地球にはどれだけの「財産」が残っているのでしょうか？一緒に計算してみましょう |国際クリーンエネルギーデー

今日は世界クリーンエネルギーデーです。地球上には、太陽エネルギー、風力エネルギー、地熱エネルギー、可燃性氷、天然ガス、核分裂エネルギー、核融合エネルギーなど、利用の可能性を秘めたクリーンエネルギーが数多く存在しますが、人類は今のところそれらをうまく利用できていません。この記事では、再生不可能なエネルギー、つまり地球自体の中にほぼ一定量蓄えられているエネルギーのストックに焦点を当てます。比較のために、「クリーンでない」再生不可能なエネルギー源の在庫についても議論します。地球自体には再生不可能なエネルギーがどれくらいあるのでしょうか?今日は、地球と私たち自身のために、慎重な計算をしてみましょう。

01 地球自身の再生不可能なエネルギーとは何でしょうか？

ここで言う「再生不可能なエネルギー」とは、地球自体に蓄えられているエネルギーのことを指し、太陽エネルギー、風力エネルギー、潮力エネルギーなど、地球上では得られるが実際には地球外から来るエネルギーは含まれません。

岩石圏の鉱物資源からのエネルギーについては、証明済み埋蔵量の観点から議論します。一方、地下深部の探査は極めて困難であるため、現在人類が発見した鉱物資源は地殻内の鉱物資源全体のごく一部に過ぎません。では、地球の地殻には特定の鉱物がどれくらい含まれているのでしょうか?現在の技術的手段では完全に知ることは不可能です。一方、既存の技術では、発見された鉱物資源のすべてを採掘できるわけではありません。一般的に言えば、技術的に回収可能な埋蔵量は通常、証明済み埋蔵量の一部ですが、地質学的埋蔵量の合計は証明済み埋蔵量の数十倍、あるいはそれ以上になることもあります。説明する必要があることの 1 つは、これらの割合は特定の地質条件によって大きく異なるということです。

海水中の物質からのエネルギーについては、海水は流動液体であるため、深海での組成を調査することは比較的容易であり、海洋の異なる部分での組成はそれほど変わらないため、この記事では平均濃度と海洋の総体積または総質量に基づいて総量を直接計算します。

02化学エネルギー

地球上の化学エネルギーは主に、天然ガス、石油、石炭、メタンハイドレートなどの化石燃料に蓄えられています。厳密に言えば、バイオマスも含まれますが、バイオマスは急速に再生可能（植物の光合成）であるため、長期的には地球上のバイオマスの利用可能な総エネルギーは、地球の生物圏の物質循環がどれだけ長く維持できるかによって決まります。化石燃料はゆっくりと再生されますが（バイオマスは地質学的変動によって埋もれ、地下で化学変化を起こします）、その再生速度は非常に遅いため、人類の文明が続く限り、その在庫は安定していると考えられます。要約すると、化石燃料の燃焼からの総エネルギーのみを計算します。

天然ガス

世界で確認されている天然ガスの埋蔵量は約188,074,220,000,000立方メートルです。 [1] （2020年データ）

総合エネルギー消費計算通則（GB/T 2589-2020）では、天然ガスの平均低発熱量は3.22～3.89×10^7ジュール/立方メートルと推奨されている[2]。ここでは中間値である 3.5×107 ジュール/立方メートルを採用します。

そして、証明済みの天然ガスの総エネルギーは約6.58×10^ 21ジュールとなります。

油

世界の石油の確認埋蔵量はおよそ 236,294,750,000 トン、つまり 2.36×10^14 キログラムです。 [3] （2020年データ）

原油の平均低発熱量は依然として GB/T 2589-2020 から取得され、4.19×10^7 ジュール/キログラムです。

したがって、実証済みの石油の総エネルギーは約9.888×10^ 21ジュールです。

石炭

世界の石炭の確認埋蔵量はおよそ 1,074,108,000,000 トン、つまり 1.074×10^15 キログラムです。 [4] （2020年データ）

「総合エネルギー消費計算通則」（GB/T 2589-2020）では、原炭の平均低発熱量は約2.09×10^7ジュール/キログラムです。

したがって、実証済みの石炭の総エネルギーは約2.2447×10^ 22ジュールです。

メタンハイドレート

メタンハイドレートの状況はさらに複雑です。メタンハイドレートは主に寒冷地の地下永久凍土や深海底下に分布しているため、その埋蔵量を調査することは非常に難しく、データは非常に少ない。さまざまな研究において、メタンハイドレートに含まれる天然ガスの推定総量（注：証明済み埋蔵量ではなく、地質学的埋蔵量の合計）は、10^15 立方メートルから 10^18 立方メートルの範囲で大きく異なります。 [5][6]

