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Carbon-free and Nuclear-free

A Roadmap for US Energy Policy

Cat: ENE
Pub: 2007/7
#: 1305b
Arjun Makhijani
up 13123


Carbon-free and Nuclear-free
A Roadmap for US Energy Policy



Zero-CO2 economy; Microalgae; Wind power; Solar PV; Biomass; sale of allowances; Configuration of the electric power grid; Delivered energy to end uses; Structure of electricity production; use of nuclear power; Biofuels; Hydrogen;

  • The author is an US electrical & nuclear engineer, and President of Institue for Energy and Environmental Reserach.
  • This is a report published in July, 2007 by a joint project of the Nuclear Policy Research Institute and the Institue for Energy and Environmental Research.
  • It it remarkable that this report was wrtten prior to the severe accident of the Fukushima nuclear plants occurred Mar. 11, 2011.
  • 著者は、米国の電気・原子力技術者で、エネルギー環境問題研究所の所長である。
  • 本報告書は2007/7に、原子力政策研究機関と環境エネルギー研究の合同プロジェクトとして出版された。
  • 本報告が、2011/3/11の福島原発の過酷事故の前に書かれたことは注目に値する。
Original resume
Japanese (abrided)Remarks

>Top 0. Executive Summary

  • A three-fold global energy crisis has emerged since the 1970s; it is now acute on all three fronts:
    1. Climate disruption: Carbon dioxide (CO2) emissions due to fossil fuel combustion are the main anthropogenic cause of severe climate disruption, whose continuation portends grievous, irreparable harm to the global economy, society, and current ecosystems.
    2. Insecurity of oil supply: Rapid increases in global oil consumption and conflict in and about oil exporting regions make prices volatile and supplies insecure.
    3. Nuclear proliferation: Non-proliferation of nuclear weapons is being undermined in part by the spread of commercial nuclear power technology, which is being put forth as a major solution for reducing CO2 emissions.
  • After a decade of global division, the necessity for drastic action to reduce CO2 emissions is now widely recognized, including in the United States, as indicated by the April 2007 opinion by the U.S. Supreme Court that CO2 is a pollutant and by the plethora of bills in the U.S. Congress. Many of the solutions offered would point the United States in the right direction, by recognizing and codifying into law and regulations the need to reduce CO2 emissions. But much more will be needed. Moreover, most of the solutions being offered are likely to be inadequate to the task and some, such as the expansion of nuclear power or the widespread use of food crops for making fuel, are likely to compound the world’s social, political, and security ills. Some, like production of biofuels from Indonesian palm oil, may even aggravate the emissions of CO2.
  • Our report, of which this is a summary, examines the technical and economic feasibility of achieving a U.S. economy with zero-CO2 emissions without nuclear power. This is interpreted as an elimination of all but a few percent of CO2 emissions or complete elimination with the possibility of removing from the atmosphere some CO2 that has already been emitted. We set out to answer three questions:
    • Is it possible to physically eliminate CO2 emissions from the U.S. energy sector without resort to nuclear power, which has serious security and other vulnerabilities? 
    • Is a zero-CO2 economy possible without purchasing offsets from other countries – that is, without purchasing from other countries the right to continue emitting CO2 in the United States?
    • Is it possible to accomplish the above at reasonable cost?

0. 要約:

  • 1970年代から世界のエネルギー危機について3つの課題がある。今や以下が喫緊の課題である。
    1. 気候変動: 化石燃料の燃焼に伴うCO2排出は、人間の活動の結果、深刻な気候変動をもたらした。この傾向が続けば、世界の経済・社会・環境に深刻な取り返しのつかない被害をもたらす。
    2. 石油供給不安定: 世界の石油消費の急激な増加と石油輸出地域の紛争によって価格は変動し、供給は不安定になっている。
    3. 核拡散: 核兵器の不拡散は、CO2排出削減の解決策として推進されている商用の原子力技術の拡散によってなし崩しにされつつある。
  • 世界が二分されてから10年間が経過し、CO2の排出削減の緊急活動の必要性は、米国の最高裁判所の2007/4の意見や米国議会の多くの法案を含め、広く認知されてきた。その解決策の多くは、米国が本件を正面から捉え、CO2排出削減の為の立法措置の必要性を指摘している。しかしそれ以上のことをする必要がある。提案された解決策の多くは役割として不適切なものも含まれている。例えば、原発の拡充や、食料を燃料として広く使うことなどは、世界の社会支持安全を損なう恐れがある政策である。例えば、インドネシアのヤシ油からバイオ燃料を生産することにCO2排出を反って増やすことになる。
  • 本レポートは、米国経済が原発なしでCO2排出ゼロが達成できる可能性を検証した。これはCO2の排出を数%、即ちすでに排出された大気中のCO2の一部を取り除くことを意味している。我々は以下の質問に解答を容易している。
    • 米国のエネルギー部門からCO2排出を、安全上あるいはその他の脆弱性を持つ原発に頼らずに物理的に達成することは可能か?
    • CO2排出ゼロ経済は、米国が引き続きCO2を排出できる権利として他国から排出権取引を購入することに依存しないで実現可能か?
    • 上記の施策は、妥当な価格で実現可能か?

>Top 1. Central Finding:

Central Finding
  • The overarching finding of this study is that a zero-CO2 U.S. economy can be achieved within the next thirty to fifty years without the use of nuclear power and without acquiring carbon credits from other countries.
  • In other words, actual physical emissions of CO2 from the energy sector can be eliminated with technologies that are now available or foreseeable. This can be done at reasonable cost while creating a much more secure energy supply than at present.
  • Net U.S. oil imports can be eliminated in about 25 years. All three insecurities – severe climate disruption, oil supply and price insecurity, and nuclear proliferation via commercial nuclear energy – will thereby be addressed.
  • In addition, there will be large ancillary health benefits from the elimination of most regional and local air pollution, such as high ozone and particulate levels in cities, which is due to fossil fuel combustion.
  • The achievement of a zero-CO2 economy without nuclear power will require unprecedented foresight and coordination in policies from the local to the national, across all sectors of the energy system. Much of the ferment at the state and local level, as well as some of the proposals in Congress, are already pointed in the right direction. But a clear long-term goal is necessary to provide overall policy coherence and establish a yardstick against which progress can be measured.
  • A zero-CO2 U.S. economy without nuclear power is not only achievable – it is necessary for environmental protection and security. Even the process of the United States setting a goal of a zero-CO2, nuclear-free economy and taking initial firm steps towards it will transform global energy politics in the immediate future and establish the United States as a country that leads by example rather than one that preaches temperance from a barstool.
  • The tables on pages 18-22 provide a sketch of the roadmap to a zero-CO2 economy with estimates of dates at which technologies can be deployed as well as research, development, and demonstration recommendations.

1. 主な結論:


