水とエネルギーのつながり

水とエネルギーの関係とは、エネルギー生産に使用される水（電気と石油や天然ガスなどの燃料源の両方を含む^{）[1]と、水（および廃水）の抽出、浄化、供給、加熱/冷却、処理、廃棄に消費されるエネルギー（}エネルギー強度（EI）と呼ばれることもある）との関係です。エネルギーは、水の生産、移動、処理、加熱から廃水の収集と処理まで、水循環のあらゆる段階で必要です。^[2]エネルギー生産に使用される水は、そのエネルギーを使用して処理される水と同じである必要はないため、この関係は完全に閉じたループではありませんが、すべての形態のエネルギー生産には何らかの水の投入が必要であり、この関係は切り離せないものとなっています。

水とエネルギーの関係を評価した最初の研究の一つに、1994年にピーター・グレイクが実施したライフサイクル分析がある。この研究では相互依存性が強調され、水とエネルギーの共同研究が開始された。 ^[3] 2014年に米国エネルギー省（DOE）は水とエネルギーの結びつきに関する報告書を発表し、国家安全保障上の問題として、共同の水エネルギー政策の必要性と、この結びつきと気候変動に対するその感受性についての理解を深める必要性を指摘した。^[4] DOEの2014年水とエネルギーの結びつき報告書のハイブリッドサンキーダイアグラムは、米国の水とエネルギーの流れをセクター別にまとめたもので、相互依存性を示すとともに、主に冷却に使用される熱電発電が水の最大の単一ユーザーであることを強調している。

すべてのタイプの発電は、施設内で使用される原材料の処理、プラントの建設と維持、または単に電気を生成するために水を消費します。エネルギー生産にほとんど水を必要としない太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギー源は、建設用の原材料の処理に水を必要とします。水は使用または消費することができ、淡水、地下水、表面水、青水、灰色水、緑水などに分類できます。^[1]水は、下流のユーザーへの水の供給を減らさない場合、つまり、冷却に水を使用し、圧倒的に最大の水ユーザーである火力発電所など、取水されて同じ水源に戻される水（インストリーム使用）である場合に、使用されたとみなされます。^[4]使用済みの水は下流で使用するためにシステムに戻されますが、通常は熱または化学汚染が原因で何らかの形で劣化しており、自然の流れが変更されているため、水の量だけを考慮する場合は評価に考慮されません。水は、蒸発、作物や人間による消費など、システムから完全に除去されたときに消費されます。水使用量を評価する際には、これらすべての要因に加えて、時空間的な考慮も考慮する必要があり、水使用量の正確な判断が非常に困難になります。国際エネルギー機関（IEA）によると、水ストレスは燃料や資材の輸送にもリスクをもたらします。2022年には、干ばつと深刻な熱波により、ライン川などのヨーロッパの主要河川の水位が低下し、石炭、化学物質、その他の資材のはしけ輸送が制限されました。^[5]

Spang et al. (2014) は、国際的な発電用水消費量 (WCEP) に関する研究を実施し、国によって生産されるエネルギーの種類が異なることと、水使用量あたりの発電効率に大きな違いがあることを示しました (図 1)。^[1]電力と水の利用が制限される緊急状況下での給水システムと配電システムの運用は、水とエネルギーのつながりの全体的な回復力を向上させるための重要な考慮事項です。Khatavkar と Mays (2017a) は、干ばつと電力の利用が制限される緊急状況下での給水システムと配電システムを制御し、発電所への冷却水の最低限の供給を確実にする方法を提示しています。^[6] Khatavkar と Mays (2017) は、水とエネルギーのつながりシステムの最適化モデルを仮想の地域レベルシステムに適用し、いくつかの不測の事態のシナリオで回復力が向上することを示しました。^[7]

シェールガスやタイトオイルの埋蔵量に対する水圧破砕のための水資源の利用は、ますます議論を呼んでいる。多くの環境保護論者は、このような作業によって地域の水不足が悪化する可能性（必要な水量が多いため）と、相当量の汚染水が生成される可能性（フラッキング水の汚染による直接的な影響と、地下水の汚染による間接的な影響の両方）を深く懸念している。^[8] 2020年代に北米と欧州でエネルギー価格が上昇する中、政府と産業界の水圧破砕への関心が高まる可能性が高い。

都市の水道システムの運用には多大なエネルギー支援が必要です。水の移送^{[9] 、 [10]}、廃水処理^[11]などの主要プロセスでは大量のエネルギーが消費されるため、水道システムのエネルギー強度と炭素排出量に関する議論が巻き起こっています。

2001年、米国で稼働中の水道システムは、年間総電力（約75 TWh）の約3％を消費しました。^[12]カリフォルニア州の州水道プロジェクト（SWP）とセントラルバレープロジェクト（CVP）は、テハチャピ山脈を越えて2000フィートを超える高さまで水を運ぶ世界最大の水道システムであり、州のより湿潤で比較的田舎の北部から農業が集中しているセントラルバレー、そして最終的に乾燥して人口密度の高い南部に水を供給しています。その結果、SWPとCVPは、カリフォルニア州で最大の電力消費者であり、年間それぞれ約5 TWhの電力を消費しています。^[12] 2001年には、州の総電力使用量（約48 TWh/年）の19％が最終用途を含む水処理に使用され、そのうち65％が都市部で占められました。^[13]カリフォルニア州の天然ガス消費量の30％は、電力に加えて、主に住宅用給湯器などの水関連のプロセスによるもので、8800万ガロンのディーゼル燃料が農業用地下水ポンプで消費されました。^[13]住宅部門だけで、州内の水関連のプロセスで消費された電力と天然ガスの合計の48％を占めました。^{[12] [13]}

