石炭は、発電量1kWhあたり太陽光の100倍の採掘量を使用する

フィンはDaveMySpaceに答えを出すと約束しました。2週間の調査の後、この投稿が私のベストアンサーです。

DaveMySpaceが気づいたように、ソーラーパネルには資源が必要です。 シリコンや金属を採掘し、精製する必要があります。エネルギーも消費しなければなりません。 このような事実に対して、非常に興奮する人たちがいます。自然エネルギーを作るのに、どれだけの資源と採掘が必要なのか、彼らはいつも恐怖とショックと不信感をあらわにしますが、決して次のようなことは言いません。

「自然エネルギーの製造に必要な資源をさらに減らせたら素晴らしい。でも、石炭や天然ガスに比べたらほんのわずかでよかった。」

ソーラーパネルやバッテリー、風力発電機が資源を消費することに怒る人は理解できます。 個人的には、帽子から太陽電池を取り出す魔法の呪文をまだマスターしていないことに激怒しています。 しかし、もし本当にエネルギーを生み出すために必要な採掘量や資源量を気にしているのであれば、風力や太陽光発電は化石燃料に比べて1kWあたりの発電量がはるかに少ないので、喜ぶべきことでしょう。

自然エネルギーが石炭やガスに比べてどれだけ資源を節約できるかを喜ばずに、消費する資源の量を気にする理由は2つあります。

無知であること。 太陽光発電や風力発電が、化石燃料の発電よりもはるかに少ない資源しか使わないことを知らないだけです。

人間の本質。 愚痴をこぼしたいだけの人もいる。 本当の理由があるかどうかは、あまり重要ではありません。

私は、最初の問題を解決するためにこの記事を書いていますが、人間の本質をどうこうできるものではありません。 願わくば、愚痴をこぼす人たちが、自分の好きなポケモンが十分に尊敬されていないとか、黄色はフレーバーだと主張する人たちがいかに笑われているかといった、どうでもいいことで愚痴るようになればいいのですが[1]。

混迷の主な理由

太陽光発電所や風力発電所を建設したり、屋根にソーラーパネルを設置したりするには、多くの物的資源を先行投資する必要があります。 石炭や天然ガスの発電所が耐用年数中に発電するキロワット時あたりよりも多いのです。

太陽光発電や風力発電の場合は、それくらいです[2]。

しかし、化石燃料による発電では、発電所の建設はほんの始まりに過ぎません。

石炭火力の場合、建設時の排出量は1％未満で、99％以上が運転時に発生します。 採掘トン数もほぼ同じです。 ガス発電は石炭ほどではありませんが、やはりひどい。

よくある愚痴は、太陽光発電所の建設に必要な資源と化石燃料発電を比較して、それが災害であるかのように振舞うことです。

これは、燃焼の仕組みを知っている人なら誰でもするような間違いではありません。 誰でも間違うことはありますが、自分のしたことを自覚した時には、額に掌を当てて銃声のように響くはずです。

このような「誤り」は、人を誤解させたり騙したりしようとする人や、残念ながらリスの弁当よりも気の狂った人だけが犯すことができるものです。

そして、この種のナンセンスは、よく考えもせず、それが真実かどうかも気にしない人々によって広められることになるのです。 ですから、インターネット上では、常に正しい真実の衛生管理を実践するようにしてください[3]。

排出量、材料、採掘、リサイクル

石炭、ガス、太陽光、風力について、1kWhあたりの発電量に換算した排出量を説明します。 そして、そのために必要な材料の量を大まかに、さらに採掘量を大まかに見積もります。

その上で、風力発電や太陽光発電で使用する材料は、化石燃料よりもはるかに多くリサイクルできることを指摘します。 さらに、排出量、材料、採掘を蓄電池に当てはめるとどうなるかを考え、ガス発電よりはるかに優れていることを示すことにします。

石炭火力発電の排出量

オーストラリアの石炭火力発電所では、発電量1kWあたり約1kgのCO2を排出しています。 石炭を採掘する際にディーゼルを燃やすため、総排出量はこれよりも多くなります。また、石炭を掘り出した後は、強力な温室効果ガスであるメタンが大気中に放出されるため、排出量はこれよりも多くなります。 石炭採掘の電化が進んでいるヨーロッパでは、石炭を採掘すると120gのCO2が排出されると言われています。 オーストラリアではもっと多いと思われますが、私は石炭に優しく、1キロワット時あたり1.1kgのCO2を排出すると考えています。