  • 本研究の総括的な結論として、米国のCO2排出ゼロの経済は、今後30-50年で達成可能。但しこれは原発の利用および他国からの排出量取引なしで可能である。
  • 換言すれば、エネルギー部門からのCO2の排出は、既存および今後予測可能な技術によって制限できる。これは妥当なコストで実現でき、現在よりもさらに安全なエネルギーを生み出せる。
  • 米国のネット石油輸入量は25年以内で制限できる。この制限には、3つの不安定要素、即ち、深刻な気候変動、石油供給と価格不安定、商用炉を通じた核拡散が追加される。
  • さらに、付随的に、化石燃料の燃焼による地域でのオゾン層や都市スモッグなど大気汚染が制限され、健康への好影響が可能となる。
  • 原発に依存しないCO2ゼロ経済の達成は、地域から国家レベルに至るすべてのエネルギー部門のシステムに亘る先例のない展望や協力を必要とする。国や地方レベルでの政治的な議論や、議会での一部の提案などすでにこの方向を目指す動きがある。しかし長期的な目標のためには政策全般に亘る整合性が必要となり、個々の政策の進捗を測る必要がある。
  • 米国経済で、原発に依存しないでのCO2ゼロ目標は達成可能であるばかりか、環境保存や安全性にとっても必要である。米国がこのような目標を掲げても、すぐ近未来からの世界的なエネルギー政策を転換し、米国が、議場から自制を説くだけでなく、実例をもってリードしていくような国にならなければならない。
  • 以下の表(P18-22)は、CO2ゼロ経済への研究開発実証を含めての技術導入の予定を入れたロードマップである。
>Top Technology Roadmap to 2025 (Table 3: Roadmap - Supply and Storage Technologies)
技術 Technology Status Deployable for larage-scale use Next steps CO2 abatement cost; obstacles; comments
太陽光発電 (中規模) Solar PV – intermediate-scale Near commercial with time-of-use pricing 2010 to 2015 Orders from industry and government; time-of-use electricity pricing $10 to $30 per metric ton; no storage; lack of large-scale PV manufacturing (~1 GW/yr/plant); some manufacturing technology development needed.
太陽光発電 (大規模) Solar PV – large-scale Near commercial 2015 to 2020 Large-scale demonstration with transmission infrastructure, ~5,000 MW by 2015-2020 $20 to $50 per metric ton; no storage; transmission infrastructure may be needed in some cases
太陽熱発電 Concentrating solar thermal power plants>Top Near commercial; storage demonstration needed 2015 to 2020 ~3,000 to 5,000 MW needed to stimulate demand and demonstrate 12 hour storage, by 2020 $20 to $30 per metric ton in the Southwest. Lack of demand main problem.
微細藻類CO2捕獲および液体燃料政断 Microalgae CO2 capture and liquid fuel production Technology developed, pilot-scale plants being built 2015 Large-scale demonstrations – 1,000 to 2,000 MW by 2012; nighttime CO2 storage and daytime CO2 capture pilot plants by 2012. Large-scale implementation thereafter. Demonstration plants for liquid fuel production: 2008-2015 Zero to negative at oil prices above $30 per metric ton or so for daytime capture; nighttime capture remains to be characterized. Liquid fuel potential: 5,000 to 10,000 gallons per acre (compared to 650 for palm oil).
風力発電 (地上大規模) Wind power – Large-scale, land-based >Top Commercial Already being used Transmission infrastructure and rules need to be addressed; optimize operation with existing natural gas combined cycle and hydropower plants Negative to $46 per metric ton for operation with combined cycle standby. Areas of high wind are not near populations. Tran
太陽光発電 (中規模蓄電) Solar PV intermediate storage Advanced batteries and ultracapacitors are still high cost ~2020 Demonstration of vehicle-to-grid using stationary storage (ultracapacitors and lithium-ion nanotechnology batteries) – several ~1 MW-scale parking lot installations Five fold cost reduction in ultracapacitors and lithium ion batteries needed. Main problems: lack of large-scale manufacturing and some manufacturing technology development needed
太陽光発電 (中規模:車載→系統) Solar PV – intermediate-scale with Vehicle-to-Grid Planning stage only. Technology components available. Integration needed. ~2020 to 2025 By 2015, several 5,000 to 10,000 vehicle demonstrations of V2G technology V2G could reduce the cost of solar PV electricity storage from several cents to possibly ~1 cent per kWh.


Biomass IGCC >Top Early demonstration stage ~2020 Pilot- and intermediate-scale plants (few MW to 100 MW) with various kinds of biomass (microalgae, aquatic plants), 2015 to 2020 Baseload power.
太陽光捕獲水性バイオマス High solar energy capture aquatic biomass Experience largely in the context of wastewater treatment; some laboratory and pilot plant data ~2020 2010 to 2015 pilot plant evaluations for liquid fuel and methane production with and without connection to wastewater treatment May be comparable to microalgae biofuels production. 50 to 100 metric tons per acre.
地熱発電 Hot rock geothermal energy Concept demonstrated; technology development remains 2025? Build pilot and demonstration plants: 2015-2020 period Baseload power
潮力発電 Wave energy Concepts demonstrated 2020 or 2025? Pilot and demonstration plants needed Possible baseload power
光分解水素 Photolytic hydrogen Laboratory development Unknown – possibly 2020 or 2025 Significantly increased R&D funding, with goal of 2015 pilot plants Potential for high solar energy capture. Could be a key to overcoming high land area requirements of most biofuels
光電気化学水素 Photoelectrochemical hydrogen Concept demonstrated; technology development remains Possibly 2020 or 2025 Significantly increased R&D funding, with goal of 2015 pilot plants High solar energy capture. Could be a key to overcoming problems posed by agricultural biofuels (including crop residues)
先進的蓄電地 Advanced batteries Nanotechnology lithium ion batteries; early commercial stage with subsidies 2015 Independent safety certification (2007?); large-scale manufacturing plants Large-scale manufacturing to reduce costs. Could be the key to low cost V2G technology.
炭素隔離 Carbon sequestration Technology demonstrated in context other than power plants Unknown. Possibly 15 to 20 years. Long-term leakage tests. Demonstration project ~2015-2020 For use with biomass, plus back up, if coal is needed.
電気二重層コンデンサ (EDLC) Ultracapacitors Commercial in certain applications but not for large-scale energy storage 2015 to 2020? Demonstration test with intermediate-scale solar PV. Demonstrate with plug-in hybrid as a complement to battery operation for stop-and-start power Complements and tests V2G technology. About a five-fold cost reduction needed for cost to be ~$50/metric ton CO2. Lower CO2 price with time-of-use rates
ナノキャパシタ Nanocapacitors Laboratory testing of the concepts Unknown. Complete laboratory work and demonstrate the approach Has the potential to reduce costs of stationary electricity storage and take ultracapacitor technology to the next step
電気分解水素生産 Eectrolytic hydrogen production Technology demonstrated Depends on efficiency improvements and infrastructure development Demonstration plant with compressed hydrogen vehicles needed ~2015-2020 Could be used in conjunction with off-peak wind power
効率的ガソリン・ディーゼル乗用車 Efficient gasoline and diesel passenger vehicles Commercial to ~40 miles per gallon or more Being used Efficiency standards needed Efficiency depends on the vehicle. Can be much higher.
プラグインハイブリッド車(PHV) Plug-in hybrid vehicles Technology has been demonstrated 2010 Efficiency standards, government and corporate orders for vehicles Large-scale battery manufacturing needed to reduce lithium ion battery cost by about a factor of five.
電気自動車 (EV) Electric cars Technology with ~200 mile range has been demonstrated; low volume commercial production in 2007 (sports car and pickup truck) 2015 to 2020 Safety testing, recycling infrastructure for battery materials, large-scale orders, solar PV-V2G demonstration One of the keys to reducing the need for biofuels and increasing solar and wind power components.
水素燃料内燃車 Internal combustion hydrogen vehicles Technology demonstrated Depends on infrastructure development 10,000 psi cylinder development and testing of vehicles. Demonstration project  
バイオ燃料飛行機 Biofuels for aircraft Various fuels being tested 2020? Fuel development, safety testing, emissions testing  
水素燃料飛行機 Hydrogen-fuel aircraft Technology has been demonstrated 2030? Aircraft design, safety testing, infrastructure demonstration In combination with solar hydrogen production, could reduce need for liquid biofuels.
建物デザイン Building design Commercial, well known Already being used Building standards, dissemination of knowledge, elimination of economic disconnect between building developers and users Residential and commercial building energy use per square foot can be reduced 60 to 80 percent with existing technology and known approaches. CO2 price, negative to $50 per metric ton.
地熱ヒートポンプ Geothermal heat pumps Commercial Already being used Building standards that specify performance will increase its use Suitable in many areas; mainly for new construction.
熱電併給システム:商用・産業用ビル Combined heat and power (CHP), commercial buildings and industry Commercial Already being used Building performance standards and CO2 cap will increase use CO2 price negative to <$30 per metric ton in many circumstances.
マイクロ熱電併給システム Micro-CHP Semi-commercial Already being used Building performance standards will increase use  
コンパクト蛍光灯 Compact fluorescent lighting (CFL) Commercial Being used currently Appliance and building regulations needed Negative CO2 price. Mercury impact of disposal needs to be addressed.
ハイブリッド光ファイバ&コンパクト蛍光灯 Hybrid solar light-pipe and CFL Technology demonstrated; beta-testing being done in commercial establishments 2012 to 2015? Government and commercial sector orders Solar concentrators focus light indoors; work in conjunction with CFL. Five-fold cost reduction needed


Industrial sector: examples of technologies and management approaches: alternatives to distillation, steam system management, CHP, new materials, improved proportion of first pass production Constant development of processes Various Hard cap for CO2 with annual assured decreases and no free allowances will lead to increase in efficiency Variable. Negative to possibly $50 per metric ton, possibly more in some cases. Great potential for economical increases in efficiency exists at present costs, since energy costs have gone up suddenly. Successful reductions of energy use indicate that overall cost will be modest, with possible reduction in net cost of energy services.
技術 Technology Status Deployable for larage-scale use Next steps CO2 abatement cost; obstacles; comments

>Top 2. Recommendations: The Clean Dozen:

  • The 12 most critical policies that need to be enacted as urgently as possible for achieving a zero-CO2 economy without nuclear power are as follows.
    1. Enact a physical limit of CO2 emissions for all large users of fossil fuels (a “hard cap”) that steadily declines to zero prior to 2060, with the time schedule being assessed periodically for tightening according to climate, technological, and economic developments. The cap should be set at the level of some year prior to 2007, so that early implementers of CO2 reductions benefit from the setting of the cap. Emission allowances would be sold by the U.S. government for use in the United States only. There would be no free allowances, no offsets and no international sale or purchase of CO2 allowances. The estimated revenues – approximately $30 to $50 billion per year – would be used for demonstration plants, research and development, and worker and community transition.
    2. Eliminate all subsidies and tax breaks for fossil fuels and nuclear power (including guarantees for nuclear waste disposal from new power plants, loan guarantees, and subsidized insurance).
    3. Eliminate subsidies for biofuels from food crops.
    4. Build demonstration plants for key supply technologies, including central station solar thermal with heat storage, large- and intermediate-scale solar photovoltaics, and CO2 capture in microalgae for liquid fuel production.
    5. Leverage federal, state and local purchasing power to create markets for critical advanced technologies, including plug-in hybrids.
    6. Ban new coal-fired power plants that do not have carbon storage.
    7. Enact at the federal level high efficiency standards for appliances.
    8. Enact stringent building efficiency standards at the state and local levels, with federal incentives to adopt them.
    9. Enact stringent efficiency standards for vehicles and make plug-in hybrids the standard U.S. government vehicle by 2015.
    10. Put in place federal contracting procedures to reward early adopters of CO2 reductions.
    11. Adopt vigorous research, development, and pilot plant construction programs for technologies that could accelerate the elimination of CO2, such as direct solar hydrogen production (photosynthetic, photoelectrochemical, and other approaches), hot rock geothermal power, and integrated gasification combined cycle plants using biomass with a capacity to sequester the CO2.
    12. Establish a standing committee on Energy and Climate under the U.S. Environmental Protection Agency’s Science Advisory Board.

2. 提言:12のクリーン政策:

  • 原発に依存せずにCO2排出ゼロ経済を達成するためには、以下の政策を緊急に実施する必要がある。
    1. 化石燃料の大手ユーザによるCO2排出の物理的な規制 (ハードキャップ)を行い、2060年までに排出ゼロとする。この計画は、気候・技術・経済発展の状況を見て強化するかどうかは定期的に評価する。この上限は、2007年以前の数年前のレベルとし、CO2削減の早期対応にも配慮する。排出枠は、米国政府が販売し、米国内のみで活用する。無料の排出枠は設けないとし、CO2枠の国際的な売買やオフセットも考慮しない。これによる収入予想は、年$30-50Bであり、これらはデモプラント、研究開発、労働力やコミュニティの移動に使われる。
    2. 化石燃料および原発 (新設の原発からの廃棄物処理費用、借入保証委、保険保険を含める)のための補助金および減税はすべて廃止する。
    3. 食料からのバイオ燃料に関する補助金を廃止する。
    4. 太陽熱の熱貯蔵センター、大中規模の太陽光発電、液体燃料生産におけるCO2捕獲微細藻類を含むキーとなる技術のためのデモプラント
    5. プラグインハイブリッドを含むキー先進技術の対する市場創生のため、連邦および州政府のよる購入パワーの強化
    6. 炭素貯蔵設備を持たない新規石炭火力プラントの禁止
    7. 家電の効率標準を連邦レベルで定める。
    8. 最も厳格な建物の効率性標準を連邦・州レベルで定める。連邦はそれらの採用に優遇措置をとる。
    9. 車に関する最も厳格な効率性標準を定め、米国政府調達車は、2015年までにプラグインハイブリッド車とする。
    10. CO2削減への早期対応者に対する報酬について連邦の契約手続きを進める。
    11. CO2除去を加速するための積極的な研究開発、パイロットプラント建設計画を推進する。特に、直接太陽光による水素生成 (光合成、光電気化学、他)、地熱発電、バイオマスを利用し、CO2を隔離するガス化複合サイクルプラントなど。
    12. 米国環境保護庁の科学アドバイザリーボードの下に環境エネルギーの常任委員会を設置

>Top 3. Finding-1:

  • Finding 1: A goal of a zero-CO2 economy is necessary to minimize harm related to climate change.
  • According to the Intergovernmental Panel on Climate Change, global CO2 emissions would need to be reduced by 50 to 85 percent relative to the year 2000 in order to limit average global temperature increase to 2 to 2.4 degrees Celsius relative to pre-industrial times. A reduction of 80% in total U.S. CO2 emissions by 2050 would be entirely inadequate to meet this goal. It still leaves U.S. emissions at about 2.8 metric tons per person.
  • A global norm of emissions at this rate would leave worldwide CO2 emissions almost as high as in the year 2000. In contrast, if a global norm of approximately equal per person emissions by 2050 is created along with a 50 percent global reduction in emissions, it would require an approximately 88 percent reduction in U.S. emissions. An 85 percent global reduction in CO2 emissions corresponds to a 96 percent reduction for the United States. An allocation of emissions by the standard of cumulative historical contributions would be even more stringent.
  • A U.S. goal of zero-CO2, defined as being a few percent on either side of zero relative to 2000, is both necessary and prudent for the protection of global climate. It is also achievable at reasonable cost.

3. 結論1:

  • 結論−1:CO2ゼロの経済は気候変動の被害を最小にするために必要な目標である。
  • 気候変動に関する政府間パネルによれば、グローバルなCO2排出は、世界の気温上昇を2〜2.4度に抑制するためには、2000年に比べて50〜85%の削減率が必要としている。2050年までに米国のCO2排出削減率を80%とすることではこの目標を達成には不十分である。米国の排出量では、2.8トン/人もあるからである。
  • この削減率でのノルマではグローバルなCO2の排出量は2000年レベルとなってしまう。対照的に、2050年までのグローバルな一人当たりの排出率を50%に沿って策定するとなると、は米国の排出削減率を88%することになる。グローバルな削減率を85%とする場合には、米国の削減率は96%となる。排出基準は、今までの歴史的に累積寄与率が効いてくるのでさらに厳しくなる。
  • 米国のCO2排出ゼロ目標は、2000年に比べてゼロを挟んで数%の範囲内と定義され、それはグローバルな気候を維持に必要かつ賢明な数字である。それはまた妥当なコストで達成可能でもある。

4. Finding 2:

  • Finding 2: A hard cap on CO2 emissions -- that is, a fixed emissions limit that declines year by year until it reaches zero – would provide large users of fossil fuels with a flexible way to phase out CO2 emissions. However, free allowances, offsets that permit emissions by third party reductions, or international trading of allowances, notably with developing countries that have no CO2 cap, would undermine and defeat the purpose of the system. A measurement-based physical limit, with appropriate enforcement, should be put into place.
  • A hard cap on CO2 emissions is recommended for large users of fossil fuels, defined as an annual use of 100 billion British thermal units (Btu) or more – equal to the delivered energy use of about 1,000 households. At this level, users have the financial resources to be able to track the market, make purchases and sales, and evaluate when it is most beneficial to invest in CO2 reduction technologies relative to purchasing credits. This would cover about two-thirds of fossil fuel use. Private vehicles, residential and small commercial use of natural gas and oil for heating, and other similar small-scale uses would not be covered by the cap. The transition in these areas would be achieved through efficiency standards, tailpipe emissions standards, and other standards set and enforced by federal, state and local governments. Taxes are not envisaged in this study, except possibly on new vehicles that fall far below the average efficiency or emissions standards. The hard cap would decline annually and be set to go to zero before 2060. Acceleration of the schedule would be possible, based on developments in climate impacts and technology.
  • The annual revenues that would be generated by the government from the sale of allowances would be on the order of $30 billion to $50 billion per year through most of the period, since the price of CO2 emission allowances would tend to increase as supply goes down. These revenues would be devoted to ease the transition at all levels – local, state and federal – as well as for demonstration projects and research and development.

