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Aug 14, 2023

将来のエネルギー革命

La settimana scorsa abbiamo discusso di tutte le principali rivoluzioni energetiche della storia umana.vedemmo

先週、私たちは人類の歴史におけるすべての主要なエネルギー革命について話し合いました。 私たちは、より優れたエネルギー形態が時代遅れのものに取って代わることを確認しました。

つまり、私たちは木材と石炭をほとんど排除したように見えますが、依然として石油とガスに依存していますよね？

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ええとああ。 真実は、木材、石炭、石油の消費量は依然としてピークに近く、ガス消費量は爆発的に増加しているということです。 それは、消費されるエネルギーの割合としては減少しているにもかかわらず、私たちははるかに多くのエネルギーを消費しているからです。

私たちは、できるだけ早くこのパラダイムから脱却する必要があることを認識しています。 それで何が起こるでしょうか？

前回の記事で、初期のエネルギー源はすべて太陽に帰着すると述べました。 しかし、これはもう真実ではありません。 私たちが知る限り、基本的には太陽、地球、月、原子の 4 つです。

これまで見てきたように、人類は、畜産、水車、帆、石炭など、より多くのエネルギーを利用する新しい方法を見つけるたびに、大きく前進してきました。

人類が次のレベルの進歩に進むことを望むなら、利用するエネルギーを増やす必要があります。 エネルギーは良いものです。 悪いのは、多大なコストがかかる方法でそれを行うことです。 残念ながら、化石燃料の消費だけが原因ではなく、私たちは正しい方向に進んでいません。

もちろん、これは米国の生産性の大停滞と正確に一致します。

エネルギーの低迷は生産性低下の唯一の原因ではありませんが、一因ではあります。

先進国の一人当たりのエネルギー使用量はかつては指数関数的上昇を続けていましたが、現在では指数関数的上昇から脱落し、むしろ減少しています。

これ自体は良いことではありません。私たちはエネルギーが好きなのです。 私たちはそれをたくさん使うのが好きです！ 寒いときは暖め、暑いときは元気を与え、暗闇を照らし、コンピューターに電力を供給し、助けてほしいことは何でもできるようにしてくれます。

一人当たりのエネルギー消費量が減ると何が良いかというと、汚染が減るということです。 しかし、これにより私たちはエネルギーの使用と環境の間で不幸なトレードオフを強いられることになります。 それは持続可能性のために私たちの繁栄を低下させます。 そのようなトレードオフが必要なかったらどうなるでしょうか? これが、エネルギーの未来が実現する必要があるものです。

上記のスキーマは、これを達成するためのエネルギーの選択肢を示しています。 まず、エネルギー生成側:

太陽光発電 - 熱太陽光発電または太陽光発電

風

潮汐

核分裂

核融合

地熱

このうち、太陽光発電は熱太陽光発電よりも優れているようで、風力発電は制限されているようです

ただし、ソースだけの問題ではありません。 今週初めに電気や内燃機関の価値について見たように、エネルギーには資源と同じくらい重要な側面があります。 彼らは何ですか？

エネルギーを生成して使用するだけではありません。 できるだけ簡単、安価、そして清潔な方法で、変形、保管、輸送できるようにしたいと考えています。

紀元前1万年です。 あなたと 20 人のバンドは、広大な森の近くに住んでいます。 あなたは塚を築きたいと思っています。

これらの木にはたくさんのエネルギーが蓄えられています。 しかし、それを利用して塚を築くことはできるでしょうか? いいえ、それらの木々に化学的に蓄えられた太陽のエネルギーを、土壌を動かす力に変換する方法がないからです。 人々に食事を与えるために木を使うことさえできないので、より多くの赤ちゃんが生まれ、一族が成長し、最終的には塚を築くのに十分な筋肉ができます。 せいぜい、食べ物を調理するために何本かの木を燃やし、その灰を土壌を肥やすために燃やすことができます。 しかし、それは木を利用可能な電力に変えるには非常に非効率な方法です。 筋肉には木にはできないことができるのです。

逆に言えば、筋肉にはできないことが木にはできるのです。 暗くて寒いときは、一族の筋肉エネルギーを使って熱と光を得ることができませんでした。 せいぜい、みんなで集まって暑さをしのぐ程度ですが、それはあまり便利ではなく、誰もあまり仕事をすることができません。 光は筋肉から得ることはまったく不可能で、木からのみ得ることができました。

かつて、人々はあらゆる用途に応じて特定のエネルギー源を必要としていました。 それは不便です。 したがって、エネルギーをある形態から別の形態に変換する技術は非常に役立ちました。