天然ガス排出量

天然ガス発電所からの直接排出量は、簡単に求めることができます。 発電効率が50％の場合、1kWhあたり356gのCO2を排出することになります。 しかし、天然ガスの採掘、精製、輸送に伴う排出や漏洩により、ライフサイクルでの排出量はもっと多くなります。 また、発電所やガスインフラの建設に伴う排出もあります。 この欧州の報告書「Life Cycle Assessment Of Electricity Generation Options」によると、ライフサイクルエミッションは以下の通りです。

• 50%効率的な天然ガス発電。 1キロワット時あたり434グラムのCO2ライフサイクル排出量

効率50％のガス発電所では、排出量の約16％が天然ガス生産から発生すると試算しています。 通常、天然ガス複合発電所（Natural Gas Combined Cycle）、略してNGCCだけがこのような効率を持っています。

オーストラリアでは、効率50％のガス発電所のライフサイクルエミッションはほぼ同じのはずですが、わが国のガス発電機の大半はもっと低い効率です。 効率30％のオープンサイクルガスタービンのライフサイクル排出量は、1キロワット時あたり約720グラムとなります。

太陽光発電の排出量

太陽光発電のライフサイクルエミッションをネットで調べてみると、ここ数年の太陽光発電の効率や信頼性の大幅な向上を見落とした古い資料がたくさん出てきました。 しかし、このレポート（Life Cycle Assessment Of Electricity Generation Options）は、2020年からの情報が掲載されています。 残念ながら、このレポートはヨーロッパを対象としており、ほとんどの人が知っているように、ヨーロッパはオーストラリアよりもはるかに恵まれていません...風力や太陽光のエネルギー資源に関して言えば。

この報告書では、ヨーロッパにおけるライフサイクルCO2排出量を1kWhあたりのグラム数で以下のように示しています。

• 地上設置型ポリシリコン太陽電池。 1キロワット時あたり36.7グラム

• 屋上型ポリシリコン太陽電池。 37.2グラム/キロワットアワー

この数値はポリシリコンのもので、オーストラリアの屋根に主に設置されているモノシリコンパネルよりも生産に必要なエネルギーが少なくて済みます。 モノシリコンは製造に必要なエネルギーは多いのですが、効率が良いため、他の材料の使用量を減らすことができます。 このため、どちらのタイプのソーラーパネルも同じような数値になるはずです。

この報告書では、屋上型太陽光発電の排出量が太陽光発電所よりも若干悪くなっています。 屋上太陽光発電は地上架台や基礎、バラストを必要としませんが、ヨーロッパではその効率はかなり低いです。 オーストラリアでは、屋上の効率が高く、システムが大規模であるため、屋上太陽光発電は太陽光発電所よりもキロワット時あたりの排出量が少ないと予想されます。 しかし、オーストラリアの住宅はヨーロッパほど長持ちしないため、システムの平均寿命が短くなる可能性があります。

両タイプの太陽光発電の排出源を示した図をコピーしてみました。

オーストラリアの太陽光発電の出力は、ヨーロッパよりもずっと優れています。 これは、太陽光発電所や、特に屋上の太陽光発電システムにおいて言えることです。 このため、ライフサイクル排出量は1kWhあたり3分の1程度になると思われます。 その結果、ライフサイクル排出量は25g程度となりますが、念のため、屋上や公共施設規模の太陽光発電のライフサイクル排出量を、発電量1kWhあたり30g程度のCO2と仮定することにします。

風力発電の排出量

風力発電は、太陽光発電と同様、1kWhあたりのライフサイクル排出量が非常に少なくなっています。 ヨーロッパでは、1キロワット時あたりわずか12.4グラムと報告されています。

オーストラリアの風力資源はヨーロッパよりはるかに優れているので、ライフサイクル排出量は少なくとも3分の1、1キロワット時あたり8グラム程度になると思われます。 しかし、念のため、ここでは1kWhあたり10gという数字を使うことにします。