4. 結論2:

  • 結論−2:CO2排出の上限を設けること、即ち排出がゼロに達するまで毎年排出量の上限を定めることは、化石燃料の大口ユーザに対して様々な方法を提供して、CO2排出を削減することになる。しかし、第三者による排出限度以下の削減によってオフセットされる場合、即ち国際排出量取引によって、特に途上国はCO2排出上限がないので、この目的を達成することが損なわれることになる。従って、排出量の物理的な上限を強制的に定めることが重要となる。
  • CO2排出の上限は、化石燃料の大口ユーザに適用され、例えば、毎年1000億BTU以上のユーザに適用され、これは1000戸の仮定のエネルギー利用に相当する。このレベルであれば、ユーザは、市場動向を見ながら売買を決定することが可能であり、CO2削減技術への投資が、排出権取引に比べてより有利となるように評価できる。これによって化石燃料使用の2/3をカバーできる。私有車、および天然ガスや石油を利用する住宅や小規模事業者には、CO2削減上限を設けない。この分野の改善は、連邦および州政府等による効率性標準、排ガス規制標準、その他の基準で達成できる。本研究には税制措置は考慮していないが、例外として標準の効率性や排出基準を著しく下回る新車に対しては考慮する。排出基準の上限は毎年規定し、2060年までにゼロになるように定める。この予定の前倒しは、気候へのインパクトは技術動向によって可能である。
  • 排出枠の販売によって政府への税収入は、毎年300〜500億ドルのレベルに達する。それはCO2排出枠が、供給減に伴い増加するからである。この収入は、州や連邦のすべてのレベルでの移行を容易にするために、またデモ・プロジェクトや研究開発に活用される。

>Top 5. Finding 3:

  • Finding 3: A reliable U.S. electricity sector with zero-CO2 emissions can be achieved without the use of nuclear power or fossil fuels.
    The U.S. renewable energy resource base is vast and practically untapped. Available wind energy resources in 12 Midwestern and Rocky Mountain states equal about 2.5 times the entire electricity production of the United States. North Dakota, Texas, Kansas, South Dakota, Montana, and Nebraska each have wind energy potential greater than the electricity produced by all 103 U.S. nuclear power plants. Solar energy resources on just one percent of the area of the United States are about three times as large as wind energy, if production is focused in the high insolation areas in the Southwest and West.
  • Just the parking lots and rooftops in the United States could provide most of the U.S. electricity supply. This also has the advantage of avoiding the need for transmission line expansion, though some strengthening of the distribution infrastructure may be needed. A start has been made. The U.S. Navy has a 750 kW installation in one of its parking lots in San Diego that provides shaded parking spots for over 400 vehicles, with plenty of room to spare for expansion of electricity generation (see Figure 1).
  • Wind energy is already more economical than nuclear power. In the past two years, the costs of solar cells have come down to the point that medium-scale installations, such as the one shown above, are economical in sunny areas, since they supply electricity mainly during peak hours.
  • The main problem with wind and solar energy is intermittency. This can be reduced by integrating wind and solar energy together into the grid – for instance, wind energy is often more plentiful at night. Geographic diversity also reduces the intermittency of each source and for both combined. Integration into the grid of these two sources up to about 15 percent of total generation (not far short of the contribution of nuclear electricity today) can be done without serious cost or technical difficulty with available technology, provided appropriate optimization steps are taken.
  • Solar and wind should also be combined with hydropower – with the latter being used when the wind generation is low or zero. This is already being done in the Northwest. Conflicts with water releases for fish management can be addressed by combining these three sources with natural gas standby. The high cost of natural gas makes it economical to use combined cycle power plants as standby capacity and spinning reserve for wind rather than for intermediate or baseload generation. In other words, given the high price of natural gas, these plants could be economically idled for some of the time and be available as a complement to wind power.
  • Compressed air can also be used for energy storage in combination with these sources. No new technologies are required for any of these generation or storage methods.
  • Baseload power can be provided by geothermal and biomass-fueled generating stations. Intermediate loads in the evening can be powered by solar thermal power plants which have a few hours of thermal energy storage built in.
  • Finally, new batteries can enable plug-in hybrids and electric vehicles owned by fleets or parked in large parking lots to provide relatively cheap storage. Nanotechnology-based lithium ion batteries, which Altairnano has begun to produce, can be deep discharged far more times than needed simply to operate the vehicle over its lifetime (10,000 to 15,000 times compared to about 2,000 times respectively).
  • Since the performance of the battery is far in excess of the cycles of charging and discharging needed for the vehicle itself, vehicular batteries could become a very low-cost source of electricity storage that can be used in a vehicle-to-grid (V2G) system. In such a system, parked cars would be connected to the grid and charged and discharged according to the state of the requirements of the grid and the charge of the battery in the vehicle. Communications technology to accomplish this via wires or wireless means is already commercial. A small fraction of the total number of road vehicles (several percent) could provide sufficient backup capacity to stabilize a well designed electricity grid based on renewable energy sources (including biomass and geothermal). >Top

Figure 2 shows one possible configuration of the electric power grid. USgrid

  • A large amount of standby power is made available. This allows a combination of wind and solar electricity to supply half or more of the electricity without affecting reliability. Most of the standby power would be supplied by stationary storage and/or V2G and by combined cycle power plants for which the fuel is derived from biomass.
  • Additional storage would be provided by thermal storage associated with central station solar thermal plants. Hydropower use would be optimized with the other sources of storage and standby capacity. Wind energy can also be complemented by compressed air storage, with the compressed air being used to reduce methane consumption in combined cycle power plants.
  • With the right combination of technologies, it is likely that even the use of coal can be phased out, along with nuclear electricity. However, we recognize that the particular technologies that are on the cutting edge today may not develop as now appears likely. It therefore appears prudent to have a backup strategy. The carbon dioxide from coal-fired power plants can be captured at moderate cost if the plants are used with a technology called integrated gasification combined cycle (IGCC). Carbon capture and sequestration may also be needed for removing CO2 from the atmosphere via biomass should that be necessary.
  • The tables (of the above Technology Roadmap) provide the details and estimated technological schedules along with some cost notes for key components of the IEER reference scenario. The IEER reference scenario describes the overall combinations of technologies and policies that would enable the achievement of a zero-CO2 economy without any fossil fuels or nuclear power by 2050. We recommend that new coal-fired power plants without carbon capture be banned because constructing new plants at this stage would create pressures to increase CO2 emission allowances and/or higher costs for capturing the CO2 later.
  • Complete elimination of CO2 could occur as early as 2040. Elimination of nuclear power could also occur in that time frame. An early elimination of CO2 emissions and nuclear power depends on technological breakthroughs, for instance in efficient solar hydrogen production. If there are major obstacles in the technological assumptions – for instance, if V2G cannot be implemented in the time frame anticipated here (on a large scale after about 15 to 20 years) – then technologies such as co-firing of natural gas with biomass or even some coal with biomass and CO2 sequestration may be needed. In that case, a zero-CO2 economy may be delayed to about 2060.
  • Figure 3 shows the delivered energy to end uses in the IEER reference scenario (losses in electricity and biofuels production are not included), indicating the approximate pattern of phasing in new fuels and phasing out fossil fuels and nuclear power. It also shows the role of energy efficiency relative to a business-as-usual approach. The reference scenario envisages a zero-CO2, non-nuclear economy by 2050. >Top
  • Figure 4 shows the corresponding structure of electricity production. The slight decreases followed by increases reflect the faster increase in efficiency envisioned by large-scale introduction of electric cars.

5. 結論3:

  • 結論−3:信頼できる米国の電力は、CO2排出ゼロについて、原発や化石燃料の利用することなく達成可能である。米国の再生可能エネルギー源は巨大であり、実際に未開発である。中西部およびロッキー山脈にある12州での利用可能な風力資源は、米国の全電力発電量の2.5倍に相当する。ノースダコタ、テキサス、カンサス、サウスダコタ、モンタナ、ネブラスカでの風力発電の可能性は、全米103の原発による発電量より大きい。太陽光発電が南西部や西部のへき地に限定されたとすると、全米の面積の僅か1%での太陽エネルギー資源は、風力エネルギーの3倍にもなる。
  • 米国の駐車場や屋根だけでも、米国の電気供給が可能である。これには、配電のためのインフラ増強が必要だが、送電設備の拡張は不要である。すでにこの着工が開始されている。米国海軍は、San Diegoの駐車場に750kWの発電パネルを設置し、400台の車の屋根となっており、さらに拡張する余地は沢山ある。


