- 潮力発電を再生可能エネルギーに分類するのは誤解であり、大規模に採取した場合、化石燃料よりも深刻な環境影響をもたらす可能性がある
- 潮汐は月と太陽の重力、そして地球の自転の相互作用によって生じ、潮汐バルジ (tidal bulge) が天体に対してほぼ固定されて自転に制動トルクを与える
- この制動によって地球の自転エネルギーが失われ、一日が長くなり、過去4億年間で1年は約 420日から365日 に減少した
- 世界のエネルギー需要の1%だけを潮力で賄っても、約1,000年以内に地球は月に対して 潮汐固定 (tidal locking) され得る
- 潮汐固定が起きると、一方は永久の陽光と極端な高温、反対側は永久の暗闇と極端な低温となり、ほとんどの生命が絶滅する可能性がある（生態系の崩壊）
動機 (Motivation)
- 化石燃料の使用による地球温暖化への認識が高まる中、代替として潮力エネルギーが注目されているが、潮力は 再生可能エネルギーではない
- 潮力の利用は、地球温暖化よりもさらに深刻な環境問題を引き起こす可能性がある
- 1990年の大学院授業の発表で潮力を 非再生エネルギー に分類し、「潮力採取がどのように環境を傷つけるのか」という繰り返しの質問に直面した
- 1993年に最初期のWebブラウザ Mosaic が登場した当時、関連Webサイトを開設したが、一部の潮力タービン企業が事業に不利だとしてページ削除を要請した
- 現在「tidal energy」で検索してもそのページは見つからず、今なお潮力を風力・太陽光と並ぶ 再生可能エネルギーに分類 するページが多数ある
潮力エネルギーの収集 (Collecting Tidal Energy)
- 潮汐は海岸で観測される周期的な海面の上昇・下降であり、潮力エネルギーはこれを主に電力へ変換する 水力の一種 である
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主な収集方式
- 堰堤（barrage）で人工貯水池を作り、満潮時に海水を取り込み、干潮時に落差でタービンを回して発電する
- Tidal stream generator は風力タービンのように流れる水の運動エネルギーでタービンを駆動し、海峡や湾のような狭窄部で高速海流が生じる
- Dynamic tidal power は海岸から沖へ長いダムを建設し、潮汐の位相差で水位差を生み出す方式で、中国や韓国のように海岸に平行する強い潮流がある地域が該当する
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代表的な発電所
- 世界初の大規模潮力発電所は、1966年に稼働したフランスの Rance Tidal Power Station
- 最大規模は2011年に開設された韓国の Sihwa Lake Tidal Power Station で、254メガワットを発電する
- 適切な規制がなければ、別の環境危機は避けられない
潮汐の形成原理 (How Are Tides Formed?)
- 潮汐は月・太陽の重力と地球の自転の組み合わせによって発生し、地球の両側に潮汐力が作用して海水を引き寄せ、潮汐バルジ を形成する
- バルジは月・太陽に対してほぼ静止しており、地球が自転することで観測者は周期的な海面変化を経験する
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潮汐力の物理
- 重力（ニュートンの万有引力）と公転に伴う遠心力の差が 潮汐力 (tidal force) である
- 太陽側の内側の質量では重力が遠心力より大きいため内側のバルジが生じ、外側の質量では遠心力がより大きいため外側のバルジが形成される
- これは solar tide（太陽潮汐） であり、月も同様に潮汐力を及ぼして lunar tide を生む
- 月は太陽より近いため月の潮汐の方が大きく、地球・月・太陽が一直線に並ぶと最も大きな潮汐である king tide が発生する
地球自転の減速 (Decelerating Earth)
- 地球の自転速度は徐々に低下しており、これを自動車のブレーキにたとえることができる