家畜はそのための初期の手段であり、植物からのエネルギーを柔軟な電力、食料、輸送手段に変換しました。

オーブンにより、熱を工業プロセスに変換できるようになりました。

内燃機関により、化石燃料に蓄えられた化学エネルギーを輸送エネルギーに変換することができました。

最大の進歩はおそらく蒸気エンジンです。これにより、熱をさまざまな種類の輸送や電力利用に変換できるようになりました。 電車、蒸気船、その他あらゆる種類の機械に動力を供給するために使用できます。

これは、電気が非常に貴重である主な理由の 1 つでもあります。 それは権力の源や利用ではありません。 それは仲介者です。 しかし、非常に多用途です。ほぼすべてのエネルギー源を電気に変換でき、ほぼすべてのユースケースで電気を使用できます。

電気には、ほとんど魔法のような側面があるため、貴重なものもあります。

先週述べたように、エネルギー輸送の重要性が、木を都市の近くに配置しなければならなかった理由、あるいは石炭が熱として広く使用されるまでにこれほど長い時間がかかった理由でした。

これは、石油が石炭に取って代わられた理由の 1 つでもあります。液体であるため、石炭では不可能であるパイプラインによる輸送がはるかに簡単です。 同様に、内燃機関が蒸気機関よりも優れている理由の 1 つは、炉に石炭を供給するよりもはるかに簡単に石油をタンクに充填できるためです。

したがって、私たちのエネルギーは容易に変換可能で輸送可能である必要があります。 どちらも電気が光ります。

ほかに何か？

エネルギーの貯蔵は常に問題となっています。 たとえば、19世紀のミシシッピ渓谷では、トウモロコシが腐らないように（「食物の形でトウモロコシに含まれるエネルギーが失われないように」）バーボンやハムに加工されました。 ウイスキーには、単位重量あたりのカロリーが高いため、持ち運びが容易であるという利点もありました。 鉄道が普及する以前、輸送コストが非常に高かった時代には、これは貴重なものでした。

しかし、私たちの主なエネルギーの種類に戻ると、木材と石炭の大きな利点の 1 つは、乾燥した場所に置くだけで保管が簡単であることです。

太陽と風は全く貯蔵することができませんが、水は最も貯蔵可能なタイプのエネルギーです。ただダムに留めるだけです。

石油にはタンカーが必要で、ガスは冷凍して圧縮するか、巨大で扱いにくい貯蔵所に接続する必要があります。 しかし、それらは実行可能です。 だからこそ各国は戦略的に備蓄しているが、それは数か月分しかない。

ストレージの必要性は、可用性の必要性と関連しています。 エネルギーは、別​​のときに使うのではなく、必要なときに使いたいものです。 エネルギーが利用可能になるまで待つ必要がある場合は、時間を無駄にします。 風を待つ船乗りや製粉業者、ガソリンを補給するためにガソリンスタンドに行かなければならない自動車の運転手、馬が食事や休憩をするのを待たなければならない乗馬者、太陽が昇るのを待つ太陽光発電所にとっては、それが悩みの種でした。

石油やガスを保管できるので、必要なときにいつでも利用できます。

電気が一番厄介です。 バッテリーを節約する必要がありますが、バッテリーの製造は困難で高価であることで知られています。 しかし、少なくとも電気は、風力や太陽光のような再生可能エネルギーとは異なる方法で貯蔵可能であるため、私たちはそれらを貯蔵する前に電気に変換します。 それにもかかわらず：

これは有名なダックカーブであり、ほとんどの国が遅かれ早かれ対処しなければならない問題です。 これは基本的に、春のカリフォルニアで太陽光と風力を除いた、1 日のさまざまな時間帯に必要なエネルギー量を示します。 ご覧のとおり、カリフォルニアでは夜間に約 15 ～ 20 GW が必要になります。 しかし、日中になると、必要なエネルギーは年々減少していきます。 そのため、現在、太陽光発電のピーク時には、消費されるエネルギーよりも生成されるエネルギーの方が多くなります。 これは、太陽エネルギーを追加してもあまり役に立たず、新たに太陽エネルギーを設置するたびに、既存の太陽光発電事業者が得る収入が実際に減少することを意味するため、問題があります。 これはすべて、太陽エネルギーを簡単に蓄えることができないためです。