  • 風力エネルギーはすでに原発より経済的である。過去2年間に、太陽パネルの価格は中規模の設置のレベルまで低下し、ピーク時に主に発電する南部では経済的である。
  • 風力および太陽光の主要な問題点は、間欠性である。これは風力と太陽光エネルギーを統合して電力網に組み込むことで縮小できる。例えば風力は夜間により多く発電することが多いからである。地理的な多様性も組み合わせることで、この間欠性を縮小できる。これら2種類の電源を、全発電の15%程度まで電力網へ組み入れる (現在の原発の寄与より遙かに少量だが)ことは、大幅なコスト増や技術的問題点は生じることなく可能であるが、適切な最適化の手順は踏む必要がある。
  • 太陽光と風力はまた水力と組み合わせる必要がある。水力は風力発電が低下あるいはゼロの場合に利用する。これは北西部の州ではすでに行われている。漁業管理のための放水との調整はこれら3電源とスタンバイとしての天然ガスを組み合わせて行うことができる。高価な天然ガスは。ベースロードあるいはそれに近い発電設備というより、風力発電のスタンバイあるいはスピニング容量として組み合わせるのが経済的である。つまり、天然ガスが高価なので、これらの設備は、風力発電の補完としてしばらくアイドル状態で使うのが経済的である。
  • 圧縮空気はエネルギー貯蔵として、これらの資源と組み合わせて利用可能である。これらの発電および貯蔵方法には、新技術は不要である。
  • ベースロードの電力は、地熱およびバイオマス燃料による発電で提供される。夜間の中間的なロードは、数時間分の熱エネルギーを蓄積している太陽熱発電によって賄うことができる。
  • 最後に、新たな電池は、商用車あるいは大規模駐車場に駐車しているPHV車やEV車が相対的に安価な蓄電を供給できる。ナノテクベースのリチウムイオン電池はAltairnanoが生産開始しているが、車の寿命期間より遙かに多くの回数の放電が可能 (車寿命では2000回に対して、10000〜15000回可能)である。
  • 電池の性能としては、車自体の寿命に必要な充電放電のサイクルを遙かに凌駕しているので、自動車用の電池は、V2Gでの利用を考えると非常に安価な蓄電方式となる。このようなシステムでは、駐車中の車は、電力網および車の電池のニーズに応じて充電と放電を電力網との間で行うことになる。これを実施するための有線無線を使った通信技術は、すでに商用的に確立している。路上にあいる車の総数のごく一部 (数%)がバックアップ容量を提供することで、再生可能エネルギー源 (バイオマスや地熱を含め) をベースにした電力網をうまくデザインすることができる。
  • 図2は、電力グリッド構成の一つの可能性を示している。
  • 大容量のスタンバイが可能である。これは風力と太陽光発電で信頼性を損なうことなく電力の半数以上を供給する。スタンバイ電力の多くは、固定型蓄電やV2G、およびバイオマス由来の燃料による発電設備の組合せに依る。
  • 追加の貯蔵は、中央の太陽熱発電プラント関連の熱貯蔵から提供される。水力の利用は、他の資源の貯蔵およびスタンバイ容量によって最適化される。また風力エネルギーは、圧縮空気貯蔵によって補完される。この圧縮空気はメタン消費を減らすことと組み合わせて複合発電プラントを作る。
    技術のうまい組合せによって、石炭の利用も、原発同様にフェーズアウトできる。しかし、今日最先端の特定技術が、すぐに開発できるようにはならない。それ故、用意周到的にバックアップ戦略を持つ必要がある。石炭火力発電から出る二酸化炭素は、もしIGCC と呼ばれるガス化複合発電技術を使うと、中程度のコストで捕獲できる。炭素捕獲や隔離は、バイオマスを使う場合に環境からCO2を取り除くには必要な技術である。
  • (技術ロードマップの)前述の表は、今後の技術動向およびIEERによる予測によるコスト予測も併せて掲載している。IEERのシナリオでは、技術と政策の組合せによって、2050年までに、化石燃料と原発なしで、CO2ゼロ経済の達成が可能であるとしている。炭素捕獲設備のない新規の石炭火力発電所の着工は禁止を提言している。これは現段階で新規発電所を建設することは、CO2排出枠を増加させ、かつ将来のCO2捕捉のコストを高くする圧力になるからである。
  • CO2の完全な除去は、2040年頃に達成される。原発への依存脱却もその頃になろう。CO2排出の除去および原発依存脱却が、早まるかどうかは、効率的な太陽光による水素生成など技術革新の動向に依る。また、もしV2Gが10〜20年後の頃までに大規模に導入されない場合には、天然ガスとバイオマス、さらには石炭とバイオマスとCO2隔離とが必要となる。その場合には、CO2ゼロ経済は、2060年頃まで遅れることになる。
  • 下図3(左図)は、IEERの予測で、エンドユーザに届けられた消費エネルギー (電力ロスやバイオ燃料生産は含まれない)であり、新エネルギーが登場し、化石燃料と原発が退場する姿となっている。同時に、この図は日常業務としてのエネルギー効率性の役割を示している。このシナリオは2050年までにCO2排出ゼロと原発ゼロ経済を予測している。
  • 下図4 (右図)は、電力生産の構成比を示す。生産量が若干減少し、その後増えているのは、EV車の大規模導入によって効率性が加速することを反映している。

>Top 6. Finding 4:

  • Finding 4: The use of nuclear power entails risks of nuclear proliferation, terrorism, and serious accidents. It exacerbates the problem of nuclear waste and perpetuates vulnerabilities and insecurities in the energy system that are avoidable.
  • Commercial nuclear technology is being promoted as a way to reduce CO2 emissions, including by the U.S. government. With Russia, the United States has also been promoting a scheme to restrict commercial uranium enrichment and plutonium separation (reprocessing) to the countries that already have it. (These are both processes that can produce nuclear-weapons-usable materials.) This is a transparent attempt to change the Nuclear Non-Proliferation Treaty (NPT) without going through the process of working with the signatories to amend it. The effort will undermine the treaty, which gives non-nuclear parties an “inalienable right” to commercial nuclear technology. In any case, non-nuclear-weapon states are unlikely to go along with the proposed restrictions.
  • It is not hard to discern that the increasing interest in nuclear power is at least partly as a route to acquiring nuclear weapons capability. For instance, the Gulf Cooperation Council (Bahrain, Kuwait, Oman, Qatar, Saudi Arabia and the United Arab Emirates), pointing to Iran and Israel, has stated that it will openly acquire civilian nuclear power technology. In making the announcement, the Saudi Foreign Minister Prince Saud Al-Faisal was quoted in the press as saying “It is not a threat….We are doing it openly.” He also pointed to Israel’s nuclear reactor, used for making plutonium for its nuclear arsenal, as the “original sin.” At the same time he urged that the region be free of nuclear weapons.
  • Interest in commercial reprocessing may grow as a result of U.S. government policies. The problems of reprocessing are already daunting. For instance, North Korea used a commercial sector power plant and a reprocessing plant to get the plutonium for its nuclear arsenal.
  • Besides the nuclear weapon states, about three dozen countries, including Iran, Japan, Brazil, Argentina, Egypt, Taiwan, South Korea, and Turkey, have the technological capacity to make nuclear weapons. It is critical for the United States to lead by example and achieve the necessary reductions in CO2 emissions without resorting to nuclear power. Greater use of nuclear power would convert the problem of nuclear proliferation from one that is difficult today to one that is practically intractable.
  • Even the present number of nuclear power plants and infrastructure has created tensions between non-proliferation and the rights countries have under the NPT to acquire commercial nuclear technology. Increasing their number would require more uranium enrichment plants, when just one such plant in Iran has stoked global political-security tensions to a point that it is a major driver in spot market oil price fluctuations. In addition, there are terrorism risks, since power plants are announced terrorist targets. It hardly appears advisable to increase the number of targets.
  • The nuclear waste problem has resisted solution. Increasing the number of power plants would only compound the problem. In the United States, it would likely create the need for a second repository, and possibly a third, even though the first, at Yucca Mountain in Nevada, is in deep trouble. No country has so far been able to address the significant long-term health, environmental and safety problems associated with spent fuel or high level waste disposal, even as official assessments of the risk of harm from exposure to radiation continue to increase.
  • Finally, since the early 1980s, Wall Street has been, and remains, skeptical of nuclear power due to its expense and risk. That is why, more than half a century after then-Chairman of the Atomic Energy Commission, Lewis Strauss, proclaimed that nuclear power would be “too cheap to meter,” the industry is still turning to the government for loan guarantees and other subsidies. The insurance side is no better. The very limited insurance that does exist is far short of official estimates of damage that would result from the most serious accidents; it is almost all government-provided.

8. 結論4:

  • 結論−4:原発の利用は、核拡散、テロリズム、苛酷事故のリスクを引き起こす。また核廃棄物処理やエネルギーシステムの脆弱性や不安定性が存在する。
  • 商用の原子力技術は、CO2排出削減の一つの方法として、米国政府を含めて推進されている。ロシアについては、米国と同様に、商用のウラン濃縮と再処理によるプルトニウム分離 を既保有国に対して制限している。(これらはいずれも核兵器の利用できる物質を生産するプロセスである。) 核拡散防止協定 (NPT)を修正する手続きなして変更しようとする明確な動きがある。それは非核保有国に対し、商用の原子力技術を"不可分の権利"として付与しようとする動きである。いずれにせよ、非核保有国は、提案されている制限を順守しようとはしていない。
  • 原子力に関する興味の増大は、少なくとも部分的には核兵器能力を獲得する道かどうかを見極めることは困難なことではない。例えば、湾岸協力会議(GCC)諸国 (バーレン、クウェート、オマーン、カタール、サウジアラビア、アラブ首長国連邦) は、イランとイスラエルを名指して、商用の原子力技術を公然と獲得しようとしていると主張している。サウジアラビア外相であるAl-Faisal皇太子は、取材に答えて曰く、"それは脅威ではない。我々もそれを公然と行っている"と。彼はまたイスラエルの原子炉が、核兵器用のプルトニウムを生産していることについては、"原罪"のようなものであると言っている。同時に、彼は湾岸地域での非核化も主張した。
  • 商用の再処理に関する関心も、米国政府の政策の結果、増大してきている。再処理の問題はすでに脅威である。例えば、北朝鮮は、商用の原発と再処理プラントによって、核兵器のためのプルトニウムを得ている。
  • 核保有国に加えて、30数カ国がすでに核兵器を開発できる技術能力を備えている。それらはイラン、日本、ブラジル、アルゼンチン、エジプト、台湾、韓国、トルコを含む。米国にとっては原発に頼ることなく、必要なCO2排出を達成する実例をリードできるかが重大なことである。原発のさらなる利用は、核拡散の問題を現在の困難な状態から手に負えない問題に変えてしまう恐れがある。
  • 現在の数の原発およびインフラ設備は、非核拡散の問題とNPT体制下での商用原子力技術を保有することとの間の緊張を作り出している。ウラン濃縮プラントを要求する数が増えると、例えばイランにおける1つの濃縮プラントが、世界の政治的な安全性の緊張を高め、スポット市場における石油価格の変動の主因となっている点が挙げられる。更に、テロのリスクがあり、原発はテロリストのターゲットにされている。このようなターゲットを増やすことはとても推奨できない。
  • 核廃棄物処理も難問である。原発の数の増大は問題を複雑化する。米国では、2番目、さらに3番目もと保管場所を作る必要がある。最初の保管場所であるネバダ州Yucca山脈でも深刻な問題を抱えている。今までどの国も、使用済燃料や高レベル廃棄物に関する長期間に亘る健康、環境、安全問題を解決できていないし、さらに放射能被曝の公的なリスク評価も引き続き増加している。
  • 最後に、1980年代以降、Wall Stree誌は、原子力利用を、そのコストとリスクの両面から懐疑的な意見を出してきている。それは半世紀以上も、当時の原子力委員会の当時のLewis Strauss委員長の言う、原子力は"あまり安価過ぎて測定できない"という主張を受けて、今でも政府による借入保証とその他の補助金要求し続けていることにも表れている。

>Top 7. Finding 5:

  • Finding 5: The use of highly efficient energy technologies and building design, generally available today, can greatly ease the transition to a zero-CO2 economy and reduce its cost. A two percent annual increase in efficiency per unit of Gross Domestic Product relative to recent trends would result in a one percent decline in energy use per year, while providing three percent GDP annual growth. This is well within the capacity of available technological performance.
  • Before the first energy crisis in 1973, it was generally accepted that growth in energy use and economic growth, as expressed by Gross Domestic Product (GDP), went hand in hand. But soon after, the U.S. energy picture changed radically and economic growth was achieved for a decade without energy growth.
  • Since the mid-1990s, the rate of energy growth has been about two percent less than the rate of GDP growth, despite the lack of national policies to greatly increase energy efficiency. For instance, residential and commercial buildings can be built with just one-third to one-tenth of the present-day average energy use per square foot with existing technology. As another example, we note that industrial energy use in the United States has stayed about the same since the mid-1970s, even as production has increased.
    Our research indicates that annual use of delivered energy (that is, excluding energy losses in electricity and biofuels production) can be reduced by about one percent per year while maintaining the economic growth assumed in official energy projections.

9. 結論5:

  • 結論−5: 極めて効率の良いエネルギー技術や建物のデザインが、今日利用可能となっており、これはCO2ゼロ経済への移行に大いに貢献し得る。GDPは年3%成長している一方で、最近の傾向ではGDPの単位当たりの効率性は年2%増加した結果、エネルギー消費は年1%減を達成してきている。これは技術的に可能な範囲の成果である。
  • 1973年の第1次エネルギー危機以前には、GDPベースでのエネルギー利用の伸びと経済成長の伸びとは併行していた。しかしその後まもなくして、米国のエネルギー事情は急激に変化氏、経済成長は10年間もエネルギー消費の伸びなしに達成した。
  • 1990年代半ば以降、エネルギー消費の伸びは、特段、国家の政策としてエネルギーの効率を上げる政策を採用していないにも拘わらずGDPの伸びよりも約2%少ない。例えば、住宅および商用ビルは、単位面積当たり、既存技術でも1/3から1/10で建設可能になっている。別の事例としては、米国での産業用エネルギー利用は。、生産が増加したものの、1970年代半ば以降変わっていない。我々の調査によれば、消費地での年間エネルギー利用 (即ち、電力の伝送ロスやバイオ燃料生産を除く)は、経済成長は維持しつつも、消費は年約1%づつ減少している。

>Top 8. Finding 6:

  • Finding 6: Biofuels, broadly defined, could be crucial to the transition to a zero-CO2 economy without serious environmental side effects or, alternatively, they could produce considerable collateral damage or even be very harmful to the environment and increase greenhouse gas emissions. The outcome will depend essentially on policy choices, incentives, and research and development, both public and private.
  • Food crop-based biodiesel and ethanol can create and are creating social, economic, and environmental harm, including high food prices, pressure on land used by the poor in developing countries for subsistence farming or grazing, and emissions of greenhouse gases that largely or completely negate the effect of using the solar energy embodied in the biofuels. While they can reduce imports of petroleum, ethanol from corn and biodiesel from palm oil are two prominent examples of damaging biofuel approaches that have already created such problems even at moderate levels of production.
  • For instance, in the name of renewable energy, the use of palm oil production for European biodiesel use has worsened the problem of CO2 emissions due to fires in peat bogs that are being destroyed in Indonesia, where much of the palm oil is produced. Rapid increases in ethanol from corn are already partly responsible for fueling increases in tortilla prices in Mexico. Further, while ethanol from corn would reduce petroleum imports, its impact on reducing greenhouse gas emissions would be small at best due to the energy intensity of both corn and ethanol production, as well as the use of large amounts of artificial fertilizers, which also result in emissions of other greenhouse gases (notably nitrous oxide). All subsidies for fuels derived from food crops should be eliminated.
  • In contrast, biomass that has high efficiency solar energy capture (~five percent), such as microalgae grown in a high-CO2 environment, can form a large part of the energy supply both for electricity production and for providing liquid and gaseous fuels for transport and industry. Microalgae have been demonstrated to capture over 80 percent of the daytime CO2 emissions from power plants and can be used to produce up to 10,000 gallons of liquid fuel per acre per year. Some aquatic plants, such as water hyacinths, have similar efficiency of solar energy capture and can be grown in wastewater as part of combined water treatment and energy production systems.
  • Figures 5 show a critical biomass examples that have the potential for about 5 percent solar energy capture – about ten times that of the corn plant, including the grain and the crop residues. The NRG Energy coal-fired power plant in Louisiana shown in Figure 5 is being used by GreenFuel Technologies Corporation for field tests. The plant is a potential site for a commercial-scale algae bioreactor system that would recycle the plant's CO2 emissions into biodiesel or ethanol.
  • Water hyacinths have been used to clean up wastewater because they grow rapidly and absorb large amounts of nutrients. Their productivity in tropical and subtropical climates is comparable to microalgae – up to 250 metric tons per hectare per year. They can be used as the biomass feedstock for producing liquid and gaseous fuels.
  • Prairie grasses have medium productivity, but can be grown on marginal lands in ways that allow carbon storage in the soil. This approach can therefore be used both to produce fuel renewably and to remove CO2 from the atmosphere. >Top
  • algae_hydrogenFinally, solar energy can be used to produce hydrogen; this could be very promising for a transition to hydrogen as a major energy source. Techniques include photoelectrochemical hydrogen production using devices much like solar cells, high-temperature, solar-energy-driven splitting of water into hydrogen and oxygen, and conversion of biomass into carbon monoxide and hydrogen in a gasification plant. Tailored algae within a highly controlled environment and fermentation of biomass can also be used to produce hydrogen. In some approaches, energy, food, and pharmaceuticals can be produced simultaneously. Progress has been far slower than it could be for lack of money.
    • Note: In the “batch mode” the production is stopped periodically to replenish the nutrients.
    • In the “chemostat mode” nutrients are supplied continuously to maintain production. “Chl” stands for chlorophyll.
  • Figure 7 shows direct hydrogen production from sunlight using algae deprived of sulfur in their diet.

