、病院や学校、あるいは宇宙ロケットを建てる余裕などほとんどありません。科学者たちが問いかけている大きな疑問は、太陽光や風力を信頼できるものにするために必要な追加要素（巨大なバッテリーやバックアップ用のガス発電所など）をすべて加えたとき、「利益」は消えてしまうのか？ということです。

ハンス・ペーター・ベックによって書かれたこの論文は、まさにその問いを深く掘り下げています。これは、未来のエネルギーシステムのための、巨大な会計帳簿のようなものです。単なる屋根の上のソーラーパネルを見るのではなく、著者は「艦隊」モデル、つまり風力80％、太陽光20％に依存する中央ヨーロッパの巨大な仮想電力網を構築しています。そしてこの研究はこう問いかけます。「天候に左右される電力を信頼できるものにするために必要な、重労働のバックアップを加えたとき、私たちのエネルギー利益はどうなるのか？」論文の結果によれば、ソーラーパネル単体で見れば素晴らしく見えますが、いざ、冬の嵐の間も明かりを灯し続けるために必要な「定常化（ファーミング）」（バックアップ）システムを加えると、エネルギー利益は劇的に低下します。実際、最も信頼性の高いバックアップオプション（水素貯蔵やガス発電所など）をテストしたところ、エネルギー利益は一桁台、あるいはゼロに近いところまで縮小してしまいました。この論文は、高いエネルギー余剰がなければ、私たちの現代的で複雑な社会は、繁栄することはおろか、生き残ることさえ困難になる可能性があることを示唆しています。

ソーラーパネルの孤独な夢

まずは、この物語の主人公であるソーラーパネルから始めましょう。単体で見れば、ソーラーパネルはある種のロックスターです。パネル、ワイヤー、インバーターといった設置物だけを見れば、それは素晴らしいエネルギー利益を持っています。中央ヨーロッパの晴れた地域では、その建設に使われたエネルギー1単位に対して、生涯で15から20単位を返してくれるかもしれません。これは、1ドルのチケットを買って20ドルをもらえるようなものです。まるで当たり確定の宝くじのようです！

しかし、ここにプロットの急展開があります。ソーラーパネルは「晴れた日の友人」なのです。太陽が出ている時にしか機能しません。都市全体を動かしたいのであれば、晴れた日の友人に頼るわけにはいきません。雨の日、曇りの夜、そして太陽がほとんど顔を出さず、風が死に絶えた恐ろしいほど長い冬の期間に備えたバックアッププランが必要です。科学者たちは、この必要性を「定常化（ファーミング）」と呼んでいます。それは、ピクニックシート（ソーラー）を持っていることと、フル装備のテントとヒーター（定常電力）を持っていることの違いです。

バックアッププランのコスト

この論文は、その「晴れた日の友人」を「信頼できるルームメイト」に変えようとしたときに何が起こるかを検証するために、電力網の巨大なシミュレーションを構築しています。著者は、電力が風力80％、太陽光20％から供給されるシナリオを作成しました。この組み合わせは、太陽が照っていない時に風が吹いていることが多いため優れたものですが、それでも弱点があります。風と太陽の両方が同時に「昼寝」をしてしまうことがあるのです。これらは「ドゥンケルフルート（Dunkelflaute）」（ドイツ語で「暗い停滞」を意味する専門用語）と呼ばれます。

この暗い停滞を生き延래るために、論文では3つの異なるバックアップ戦略をテストしていますが、その結果は衝撃的なものでした。

1. バッテリーバンク（短期的な解決策）
巨大なバッテリーを使って問題を解決しようとする場面を想像してください。バッテリーは、午後のエネルギーを夕方に移すような、満杯のバスケットから空のバスケットへリンゴを少し移動させるような作業には適しています。しかし、もしバスケットが丸一週間空っぽだったらどうなるでしょうか？
論文の計算によれば、もし24時間分を蓄えるのに十分なエネルギーをバッテリーに貯めようとすると、エネルギー利益は崩壊します。15単位を得る代わりに、わずか0.7から2.3単位しか得られない可能性があります。なぜでしょうか？それは、巨大なバッテリーを作るために膨大なエネルギーが必要だからです。それは、店に行くために重いレンガの詰まったバックパックを背負って歩くようなものです。バックパックが重ければ重いほど、実際に食料を買うためのエネルギーが残らなくなります。たとえ4時間のバッテリーであっても、利益は3.4から7.6の範囲まで落ち込みます。論文は、バッテリーは短い昼寝には有用ですが、長い冬を乗り切るにはあまりにも重く、コストがかかりすぎると示唆しています。

