【総論】電力系統の維持に適さない太陽光発電の問題点

最近、太陽光発電を巡って、Ｘなどで「原子力発電を今すぐやめて太陽光にシフトすべき」、といった主張ないし提言を多く見かけるのですが、残念ながら、現状のデータなどで調べる限り、太陽光発電依存は非現実的だと断じざるを得ません。太陽光発電には少なくとも①発電量の不安定さ、②発電効率の悪さ、そして③実質的な環境負荷の大きさ――などの問題点があるからです。こうしたなかで、本稿ではそもそもの電力系統のデリケートなどの論点についても、あわせてまとめておきたいと思います。

2024/03/19 12:45追記

匿名のコメント主様からのご指摘がありましたが、サハラ砂漠での発電量に関する記述で単純な計算ミスがありましたので、該当するくだりは全面削除します。なお、削除の痕跡がわかるよう、削除前の文章については全面的に残したいと思います。

2024/03/19 13:00追記

削除した理由について簡記しました。

改めて電力について考えてみる

当ウェブサイトでは最近、しばしば「太陽光発電の欠陥」について取り上げるのですが、これに関しては話題がある都度、三々五々、バラバラに言及してきました。

ただ、最近だと、「メガソーラー」が設置されている箇所（たとえば山岳地帯など）で大規模な崩落、火災などが生じているとの報道も相次いでいるのですが、こうしたなかで、Ｘを眺めていると、相も変わらず、「原発をやめよう」、「太陽光発電を推進しよう」、といった「提言」を多く見かけます。

そこで、いちど「総論」的に、太陽光発電の問題点を「電力系統」などの観点からきちんとまとめておきたいと思います。

日本の電力は非常に安定していて、私たち国民は当たり前のように電力を使用しているわけですが、果たしてこれは「当たり前」なのでしょうか。

電力系統のデリケートさ

需給バランスが崩れたら周波数が動いてしまう

まず最初に、私たちが知っておかねばならない論点のひとつが、「電力系統のデリケートさ」です。

私たち一般人は、１日24時間、コンセントさえ刺せば、どんな電化製品でも自由に使えると思っています。しかし、こうした状況は、電力系統が維持されているからこそ可能なのだ、という点については、意外と知られていない論点です。

そもそも今、この文章を読んでいるあなたが使っている電力は、多くの場合、今この瞬間に発電されています。というのも、現在の技術では、まだ蓄電が難しいからです。

したがって、電力自体は「発電してからすぐに消費する」というのが原則であり、そうなると出て来る論点のひとつが、電力の需給のバランスを取ることの大切さです。つまり、電力は「たくさん生み出せばよい」というものではなく、「電力需要と均衡するように、うまく予想して発電する」ことが重要なのです。

もしも電力需要が電力供給を上回ると、電力系統の周波数が低下しますし、逆に電力供給が電力需要を上回ると、電力系統の周波数が上昇してしまいます。周波数を一定に保つためには、「需要側＝供給側」となるよう、常に電力需要を予測し、電力供給量を調整し続けなければならないのです。

（※このあたりの事情について説明したページなどはいくつかあるのですが、東京電力パワーグリッド株式会社のウェブサイトにある『需要と供給のバランスについて』というページあたりがもっともわかりやすいと思います。）

送電ロスと地産地消の原則

次に、電力について知っておくべき特徴のひとつが、「送電ロス」という論点です。

一般に電力は、発電所で発電されてから消費地（自宅など）に届くまでの間に、放電されてしまうという特徴があります。これが送電ロスで、国立研究開発法人科学技術振興機構ウェブサイトの『送電ロスをゼロにする超電導線材』というページによれば、現在の日本では年間５％が送電ロスにより失われているそうです。

５％といえば「大したことない」と思う人もいるかもしれませんが、その認識は誤っています。日本全体の年間の発電量を１兆kWhと仮定すれば、ざっと500億kWhに相当する電力量だからです（ちなみに500億kWhといえば、出力100万kWの原子炉６基をフル稼働させたのとほぼ同じ電力量です）。

ちなみに科学技術振興機構は「高温超電導線材」などを使えば送電ロスをゼロに近づけることができ、その送電ロスの少ない素材を用いれば、サハラ砂漠に敷き詰めた太陽光パネルから数千㎞の送電も可能になるのではないか、などとしているのですが、こうした構想は、現時点ではまだ「夢のプロジェクトの段階」でしょう。

（※余談ですが、同記事によれば、「理論上はサハラ砂漠の４分の１の面積で世界中の電力を賄うことができる」、などとしていますが、おそらくこの計算は正しくありません。後述する通り、太陽光発電は夜間には電力を生み出さないためです。）【2024/03/19 12:45付で削除】