排出量の比較

ライフサイクルエミッションの試算をグラフにすると、このようになります。

このため、石炭発電のライフサイクル排出量は、太陽光発電の37倍、風力発電の110倍となっています。

石炭ほどではありませんが、高効率のガス発電でも、ライフサイクル排出量は太陽光の14倍、風力の43倍以上です。

温室効果ガスを削減するためには、石炭やガスよりも太陽光や風力発電を優先して建設すべきなのは明らかです。 風力は太陽光よりもライフサイクル排出量が少ないので、排出量削減には有利に見えるかもしれません。しかし、化石燃料を使用した場合と比較すると、太陽光発電と風力発電の総合的なメリットはほぼ同じです。実際には、太陽光と風力は高出力になる時期が異なることが多いので、両方の発電容量を確保することがベストです。 オーストラリアでは、日照時間が長いことと、風力発電よりもコストが早く下がっていることから、最終的には風力発電よりも太陽光発電を多く導入することになると思われます。

必要な材料

異なる電源から1キロワット時の電気を作るのに、どれだけの材料が必要かを計算するのは難しいです。 しかし、化石燃料による発電は、太陽光発電や風力発電よりもはるかに多くの材料が必要であることを示すのは簡単です。

太陽光発電と風力発電に必要な材料

10キロワットの太陽光発電システムの重量は、ソーラーパネル、インバーター、架台、電線管、ケーブルなどを含めて、1キロワットあたり約65キログラムとなります。 一般的なソーラーシステムと同様に、パネルが最適な位置に設置されておらず、良質なパネルに期待されるわずかな出力低下もあると仮定すると、オーストラリアの一般的な屋根で25年間に約32万キロワット時を発電することになります。 これは1kWhあたり0.2gの材料となります。 仮にその間にインバーター交換が必要だとしても、0.01g程度の追加で済みます。

これは、原材料を採取し、太陽電池のハードウェアを製造し、オーストラリアに輸送し、屋根に設置するために必要な設備の材料を無視したものです。 産業界では、資本財に含まれる物質量は、生産される物質量に比べれば一般的に少ないからです。 しかし、ここでは慎重を期して、製造に使用される設備を考慮すると、屋根置き型であれ地上置き型であれ、太陽光発電には1kWあたり約0.5gの材料が必要になると仮定します。

風力発電はこれを大きく下回るはずで、1キロワット時あたり0.2グラムと仮定しています。 オーストラリアでは、この値はかなり高すぎると思います。

石炭に必要な材料

石炭発電所を作るには、たくさんの材料が必要です。 基礎にコンクリートを流し込む、大量の鉄を使う、高温のステンレスを作るためにクロムを採掘する、などなど。 炭鉱の建設や操業には、さらに多くの資源が必要です。

でも、私はそんなことは無視します。

なぜなら、石炭発電所の建設に伴う排出は、石炭発電の総量に占める割合が非常に小さいため、完成後に必要な物質だけを考えるからです。

オーストラリアの石炭火力発電所の平均効率は約33％。 これは、オーストラリアが輸出する瀝青炭の1kgあたり23.8メガジュールの熱エネルギーのうち、約3分の1を電気エネルギーに変換していることを意味します。 1キロワット時が3.6メガジュールなので、1キロワット時を発電するためには450グラムの瀝青炭を燃やす必要があることになります。

しかし、これよりもっと悪いことがあります。 オーストラリアの石炭発電の35％はビクトリア州の褐炭で、1キログラムあたりの熱エネルギーは8.9メガジュールしかありません。 つまり、オーストラリアで1キロワット時の電力を発電するためには、平均して約717グラムの石炭を燃やす必要があるのです。

これは、1kWあたり太陽光発電の1,400倍以上、風力発電の3,500倍以上の材料が必要なことになります。

実際には、石炭採掘で消費されるディーゼル燃料などがあるので、これよりも多くなりますが、石炭だけでも十分すぎるほど大きな数値です。

ガスに必要な材料

ガス発電も石炭と同じように、ガスの採掘、精製、輸送、発電のインフラ整備に伴う排出は無視することにします。 発電に使われる燃料だけを考えることにします。

天然ガス1kgを燃やすと、53.6メガジュールの熱エネルギーが発生します。 効率50％のガス発電所では、1キロワット時の発電に134グラムの天然ガスが必要です。 効率30％のガス発電機では、224グラムが必要になります。

