世界のエネルギー分野における最先端技術開発動向の分析と太陽電池製造における3Dプリント技術の応用

出典: エネルギーインテリジェンスリサーチ

新たな産業革命の勃興と気候変動への取り組みに関する世界的な合意により、エネルギー技術はエネルギー産業の変革を主導し、イノベーション主導の開発を実現する原動力となっています。現在、世界の主要国・地域は、エネルギー技術を新たな科学技術革命、産業革命の突破口と位置づけ、エネルギー戦略の観点から各種のエネルギー技術計画を策定し、国際競争力の強化を図るため、エネルギー科学技術の革新を加速する取り組みを行っています。同時に、エネルギー技術開発の最新の動向は、将来の世界のエネルギー開発の動向を予見するものでもあります。

1. 世界のエネルギー技術の発展動向の分析

1. グリーンおよび低炭素エネルギー技術は、必然的に将来の発展の主な方向となるだろう

今後もエネルギーは低炭素、グリーン、高効率の方向へ発展し続けるでしょう。 EUの研究・イノベーション資金プログラム「ホライズン2020」の2018～2020年支出計画では、「低炭素で気候に強い未来」の分野に33億ユーロの予算が充てられる。年間作業計画によると、再生可能エネルギー、省エネ建築、電気輸送、蓄電ソリューションの4つのクリーンエネルギー分野のプロジェクトには22億ユーロの資金が充てられる。ロシアエネルギー省は、極東連邦管区における再生可能エネルギー開発基金の設立を支持し、具体的な提案を策定すると発表した。英国は、エネルギー革新計画（2016～2021年）の一環として、再生可能エネルギー革新、スマートエネルギーシステム革新、低炭素産業革新、原子力エネルギー革新などのエネルギー革新プロジェクトに2,800万ポンドを投資します。トランプ政権がパリ協定からの離脱を発表し、気候変動に対する世界の対応は混乱しているが、世界のエネルギー分野の転換は避けられない流れであり、グリーンエネルギー技術と低炭素エネルギー技術が将来の発展の主な方向となることは間違いない。

2. 小型モジュール炉が原子力エネルギーの新時代を告げる

小型モジュール炉（SMR）は、高い安全性能、運用の柔軟性、グリッド適応性などの利点により、ますます注目を集めています。世界中の多くの主要原子力国はSMR技術の開発と導入を推進しています。米国のニュースケール・パワー社は、初のSMR商用発電所設計認証審査申請を提出した。カナダの規制当局は、最初のSMR実証炉の一般的な設置場所選定および認証プロセスを開始した。ロシアはフィリピンに対し、陸上または海上でのSMR建設に関する実現可能性調査の実施を支援する。ロシア原子力公社傘下のレイ科学生産協会は、熱電子放出効果の原理に基づく小型原子力発電所を開発しました。この発電所は安全で信頼性が高く、メンテナンスフリーで、長期間稼働できます。遠隔地の重要な施設に電力を供給するための独立した電源として使用できます。英国政府は、SMR技術の開発、商業化、資金提供による市場利益を評価するための競争を通じて、SMRの可能性を探ることを約束しました。 2018年7月3日、日本政府は新たに策定した「第5次エネルギー基本計画」を発表し、将来的には安全性、経済性、機動性に優れた原子炉の開発を提案した。小型モジュール炉は日本の将来の発展にとって重要な選択肢となるだろう。

3. エネルギーブロックチェーン分野には幅広い展望がある

ブロックチェーン技術は、分散型ストレージと透明性の高い情報という利点があり、エネルギーのデジタル化、分散化、精密な管理を実現し、将来のエネルギー市場に大きな影響を与えるでしょう。米国エネルギー省は、電力網管理におけるブロックチェーン技術の応用を検討するため、「ブロックチェーン技術に基づくエネルギーシステムの新概念」を提案した。 BPとダッチ・シェルが率いるコンソーシアムは、エネルギー商品取引用のブロックチェーン・デジタル・プラットフォームを開発する。オーストラリア政府は、ブロックチェーン技術を使用した太陽光発電と水利用に関する2年間のパイロットプロジェクトを支援するため、257万豪ドルを提供する予定だ。マッキンゼーは報告書の中で、ブロックチェーンは蒸気機関、電気、情報、インターネット技術に続く第5の破壊的革命の波を引き起こす可能性が最も高い中核技術であると指摘した。石油・ガスのように広範囲に分散し、複雑で大規模な産業にとって、ブロックチェーン技術の黄金時代が到来している。