いずれにせよ、こうした「送電ロス」の論点を踏まえると、生み出した電力はできるだけ発電所に近いところで使用するという「地産地消」の原則が生まれてきます。とりわけ太陽光発電のように面積あたりの効率が低い発電だと、なおさら発電施設に近いところで電力を消費しなければ、効率が大変悪くなりそうです。

ベースロード電源とは？

続いて重要な考え方のひとつが、「ベースロード電源」です。

これについては2015年２月27日付で、当時の安倍晋三内閣が閣議決定した『衆議院議員中根康浩君提出「重要なベースロード電源」に関する質問に対する答弁書』の記述が参考になります。

これによると2014年４月11日に閣議決定された『エネルギー基本計画』で、ベースロード電源とは①発電コストが低廉で、②安定的に発電することができ、③昼夜を問わず継続的に稼働できる電源――のことをさしていると答弁されています。

そのうえで、たとえば原子力発電については次のように位置づけられています。

「燃料投入量に対するエネルギー出力が圧倒的に大きく、数年にわたって国内保有燃料だけで生産が維持できる低炭素の準国産エネルギー源として、優れた安定供給性と効率性を有しており、運転コストが低廉で変動も少なく、運転時には温室効果ガスの排出もないことから、安全性の確保を大前提に、エネルギー需給構造の安定性に寄与する重要なベースロード電源である」。

ちなみにわが国を代表するベースロード電源としては、原子力以外には石炭火力や大型水力、地熱などがありますが、いずれも「長期固定電源」とされ、安価でかつ昼夜を問わず安定的に電力を生み出してくれる反面、いったん稼働し始めると、出力を制御するのが技術的に困難である、といった特徴を持っています。

したがって、「電力の需要に対して供給量が多すぎるので発電量を減らす」、といった臨機応変の対応が難しいのがこのベースロード電源の端緒でもあるのです。

ミドル電源とピーク電源

こうした「ベースロード電源」に対し、比較的発電量のコントロールがしやすい電源が「ミドル電源」です。

ミドル電源は多くの場合、電力の需要をにらみながら、比較的容易に発電量を増やしたり減らしたりすることができるため、使い勝手は良いのですが、その分、発電コストはお高めです。

このミドル電源はくだんの2014年４月の閣議決定でも「ベースロード電源の次に安価で、電力需要の動向に応じて出力を機動的に調整できる電源」と定義されていますが、現実にミドル電源として想定されているのは天然ガスなどです。

また、ピーク電源は「発電（運転）コストは高いが、電力需要の動向に応じて、出力を機動的に調整できる電源」で、具体的には石油や揚水式水力などが想定されていますが、石油は高コストですので、電源としては不向きであるとされます。

ちなみに電気事業連合会の『揚水式水力発電』などによると、発電所の上部と下部に大きな池（調整池）をつくり、何らかの事情で電力が余っているときにポンプで調整池に水をくみ上げておき、電力需要の多いときは上の調整池から下の調整池に水を落として発電し、発電に使った水は下部の調整池に貯めておく方式です。

ただ、この方式もあくまでも調整池の容量以上に水を溜めることができませんので、ピーク電源としての使用が想定されている方式のひとつとされています。というよりも、「余った電力を位置エネルギーに変換する」という意味では、広義の蓄電池のようなものだ、という言い方もできるかもしれません。

優先給電ルール

以上の電力需要・供給のルール、電力系統の維持の重要性などに照らし、電力政策はデタラメに推進するのではなく、それぞれの電源の特徴などに応じて、ベースロード、ミドル、ピーク電源などを組み合わせ、電力を低コストかつ安定的に生み出していくことが大切です。

もちろん、環境保全の考え方も重要ですが、やはりまずは安価で昼夜を問わず安定的に発電してくれる原子力発電などのベースロード電源のうえに、ミドル、ピークなどをミックスするという方式が、電力政策としては最も合理的なものでしょう。

さて、こうした各電源の特徴を踏まえたうえで、太陽光発電の問題を見る前に確認しておきたいのが、優先給電ルールです。

電力需要と比べて発電量が増え過ぎると、そのまま電力系統に流すと周波数が狂い、最悪の場合、広域停電などが生じる恐れもありますので、何らかの形で供給を抑えることが必要になるのです。

そのときの優先順位としては、まずは①火力発電の出力制御（発電量を減らすこと）と並んで、揚水式発電施設の揚水、蓄電池の活用が行われます（揚水と蓄電は経済効果としてはほぼ同じだ、という言い方もできるかもしれません）。

ただ、これでも発電量が多すぎる場合には、何らかの制御をおこなわなければなりません。

そこで、次に出てくるのが他地域への送電ですが、上述の通り、遠隔地への送電はロスが大きいという欠点があるのに加え、他地域でも電力が余ってしまった場合には、この手法自体が使えなくなることもあります。

