石炭火力発電から天然ガス火力発電へのエネルギー転換による二酸化炭素排出削減は、世界的に気候安定化へ向けての長期的戦略の柱の一つと考えられています。国立研究開発法人国立環境研究所、ノルウェー科学技術大学（Norwegian University of Science and Technology）、英国レディング大学（University of Reading）の研究チームは、天然ガス火力発電に伴うメタン漏出や他の様々な大気汚染物質の排出も考慮し、世界各国における石炭から天然ガスへのエネルギー転換がパリ協定で定められた気候安定化目標に寄与することを示しました。この結論は石炭火力発電の段階的廃止（フェーズアウト）を支持する新しい後ろ盾になります。本研究は国際学術専門誌「ネイチャー・クライメート・チェンジ」（Nature Climate Change）の2019年5月号に掲載されました^[1]。

1. はじめに

パリ協定では、世界平均気温の上昇を産業革命前比で2°C未満に抑える（理想的には1.5°C未満）という目標を掲げています。この気候安定化目標のもと、長期的なエネルギーシステムには、温室効果ガス排出ゼロを目指す過程において、一時的に石炭火力発電所から天然ガス火力発電所への転換が伴うと予測されています^[2]。

天然ガスの燃焼による二酸化炭素（CO₂）の放出量は、石炭の場合の半分以下で、一般的に天然ガス火力発電は石炭火力発電と比較して効率が良くなっています。したがって、気候安定化に至る道筋において、再生可能エネルギーやCO₂の回収・貯蔵といった低炭素技術が大規模に導入されるまで、天然ガスは過渡的な「つなぎ」の役割を担いうると考えられます。

しかし、天然ガスの主な組成はメタンで、採掘、輸送、貯蔵、燃焼などの様々なサプライチェーンの段階においてメタンが漏出することが報告されています。メタンはCO₂と比較して大気中の寿命は短いのですが、強い温室効果を持つガスです。近年特に米国でフラッキング（水圧破砕法）による天然ガス（いわゆるシェールガス）の生産量増加を背景に、メタンの漏出に関心が寄せられてきました。また、天然ガス発電によるメタンの漏出量には大きな不確実性が伴い、石炭に対する天然ガスの気候変動対策上の優位性に疑問が投げかけられています^[3]。

また、石炭や天然ガスの燃焼時には、メタン以外の短寿命気候汚染物質（Short-Lived Climate Pollutant: SLCP）も放出されますが、その気候への影響は複雑です。例えば、黒色炭素（ブラックカーボン（BC））は温暖化に、二酸化硫黄（SOx）や有機炭素（OC）は寒冷化に寄与し、窒素酸化物（NOx）は放出からの時間により温暖化にも寒冷化にも寄与する原因となります。また、これらの短寿命気候汚染物質による各地域の気候影響は、どの地域から排出されるかに依存し、影響にも地域差があります。こうした短寿命気候汚染物質による影響も、石炭から天然ガスへのエネルギー転換と気候変動対策の整合性を検討するうえで、考慮が必要になります。

本研究では、世界各地域から国別電力生産量に関して代表的な国々を取り上げ（中国、ドイツ、米国及びインド）、各国の石炭及び天然ガス火力発電に伴う温室効果ガスや短寿命気候汚染物質の排出量を算出し、石炭から天然ガスへのエネルギー転換が気候安定化目標に寄与するのかを不確実性も考慮し検証しました。

2. 方法

温室効果ガスや短寿命気候汚染物質の排出量の算出には、ecoinventバージョン3.4を用いました^[4]。このデータベースには、石炭及び天然ガス火力発電のサプライチェーン（採掘、輸送、燃焼など）からの温室効果ガスや短寿命気候汚染物質の排出量が、国別もしくは地域別に収められています。このデータベースでは、天然ガス火力発電からのメタン漏出率が各国とも約1%（純生産量比）と算出されています。一方、最近米国における漏出率が2.3%（平均値）であると報告されており^[5]、他の国々ではメタン漏出の対策が米国ほど進んでいないため、漏出率はさらに高い可能性があります。したがって、本研究では最大9%までの漏出率を仮定しました。また本研究は、単位発電量当たりの排出量を分析対象とし、発電所の寿命や稼働期間にまたがる排出の時間分布は考慮していません。