石炭よりはましとはいえ、効率50％のガス発電所でも、太陽光の160倍以上、風力の670倍以上の物質が必要なのです。

材料の比較

それぞれの発電量1kWhあたりの必要物質をグラフにすると、風力や太陽光が化石燃料にどれだけ差をつけられているかがよくわかります。

マイニングの必要性

発電の種類によって必要な採掘量を正確に測定することは不可能です。いや、可能だとしても私には理解できません。 しかし、大まかな推定は可能です。

問題のひとつは、何をもって「採掘」とみなすかです。 オーストラリアでは、1kgの石炭を採掘するのに約15kgの土砂を取り除かなければなりません。 これは、石炭を得るために移動させなければならない土や岩のことです。 これを含めると、必要な採掘量が大幅に増えてしまうのです。 そして、コーガンクリークのように、ボアウォーターを使っている鉱山や発電所もあります。 地下から湧き出る水なので、採掘量に含めたいと考える人もいるでしょう。 しかし、複雑に考えるよりも、素直に、採掘後に精錬されるか、燃料として使用される物質だけを考えることにします。

オーストラリアで発電のために燃やされる石炭は、掘り出した後、さらに精錬されることはありません。 しかし、太陽光発電や風力発電の設備に使われる材料はより複雑で、完成した材料1グラムあたりの総採掘量がかなり多くなる可能性があります。 仮に石炭の5倍の採掘量が必要だとすると、化石燃料の発電所建設に必要な資材は無視しても、発電量1kWあたり石炭は太陽光の280倍以上、風力発電は700倍以上の採掘量が必要ということになります。

ガス発電の効率が50％であれば、太陽光発電の50倍以上、風力発電の130倍以上となります。 ガス発電の効率が30％の場合は、それぞれ80倍以上、210倍以上です。

つまり、化石燃料の採掘や発電のためのインフラ整備に必要な採掘量を無視しても、発電量1kWあたり、ガスは太陽光発電の50倍以上、オーストラリアの石炭発電は280倍以上の採掘量を必要とするのです。

リサイクル

上に挙げたどの数字も、リサイクルがいかに排出量や資源の採掘・加工を減らすことができるかを考慮していません。 リサイクル可能な材料の量については、太陽光も風力も化石燃料をはるかに凌駕しています。

風力発電機は、グラスファイバーやカーボンファイバー製のブレードとコンクリート製の基礎を除けば、ほとんどの部分が有益にリサイクルされています。 採算が合うリサイクルとは、つまり、採算が合うからこそリサイクルされるということです。

太陽光発電システムの多くも、有益なリサイクルが可能です。 ラック、配線、スチール製架台、ソーラーパネルのアルミフレームなどです。 今のところ、フレームを取り外したソーラーパネルそのものは、リサイクルしても採算が合いません。 プロセスの改善により、近い将来、この状況が変わることを期待しています。

しかし、たとえ太陽光発電システムに含まれる材料の4分の1しかリサイクルできないとしても、リサイクルできる材料が1％未満である化石燃料をはるかにしのぐものです。 廃棄された化石燃料発電所の金属はリサイクルされ、石炭灰のごく一部はセメント産業で利用されますが、化石燃料の発電に使われた材料はほとんど煙に巻かれます。 正確には、CO2として排出されます。 CO2を大気中から取り出して、石炭や天然ガスに戻すことは、今のところ採算が合いません。 もし、採算が合うのであれば、石炭や天然ガスの採掘産業は存在しないでしょう。

有害性

オーストラリアでは、石炭で1kWhを発電するのに700g以上の化石燃料を燃やす必要があり、重金属を含むさまざまな有害物質が大気中に放出されます。 これは、1kWhあたり半分のグラムしか必要としない太陽光発電や風力発電よりも、はるかに健康へのダメージが大きい。 自然エネルギーが化石燃料に匹敵する規模の毒素を放出する可能性があるという指摘は、率直に言って、馬鹿げています。

私が望むほど最新ではありませんが、Our World In Dataのこのグラフは、異なる発電源による1テラワット時あたりの死亡数を示すことで、私の主張を実現しています。