控えめに見積もった埋蔵量1×10^16立方メートルに基づくと、平均低発熱量が依然として1立方メートルあたり3.5×10^7ジュールである場合、世界中のメタンハイドレートの総エネルギーは約3.5×10^ 23ジュールと推定されます。繰り返しになりますが、上記の他の資源とは異なり、これは証明済みの埋蔵量ではなく、推定総地質学的埋蔵量です。

03地熱エネルギー

地熱は、地球が最初に形成されたときに地球を形成するために集まった隕石や塵からの重力位置エネルギーの放出など、さまざまな発生源から生じます。太陽と月の潮汐によって引き起こされる地球の変形による摩擦熱。地球内部の放射性物質の崩壊によって放出される熱。

地球に含まれる熱エネルギーの総量は約12.6×10^ 7ジュール、地殻では5.4×10^ 24ジュールであり、地球内部から外部への自然放熱の総電力は約4.2×10^ 13ワットです。 [] しかし、現在の人類の技術レベルでは、地熱エネルギーは、地質活動がより活発で、大量のマグマや熱水が浅い地層にまで浸透している地域でしか利用できません。地球には膨大な熱エネルギーが存在します。しかし、そのほとんどは人間の手の届かないマントルと核の中にあります。

図3：最大エントロピーモデルによって計算された地熱利用適合性マップ。色が濃いほど地熱発電所の建設に適した地域を表します。

画像出典:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652620319211

04 原子力エネルギー

4.1 核分裂エネルギー

地球上で最も一般的な核分裂性核種はウラン 235 です。しかし、ウラン235は非常に希少で、天然ウランのわずか0.72％を占めるだけです。 [8] しかし、ウラン238（天然ウランの99.27％）とトリウム232（天然トリウムの99.98％）という、より豊富な2つの核種も核分裂性核種に変換できます。 [9]

トリウム鉱石

世界で知られているトリウム鉱石の推定埋蔵量（これは証明された埋蔵量ではないことに注意）は約6.212×10^9kg（2019年データ）[10]です。この埋蔵量はウランの証明済み埋蔵量よりも低いが、地殻中のトリウムの含有量（13mg/kg）はウランの含有量（2.5mg/kg）よりもはるかに高い[11]。したがって、現在知られているトリウムの埋蔵量がウランの埋蔵量よりも少ない理由は、トリウムが産業界でほとんど使用されておらず、そのためあまり調査されていないためである可能性が高いです。

中性子を吸収した後、トリウム232はトリウム233に変わり、その後いくつかの段階を経てウラン233に崩壊します。ウラン233は中性子を吸収して核分裂し、エネルギーとより多くの中性子を放出し、サイクルを継続することができます。[12]この過程で、トリウム232 1キログラムあたり7.94×10^13ジュールのエネルギーが放出されます[13]。

図1 トリウム燃料サイクル

画像出典:

https://energyeducation.ca/encyclopedia/Thorium_fuel_cycle

要約すると、発見されたトリウム鉱石中のトリウムの全エネルギーは約4.93×10^ 23ジュールです。

ウラン資源

ウランには、ウラン 235 (0.72%) とウラン 238 (99.27%) という 2 つの比較的安定した同位体が存在します。

その中でもウラン235は比較的核分裂しやすいです。中性子を吸収すると直接核分裂を起こすことができます。各原子核の核分裂により193.4メガ電子ボルトのエネルギーが放出され、これは1キログラムあたり7.939×10^13ジュールのエネルギーに相当します[14]。

陸上では、ウランの確認埋蔵量は約1.067×10^10kg（2022年のデータ）[15]です。 0.72%で計算すると、ウラン235は約7.68×10^7キログラムあります。

そして、実証済みのウラン鉱山におけるウラン235の総エネルギーは約6.097×10^ 21ジュールです。このエネルギーは、実証済みの天然ガスの総エネルギーとほぼ同じです。

しかし、自然界に存在するウラン元素のほとんどはウラン238などの同位体であり、これも核エネルギーを放出できるのですが、少し厄介です。ウラン 238 はまず高速中性子を吸収してウラン 239 になり、その後プルトニウム 239 に崩壊します。プルトニウム 239 は中性子を吸収して核分裂し、エネルギーとより多くの中性子を放出してサイクルを継続します。 [16] この過程で、ウラン238 1キログラムあたり約8.06×10^13ジュールのエネルギーが放出されます。 [17]

図2 ウラン燃料の拡散

画像出典:

https://www.nuclear-power.com/glossary/nuclear-breeding/

そして、ウラン238燃料の拡散を考慮すると、世界の陸上ウラン鉱山で確認されているウランの総エネルギーは約8.536×10^ 23ジュールとなります。

海洋では、ウランは主に三炭酸ウラニルイオン（[UO2(CO3)]^4+）[18]の形で存在し、平均ウラン含有量は海水1リットルあたり約3.3マイクログラムです[19]。世界の海洋の総体積は約1.3324×10^9立方キロメートルである[20]。そうすると、海水中のウランの総量は約4.3969×10^12キログラムになります。海水中のウラン資源は豊富ですが、採掘コストが高いため、海水ウラン採掘は現在主流ではありません。