カリフォルニア州公益事業委員会 (CPUC) エネルギー部門の「水に組み込まれたエネルギーに関する研究」レポートによると、

「『エネルギー強度』とは、水や廃水を輸送または処理するために必要な単位当たりの平均エネルギー量を指します。」^[14]

エネルギー強度は、埋め込みエネルギーまたは内包エネルギーと同義語として使用されることがあります。2005年、南カリフォルニアへの給水量は平均EIが12.7 MWh/MGと評価され、そのうち約3分の2が輸送によるものでした。^[13]カリフォルニア州の電力の5分の1が最終使用を含む水関連プロセスで消費されているという調査結果を受けて、^[13] CPUCはカリフォルニアエネルギー環境研究所（CIEE）が実施した州全体のエネルギーと水の関係に関する調査を承認し、節水を通じてエネルギーを節約するプログラムを策定しました。^{[14] [15]}

世界エネルギー展望2016によると、中東では、淡水化能力の向上により、水部門が総電力消費に占める割合が2015年の9%から2040年までに16%に増加すると予想されています。アラブ地域には、  クウェート、レバノン、リビア、モーリタニア、モロッコ、オマーン、パレスチナ自治区、アルジェリア、バーレーン、エジプト、イラク、ヨルダン、カタール、スーダン、サウジアラビア、シリア、チュニジア、アラブ首長国連邦、イエメンが含まれます。アラブ地域の一般的な特徴としては、世界で最も水ストレスの多い地域の1つであり、降雨量はほとんどなく、予測できない降雨量であることです。

パターン。^[16]  アラブ地域の総面積は世界面積の約10.2％ですが、この地域の降水量は世界の平均年間降水量の2.1％にすぎません。さらに、この地域は世界の年間再生可能水資源の0.3％を収容しています（ACSAD 1997）。その結果、この地域では一人当たりの淡水供給が減少し、水需要の約42立方キロメートルが不足しています。^[17]この不足は2030年までに3倍、2050年までに4倍に拡大すると予想されています。 ^[18]世界経済の安定がアラブ地域に大きく依存していることを考えると、これは非常に憂慮すべきことです。^[18]

一人当たりの淡水供給の拡大するギャップを緩和する方法は数多くある。適用可能な方法の1つは、特にGCC地域で広く普及している海水淡水化である。^[18]世界の海水淡水化能力の約50％はアラブ地域に集中しており、その50％のほぼすべてがGCC諸国で保有されている。^[18]バーレーンなどの国は淡水の79％を海水淡水化で供給しており、カタールは約75％、クウェートは約70％、サウジアラビアは15％、UAEは約67％である。これらのペルシャ湾岸諸国は、経済発展に伴い水供給不足を補うために巨大な海水淡水化プラントを建設した。^{[18] [19]} GCC地域の農業はGDPの約2％を占めるが、生産された水の80％を利用している。^{[19]また、これらの}淡水化プラントを稼働させるには、主に石油からの膨大な量のエネルギーが必要であることにも留意すべきである。現在の傾向が続くと、サウジアラビア、バーレーン、クウェートなどの国は淡水化の需要を満たすのが困難になるだろう。GCCは発電量の10～25％を淡水化に費やしている。^{[20] [21] [22]}

水力発電は、エネルギー生産に使用される水の特殊なケースです。主な理由は、水力発電はよりクリーンで再生可能なエネルギーであると考えられており、ダム（水力発電の主な供給源）は、エネルギー生産以外にも、洪水防止、貯水、制御、レクリエーションなど、正当な配分分析を困難にする複数の目的を果たしているためです。 ^[1]さらに、ダムを建設すると、流れている川よりもはるかに冷たい水が流れるため、水力発電の影響は、蒸発による消費損失と水質の変化の両方の点で定量化するのが困難です。場合によっては、水の流れの緩和は、時間内の水利用の競合と見なすことができ、影響分析で考慮する必要がある場合もあります。支払い意思額は、コストの価値を決定するための推定値として使用できます。

既存のダムを改造して発電することは、水力発電の1つのアプローチです。ダムを使って発電することはよりクリーンなエネルギーと考えられていますが、環境に対する独自の課題がないわけではありません。水力発電は一般的に、発電に対する炭素排出量の少ない戦略と考えられてきましたが、最近の研究ではダムと温室効果ガスの排出との関連が指摘されています。^[23] Galy-Lacauxらは、フランス領ギアナのシナマリー川にあるプチ・ソウ・ダムが2年間にわたって生み出した排出量を測定する研究を実施しました。研究者らは、土壌と植物に蓄えられた炭素の約10％が2年以内にガスの形で放出されたことを発見しました。^[23]

新たな再生可能エネルギー技術の開発への移行により、水の供給に新たなストレスが加わっています。バイオ燃料、集光型太陽光発電（CSP）、炭素回収・利用・貯蔵、原子力発電などの再生可能エネルギーの方法では、大量の水が消費されます。^[24]水不足はエネルギーの生産と信頼性に大きな影響を与えます。

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• [1]
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