しかし少なくとも、私たちはすでにバッテリーを使って夜間のエネルギーを節約することができます。 高価で、一部は失われますが、それは可能です。 これは、私たちをガス照明と電気照明と同じような立場に置くことになります。直流電気は高価で損失もあった一方で、ガスに対してはあまり競争力がありませんでした。 しかし、交流電力に取って代わられると、電力損失は減少し、電気照明はガス照明よりもはるかに安価になり、最終的には交流電気に取って代わられました。

残念ながら、季節ごとの保管に関してはさらに大きな問題があります。 6月には望むだけ太陽を得ることができますが、12月に太陽があまり得られない場合は、依然として他のエネルギーが必要になります。

これは私たちに何を教えてくれるでしょうか？ 新しいエネルギー革命を望むなら、電気を非常に安価に貯蔵する方法が必要だということ。 これは明らかに、夜間の電力貯蔵のためにバッテリーが急速に改良され続ける必要があることを意味します。 安価な季節保管庫が依然として必要です。 これは、太陽光と電気の組み合わせを完全に解き放つキーテクノロジーになります。

ストレージに関連するもう 1 つの点は、電力の消費方法です。

熱は下がり、照明が全体のエネルギーに占める割合はほとんどありません。 私たちは産業用電力としてより多くの電力を必要としていますが、ご覧のとおり、輸送用のエネルギーは増加し続けています。

これは、輸送のためにエネルギーを蓄える方法を考えることが重要であることを念頭に置く必要があることを意味します。

これにより、エネルギー貯蔵と輸送の両方に関連するエネルギー密度という別の問題が生じます。

エネルギーを移動させるのは高価なので、できるだけ高密度のエネルギーが必要です。そのため、数グラムの何かで大きな電力が得られます。

これが、航空業界で灯油が非常に一般的である理由です。ケロシンには 1 キログラムあたり大量のエネルギーが詰まっています。飛行機を飛行し続けるには多大なエネルギーが必要となるため、飛行中は 1 キログラムが重要になります。 ジェット機の重量の約 30 ～ 45% が燃料 (燃料部分) であるのはそのためです。 燃料の割合が 90% 以上であるロケットでは、これはさらに重要な考慮事項です。

車の場合、通常、車の重量の 5% 以下しか燃料が使用されないため、これはあまり重要ではありません。 しかし、これは電気自動車には当てはまりません。電気自動車のバッテリーは車の重量の約 25% を占めます。

実際、送電線を使えば、繋留された電力を輸送するのは簡単かつ安価です。 しかし、何かを解きほぐす必要がある瞬間に、エネルギー密度の問題に直面します。 これが、電気ロケット、さらには飛行機が今日パイプの夢である理由です。ほとんどの場合、バッテリーは重すぎて持ち運びできません。

私たちが目にしているのは、新しいエネルギーは、価格が安くなるまで古いエネルギーに取って代わられることはなかったということです。

輸送コストが十分に下がり、石炭が安くなるまでは、石炭が木材に取って代わることはありませんでした。

風力は無料だったため、石炭が風力に代わるまでには何十年もかかりました。 このコスト差を克服するには、他にも多くの利点が必要でした。 そしてそれは、費用対効果がプラスであることが証明されたとき、つまり蒸気機関の可用性と柔軟性により、帆船ではアクセスしにくい貿易機会を可能にしていることにトレーダーが気づいたときにのみ起こりました。

ガス照明は先行投資が必要なため、ろうそくの代替に時間がかかりました。 企業にはそれを行う余裕があり、最初にそれを実行したのです。 しかし、それはまず裕福な家庭に入り込み、その後徐々に広がっていった。

交流電流が安くなるまで、電気照明はガス照明に取って代わりませんでした。

燃焼エンジンが蒸気エンジンよりも安価になった瞬間に、燃焼エンジンは蒸気エンジンに取って代わりました。 以前はありませんでした。

言い換えれば、私たちは気候変動を恐れることができますが、実際に変化をもたらす唯一のものは公共の行動ではありません。 CO2を排出しないエネルギーのコストが化石燃料のコストを下回ることです。

興味深いことに、今後はヒートポンプがガス暖房に取って代わり始めると予測することもできます。 残念ながら、これには家庭用および産業用の設備の変更が必要です。 これには初期費用が必要であり、ガス照明を電気に置き換えるには家庭で新たな電気配線が必要で時間がかかったのと同じように、遅れが生じます。 しかし、エネルギー源がさらに安価になれば、ガス暖房との差が非常に大きくなり、投資が簡単になる可能性があります。