- 回転するディスク（=自転する地球）と静止したブレーキパッド（=静止した潮汐バルジ）の摩擦関係に相当する
- 地球が東向きに自転すると、静止したバルジは西向きに移動し、海水の粘性 が潮流と海底の間の摩擦（drag）を生じさせて自転を遅くする
- 北半球の大陸ブロックがバルジの移動に影響し、減速がより顕著になる
- 自転エネルギーは潮汐によって失われ、1年の日数が減少してきたことは 化石サンゴ (fossil coral) によって証明されている
- 地球が月に及ぼす tidal acceleration により月は遠ざかり、これも自転減速に寄与するが、その効果は全エネルギー損失の約4%にすぎない
潮汐固定 (Tidal Locking)
- 月が常に同じ面を地球へ向けているのは、潮汐効果による tidal locking である
- 地球が月に及ぼす潮汐力は、水のない月面にも固体のバルジを生み、月をアメリカンフットボールのような形に引き伸ばす（solid tide）
- この効果によって月の自転は公転周期あたり1回まで減速し、片側の端が常に地球を向くよう固定された
- 地球も徐々に減速し、最終的には月に固定され、両者は共通重心を回る binary system（連星系） として向かい合ったまま回転する
自転エネルギー (Rotational Energy)
- 回転体にも角運動量と回転エネルギーがあり、地球の総自転エネルギーは約 2.138×10²⁹ Joules である
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推定方法
- 一様な球の慣性モーメントの公式では 9.696×10³⁷ kgm² だが、地球内部は外部より重いため実際の値はより小さい
- より正確な地球の慣性モーメントは 8.04×10³⁷ kgm² である
- 自転周期23.93時間（角速度 7.29×10⁻⁵ rad/s）を適用すると、総自転エネルギー 2.138×10²⁹ J が得られる
残された時間 (How Much Time Left)
- ブレーキと同様に、地球の自転エネルギーも潮汐と海底摩擦によって熱へ変換されて失われ、有限であるため、やがて枯渇する
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化石サンゴの証拠
- シルル紀（4.44〜4.19億年前）は1年 420日、デボン紀中期は410日、石炭紀初期（3.5億年前）は 385日
- 過去4億年にわたり地球の質量や軌道の変化を示す証拠はなく、日数の減少は主に自転速度の低下に起因する
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自然に固定されるまでの時間
- 4.3億年前の自転エネルギー 2.83×10²⁹ J から現在までに 6.92×10²⁸ J を失い（年間平均 1.73×10²⁰ J）、
- 摩擦は相対運動速度の二乗に比例するため、減速を考慮した精密計算が必要である
- 歴史的な消失率を基準にすると、自然に月へ潮汐固定されるまで約 104.68億年 かかると推定される
1,000年以内の地球破壊 (Destroy Earth in 1,000 Years)
- 潮力を採取すると減速は加速され、世界のエネルギー消費の 1%だけを潮力で賄っても約1,000年 で地球は月に固定される
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計算根拠
- 2013年の世界エネルギー消費量は約 5.67×10²⁰ J で、過去50年間は年2%以上増加し、世界経済成長率は約3%だった
- 1%を賄うと地球の自転エネルギーは年間 5.67×10¹⁸ J 減少する
- 総エネルギーが固定時点の値（2.32×10²⁶ J）まで減少する N を解くと約1031年となる
- 非常に粗い推定ではあるが、自転減速の速度がどれほど速くなり得るかを示している
結末 (In The End)
- 潮汐摩擦の結果は地球自転の消失であり、地球と月は重心の周りを1か月に1回公転する 連星系 となって、一日が1か月と同じ長さになる