そこで、バイオマス発電の出力を制御し、それでも発電量が余る場合は、太陽光と風力などの再エネの出力を制御することが必要になるのです。これが、大手メディアが批判する、「太陽光で発電した電気を『捨てる』」、という現象です。

そのうえで、ベースロード電源の出力制御は太陽光などよりもあとに行われます。上述の通り、ベースロード電源の多くは、いったん発電し始めると、制御するのが大変に難しいからです。

優先給電ルール

• 火力発電（石油、ガス、石炭）の出力制御、水力発電の揚水、蓄電池への活用
• 他地域への送電（連系線）
• バイオマス発電の出力制御
• 太陽光発電、風力発電の出力制御
• 長期固定電源（水力発電、原子力発電、地熱発電）の出力制御

（【出所】資源エネ庁等）

太陽光発電の３つの大きな問題点

発電量の不安定さ

それではなぜ、太陽光発電が「優先給電ルール」上、「捨てられる」のでしょうか。

これについて知る前に、まずは太陽光発電について、よく考えておくことが必要です。

そもそも論ですが、太陽光発電は太陽エネルギーを電力に変える仕組みであり、発電に際して地球温暖化ガスを排出せず、環境に大変やさしい発電である、などとされています。

しかし、これは本当でしょうか。

じつは、太陽光発電には、少なくとも３つの問題点があります。それは、①発電量の不安定さ、②発電効率の悪さ、そして③実質的な環境負荷の大きさ――、です。

まず、発電量の不安定さについては、単純に「地球は丸い」という事実を挙げておくだけで十分でしょう。

太陽光発電はその名の通り、「太陽の光」を使った発電であるため、そもそも発電できる時間帯は、太陽が出ている時間帯に限られますし、季節や天候にも大きく左右されます。このため、「寒い冬場に暖房のためのエアコンをつける」などの電力需要が増えるときに、発電力が極端に減ってしまう、といった事態も生じます。

もちろん、「夏場だと太陽光でガンガン発電してくれれば、その分、エアコンでガンガン冷房を効かせることができるじゃないか」、といった反論もあるかもしれませんが、それは「偶然、電力需要が増えるタイミングと発電量が増えるタイミングが一致することもある」、という話に過ぎません。

真夏になると発電効率が低下することもある？

したがって、上述の優先給電ルールに照らし、太陽光発電で生み出された電力は「制御」――、つまり「捨てられる」のも仕方がない話でしょう。発電量は人為的にコントロールできないからです。

こうしたなかで、もうひとつ、意外な「盲点」があるとしたら、太陽光発電施設が真夏に沢山の電力を生み出すとも限らない、という指摘です。

太陽光発電設備の施工業者である株式会社ヒラソルのウェブサイトの『夏は逆に発電量が弱くなる！太陽光パネルと温度の関係』という記事によれば、太陽光パネルは高温になると発電効率が低下してしまうという問題点があるのだそうです。

具体的には、パネルの表面温度が25度よりも上昇すると発電量は低下してしまうのだそうで、だいたい１度上昇するごとに発電量は0.5％程度低下していく、などと記載されています。

また、これはあくまでも「パネルの表面温度」の話ですので、「真夏の30度を超えるような気温」のなかで太陽光を直接に浴びたパネルの表面は「最大で70～80度まで上昇する」とされています。ということは、真夏はむしろ、ピーク時と比べ30％近く発電量が低下している可能性があるのだそうです。

発電効率が極端に劣る太陽光

次に、「発電効率の極端なまでの悪さ」についても、非常に重要な論点です。

資源エネルギー庁ウェブサイトの『原発のコストを考える』というページの説明によると、100万kW級の原発を設置するのに必要な面積は0.6平方キロメートルだそうです。このため、仮にこの原発の設備利用率を60％とすれば、年間発電量は52億5600万kWhと計算されます。

一方、俗に「メガソーラー」と呼ばれる、出力が１メガワット（＝1,000kW）の太陽光発電施設は、約２ヘクタール（＝２万平方メートル、0.02平方キロメートル）の面積が必要であるとされます。

仮に設備利用率を15％とすれば、原発と同じ電力を太陽光発電のみで生み出すために必要な面積は、じつに80平方キロメートル（！）にも達する、というわけですが、それだけではありません。

設備利用率は緯度や日照時間にも左右されるため、仮に設備利用率が10％にまで低下するとすれば、100万kW級の原発を設置するのに必要な面積は、原発の約200倍の120平方キロメートル（！）というとてつもない規模に達します。

なお、資源エネルギー庁資料では「100万kW級の原子力発電（面積0.6㎢）」は「太陽光で山手線一杯の面積（58㎢）」、などと記載されていますが（図表）、これは太陽光の設備利用率を高く見積もり過ぎているか、原発の設備利用率を低く見積もり過ぎているかのどちらかでしょう。