データベースから得られた様々なガスや物質の単位発電量当たりの排出量に対して、排出指標（emission metric）を適用して、総CO₂換算排出量を算出し、気候影響評価を行いました。排出指標は、CO₂以外のガスや物質の排出量をCO₂相当の排出量に換算するための係数です。本研究では、気候変動に関する政府間パネル（Intergovernmental Panel on Climate Change: IPCC）第5次評価報告書に掲載されている排出指標に限定し、代表的な地球温暖化係数（Global Warming Potential: GWP）と代案的な地球温度変化係数（Global Temperature change Potential: GTP）を利用しました（詳細解説1）。さらにこれらの排出指標の利用には時間範囲の選択が必要です。理論上任意ですが実用上100年間がよく仮定されます。詳しい気候影響評価にはモデル計算が必要ですが、総CO₂換算排出量を用いる方法の利点として、簡潔性や透明性が挙げられます。

気候影響には様々な時間スケールに関わる現象が複雑に相互作用するので、その影響評価は複数の時間スケールで行う必要があります。本研究で適用するマルチ排出指標方式（multimetric approach）は、排出指標を従来のようにGWP100（100年の時間範囲を用いたGWP）に限定するのではなく、複数の排出指標を補完的に利用して、各排出指標に基づいた総CO₂換算排出量で気候影響評価を行う方法です。排出指標の選択や解釈は、国連環境計画（United Nations Environment Programme: UNEP）と環境毒性学及び環境化学に関する国際学会（Society of Environmental Toxicology and Chemistry: SETAC）による勧告に従いました^[6]。本研究では、GWP100とGTP100を用い、これらを基準にして得られる総CO₂換算排出量を、それぞれ短期（数十年）、長期（約100年）の気候影響を示すと解釈します。GWP100は定義上100年の時間範囲を用いていますが、例えばメタンの場合、GWP100の値はGTP40の値とほぼ同等で、ここではGTPの時間範囲を気候影響評価の時間スケールとして考えるため、GWP100を短期（数十年）の排出指標として捉えています（詳細解説2）。さらに、GWP20やGTP20も追加的に用い、これらによる総CO₂換算排出量を、より短期（それぞれ数年、20年）の気候影響を示すとします。石炭から天然ガスへのエネルギー転換による気候影響評価で、このように排出指標を応用するのは、本研究が初めてです。なお気候影響の不確実性については、排出量の不確実性と排出指標の不確実性を同時に考慮して定量化しました。

図1各国における石炭・天然ガス火力発電の短・長期的な気候影響 石炭と天然ガス火力単位発電量あたりの気候影響は、各々上下のパネルに示されています。短・長期の気候影響は各々左右のパネルに示されています。短・長期の気候影響の算出にそれぞれGWP100とGTP100を排出指標として利用しました（詳細解説2）。さらに感度分析としてGWP20とGTP20も短期の気候影響の算出に用いました。CO₂排出量の棒から伸びる黒の水平線は、CO₂以外のガスや物質のCO₂換算排出量の合計を表します。黒の水平線の外端（CO₂排出量の棒に接していない端）は総CO₂換算排出量を示します。天然ガス火力発電に伴うメタン漏出率は、各国のデータベース値に従います（約1%）。短・長期の気候影響を明確に区別するために、各々メタン換算排出量（gCH₄eq/kWh）、CO₂換算排出量（gCO₂eq/kWh）が使われています^[7]。メタン換算排出量による結果は、対応するメタンの排出指標値を掛けることでCO₂換算排出量による結果に変換できます。従って、単位の選択は本研究の結論に本質的な影響を与えません。

3. 結果と考察

石炭火力発電と天然ガス火力発電の気候影響を比較すると、天然ガス火力発電の方がどの地域においても短・長期共に気候影響が小さいことが分かりました（図1；GWP100とGTP100基準）。各々の温室効果ガスや短寿命大気汚染物質の影響に関しては、CO₂の影響が両発電で短・長期共に突出しています。しかし、より短期を意味するGWP20やGTP20を基準にすると、CO₂の影響は相対的に小さくなり、特に石炭の場合、非CO₂要素の影響が顕著になります（注：図1では天然ガス発電のメタン漏出率が約1%と仮定）。GWP20の場合、大気寿命が数日から数週間程度の二酸化硫黄による寒冷化への影響がより明確になります。一方、GTP20の場合、窒素酸化物による寒冷化への影響がより目立ちますが、これは窒素酸化物の排出により生じる大気中のメタンの減少を反映しています。