8. 結論6:

  • 結論−6:環境への深刻な副作用をもたらさない、即ち、環境にとって有害かつ温室効果ガスの排出を伴わない意味での広義のバイオ燃料は、CO2ゼロ経済への移行にとって決定的に重要である。それが実現できるかは、政策選択として、公的・私的両部門においてのインセンティブや研究開発次第である。
  • 食料ベースのバイオディーゼルやエタノールは、社会的、経済的、環境的に有害であり、食料の価格高騰や途上国における貧困層が土地を利用して耕作・放牧することへの圧力となり、温室効果ガスの排出も、バイオ燃料に含まれる太陽エネルギーの利用効果を完全に否定するものとなっている。彼らは石油輸入量を削減する代わりに、トウモロコシからエンタノールを、またヤシ油からバイオディーゼルを得るのがバイオ燃料の典型的な事例だが、これはCO2排出としては中程度のレベルの問題解決にしかならない。
  • 例えば、再生可能エネルギーとして、欧州でのバイオディーゼル用としてヤシ油を生産する場合、ヤシ油を多く生産しているインドネシアでは、泥炭層が燃えるなどの事例のように、CO2排出の問題はむしろ悪化した。トウモロコシからエタノールを得ることが急増したことで、結果としてメキシコではトルティージャ生産の燃料代が増加した。これはトウモロコシからのエタノール生産で、石油の輸入が減少し、温室効果ガスの排出は、トウモロコシとエタノール生産のためのエネルギーを考慮するとかなり縮小することになる。更に人工肥料の大量使用は別の (窒素酸化物など)温室効果ガスの排出につながる。食料由来の燃料に対する全ての補助金は中止すべきである。
  • 一方、対照的には、バイオマスは太陽エネルギーの捕捉が高効率的 (5%程度)である。CO2高濃度の環境で成長する微細藻類 (microalgae)は、発電用および輸送・産業用に液体・気化燃料の供給両面でエネルギーを供給できる。微細藻類では、発電所からの昼間のCO2は80%捕捉でき、1エーカー当たり毎年10,000ガロンの液体燃料が生産可能であるとされる。一部の水性植物 (水性ヒヤシンス)は、太陽エネルギー捕捉では同様の効率性を示し、水処理とエネルギー生産の複合プラントでは一部排水中でも生育可能である。
  • 図5は、バイオマスプラントの例で、5%の太陽エネルギーを捕捉し、植物の種と残滓を含めてトウモロコシプラントの場合の約10倍である。ルイジアナ州のNRGエネルギー石炭火力発電所には、GreeFuel Technologies Corp.の実験設備が設置されている。このプラントは商用規模での微細藻類の商用規模での実験プラントであり、プラントのCO2排出をバイオディーゼルやエタノールにリサイクルしている。また水性ヒヤシンスが排水の浄化として生育されている。それは成長が早く、養分を大量に吸収するからである。熱帯・亜熱帯での生産性は、微細藻類に匹敵し、毎年ヘクタール当たり250MTに達する。それらは、バイオマスによる液体・気体燃料の原料になる。
  • プレイリー地帯の草は、中程度の生産性で、CO2の地中貯蔵を行う場合の周辺の土地で生育可能。この方法によって新規に燃料生産を行うと共に空気中からのCO2を除去できる。
  • 最後に、太陽エネルギーは、水素の生産に利用できる。主要なエネルギー源として水素に転換することは非常に有望である。技術としては、光電気化学による水素生産で、太陽電池のようなデバイスを高温で利用し、太陽エネルギーで水を水素と酸素に分解する。さらにバイオマスをガス化プラントで、COと水素に転換する。微細藻類についても光度に管理された環境でバイオマスを発酵して水素を生産する。ある方法では、エネルギー、食料、薬品が同時に生産可能である。進展は、資金不足もあり遅れている。
    • 注)バッチモードでは、性腺は養分補充の為定期的にストップする。
    • ケモスタットモードでは、養分は連続的に供給され、生産を維持する。"Chl"とはChlorophyllのことである。
  • 図7は、太陽光から微細藻類を使って、消化中に硫黄分を除去し、直接水素を生産することを示す。

>Top 9. Finding 7:

  • Finding 7: Much of the reduction in CO2 emissions can be achieved without incurring any cost penalties (as, for instance, with efficient lighting and refrigerators). The cost of eliminating the rest of CO2 emissions due to fossil fuel use is likely to be in the range of $10 to $30 per metric ton of CO2.
  • Table 1 shows the estimated costs of eliminating CO2 from the electricity sector using various approaches. It is based on 2004 costs of energy. At 2007 prices (about $8 per million Btu of natural gas and almost 9 cents per kilowatt-hour (kWh) electricity, averaged over all sectors) the costs would be lower.
  • Further, the impact of increases in costs of CO2 abatement on the total cost of energy services is low enough that the overall share of GDP devoted to such services would remain at about the present level of about 8 percent or perhaps decline. It has varied mainly between 8 and 14 percent since 1970, hitting a peak in 1980. It dropped briefly to about 6 percent in the late 1990s when oil prices tumbled steeply, hitting a low of about $12 per barrel in 1998.
  • Table 2 shows the total estimated annual energy and investment costs for the residential and commercial sectors in terms of GDP impact. The lower energy use per house and per square foot, higher needed investment, and somewhat higher anticipated costs of electricity and fuels under the IEER reference scenario are taken into account. The net estimated GDP impact of reducing residential and commercial sector energy use by efficiency improvements and converting entirely to renewable energy sources is small and well within the range of the uncertainties in the calculations.
  • The total GDP for energy services in all sectors under the IEER reference scenario is estimated to remain at about 8 percent or less. For an individual new home owner, the net increased cost, including increased mortgage payments, would be between about $20 and $100 per month; the latter is less than 0.7 percent of projected median household income in 2050.

9. 結論7:

  • 結論−7:CO2排出削減の多くは、コストペナルティ(例えば、効率的な光や冷蔵など)なしに達成戒能である。化石燃料使用による、残りのCO2排出の除去コストは、CO2トン当たり$10〜$30の範囲であろう。
  • 下表1は、電力部門からの様々な方法でのCO2除去のコスト予測である。2004年のエネルギーコストに基づいている。2007年価格では、 (天然ガスは$8/M.BTU、約9セント/kWh) には、コストはさらに下がるであろう。
  • さらに、全エネルギーコストの内、CO2除去コストの増加インパクトは、GDPに占める比率としては充分低い。エネルギー部門のGDP比は、現在約8%のレベルで、今後更に低下の見込み。1970年以降では、1980年にピークをつけたが、概ねGDPの8〜14%で推移している。1990年代後半には6%に下落したが、これは石油価格の急激な低下によるもので、1998年には$12/bblであった。
  • 下表2は、GDP比率として、住宅用および産業用の年間エネルギー投資コストを示す。IEERのシナリオの例では、住宅用のエネルギー利用(/軒・sq.ft)はより低めに、投資は高めで、電気と燃料コストは高めに予測されている。住宅用、産業用のエネルギー利用のGDPへの影響は、効率性の改善による削減、また全面的に再生可能エネルギーへの転換は、少量見込んでいるが、計算上の不確定要因の範囲内である。
  • IEERのシナリオでは、エネルギー部門の全GDP比率は約8%またはそれ以下と予測している。新規住宅保有者の場合、ネットでのコスト上昇は、担保証券への支払を含め、$20〜100/月である。この後者の数字は2050年の仮定収入の0.7%以下に相当する。

Table 1: Summary of costs for CO2 abatement (and implicit price of CO2 emission allowances) – Electricity sector (based on 2004 costs of energy) >Top

CO2 source Abatement method Phasing Cost per metric ton CO2, $ Comments
Pulverized coal Off-peak wind energy Short-term A few dollars to $15 Based on off-peak marginal cost of coal.
Pulverized coal Capture in microalgae Short- and medium-term Zero to negative Assuming price of petroleum is >$30 per barrel.
Pulverized coal Wind power with natural gas standby Medium- and long-term Negative to $46 Combined cycle plant idled to provide standby. Highest cost at lowest gas price: $4/mn Btu
Pulverized coal Nuclear power Medium- to long-term $20 to $50 Unlikely to be economical compared to wind with natural gas standby.
Pulverized coal Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC) with sequestration Long-term $10 to $40 or more Many uncertainties in the estimate at present. Technology development remains.
Natural gas standby component of wind Electric vehicle-to-grid Long-term Less than $26 Technology development remains. Estimate uncertain. Long-term-natural gas price: $6.50 per million Btu or more.

Table 2: Annual Residential (R) and Commercial (C) Energy and Investment Costs in 2050, in billions of constant 2005 dollars

Item IEER Reference Scenario Business-as-Usual Scenario
R + C Electricity $326 $442
R + C Fuel $150 $247
Sub-total energy cost $476 $689
Added annual investment for efficiency $205 $0
Total GDP-basis amount (rounded) $681 $689
GDP in 2050 $40,000 $40,000
GDP fraction: residential and commercial energy services 1.70% 1.72%

>Top 10. Finding 8:

  • Finding 8: The transition to a zero-CO2 system can be made in a manner compatible with local economic development in areas that now produce fossil fuels.
  • Fossil fuels are mainly produced today in the Appalachian region, in the Southwest and West and some parts of the Midwest and Rocky Mountain states. These areas are also well-endowed with the main renewable energy resources – solar and wind. Federal, state and regional policies, designed to help workers and communities transition to new industries, therefore appear to be possible without more major physical movement or disruption of populations than has occurred in post-World War II United States. It is recognized that much of that movement has been due to dislocation and shutdown of industries, which causes significant hardship to communities and workers. Some of the resources raised by the sale of CO2 allowances should be devoted to reducing this disruption. For instance, the use of CO2 capture technologies, notably microalgae CO2 capture from existing fossil fuel plants, can create new industries and jobs in the very regions where the phaseout of fossil fuels would have the greatest negative economic impact. Public policy and direction of financial resources can help ensure that new energy sector jobs that pay well are created in those communities.

