忘却からの帰還〜Atomic Age

Smil (2022)によれば、現代文明は「セメント、鉄鋼、プラスチック、アンモニア」という重要な4要素に依存しており、これらはすべての生産には現時点では化石燃料に依存している。

現代世界はこれら4つの要素なしには存在できない。これらはすべて化石燃料を必要とする

現代社会は、多くの人工材料の大量生産なしには存続できない。マイクロチップやパソコンがなくても、十分な食料、物質的な快適さ、質の高い教育と医療へのアクセスを提供する豊かな文明を築くことは可能である。1970年代まではマイクロチップやパソコンがあったが、1990年代まではスマートフォンやソーシャル メディアがなくても、経済を拡大し、必要なインフラを構築し、ジェット機で世界を結び付けることができた。しかし、無数の発明を具体化するために必要な多くの材料が提供されなければ、我々は質の高い生活を享受することはできなかった。

必要性の尺度で最も高いランクにある4つの材料、つまり現代文明の4つの柱と呼ぶものを形成するセメント、鉄鋼、プラスチック、アンモニアは、他の必須入力よりも大量に必要である。現在、世界では年間約45億トンのセメント、18億トンの鉄鋼、約4億トンのプラスチック、1億8,000 万トンのアンモニアが生産されている。しかし、最も重要な材料としてトップの地位に値するのはアンモニアである。アンモニアの合成はすべての窒素肥料の基礎であり、アンモニアの適用がなければ、現在のレベルでは、今日の約80億人のほぼ半分を養うことは不可能である。

世界で最も人口の多い国では、アンモニアへの依存はさらに高く、中国人の5人に3人を養うのにアンモニアの合成が不可欠である。この依存性は、アンモニア合成を歴史上最も重大な技術的進歩と呼ぶことを容易に正当化する。他の発明は我々に快適さ、便利さ、富をもたらし、寿命を延ばしはするが、アンモニア合成がなければ、現在生きている、そしてこれから生まれる何十億もの人々の生存そのものを保証できない。

プラスチックは、共通の特性として希望する形状に成形できることを特徴とする合成有機材料の大きなグループであり、今ではどこにでもある。私が、これを入力している間、DELLのノートパソコンのキーと右手のひらの下にあるワイヤレスマウスはアクリロニトリルブタジエンスチレンでできており、ポリエステル生地で覆われた回転椅子に座っており、そのナイロン製の車輪はポリエステルカーペットを覆うポリカーボネートカーペット保護マットの上に置かれている。しかし、プラスチックは現在、医療全般、特に病院で最も不可欠なものとなっている。人生は今や、（産科病棟で）始まり（集中治療室で）終わるが、その周囲にはさまざまなPVCで作られたプラスチック製品があふれている。フレキシブル チューブ（患者への給餌、酸素供給、血圧の監視用）、カテーテル、点滴容器、血液バッグ、滅菌包装、トレイや洗面器、便器やベッド レール、保温ブランケットなどである。

鋼鉄の強度、耐久性、汎用性は、現代文明の外観を決定し、その最も基本的な機能を可能にしている。これは最も広く使用されている金属であり、高層ビルからメスまで、現代文明の目に見える、目に見えない重要なコンポーネントを無数に形成している。さらに、ほぼすべての金属製品や非金属製品は、鋼鉄製のツールや機械を使用して抽出、加工、成形、仕上げ、配布されており、今日の大量輸送手段はどれも鋼鉄なしでは機能しない。平均的な自動車には約900キログラムの鋼鉄が含まれており、COVID-19が発生する前は、世界では年間約1億台の自動車が製造されていた。

セメントは、もちろんコンクリートの主要成分である。砂、砂利、水と組み合わせると、最も大量に使用される材料になる。現代の都市は、橋、トンネル、道路、ダム、滑走路、港湾と同様に、コンクリートの体現である。現在、中国は世界のセメントの半分以上を生産しており、近年では、わずか2年間で、20世紀全体の米国が生産した量に匹敵するセメントを生産している。さらに驚くべき統計は、現在、世界が1年間で消費するセメントの量は、20世紀前半全体の消費量よりも多くなっているということである。