図表　資源エネルギー庁の資料

（【出所】資源エネルギー庁『原発のコストを考える』）

サハラ砂漠の４分の１で世界の電力を賄える！？【2024/03/19 12:45付で削除】

こうしたなか、上述の「サハラ砂漠の４分の１で世界の電力を賄うことができる」とする試算について、改めて考えておきましょう。

トヨタ産業技術記念館のウェブサイト『二十世紀の豫言［四］サハラ砂漠』によると、サハラ砂漠の面積は約1000万平方キロメートルだそうですが、その４分の１ということは約250万平方キロメートルです。

上述の通り、メガソーラーの建設に必要な面積は２ヘクタール（＝0.02平方キロメートル）とされていますので、250万平方キロメートル（＝2.5億ヘクタール）にパネルを敷き詰めたら、出力は1.25億kWの発電施設が出来上がります。

ただ、この「1.25億kW」は、あくまでも出力であり、設備利用率が日本なみの10～15％だったとすれば、年間発電量は1095～1643億kWhですが、これは日本の年間発電量の10～15％程度に過ぎません。

これについてはもちろん、赤道直下かつ天候にほとんど左右されないサハラ砂漠であるという状況を踏まえると、発電効率はもう少し良いのかもしれませんが、少なくとも設備利用率が100％を超えることはあり得ませんので、利用率100％としても発電量は1.1兆kWh程度で、これは日本の年間発電量とほぼ同じです。

当たり間ですが、夜になると発電量はゼロになりますので、サハラ砂漠の太陽光パネルから１兆kWhの電力が生み出されるというものではありません。

2024/03/19 13:00付　追記

サハラ砂漠に関する記述は2024/03/19 13:00付で削除します。計算が単純に誤っていました。

250万平方キロメートルは2.5億ヘクタールですので、「メガソーラー設置に必要な面積が２ヘクタール」という前提だと、出力は1250億kW（＝1,000kWh×2.5億ヘクタール÷２）です。

また、年間発電量は「利用率10％」だと109.5兆kWh（＝1250億kW×24時間×365日×10％）、「利用率25％」だと274兆kWh（＝1250億kW×24時間×365日×25％）になる計算です。（あり得ない話ですが）利用率が仮に100％だったとしたら、年間発電量は1.095兆KWhではなく、1,095兆kWhです。

読者の皆さま、申し訳ございませんでした。また、匿名のコメント主様、ご指摘大変ありがとうございました。

環境負荷をどう考えるのか

さらには、太陽光発電の場合、環境負荷の高さも無視できません。

原発を廃止することができるくらいの発電量を太陽光パネルだけで実現しようと思えば、山手線の内側面積をはるかに超える莫大な土地が必要ですが、それだけの土地を太陽光パネルで覆ってしまえば、当然、木も生えませんし、山林の保水能力なども著しく低下します。

実際、いくつかの地点では崖崩れ、土砂災害、パネルの崩落などの事故も多発しているとの報道もありますし、太陽光パネル自体が崩落しても電力を生み出し続けているため、うかつに近づくと感電するなどの危険性もある、といった指摘を見ることもあります。

さらには、太陽光は生産から設置、廃棄に至るまでの過程でも、少なくない量のＣＯ２を生み出している計算ですので、太陽光発電がまったくＣＯ２を生み出していないという認識は、誤解でしょう。

いずれにせよ、太陽光発電が「夢の電力」であるかのような幻想を持つ人も多いのですが、太陽光には①発電量が一定しないこと、②発電効率が非常に悪いこと、③意外と環境負荷が大きいこと、という、少なくとも３つの問題点があることについては、改めて指摘しておく必要があるでしょう。

そして、このうちとくに「①発電量が一定しない」という問題点は、電力系統の安定には致命的です。

電力系統を維持するためには、ただでさえ、電力需要の予測という困難な仕事に取り組まねばならないのに、電力供給側でも、天候次第で発電量が大きく変動するという太陽光発電の課題に直面しなければならないわけです。

太陽光発電をなんとかビジネスとして成り立たせている送電会社の努力には、頭が下がるばかりです。

現状では太陽光発電依存は非現実的

もちろん、将来的に宇宙エレベーターでも開発され、赤道上に林立する宇宙エレベーターを通じてつながる宇宙ステーションから太陽光で生み出した電力を「高温超電導線材」で地上に送る、といった構想は、「夢の世界」ではあり得るかもしれません。

しかし、残念ながら現状では「宇宙エレベーター」など実現していませんので、太陽光発電が「環境に優しく原子力発電に代替し得る発電である」と考えるのは、少し現実離れし過ぎているのではないでしょうか。

客観的な資料を調べていくと、やはり現状では、太陽光発電依存は非現実的だと断じざるを得ないのではないかと思う次第です。