1テラワットアワーは10億キロワットアワー。 オーストラリアの石炭の死亡率は、太陽光発電の1,000倍以上です。 このグラフには公害だけでなく事故による死亡も含まれているので、太陽光発電の場合は毒物よりも屋根から落ちるようなことがほとんどでしょう。 石炭はほとんど毒物ですが、採掘事故や火事で亡くなる方もいらっしゃいますので、その分もあります。

電池の排出量と材料

太陽光発電や風力発電の中には、蓄電池を必要とするものがあり、それによる排出量や必要な材料も合算する必要があります。 技術的には太陽光発電や風力発電に蓄電池を使う必要はないのですが、あまりに便利なので、結局はたくさん使うことになります。

太陽光発電と比較した場合の化石燃料の欠点はすでに示した通りです。

• 化石燃料の1kWhあたりのライフサイクル温室効果ガス排出量は、太陽光発電の14〜36倍。

• 1kWhあたりの材料費は太陽光発電の160〜1400倍。

• 1kWhあたりに必要な採掘量は太陽光発電の80倍から280倍。

つまり、太陽光＋風力＋電池の組み合わせが化石燃料より明らかに優れていることを示すには、電池がガス発電より排出量も資源消費量も少ないことを示せばよいのです。

電池の排出量

電気自動車のバッテリーパックの製造に伴うライフサイクル排出量は、1キロワット時あたり75kgのCO2が発生するという試算があります。 この数字はすでに古くなっていると思われますが、とりあえず使ってみることにします。 実用規模のエネルギー貯蔵に使用される場合、電池は3,000回以上フル回転する可能性があります。 1キロワット時の電池容量で3,000キロワット時のエネルギーを供給するとすると、1キロワット時あたり25グラムのCO2を供給することになります。 効率が50％の天然ガス発電機では、ガスを燃焼させるだけで17倍もの排出量になります。

電池材料

テスラのバッテリーパックは、1キロワット時あたり6.25キログラムの重量があります。 定置用蓄電池はその3倍以上、1キロワット時あたり20キログラムと仮定します。3,000回フル回転させた場合、1キロワット時あたり6.7グラムの材料が供給されることになります。 天然ガスの発電効率が50％であれば、その20倍以上の材料が必要となります。

電池の採掘

1kWhの蓄電池を作るためにどれだけの材料を採掘しなければならないかは分かりませんが、安全側に立って、材料の見積もりの10倍として、1kWhあたり200kgとして計算することにします。 これは、供給される蓄電池のエネルギー1キロワット時あたり67グラムとなります。 天然ガスの効率50％では、この2倍以上となります。

電池のリサイクル

リチウム電池の中身は、重量に換算するとほとんどがリサイクル可能です。 メーカーがリサイクルや寿命が来た電池パックの回収に力を入れるのには理由があります。 リチウム電池はお金になるのです。

電池はガスより優れている

上の電池の試算をグラフにして、ガソリンと比較すると、こうなります。

これらはあくまで推定ですが、再生可能エネルギーを貯蔵するためにバッテリーを使用すれば、効率的な天然ガス発電よりもはるかに少ない排出量、少ない材料使用量、そして採掘量になることは明らかだと思います。

太陽光発電と風力発電は、石炭やガスよりもはるかに少ない資源しか使いません。

私の試算は大まかなものですが、それでも、排出量、資材、採掘の面で、風力や太陽光発電がオーストラリアの石炭発電よりはるかに優れていることは明らかです。

50％の効率で燃やしたガスは石炭ほどではないが、それでも太陽光や風力と比べればひどいものです。

太陽光発電や風力発電に必要な材料や採掘に文句を言っても意味がないことが、DaveMySpaceでもわかるような極端な結果になっています。化石燃料の方がずっとずっと悪いのです。

脚注
[1]オレンジがフレーバーになるなら、なぜイエローはダメなのか？
[2]修理や交換による追加排出は、良質の部品が使用され、適切に設置されていれば、最小限にとどまるはずです。 今後、修理や交換のためにシステムに対して行われる作業は、世界が排出量を削減する中で、今よりも排出量が少なくなるはずです。
[3]常に常識を身につけ、体の一部に短刀の刺青があるファクトには決して近づかないようにしましょう。

出典：https://www.solarquotes.com.au/blog/coal-vs-solar-mining/