テクノロジー:エネルギーの未来に電力を供給する

May 19, 2023

太陽の核の奥深くでは、水素原子の 2 つの陽子が激しく衝突しています。 巨大な圧力の下で、それらは融合し、核融合として知られるプロセスで膨大な量のエネルギーを放出します。 この太陽エネルギーの一部は光の速さで地球に到達し、地球に電力を供給します。 やかんから自動車に至るまで、私たちが依存しているほとんどすべてのエネルギーは太陽から生じています。化石燃料はかつて植物が光合成によってエネルギーを与えられていました。 ソーラーパネルは太陽光を吸収し、電気に変換します。 風力発電所や水力発電所でさえ、太陽エネルギーに依存して土地と海を温め、風と雨でタービンを回す川を作り出しています。 ますます電化が進む私たちの生活に電力を供給するために、利用できるクリーンで再生可能なエネルギー源が豊富にあります。 そしてテクノロジーは、この再生可能エネルギーをより効率的に利用するための最先端にあります。

ソーラーパネルは最も普及している再生可能エネルギーの 1 つであり、すでに世界の電力の 3.5% 以上を生成しています。 しかし、改善の余地はあります。世界中の太陽光を 1 時間取り込むだけで、地球に 1 年間の電力を供給できるのです。 より多くのソーラーパネルが設置されるだけでなく、テクノロジーもソーラーパネルをより効率的にする方法を見つけています。 たとえば、六角形のレンズをパネルの保護ガラスコーティングに配置すると、入ってくる光を集中させて、業界標準の 15 ～ 22 パーセントと比較して、約 30 パーセントの効率を達成できます。 太陽電池の両面にシリコンの薄い層を追加すると、効率が約 25% 向上します。

しかし、従来のソーラーパネルの最もエネルギーを大量に消費するコンポーネントの1つであるシリコンに関して、科学はペロブスカイト結晶を使用した代替品を開発しました。 これらは透明かつ柔軟に作ることができ、窓や屋根瓦などの太陽光発電建材、さらにはウェアラブルファブリックの可能性をもたらします。 もう 1 つの大きな進歩は、吸収されなかった光を太陽電池に反射して電気に再度変換する PERC (パッシベーテッド エミッター リア セル) テクノロジーです。 PERC はまた、ソーラー パネルを両面受光にすることも可能にし、パネルを移動させて最大限の露出を保証する太陽光追跡技術を使用して両面から太陽光を捕捉します。

再生可能エネルギーの最もよく知られた形態の 1 つは風力発電であり、風力タービンは景観と海岸線の両方でますます一般的な特徴となっています。 風力はすでに世界の電力の 6% 以上を生成しており、風力タービンをより安価、より効率的、より強力にする技術が開発されています。 風の運動エネルギーを捉えるブレードに主な焦点が当てられており、3D プリンティングなどの技術改良により、効率を高めるためにブレードをより長く、より軽量に構築できるようになりました。 研究の結果、軽い風でも最大限に活用できるようにブレードに緩やかに湾曲した先端が追加され、最高のパフォーマンスを実現するために風の流れに合わせて自動的に調整できるスマートなブレードも追加されました。

風の流れの複雑な物理学のコンピューターモデリングは、風力発電に最適な場所を決定するだけでなく、農場を流れる風を最大化するための風力タービンの正確な構成も決定します。 さらに多くのエネルギーを利用できるように、タワーに当たる風をブレードにそらせる風偏向タービンも開発されています。 これを超えて、検討されている将来の開発には、凧のように動作する空中風力エネルギーが含まれます。タワーがないため配備が安価になり、風が強くなることが多い高高度にも到達できます。

これまでのところ最大の再生可能エネルギー生産者は水力発電であり、流水は世界の電力の約 17 パーセントを生成しています。 水力発電技術には 1 世紀以上の経験があるにもかかわらず、依然として改良が続けられています。 最大のチャンスの 1 つは、緩やかな斜面でも発電できる低落差水力発電です。 アルキメデス流体力学スクリュー システムの開発は、水がスクリューを流れ下降するときにスクリューを回転させ、低落差水力発電を広範囲の小規模水力発電にいかに効果的に導入できるかを示しました。

データの収集と分析にテクノロジーを使用することで効率も向上しています。多くの水力発電所は何十年も経過しているため、劣化の詳細を評価することで問題を事前に予防できます。 さらに、水文学予測、季節的な水力システム分析、前日のスケジュール設定、リアルタイム運用などの分析ツールは、水力発電所のより効率的な運用に役立っています。 気候変動により水の流れがより不安定で極端になるため、このことはさらに重要になり、それにはハイテク天気予報が不可欠となります。

このすべてのエネルギーは太陽から発生しているため、科学者たちは地球上で太陽の核融合を模倣することに取り組んでいます。 長い間SFの世界の話だと考えられてきたが、地球上に安全で豊富なエネルギーを提供する核融合の現実は、「もし」ではなく「いつ」なのかという問題がますます高まっている。 核融合の実現可能性を実証するために取り組んでいるプロジェクトの 1 つが、国際熱核融合実験炉である ITER です。 これまで直面した最大の技術的課題の 1 つである ITER プロジェクトには、世界中の科学者が結集し、この種の機械としては世界最大の ITER トカマクを建設しています。 ここでは、水素同位体が摂氏 1 億 5,000 万度まで加熱され、理論的には水素同位体が融合して、取り込んだエネルギーの 10 倍のエネルギーが放出されます。100 万個以上の部品と 1,000 万個以上の部品があり、この規模のプロジェクトではテクノロジーが鍵となります。 そして、技術サービス会社キャップジェミニは、ITERと長年協力してきました。

キャップジェミニは企業や団体と提携して、テクノロジーの力を活用して活動を変革しています。 キャップジェミニは、ITER と協力して、エンジニアリング、テクノロジー、プロジェクト管理の専門知識を組み合わせて、そのビジョンを実現するための多くのサポートを提供してきました。 技術的建物の建設のサポートから、科学者やエンジニアのビジョンが実現可能であることを確認するための高度なエンジニアリング専門知識の適用まで、キャップジェミニはこの前例のないプロジェクトを実現するために 10 年以上にわたって ITER と協力してきました。 また、提案されているトカマクの正確なデジタル コピーであるデジタル ツインの機能の開発も行っています。 利用可能なすべてのデータを関係者全員がアクセスできる方法で統合することにより、デジタル ツインによってあらゆる要素をテストし、建設段階をシミュレーションし、問題を特定して解決することで設計を改善できるようになります。 キャップジェミニは、すべてのデータを単一の統合ソースに配置することで、ITER がより多くの情報に基づいた意思決定を行い、プロジェクト全体の効率とパフォーマンスを向上できるようにします。 ビジョンは、デジタルツインが今後の世代に向けてこの実験を運用するための重要な要素となることです。

世界が化石燃料への依存をやめようとしている中、核融合の可能性とともに、太陽光、風力、水力発電で行われている改善は、手頃な価格、信頼性、持続可能性、そして低コストという国連の持続可能な開発目標を達成するために極めて重要です。すべての人に現代のエネルギーを。 私たちにはカーボンフリー エネルギーを生成する能力があります。太陽がその答えを提供し、テクノロジーがその答えを解き放つのに役立っています。