そして、特性や品質がまったく異なるこれら4つの材料には、3つの共通点がある。他の材料で簡単に置き換えることができない (近い将来や地球規模では、もちろんそうではない)、将来的にはさらに多くの材料が必要になる、大量生産は化石燃料の燃焼に大きく依存しているため、温室効果ガス排出の主な原因となっている、という点である。有機肥料は合成アンモニアの代わりにはならない。有機肥料の窒素含有量は低く、全世界での量は、すべての肥料や作物の残渣がリサイクルされたとしても十分ではない。軽量でありながら耐久性のある用途で、プラスチックほど優れた利点を持つ材料は他にない。鋼鉄ほど手ごろな価格で強度のある金属は他にない。コンクリート (多くの場合、鋼鉄で補強) ほど強固なインフラの構築に適した大量生産材料は他にない。

将来のニーズについては、高所得国は肥料の使用を減らすことができ（肉食を減らし、無駄を減らす）、肥料を大量に使用している中国とインドも過剰な肥料の使用を減らすことができるが、人口増加率が最も高いアフリカ大陸は、すでにかなりの食糧輸入国であるにもかかわらず、依然として肥料が不足している。アフリカの食糧自給率向上への希望は、窒素の使用増加にかかっている。結局のところ、アフリカ大陸の最近のアンモニア使用量は、ヨーロッパ平均の3分の1未満である。医療（人口の高齢化）やインフラ（パイプ）用途の拡大、輸送（飛行機や高速列車の内部を参照）のために、より多くのプラスチックが必要になるだろう。アンモニアの場合と同様に、インフラと輸送が未発達なすべての低所得国では、鉄鋼の消費を増やす必要がある。そして、コンクリートを作るにはさらに多くのセメントが必要になる。裕福な国では老朽化したインフラを修復するため（米国では、ダム、道路、航空などコンクリートが主流の分野はすべて、全国的なエンジニアリング評価でD評価を受けている）、低所得国では都市、下水道、輸送を拡大するためだ。

さらに、再生可能エネルギーへの移行が進むにつれて、大量の鉄鋼、コンクリート、プラスチックが必要になる。大型風力タービンほど「グリーン」な発電の象徴となる構造物はないが、その基礎は鉄筋コンクリート、タワー、ナセル、ローターは鉄鋼、巨大なブレードはエネルギー集約型でリサイクルが難しいプラスチック樹脂でできており、これらの巨大な部品はすべて特大のトラック（または船）で設置場所に運び、大型の鉄鋼クレーンで組み立てる必要があり、タービンのギアボックスには繰り返しオイルを注油する必要がある。これらのタービンが真にグリーンな電力を生成するには、これらの材料をすべて化石燃料を使わずに製造する必要がある。

依然として、化石燃料は、これらすべての材料の製造に不可欠である。

アンモニア合成では、天然ガスを水素源として、また高温高圧を提供するために必要なエネルギー源として使用する。プラスチック全体の約85%は、天然ガスと原油から得られる単純な分子に基づいており、炭化水素も合成のためのエネルギーを供給する。一次鋼の製造は、石炭から作られたコークスと天然ガスを加えた高炉で鉄鉱石を精錬することから始まり、その結果得られた鋳鉄は、大型の酸素炉で鋼に加工される。そして、セメントは、粉砕した石灰岩と粘土、頁岩を大型の窯、つまり傾斜した長い金属円筒で加熱し、石炭粉、石油コークス、重油などの低品質の化石燃料で加熱して製造される。

その結果、これら4つの不可欠な材料の世界生産は、世界の年間総エネルギー供給量の約17%を占め、化石燃料の燃焼に起因するすべてのCO2排出量の約25%を生み出している。この依存の広範さと規模の大きさにより、現代文明の4つの物質的柱の脱炭素化は並外れて困難になっている。化石燃料を生産に置き換えることは、再生可能エネルギー (主に風力と太陽光) 変換による電力の生産量を増やすよりもはるかに困難でコストがかかる。最終的には新しいプロセスが取って代わるだろうが、現在のところ、既存の世界的生産能力の大部分を置き換えるためにすぐに導入できる代替手段はない。その開発には時間がかかる。