4. バッテリーストレージが重要な役割を果たす

エネルギー貯蔵産業は、エネルギー構造調整の支援産業および主要な推進力として、従来の発電、送電、配電、電力需要側、補助サービス、新エネルギーへのアクセスなど、さまざまな分野で幅広い応用の見通しを持っています。国際再生可能エネルギー機関（IRENA）は、「電力貯蔵と再生可能エネルギー：コストと市場調査レポート（2030年）」を発表し、2030年までにエネルギーシステムにおける再生可能エネルギーの割合が2倍になれば、世界のエネルギー貯蔵容量は3倍になると述べている。この報告書は、基本的な予測シナリオとして、2030年までに世界のエネルギー貯蔵設備容量が2017年より42%から68%増加すると提案している。再生可能エネルギーが力強く成長すれば、エネルギー貯蔵設備容量の成長率は155%から227%に達するだろう。バッテリーエネルギー貯蔵は、エネルギー貯蔵設備の構造を変える上で重要な役割を果たし、ピーク負荷期間中に電力エネルギーシステムの電源として機能します。エネルギー貯蔵技術の急速な発展は、エネルギーシステムに重大な変化をもたらすでしょう。同時に、化石燃料の需要にも一定の影響を与えるでしょう。結局のところ、エネルギー貯蔵はますます火力発電に取って代わり、電力エネルギーシステムにおいて強力な電力調整機能を果たすでしょう。

5. 5Gとエネルギーの深い統合

近年、エネルギー業界は「インターネット+」戦略を積極的に実施し、業界の情報化・インテリジェンスレベルを全面的に向上させ、現代の情報通信技術と制御技術を駆使し、設備の状態監視と情報収集のインテリジェント化を実現し、新たな運用方法とエネルギーサービスモデルを刺激してきました。さまざまなエネルギー事業の急速な成長に伴い、電力網設備、電力端末、電力ユーザーは、最新の通信技術とシステムサポートを通じて、爆発的に増加する通信ニーズに緊急に対応する必要に迫られています。 5Gテクノロジーは、エネルギー分野のインフラのインテリジェンスをサポートし、双方向のエネルギー分配と新しいビジネスモデルを可能にして、限られたエネルギー資源の生産、配送、使用、調整の効率を向上させます。再生可能エネルギー、グリッド通信、スマートグリッドなどの分野は、世界のエネルギー業界における 5G の主要な応用シナリオになります。 EUは5Gと産業の完全な融合に特に注目しており、「5Gアーキテクチャに関する見解」ホワイトペーパーでは、5Gネットワークアーキテクチャは自動車、エネルギー、食品、農業、医療、教育などの垂直産業向けにカスタマイズされたプライベートネットワーキングサービスを提供する能力を持つべきであると提案されています。5Gテクノロジーとビジネスエコシステムの接続は、5Gネットワークがさまざまな新興ビジネスサービスを効率的かつ低コストで提供するのに役立ちます。

6.3Dプリント技術は太陽電池の製造プロセスに応用されている

3Dプリンティング技術は、結晶シリコン太陽電池だけでなく、薄膜電池にも応用できます。例えば、米国オレゴン州立大学の研究者は、3Dプリント技術を使用して銅インジウムガリウムセレン（CIGS）薄膜太陽電池の製造に成功し、原材料を90％節約しました。マサチューセッツ工科大学 (MIT) は、特殊な 3D プリンターを使用して、薄膜太陽電池を紙に印刷しています。このタイプのセルは現在、1.5% ～ 2% のセル効率を実現できます。 3D 印刷技術は、高解像度と優れた導電性を備えたグリッドラインを印刷できるだけでなく、生産コストを削減できます。高平方抵抗エミッターと完璧に組み合わせることができ、さまざまな新しい太陽電池技術に応用できます。この技術は国内外で積極的に研究、応用、推進されており、太陽電池の製造プロセスに3Dプリント技術を適用することは一般的なトレンドになるでしょう。この技術は太陽電池の品質と効率の大幅な向上ももたらすでしょう。

II. 啓蒙と示唆

1. コア技術のブレークスルーと新世代の電力システムの構築<br /> わが国のエネルギー革命の主な目標は、化石エネルギーを再生可能エネルギーに徐々に置き換え、一次エネルギーの生産と消費に占めるクリーンエネルギーの割合を増やし、エネルギーの転換を促進し、クリーンで低炭素、安全で効率的な新世代のエネルギーシステムを構築することです。一次エネルギー消費における非化石エネルギーは主に一次電力から来ています。非化石エネルギー電力の割合が大幅に増加し、非化石エネルギーが主体となる電力供給構造を形成することは、電力システムの変革の重要な兆候です。現在、再生可能エネルギーの比率の高さ、電力電子機器の電力網へのアクセス率の高さ、マルチエネルギーの補完的統合エネルギー、情報と物理の深い統合によるインテリジェント電力網などの技術の進歩が、新世代の電力システムを構築する鍵となっています。