そして、ウラン238の拡散を考慮すると、海水中のウランの全エネルギーは約3.5175×10^ 26ジュールとなります。

4.2 核融合エネルギー

最も簡単で反応条件が最も低い核融合反応は、重水素と三重水素の核融合です。

トリチウムは不安定で自然界にはほとんど存在しませんが、リチウム6に中性子を照射することで生成することができます。

もう一つのより容易な核融合は重水素-重水素核融合です。これは重水素-三重水素核融合よりも困難ですが、海水には重水素が多く含まれています。

しかし、人類は現在、核融合のエネルギーを有効に活用する技術を持っていないことに留意すべきである。

リチウム6（重水素-三重水素核融合における三重水素の供給源）

世界のリチウムの確認埋蔵量は約2.6×10^10kg（2022年のデータ）[21]です。リチウムの4.85%はリチウム6である[22]。するとリチウム6の確認埋蔵量は1.261×10^9キログラムとなります。

リチウム 6 は重水素と直接反応することができず、まず中性子を吸収して三重水素になる必要があります。

n+6Li→T+4He（4.8MeV）

その後、トリチウムは重水素と反応します。

D+T→n+4He（17.6MeV）

どちらの反応も、発エルゴン反応です。 [23] 反応全体では1個の重水素原子と1個のリチウム6原子が消費され、22.4MeVのエネルギーが生成されました。

リチウム6の相対原子質量は6.015です。そして、1 キログラムのリチウム 6 は、重水素と完全に反応すると 3.593×10^14 ジュールのエネルギーを放出します。

回収可能であることが証明されているリチウム6と重水素（地球上の重水素の総量はリチウム6よりはるかに多い）の完全な反応の総エネルギーは4.53×10^ 23ジュールです。

海水中のリチウムの総量は約224,000メガトン=2.24×10^14キログラム[24]なので、海水中のリチウム6の総量は約1.0864×10^13キログラムとなります。

海水中のリチウム6と重水素の完全反応後に放出される総エネルギーは約3.903×10^ 27ジュールです。

重水素

海水中の重水素濃度は約33 g/m3である[25]。海の総体積は約1.3324×10^9立方キロメートルです。したがって、海中の重水素の総量は約 4.3969×10^16 キログラムです。

重水素核融合には 2 つの反応があります。

（１）D+D→T+p（4.03MeV）

（２）D+D→3He+n（3.27MeV）

それらの生成物であるTと3HeはDと反応し続けます。

D+T→4He+n（17.6MeV）

3He+D→4He+p（18.3Mev）。 [26] 反応が完了すると、6個の重水素原子が消費され、43.2MeVのエネルギーが生成されます。

1モルの重水素原子の重さは2.014グラム[27]なので、完全な重水素反応のエネルギー密度は約3.449×10^14ジュール/キログラムとなります。

まとめると、海水中の重水素の全エネルギーは約1.5165×10^ 31ジュールです。

05 まとめ

比較すると、2023年の人類の総エネルギー消費量は約2.091×10^13ワット[28]、発電能力は約3.365×10^12ワット、2023年のエネルギー消費量は約6.595×10^20ジュールとなる。これらのエネルギーの総量が、2023 年の人類文明のエネルギー消費量の何倍に相当するかを見てみましょう。

天然ガス（確認埋蔵量）：6.58×10^21ジュール、2023年の人類のエネルギー消費量の9.9倍に相当。

石油（確認埋蔵量）：9.888×10^21ジュール、14.9倍。

石炭（確認埋蔵量）：2.2447×10^22ジュール、34倍。

メタンハイドレート（推定総埋蔵量）：3.5×10^23ジュール、530倍。

トリウム（発見された鉱脈の推定埋蔵量）：4.93×10^23ジュール、747倍。

ウラン235（陸上、確認埋蔵量）：6.097×10^21ジュール、9.245倍。

ウラン（陸上、確認埋蔵量）：8.536×10^23ジュール、1294倍。

ウラン（海洋、合計）：3.5175×10^26ジュール、533,358回。

地熱エネルギー（地殻、推定総量）：5.4×10^24ジュール、8188倍。

地熱エネルギー（地球全体、推定総量）：12.6×10^27ジュール、19,105,382倍。

リチウム6（陸上、確認埋蔵量）：4.53×10^23ジュール、686倍。

リチウム6（海洋、総量）：3.903×10^27ジュール、6918119倍。