The risk to renewable electricity from volcanic eruptions
本研究は、1815年のタンボラ噴火をアナロジーとして用いることで、大規模な火山事象が風力および太陽光エネルギー資源の同時かつ持続的な世界的な減少を引き起こし、それが重大な電力生成損失と経済的コストをもたらし得ることを示し、こうした低頻度の気候ショックを長期的なエネルギー計画に組み込むことの緊急性を強調するものである。
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世界は、化石燃料を燃焼させることから、風や太陽から捕らえられるエネルギーへと、その動力源をシフトさせています。これらの再生可能エネルギーはクリーンであり、安定した気候のために不可欠なものですが、ある隠れた脆弱性を抱えています。それは、天候に完全に依存しているという点です。もし風が止まり、雲が太陽を長時間遮ってしまえば、明かりが消えてしまうかもしれません。科学者たちは、日々の嵐や季節の変化がこれらの電力網にどのように影響するかを長年研究してきましたが、エネルギー計画においてこれまでほとんど無視されてきた、より稀で劇的なタイプの気象現象があります。それが、大規模な火山噴火です。十分な規模の火山が爆発すると、大量のガスや灰が上層大気へと高く打ち上げられ、それらが拡散して地球規模のヘイズ（霧状の霞）を形成します。このヘイズは、太陽光を遮る薄いベールのような役割を果たし、数年にわたって地球を冷却し、風のパターンを変化させます。このような噴火が地球の気温に及ぼす影響はよく知られていますが、この特定の種類の大気の混乱が、私たちが日常的に頼りにしている電気にどのような影響を与えるかを計算した人は、これまでいませんでした。
研究チームは、もし今日、あの1815年の噴火と同じ規模の火山が爆発したら何が起こるのかをシミュレーションすることで、この空白を埋めるべく乗り出しました。彼らがモデルとして選んだのは、1815年のタンボラ山の噴火です。これは記録されている歴史の中でも最も重大な噴火の一つであり、世界中で農作物を壊滅させた「夏のない年」をもたらしました。科学者たちは、地球の大気の精巧なコンピュータモデルを用いて、その噴火の状況を再現し、結果として生じるエアロゾル（太陽光を反射する微細な硫黄粒子）の雲が、現代の発電所が利用可能な風力および太陽光資源とどのように相互作用するかを観察しました。彼らは、結果が単なるコンピュータ・コードの偶然の産物ではないことを確実にするため、数百回のシミュレーションを実行し、温暖化が進んだ将来の世界や、エルニーニョのような自然な天候サイクルといった、異なる背景気候の下での噴火の挙動をテストしました。
シミュレーションは、厳しい現実を明らかにしました。これほどの規模の火山イベントが発生した場合、世界中で風力および太陽光発電の両方が同時に低下するという結果が出たのです。ヘイズが日光を遮ることで、ソーラーパネルが収穫できるエネルギーが直接的に減少します。同時に、エアロゾルによる冷却効果が、風を駆動する大規模な大気循環を弱め、世界中の優れた風力発電地域の多くで空気が穏やかになる現象を引き起こします。この二重の打撃は、一時的な中断ではありませんでした。モデルによれば、エネルギー資源の減少は最大20ヶ月間持続することが示されました。研究では、平均して、世界の風力および太陽光資源はこの期間中に約3.6パーセント減少することが分かりました。わずか数パーセントと思うかもしれませんが、グローバルなエネルギーシステムの規模を考えれば、これは膨大な電力の損失を意味します。
研究者たちがこれらの物理的な変化を現代の電力網の言葉に置き換えると、その数字は極めて深刻なものとなりました。2024年時点の世界の風力および太陽光の設置容量に基づくと、一度のタンボラ級の噴火によって、その20ヶ月間で約216.9テラワット時の電力が失われることになります。これを分かりやすく例えるなら、カリフォルニア州全体が1年間に消費する電力に相当します。この失われたエネルギーによる経済的コストは、現在の発電価格を用いて計算すると、約92億米ドルになります。しかし、その影響は場所によって均等に現れるわけではありません。研究は、天候が最も悪化する場所と、被害が最も深刻になる場所との間の決定的な乖離を浮き彫りにしました。例えば、南米やアフリカは風力と太陽光の減少率が最も高くなり、物理的に最も敏感な地域となります。しかし、現在、アジアには風力および太陽光発電所が最も集中しているため、アジアが絶対的な電力損失において最大の被害を受けることになり、111テラワット時以上の電力を失うことになります。欧州や北米も大きな損失に直面しますが、その程度はアジアよりはやや低くなります。
研究者たちはまた、なぜ風と太陽がこのような挙動を示すのかを理解するために、基礎となる物理学についても調査しました。火山性のヘイズは熱帯の大気を冷却し、赤道から極方向へ熱を運ぶ巨大なエンジンであるハドレー循環を弱めることが分かりました。この弱体化により、多くの風力発電所が位置する亜熱帯における風速が減少します。興味深いことに、モデルは一部の高緯度地域では風速が増加することを示しましたが、これらの利得は他の地域での広範な損失を補うには不十分でした。太陽光については、物語はもう少し複雑です。火山粒子が直射日光を遮る一方で、冷却効果によって一部の地域では雲の量が減少し、それがわずかながら光を通すこともありました。この雲の減少は、火山灰による暗さを部分的に相殺しましたが、太陽エネルギーの純損失を防ぐまでには至りませんでした。研究は、これらの物理的メカニズムは強固なものであり、たとえ噴火がより温暖な将来の気候や異なる自然の天候局面の中で起こったとしても、同様に発生する可能性が高いことを示唆しています。
この研究は、エネルギー計画の未来に対する警告として機能します。世界が天候に依存する電力への依存度を高めるにつれ、稀ではあるが高インパクトな気候ショックのリスクはより重要なものとなります。本研究は、現在のエネルギーシステムが、風力と太陽光が減少する2年間という期間を想定して設計されていないこと、そして標準的な蓄電池ではそのような長期的なギャップを埋めるには不十分であることを強調しています。さらに、この知見は、人類が地球を冷却するために意図的にエアロゾルを大気中に注入するという「太陽ジオエンジニアリング（太陽地球工学）」と呼ばれる議論を呼んでいるアイデアにも影響を与えます。本研究は、そのような介入が地球の気温を下げる可能性はあるものの、意図せずして再生可能エネルギーの生成を抑制し、気候緩和とエネルギー安全保障との間に新たな対立を生み出す可能性があることを示唆しています。研究者たちは、大規模な火山噴火は発生確率こそ低いものの、そのグローバルな電力網を混乱させる潜在能力は、強靭で低炭素な未来のための長期的な計画に組み込まれるべきほど高いものであると結論付けています。
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