図2各国における石炭と天然ガス火力発電の気候影響の差とメタン漏出率による影響 メタン漏出率は、データベース値（約1%）から最大9%までの範囲を仮定しています。GWP100とGTP100を補完的に利用したマルチ排出指標方式の主要な結果は実線で表し、凡例は太字で示しました。GWP20とGTP20による感度分析の結果は破線で示しています。灰色の部分は、石炭よりも天然ガス発電による気候影響が小さいことを示します。誤差範囲は排出データと排出指標の不確実性に起因する95%の信頼区間を表しています。

さらに、天然ガス火力発電からのメタン漏出率を1%程度から最大9%まで仮定しても、石炭から天然ガスへの転換による気候影響は、概してすべての地域で短・長期共に減少することが分かりました（図2；GWP100とGTP100基準）。例外が中国の結果で、漏出率9%の場合、短期の気候影響（GWP100基準）が石炭と天然ガスでほぼ同等になりました。しかし、不確実性の幅を考慮すると、この例外的な結果の信頼性は限定的だと言えます。

一方、より短期のGWP20を用いると、結果は大きく変わり、石炭から天然ガスへの転換による気候影響は、特定の条件下でのみ減少することが分かりました（メタン漏出率が中国3%以下、ドイツ9%以下、米国5%以下、インド5%以下）。その理由は、GWP20基準の場合にはGWP100やGTP100基準の場合よりもメタンの気候影響が相対的に強調され（図1）、メタン漏出率を高く仮定した場合、天然ガス発電の気候影響が大きく見積もられるからです。過去の研究の多くが、石炭から天然ガスへの転換に伴う気候影響の分析に、GWP100ではなくGWP20を短期の排出指標として用いており、本研究のGWP20基準の結果から示唆されたように、条件付きの結論を導き出しています。

4. おわりに

本研究は、GWP100とGTP100を主として利用するマルチ排出指標方式に基づき、世界各国の石炭から天然ガスへのエネルギー転換が、メタン漏出率を最大9%まで想定しても、気候安定化目標に整合すると結論付けました（表1）。追加的に用いたGWP20やGTP20基準の結果から示されたように、気候影響評価は排出指標の選択に左右されます。過去の関連研究の多くがGWP100とGWP20を併用してきました。GWP20は短期間の積算的な影響の検討には有用ですが、気候安定化には関連しません。GWP100とGTP100を補完的に用いることで、短期の気候影響を捉えつつ、達成に約50年〜100年を要すると予測される気候安定化^[8]にも対応すると言えます。さらに、排出指標の利用目的を明らかにし、排出指標の意味を十分に理解した上、気候影響評価を解釈することも大切と言えます。

本研究の結果は、石炭から天然ガスへのエネルギー転換が気候安定化目標に整合することを裏付け、石炭火力発電所を段階的廃止する主張の後ろ盾となります。しかし、石炭から天然ガスへの転換には、他にも多くの検討要因があります。例えば、大気質への影響を考慮すると、天然ガスへの転換にメリットがあると考えられます。その一方で、天然ガスへの転換を他の気候緩和策より優先させることは、再生可能エネルギーなどの他の低炭素技術の導入に遅延をもたらす可能性があります。また、天然ガスの拡大は、化石燃料設備からの二酸化炭素排出の固定（カーボン・ロックイン）を意味し、脱炭素社会への移行が先送りになる副次的影響も考えられます。天然ガス採掘時のフラッキング（水圧破砕法）に関しては、周辺地域の飲料水汚染、地震活動の誘発などの他の環境面での懸念もあります。様々な要因を総合的に考慮し、気候緩和策をどのように進めるのか全体的に検討を続けることが望まれます。最後になりましたが、日本の文脈においては、長期的な成長戦略として石炭火力発電の段階的廃止（フェーズアウト）を推進し、低炭素社会実現に寄与することが重要であると考えます。

謝辞

本研究は、（独）環境再生保全機構の環境研究総合推進費（2-1702）及びノルウェー研究評議会（The Research Council of Norway）と独サスティナビリティ研究所（Institute for Advanced Sustainability Studies e.V., IASS）の研究助成金の成果です。