アンモニアの合成と鋼の製錬は、どちらも天然ガスやコークスではなく水素をベースにできる。その方法はわかっているが、風力や太陽光発電による水の電気分解から得られるグリーン水素を数億トン生産できるようになるまでには、しばらく時間がかかる (今日の水素はほぼすべて天然ガスと石炭から作られている)。最も良い予測では、グリーン水素が2030年までに世界のエネルギー消費量の2%を供給するというものだが、これはアンモニアと鋼鉄の生産を脱炭素化するために最終的に必要となる数億トンをはるかに下回る。対照的に、セメント生産の脱炭素化は廃棄物とバイオマスの使用では限界があり、セメントをCO2フリーにするには新しいプロセスを開発して商品化する必要がある。同様に、プラスチック生産の脱炭素化も簡単な方法はなく、対策は植物原料からリサイクルの増加、他の材料への代替まで多岐にわたる。

そして、これら4つの材料の柱を超えて、エネルギー集約型の新しい材料への依存が生まれつつあり、電気自動車はその最たる例である。重量約450キログラムの一般的なリチウム自動車バッテリーには、約11キログラムのリチウム、約14キログラムのコバルト、27キログラムのニッケル、40キログラムを超える銅、50キログラムのグラファイト、さらに約181キログラムの鋼鉄、アルミニウム、プラスチックが含まれている。1台の車両にこれらの材料を供給するには、約40トンの鉱石を処理する必要があり、鉱石に含まれる多くの元素の濃度が低いことを考慮すると、約225トンの原材料を抽出して処理する必要がある。そして、道路輸送の積極的な電化には、まもなくこれらのニーズを年間数千万ユニットに増やす必要がある。

現代の経済は、依然として増加している世界人口を養うためのアンモニアベースの肥料であろうと、大量の材料の流れに常に結びついている。新しいツール、機械、構造物、インフラに必要なプラスチック、鉄鋼、セメント、あるいは太陽電池、風力タービン、電気自動車、蓄電池の製造に必要な新しい入力、そして、これらの材料を抽出して処理するために使用されるすべてのエネルギーが再生可能変換から得られるようになるまで、現代文明はこれらの不可欠な材料の生産に使用される化石燃料に根本的に依存し続けるだろう。人工知能の設計も、アプリも、来たる「非物質化」の主張も、それを変えることはないだろう。

[ Vaclav Smil: "HOW THE WORLD REALLY WORKS", 2022, excepted by TIME (2022/05/12) ]

そしてより重要なことは、「セメント、鉄鋼、プラスチック、アンモニア」の生産を実現するには、最初は「化石燃料」に依存することである。

もし、化石燃料の採掘が容易でなかったら、現代文明を構築できていない。そもそも、産業革命は「石炭による蒸気機関」によって始まっている。容易に調達できる石炭がなければ、産業革命は起きていそうにない。

その蒸気機関は石炭で動いていた。豊富な動力源である石炭は、産業革命以前の主要な動力源であった水に取って代わった。石炭と蒸気機関により、蒸気動力機械が大量生産を可能にし、産業活動が始まった。産業革命は人々の働き方や移動方法を変えた。人々は蒸気船や蒸気動力の列車で移動し、ボイラーの動力源として石炭を燃やした。これらが主な輸送手段となった。

19世紀前半、産業革命は米国にまで及んだ。米国ではいくつかの炭鉱が操業を開始した。石炭は木材よりもはるかに多くのエネルギーを放出し、輸送も容易であったため、暖房源として木材に取って代わり始めた。石炭の消費量は着実に増加し、エネルギー源としての木材の使用を上回った。南北戦争中、武器を製造する工場は米国に豊富にある石炭を使い始めた。19 世紀後半までに、石炭から作られたコークスは、製鉄炉の主燃料として木炭に取って代わっていた。米国では1880年代に初めて石炭が発電に使用された。半世紀後の1960年代初頭には、石炭はすでに米国の発電の主なエネルギー源となっていた。

[ Tom Kool: "The Complete History Of Fossil Fuels" (2020/03/25) on OilPrice ]

その後、石油や天然ガスへと移行する。いまや海底油田・海底ガス田を開発し、辺境から長距離をパイプラインで輸送している。そのようなインフラを構築するためには、化石燃料が不可欠であり、産業革命時点で利用できるような資源ではない。

したがって、ひとたび、我々が文明を失って、産業革命以前にレベルになれば、再び現代文明へ帰ってくることは、もう望めないかもしれない。

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