2. 水素タンク（長期的な解決策）
次に、論文は水素について考察します。これは、電気をガスに変えて巨大な地下タンクに貯蔵し、必要な時に再び電気に戻すというものです。これは究極の長期貯蔵であり、数週間または数ヶ月間エネルギーを保持できます。
しかし、そのプロセスは非常に非効率的です。それは、漏れているホースでバケツを満たそうとするようなものです。バケツの中に少しの水を留めておくために、大量の水（電気）をポンプで注入しなければなりません。これらの損失により、タンクを満たすためだけに、より多くのソーラーパネルや風力タービンを建設する必要があります。論文によれば、この「超貯蔵」を用いたとしても、エネルギー利益は3.4から7.7の範囲にまで低下します。24時間用バッテリーよりはマシですが、依然として「一桁台」の領域にあり、これは現代社会にとって危険な領域です。

3. ガス・バックアップ（化石燃料という松葉杖）
最後に、論文はガス発電所をスタンバイ状態にしておくケースを見ています。これらの発電所はエネルギーを貯蔵する必要はなく、風や太陽が消えた時にガスを燃やすだけです。
ここでの結果はさらに鮮明です。これらの巨大なガス発電所を（たとえほとんどの時間をアイドル状態で過ごしていたとしても）稼働可能な状態で維持しておく必要があり、さらに燃料を燃やす必要があるため、パイプラインガスを用いた場合のエネルギー利益は1.2から2.6へと急落し、液化天然ガス（LNG）の場合はさらに低くなります（1.0から2.2）。
論文は、EROIが2の場合、総生産エネルギーの半分を発電所の維持に費やしていることになると説明しています。これは、収益の半分が家賃の支払いに消えてしまい、他のことに使えるものがほとんど残らないビジネスのようなものです。EROIが1であれば、単に収支がトントンであり、1を下回れば赤字です。論文は、ガス・バックアップに頼ることは明かりを灯し続けることはできても、学校を建てたり、病気を治したり、宇宙を探索したりするための「余剰」エネルギーをほとんど残さないことを示唆しています。

「アルパイン（高山）」の錯覚

「雪山のソーラーパネルを使えばいいのではないか？ 雪が光を反射するので、もっとうまく機能するはずだ！」と思うかもしれません。論文はこの点についてもチェックしています。結果として、山岳部のパネルは確かに少し多くの日光を得ますが、道路や重い架台、送電線を建設するコストが、その追加の利得をすべて食いつぶしてしまうことがわかりました。山岳部におけるソーラーのエネルギー利益は、バックアップ要件を加えると、通常のソーラーと同じくらい低いレベルに落ち着きます。論文は、困難な地形にパネルを設置しても、大規模なバックアップシステムが必要であるという根本的な問題は解決しないと示唆しています。

大きな絵：なぜこれが重要なのか

では、この巨大なエネルギー会計帳簿からの教訓は何でしょうか？ 論文は、私たちがソーラーや風力を、燃料やタイヤ、ドライバーを考慮せずにエンジンだけで判断するように、孤立した存在として見てきたことを示唆しています。システム全体（都市を確実に稼働させるために必要なもの）を見たとき、再生可能エネルギーの「利益」は大幅に縮小します。

著者は、現代の産業社会が、医療、教育、科学研究などを支えるためには、高いエネルギー利益（少なくとも7から10のEROI）を必要としていると主張しています。もしエネルギーシステムがあまりに非効率で、自らを建設・維持するために自らのエネルギーの大部分を消費しなければならないとしたら、社会の他の部分のために残されるものはほとんどありません。論文は、ソーラーや風力は重要ではあるものの、複雑な世界を維持し続けたいのであれば、それらが「唯一の」解決策にはなり得ないことを示唆しています。私たちは、その隙間を埋めるために、核エネルギーや水力発電のように、常に稼働しており（ファーム）、かつ高いエネルギー利益を持つ他の種類の動力が必要になるかもしれないと暗示しています。

要するに、この論文は、グリーンな未来への道は、単に屋根にパネルを増やすことではないと警告しています。それは、信頼性のための「重いコスト」を理解することなのです。もしバックアップのコストを無視すれば、私たちは、自分たちの住む世界を動かすには全く足りない程度の、緑色のエネルギーをたくさん持っているだけの状態に陥るかもしれません。