- 月は潮汐加速によって年間 38.247mm ずつ遠ざかり、地球‐月系の慣性モーメントを増大させて回転を遅くするため、1年は12か月より短くなる
- 固定後は1日が現在の30倍以上に長くなり、一方は極端な高温、反対側は極端な低温となり、大きな気圧傾度が強い海流と巨大な嵐を引き起こして 大半の生命の生存が困難 になる
予測 (Predictions)
- この理解から導かれた予測のひとつが、地球内核が全体より速く回転する inner core super-rotation である
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地震波による根拠
- 地震時には P波（進行方向の運動）と S波（垂直方向の横運動）が伝播し、S波はせん断応力を必要とするため液体を通過できない
- S波が外核を通過できないことから、外核は液体 だと推論される
- 液体の外核が内核とマントルの回転を分離（decoupling）し、潮汐によってマントルが引っ張られるとき、内核は同じ速度では減速しないため、より速く回転する
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観測証拠
- Lamont–Doherty Earth Observatory の Xiaodong Song と Paul Richards は、年間0.4〜1.8度の超自転を示す地震学的証拠を提示した
- 別の研究では超自転を年3度と推定している
結論 (Conclusions)
- 潮力エネルギーの消費は、化石燃料の燃焼よりも大きな危険をもたらす可能性があり、高効率の機械やインフラの普及によってエネルギー需要は今後も増え続ける
- 潮力がこの需要を満たせば、自然消失よりはるかに速い 約1,000年で地球の自転エネルギーが枯渇 する可能性がある
- 1世紀前に化石燃料が温暖化を引き起こすと信じる人が少なかったのと同じように、現在も多くの人が危険を知らないまま潮力を再生可能資源だと誤認している
- 地球を守るには潮力採取を避け、将来世代が持続可能な解決策を開発する時間を確保しなければならない（潮力採取の回避が必要）
1件のコメント
Hacker Newsのコメント
この記事の最も重要な仮定は、エネルギー消費が毎年2%増加するというもの。このような指数関数的成長は、社会が必要とする潮力エネルギーの規模を途方もない水準に押し上げる
エネルギー消費はすでに、人口増加率や経済成長から切り離される傾向を見せている。1,000年後にどれだけのエネルギーを使うだろうか？人口予測の多くは約150億人で安定すると見ているが、現在の増加率が続くと楽観的に仮定すれば、1,000年後には約150兆人になる
そして2%成長なら、その一人ひとりが2023年頃の人間より20,000倍多くのエネルギーを消費することになる。最新技術でも消費エネルギーの約80%を無駄にしているので、これは1人あたりの有用エネルギー消費が100,000倍という意味になる
だからこのページの物理学は、制御されない指数関数的成長の複利効果がどれほど驚くほど大きくなるかを示す、よい検討に見える
論文によれば、潮力エネルギーは海水と海底の間の摩擦で散逸し、その散逸したエネルギーは地球の回転エネルギーから失われる。また、回転エネルギーの一部は月に伝わり、月をさらに遠ざける。ここまではよい
著者の2つ目の仮定は、潮力エネルギーを利用すると、その分だけ地球の自転から追加でエネルギーが抜けていくというものだ。だが本当にそうだろうか？人間が取り出した潮力エネルギーは何らかの固定された「予算」から来ていて、残りだけが自然に散逸するのかもしれない。人間がより多く取り出して使えば、海水と海底の摩擦で散逸する潮力エネルギーが減る、という具合だ
太陽からの流入エネルギーと似ている。巨大ではあるが、変動を除けば固定された量であり、私たちはその潜在量の一部を利用できるだけで、全体の利用可能量が増えるわけではない。人間が使わなかった分は、別の自然過程で吸収されるか放射される
どちらなのかあえて推測はしないが、どのモデルが正しいのか調べてみると興味深そうだ
https://dothemath.ucsd.edu/2012/04/economist-meets-physicist...