2.クリーンエネルギー産業の拡大を継続し、グリーンエネルギーの開発を推進する

クリーンエネルギーは気候変動への取り組みにおいて重要な役割を果たします。水力、原子力、風力、太陽光発電などのクリーンエネルギーへの置き換えを加速することが急務です。国際エネルギー機関は、今後5年間、中国が引き続き世界のクリーンエネルギー開発をリードすると予測している。現在、我が国は世界最大の再生可能エネルギーの生産国および利用国となっており、水力、風力、太陽光発電の設備容量は長年にわたり世界のリーダーシップを維持しており、建設中の原子力発電所の規模も世界一です。グリーンと低炭素はエネルギー技術革新の主な方向であり、伝統的な化石エネルギーのクリーンかつ効率的な利用、新エネルギーの大規模な開発と利用、原子力エネルギーの安全な利用、エネルギーインターネットと大規模なエネルギー貯蔵、先進的なエネルギー設備と主要材料などの重要な分野に重点を置いています。

3. 研究努力を強化し、効果的なインセンティブメカニズムを確立する

近年、我が国のエネルギー科学技術の革新能力と技術設備の自立性は著しく向上し、国際的に先進的な水準にあるいくつかの主要なエネルギー技術実証プロジェクトが構築されました。スマートグリッドや各種エネルギー貯蔵技術が急速に発展しており、陸上風力発電、洋上風力発電、太陽光発電、太陽熱発電、セルロースエタノールなどの主要技術が重要な進歩を遂げています。一連の主要なエネルギー実証プロジェクトの成果は国際的に先進的レベルに達しており、我が国のエネルギー科学技術レベルが飛躍的な発展を遂げたことを示しています。しかし、エネルギー科学技術の世界大国となり、エネルギー革命をリードするという要求と比較すると、依然として大きなギャップがあり、それは主にコア技術の不足とハイエンドエネルギー設備の輸入への依存に反映されています。生産、教育、研究の統合が十分に緊密ではなく、イノベーション活動が産業のニーズとかけ離れています。イノベーションシステムとメカニズムが十分に完成しておらず、人材育成、管理、インセンティブシステムを改善する必要がある。そのため、エネルギー技術革命を推進することが急務であり、エネルギー技術革新を強力に推進し、国際先進レベルとの差を縮め、自主研究開発と技術導入の結合を重視しなければならない。

4. エネルギー技術開発戦略の優先方向とルートを明確にする

エネルギー技術は世界のエネルギーの将来を決定する重要な要素の一つであり、エネルギー技術の発展の方向性は全体的なエネルギー戦略に影響を与える重要な要素です。世界のエネルギー技術のグリーン、低炭素、インテリジェント、高効率、多様化の発展方向を把握し、クリーン、低炭素、安全、高効率の現代エネルギーシステムの構築という中長期ビジョンと目標を合理的に計画し、安定した政策環境を確立し、化石エネルギー、分散型エネルギーとスマートグリッド、先進的で安全な原子力エネルギー、大規模再生可能エネルギーのクリーンかつ効率的な利用を戦略的優先課題とする。中長期発展戦略と行動計画を適時に更新し、技術と産業のロードマップを使用して技術研究開発と産業革新を導きます。

5. ビッグデータを背景としたエネルギー産業のデジタル変革の推進

「スマート+」時代では、クラウド、モノのインターネット、データ分析、機械学習、人工知能、自動化、スマート端末、拡張現実などのテクノロジーが複雑なエコシステムを形成します。テクノロジーは効率を向上させるツールであるだけでなく、エネルギー業界におけるビジネス戦略の成功と将来の収益成長の基礎でもあります。ビッグデータの時代において、エネルギー業界のデジタル変革は避けられない流れとなっています。

エネルギー産業のデジタル変革とは、デジタルエネルギーを開発すること、つまりデジタル技術を利用してエネルギーの秩序ある流れを導き、より効率的で、よりクリーンで、より経済的で、より安全な現代のエネルギーシステムを構築することです。

世界のエネルギー分野における最先端技術開発動向の分析と太陽電池製造における3Dプリント技術の応用

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