10. 結論8:

  • 結論−8:CO2排出ゼロシステムへの移行は、現在化石燃料を生産している地域での経済発展を整合性を保ちながら推進できる。
  • 化石燃料は、主にアパラチア、南西部、西部、および一部は中西部やロッキーの地域で生産されている。これらの知己はまた主な再生可能エネルギー資源、即ち太陽光や風力に恵まれている。連邦及び州政府は、これら地域の労働者やコミュニティに対し、新産業への転換を促している。それ故、第二次大戦後米国で起こったような大規模な人口移動や荒廃なしで推進可能である。人口の大移動の多くは、産業の移動や閉鎖に伴うもので、それがコミュニティや労働者にとっては厳しい。CO2排出枠の販売による資金はこのような荒廃の現象に使うべきである。例えば、CO2捕捉技術の利用、特に既存の化石燃料プラントからの微細藻類によるCO2捕捉は、化石燃料委が衰退が経済に負の影響を与えていくような地域において新産業や雇用を創出できる。公的な政策や資金活用の面では、それらのコミュニティで新エネルギー部門での雇用と賃金が保証されるようにすべきである。

>Top 11. Glossary:

  1. Baseload generation: A large-scale power plant designed to generate electricity on a continuous basis.
  2. Biofuel: Fuel derived from biomass.
  3. Biomass: Organic material produced by photosynthesis.
  4. Carbon capture: Capture of carbon dioxide when fuels containing carbon are burned for their energy.
  5. Carbon sequestration: Deep geologic storage of carbon for long periods (thousands of years) to prevent it from entering the atmosphere.
  6. CFL: Compact fluorescent lamp, which is a high-efficiency light bulb.
  7. CHP: Combined heat and power. In this arrangement, some of the energy derived from burning a fuel is used as heat (as for instance in heating buildings or for industrial processes), and some is used for generating electricity.
  8. Combined cycle power plant: Power plant in which the hot gases from the burning of a fuel (usually natural gas) are used to run a gas turbine for generating electricity. The exhaust gas from the turbine is still hot and is used to make steam, which is used to drive a steam turbine, which in turn generates more electricity.
  9. Electrolytic hydrogen production: The use of electricity to separate the hydrogen and oxygen in water.
  10. Geothermal heat pump: A heat pump that uses the relatively constant temperature a few feet below the earth’s surface in order to increase the efficiency of the heat pump.
  11. IGCC: Integrated Gasification Combined Cycle plant. This plant gasifies coal or biomass and then uses the gases in a combined cycle power plant.
  12. LEED: Leadership in Energy and Environmental Design – a rating system used for building efficiency. The platinum level is the highest rating.
  13. Microalgae: Tiny algae that grow in a variety of environments, including salty water.
  14. Nanocapacitor: A capacitor that has the surface area of its electrodes increased greatly by the use of nanotechnology.
  15. Photolytic hydrogen: Hydrogen produced by plants, for instance, algae, in the presence of sunlight.
  16. Photoelectrochemical hydrogen: Hydrogen produced directly using devices similar to some solar photovoltaic cells that generate electricity. In this arrangement, hydrogen is produced instead of electricity.
  17. Pumped storage: Using electricity at off-peak times to pump water into a reservoir and then using a hydroelectric power plant to generate electricity with the stored water during peak times (or, when used with wind energy, when the wind is not blowing).
  18. Solar light pipe: A fiber optic cable that conveys light from the sun along its length without leaking it out of the sides, much like a wire carries electricity. It can be used to light the interiors of buildings during the daytime.
  19. Solar PV: Solar photovoltaic cells – devices that turn incident sunlight into electricity.
  20. Solar thermal power plant: A power plant that uses reflectors to concentrate solar energy and heat liquids that are then used to produce steam and generate electricity.
  21. Spinning reserve: The capacity of electric power plants that are kept switched on (“spinning”) but idle in order to be able to meet sudden increases in electricity demand.
  22. Standby capacity: Power plants that are kept on standby to meet increases in electric demand.
  23. Ultracapacitor: A capacitor that can store much more electricity per unit volume than normal capacitors.
  24. V2G: Vehicle to grid system. Parked cars are connected to the grid. When the charge on the batteries is low, the grid recharges them. When the charge is sufficient and the grid requires electricity, a signal from the grid enables the battery to supply electricity to the grid.

11. 用語集:

  1. ベースロード発電:連続運転をベースに発電する大規模発電所
  2. バイオ燃料:バイオマス起源の燃料
  3. バイオマス:光合成によって生成された有機物質
  4. 炭素捕獲:炭素を含む燃料を燃焼させる際に発生する二酸化炭素の捕獲
  5. 炭素隔離:炭素を深層地質構造に長期間 (数千年)貯蔵し、大気中への拡散を防ぐ
  6. コンパクト蛍光灯 (CFL):高効率の電球
  7. 熱電併給 (CHP):この仕組みによって、燃料の燃焼エネルギーの一部を熱として利用 (ビル暖房、工業用など)、及び一部は発電に利用
  8. 複合サイクル発電:燃料 (通常は天然ガス)燃焼による高温ガスは、ガスタービンを回して発電。その排ガスは、まだ高温なので蒸気を生成し、蒸気タービンを回してさらに発電する。
  9. 電解水素生産:電気の利用によって水から水素と酸素を分離する。
  10. 地熱ヒートポンプ:ヒートポンプの効率を上げるために地中数フィートで、比較的一定温度でヒートポンプを活用する。
  11. ガス化複合発電 (IGCC):石炭またはバイオマスをガス化し、そのガスを複合サイクルとして発電に利用する。
  12. 環境・エネルギーデザインリーダーシップ:建物の環境対応レベルの効率性を評価する指標。プラチナレベルが最も高い指標。
  13. 微細藻類:塩水を含む様々な環境で生長する微細な藻類
  14. 電気二重層キャパシタ (コンデンサ):電極の表面をナノテクノロジーによって蓄電容量を増加させたキャパシタ
  15. 光分解水素:太陽光下による藻などの植物によって生成される水素
  16. 光電気化学水素:太陽電池に似たデバイスの利用によって生成される水素によって発電する。この仕組みでは電気の代わりに水素が生成される。
  17. 揚水発電:オフピーク時に、貯水池に揚水し、ピーク時にその貯水を使って発電をする水力発電所
  18. 太陽光パイプ:太陽光を側面から漏らすことなく光ファイバのように太陽光を導入し、昼間、建物の内部の照明に使う。
  19. 太陽光発電:太陽起電セルで、太陽光を電気に変える。
  20. 太陽熱発電:反射鏡を使って太陽光を集め、その熱で蒸気を生成し、発電をする。
  21. 運転予備力:発電プラント容量でスイッチオンのままアイドル状態とし、電力需要の急激な増加に備えたスタンバイ
  22. スタンバイ容量:電力需要の増加に対応するスタンバイとして確保される発電所
  23. ウルトラキャパシタ:通常のキャパシタに比べて単位当たり遙かに多くの電気を蓄積できるキャパシタ
  24. 自動車から電力網へ電力供給 (V2G):駐車中の車から電力網へ接続する。電池の蓄電が低い場合には電力網が充電し、蓄電が充分ありかつ電力網が電気を必要をする場合には、電力網からの信号によって電池から電力網へ電気を供給する。
  • This could be a realistic vision of best mix of energy policy, which would be applicable not only in US, but also even in Japan or other countries.
  • Japan has more geothermal resources, and also surrounded wide range of sea coasts. Floating wind power generations combined with solar and tidal power are promising.
  • It also rains much in Japan. Though we could not utilize seismic, tsunami or typhoon energy powers for a while, we could utilize more milder alternaive energy sources.
  • これはエネルギー政策のベストミックスの現実的なビジョンをなり得る。それは米国のみならず、日本やその他の国々においても適用可能である。
  • 日本にはより多くの地熱資源があり、また広範囲の海岸線を持つ。洋上風力発電は、太陽光および潮力発電とくみあわせると有望である。
  • また日本は雨量が多い。地震・津波・台風のエネルギーはしばらく活用できないが、もっとマイルドな代替エネルギー資源は活用できる。

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