長期的な経済成長が一定割合で続くという前提は、現在の主流派経済学と経済政策の大部分に組み込まれている。Thomas Pikettyのように一見非主流に見える人でさえ、『21世紀の資本』で成長が果てしなく続くと仮定している
だからこれはLiuへの批判というより、Liuが概ね標的にしている相手への批判に近い
宇宙進出した人類ならその程度の電力を使うこともあるかもしれないが、宇宙に住むなら、もはや地球の生物圏の一部ではない
筆者が意識していたかは分からないが、実際には潮力発電の持続可能性ではなく、指数関数的成長がどれほど狂った仮定かを語っている。本文で仮定されている2%の成長率が何を意味するのかを見れば明らかになる
2008年の世界のエネルギー消費は474エクサジュールと推定されていた。地球が1年間に太陽から受け取る全エネルギーは約500万エクサジュールで、その一部だけが地表に到達する。500万は474よりはるかに大きい。しかし1980〜2006年のように、毎年2%という一見modestな成長率を維持するだけでも、500年足らずでエネルギー消費はその500万エクサジュールに等しくなる
考えてみると、エネルギー消費の増加が現在のペースで続けば、500年後には私たちは地球が受け取る太陽エネルギーをすべて使っている、つまり生物圏に残る取り分がないか、毎年500万エクサジュールを生産する魔法のような技術を見つけている状態でなければならない。その魔法の技術があったとしても、その追加の熱はどこに捨てるのか？ 実質的には地球の上に第二の太陽を置いて、私たちを焼いているようなものだ
上の数字は2010年に書いた文章からコピーしたものなので、少し古いかもしれない。しかしSabine Hossenfelderも最近、似た時間スケール、つまり400年以内に海が沸騰する問題を扱った動画を作っている: https://www.youtube.com/watch?v=9vRtA7STvH4
数百年後、インターネット考古学者たちがこのコメントを、来たる世界エネルギー危機の初期兆候の一つとして見つけるかもしれない。今日の私たちが1912年のRodney & Otamatea Timesの「Coal Consumption Affecting Climate」という短い記事を見るのと同じように[0]
そしてこのコメントも見つけるのだろう……
[0] https://paperspast.natlib.govt.nz/newspapers/rodney-and-otam...
世界人口は現在より約30%高い水準でピークに達し、その後また減少すると予測されている。おそらく70億人程度で持続するかもしれない。本当に幸せに暮らすには1人あたり約200GJが必要に見えるので[1]、1人あたり300GJと仮定してみよう
持続可能な水準でも、年間2,000EJあれば幸せに暮らしていけるはずだ。上の数値どおりなら、太陽が提供するエネルギーの1%にも満たない
[1] https://esajournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ecs2...
これが多いのかどうかを考えているところだ。一方では、必ずしも多いとは言えない。この比率には厳密な上限がなく、人間の代謝エネルギーは任意の分母だからだ。それでもごく粗く解釈すれば、私たちは毎日平均して15人分の労働の成果を消費していると見なせる
もちろん分布は非常に偏っている。平均的な米国人や欧州人で見れば、この比率はずっと大きいだろう
私たちが平均的にどれほどgildedな生活をしているかも示している。産業革命以前はほとんどすべてのエネルギーが筋力であり、生きている一人ひとりに発電機を回してくれる召使いが15人いるのに近い。この数字の一部は、動力化された農業が生産した食料で生きている実際のサービス提供者かもしれない
この数字に論理的な上限はあるのだろうか？ 供給さえ十分なら、私たちが使いきれないエネルギー量はあるのだろうか？ 結局、私たちが生産するすべてのエネルギーは人間のために使われるので、エネルギー消費は人間のエネルギー需要の尺度だと見なすこともできる
しかしそれも完全に正しいわけではない。多くのエネルギーが無駄になっている。この数字のうちどれだけが、工場からそのまま埋立地に行く服、一晩中つけっぱなしの冷房、非効率なエンジンやエネルギー貯蔵によるものなのか気になる
特に結論はないが、興味深い比率だと思う
http://insideenergy.org/wp-content/uploads//2017/01/historic...