これも、あるテクノロジーを別のテクノロジーに対して傾斜させるものです。 電気照明は、ろうそくやガスで燃焼するよりもはるかに扱いが簡単です。 石炭を蒸気エンジンに投入することは、複雑な帆を扱うよりも簡単です。 馬の飼料を購入し、家に持ち帰って、数時間ごとに馬に与え、馬を掃除し、世話をし、獣医に電話することもできます。または、車のタンクにノズルを差し込むこともできます。

ここでも、電気という明らかな勝者がいます。

発電側では、困難が原子力エネルギーの主な欠点の 1 つです。原子力は危険であるため、積極的な管理が必要であり、コストが上昇します。 一方、石油は特に扱いが簡単であり、それがあらゆる場所に存在する理由の 1 つです。

ある種のエネルギーが安くても汚い場合、人々はそれを消費します。ほとんどの場合、彼らは健康よりもお金を節約したいと考えます。

しかし、さまざまなエネルギーのコストが同等になるにつれて、清潔さが再び重要になります。 ろうそくやガスの燃焼による黒点は、電気照明に切り替える十分な理由でした。

共有

私たちが知っていることは次のとおりです。

先進国ではエネルギー消費が減速しています。 これは環境にとっては良いことですが、経済の発展には悪影響を及ぼします。 人々に無限の機会を与えたいのであれば、エネルギー消費を増やす必要があります。

しかし、私たちは地球を悪化させるのではなく、より良くする方法でそれを行う必要があります。 より多くのエネルギーとより持続可能な世界。

幸いなことに、私たちが信頼できるエネルギー源は、風力、太陽光、原子力の 3 つであり、CO2 を排出しません。 私たちはそれらすべてを推進する必要がありますが、特に最も有望なもの（太陽光発電）と最も不人気なもの（原子力）を推進する必要があります。

私たちはすでに、エネルギーの完璧な仲介手段である電気を発明しました。 変形や輸送も安価で、使いやすく、掃除も簡単です。 その主な欠点は保管場所です。

残念ながら、これは私たちが持つ 3 つの最も有望なエネルギー源の弱点でもあります。 原子力エネルギーは貯蔵することができますが、その発電量を増やしたり減らしたりするのは困難です。 一方、太陽光や風力は蓄えることができません。 これは、需要と供給が容易に一致しないことを意味します。 これを解決する唯一の方法は、ストレージを改善することです。

需要と供給の間の最大の不一致は、風力や太陽光の毎日および季節的なピークと比較して、需要の毎日のピークと谷です。

これは、夜間の電力貯蔵を絶対に考え出す必要があることを意味します。 そのためにはバッテリーが最適です。 私たちはそのテクノロジーをできるだけ早く進歩させる必要があります。

これは特に交通機関に当てはまります。 テスラがこの分野で先頭に立っているのは素晴らしいことです。

しかし、電気バッテリーは船舶、特に飛行機では機能しそうにありません。 彼らのためにエネルギーを蓄える別の方法が必要です。

季節をまたいだエネルギーの需要と供給の不一致を解決する方法がまだ必要です

言い換えれば、原子力エネルギー、太陽エネルギー、夜間の電力貯蔵、季節エネルギー貯蔵のコストを大幅に削減する必要があるということです。

これらについてはすべて書いていきますので、お楽しみに！

風力発電はまだたくさんありますが、太陽光発電ほどではなく、太陽光発電は風力発電よりも早く安価になりつつあります。 これらの論文によると、潜在的な風力エネルギーの合計は、2007 年の世界消費量のわずか 5 倍です。Lu X.、McElroy MB、および Kiviluoma J.: 風力発電の世界的な可能性。 Archer CL と Jacobson MZ: 世界の風力発電の評価。 一方、太陽光発電は30倍です。 風力だけでは今世紀中にエネルギーが不足してしまうでしょう。 太陽光発電で私たちは次の世紀につながるでしょう。

それらすべてについては、今後詳しく書きます。

実際には瞬間的ではありませんが、光の速度に近い速度です。

損失を減らすために電圧を上げる必要があるだけです。

このようなサイトやこのようなサイトで収集できるものから。 ChatGPTとEdgeのAIも同意する。

影響が長期にわたる限り。

いくつかのオプション: 季節間のバッテリー、全世界送電、生産コストが非常に安いのであらゆる需要に合わせて過剰生産できるエネルギー、宇宙生成と地球ビーム、CO2 のメタンへの変換…これらのいくつかを将来的に検討します。

そのうち 3 つは技術的な問題で、4 つ目は社会的な問題です。 技術的な問題には、投資して取り組む以上のサポートはあまり必要ありません。 4 番目の原子力は社会とコミュニケーションの問題であり、別のものが必要です。