出典:
https://insideenergy.org/2017/01/12/energy-explained/
「世界のエネルギー消費の2%成長率は保守的な仮定であるはずだ」という文には重要な手がかりがある。この記事は、地球の回転エネルギーを1000年以内に枯渇させるというタイムテーブルを得るために、エネルギー消費が指数関数的に増加し続けると仮定している
目立つのは、毎年2%ずつ無制限に指数成長するという仮定です。これはとんでもない誤りです。ざっと確認すると 1.02^1031 = 735,829,316 になります。人口はさらに増え、全員の生活水準が向上してほしいので、今よりはるかに多くのエネルギーを使うようになるとは確信しています。それでも、これは大きすぎます。その規模では、エネルギーがすべてどこへ行くべきなのかもよく分かりません。質量や物体を作り出すのに使うのでしょうか？
エネルギー消費がたった250年後にピークに達するとしても、現在の消費の150倍未満です。計算はしていませんが、この場合ならこの惑星であと数年は稼げる、とあえて言っておきます。
2017年に世界は石油換算で97億1,700万トンを使用しました。この成長率を当てはめると、986年には全世界が石油13トン相当、つまり5億1,584万BTUを使っていたことになります。
米国で年収2万ドル未満で、木材を主な暖房燃料にしている世帯は、年間5,000万BTU分の木材を使います。
細かい数字には議論の余地があるでしょうが、人口3億9,000万人だった世界が、10世帯ほどの燃料しか使っていなかったというのは、少し低すぎるように見えます。
潮汐は、いずれにせよ自然にそのエネルギーのかなりの量を散逸させているのでは？ 例えば浜辺で波が海岸に打ちつけるのを見ると、それは潮汐エネルギーが熱として散逸している過程です。途中にタービンを入れて、熱になる前に有用な仕事を取り出すなら、結局どうせ熱に変わるのは同じではないでしょうか？
現在の潮力発電機は、流れる水の中にタービンを入れる方式か、満潮時の水をせき止めて干潮時にタービンを通して放流するダム方式で動作します。設計の詳細によっては、その後に海底上を流れる海流の速度を落とし、海底摩擦で散逸するエネルギーを減らせる可能性があります。しかし、その減少分が潮力発電機の取り出したエネルギーを相殺する保証はありません。
別の形の潮力発電も想像できます。海底全体を巨大なランニングマシンで覆うのです。水が通過しながらランニングマシンの表面を引っぱり、それで発電します。おそらく自然な海底摩擦より総散逸エネルギーは少なそうですが、実用的には聞こえません。
いずれにせよ、これはすべて本質から外れた話です。ほかのコメントが言っているように、人類のエネルギー消費が本当に1000年間毎年2%ずつ増えるなら、月と潮汐ロックすることよりはるかに大きな問題が起きます。
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Tidal_acceleration#Angular_mom...
それなら水をポンプでくみ上げて潮汐を増幅すれば、地球の自転を速めてうるう秒をなくせるわけですね。
これは「うちの子は去年2フィートで今年3フィートだから、大人になったら家くらいの大きさになるね！」という昔からある誤りと同じです。
「過去50年間の世界のエネルギー消費の平均増加速度を基準に、世界のエネルギー消費の1%だけを地球の回転エネルギーから取り出して使っても、地球の自転は約1000年以内に月に潮汐ロックされる」
これは話になりません。そこで即閉じました。このスレッドの別の場所を見ると、産業革命という外れ値を通る指数成長曲線を1000年にわたって外挿したために、そういう結果になったようです。それが説明ではあり得ます。
しかしこれは単なる誤りではなく、完全に常軌を逸しています。
ざっと検索したところ、地球の回転運動エネルギーはそれらしく 2.1e29J で、世界全体のエネルギー消費は年間22.8TWhだと出てきました。なので封筒の裏の計算では、現在の消費基準でわずか……2兆年を少し超えるくらい残っています。
ここのコメントのかなり多くが、エネルギー消費が毎年2%ずつ増えるという仮定は馬鹿げていると指摘しています。
ではもう少し合理的に、年間エネルギー使用量が現在の5倍で安定し、非合理的にもそのエネルギーの100%を潮汐から得ると仮定したらどうでしょう？
その場合、1000年後の自転の減速はどのくらいでしょうか？
同じことを言えば、1000年後の自転の減速は約**0.001%**程度です。
関連: https://physics.stackexchange.com/questions/6400/are-tidal-p...
この理論は非常に興味深いですが、著者はそうした大きな主張にしてはあまりにも自信ありげに提示しています。
私の携帯にはなぜか ² はあるのに ^9 がありません。最初の数字は 1e29 という意味です。