持続可能なエネルギー

持続可能なエネルギーの例：スペインの集光型太陽熱発電（溶融塩蓄熱付き）；南アフリカの風力エネルギー；シンガポールの電化された公共交通機関；エチオピアのクリーンな調理。

エネルギーは、「将来の世代が自らのニーズを満たす能力を損なうことなく、現在のニーズを満たす」場合に持続可能である。持続可能なエネルギーの定義は、通常、環境、経済、社会への影響を考慮している。これらの影響は、温室効果ガス排出や大気汚染からエネルギー貧困や有害廃棄物にまで及ぶ。風力、水力、太陽光、地熱などの再生可能エネルギー源は環境に損害を与える可能性があるが、一般的に化石燃料源よりもはるかに持続可能である。

持続可能なエネルギーにおける非再生可能エネルギー源の役割は議論の的である。原子力発電は炭素汚染や大気汚染を発生させないが、放射性廃棄物、核拡散のリスク、事故のリスクといった欠点がある。石炭から天然ガスへの転換は、気候変動への影響が低いなど環境上の利点があるが、より持続可能な選択肢への転換を遅らせる可能性がある。炭素回収・貯留は、発電所から二酸化炭素（CO2）排出物を除去するために組み込むことができるが、この技術は高価であり、ほとんど実施されていないのが現状である。

化石燃料は世界のエネルギー消費量の85%を占め、エネルギーシステムは世界の温室効果ガス排出量の76%を担っている。発展途上国では約7億9000万人が電力へのアクセスを欠き、26億人が木材や木炭といった汚染燃料に調理を依存している。バイオマス燃料での調理と化石燃料による汚染は、毎年推定700万人の死者を出している。地球温暖化を2℃に抑えるためには、エネルギーの生産、配給、貯蔵、消費の変革が不可欠である。クリーンな電力への普遍的なアクセスは、気候、人間の健康、そして発展途上国の経済に大きな利益をもたらしうる。

気候変動緩和策として、地球温暖化を2℃に抑えるための道筋が提案されている。これには、石炭火力発電所の段階的廃止、省エネルギー、風力や太陽光などのクリーンな電源からの発電量増加、輸送や建物の暖房における化石燃料から電力への転換が含まれる。一部の再生可能エネルギー源からの発電量は、風が吹く時間や太陽が照る時間によって変動する。そのため、再生可能エネルギーへの転換には、送電網のアップグレード（エネルギー貯蔵の追加など）が必要になる場合がある。電化が困難な一部のプロセスでは、低排出エネルギー源から生産される水素燃料を使用できる。国際エネルギー機関が提案する2050年までのネットゼロ排出量達成計画では、排出量削減の約35%が2023年現在開発中の技術に依存している。

2019年には、世界の電力における風力と太陽光の市場シェアは8.5%にまで成長し、コストは下がり続けている。気候変動に関する政府間パネル（IPCC）は、地球温暖化を1.5℃に抑えるためには、2016年から2035年の間に毎年世界のGDPの2.5%をエネルギーシステムに投資する必要があると推定している。各国政府は、新しいクリーンエネルギー技術の研究、開発、実証に資金を提供できる。また、電化と持続可能な輸送のためのインフラを整備することも可能である。さらに、政府は炭素価格制度、再生可能エネルギーポートフォリオ基準、化石燃料補助金の段階的廃止といった政策によって、クリーンエネルギーの導入を促進できる。これらの政策はエネルギー安全保障も高める可能性がある。

定義と背景

     エネルギーは、経済成長、社会の公平性の向上、そして世界が繁栄できる環境を結びつける黄金の糸です。エネルギーなしには開発は不可能であり、持続可能なエネルギーなしには持続可能な開発は不可能です。」

潘基文国連事務総長

定義

国連のブルントラント委員会は、1987年の報告書『われらの共通の未来』の中で、エネルギーが重要な要素である持続可能な開発の概念について述べた。同委員会は、持続可能な開発を「将来の世代が自らのニーズを満たす能力を損なうことなく、現在のニーズを満たす」ことと定義した。この持続可能な開発の記述は、その後、持続可能なエネルギーに関する多くの定義や説明の中で引用されている。

グローバル規模で持続可能性の概念がエネルギーにどのように適用されるかについては、普遍的に受け入れられた解釈は存在しない。持続可能なエネルギーの実用的な定義は、環境、経済、社会といった持続可能性の多様な側面を包含している。歴史的に見ると、持続可能なエネルギー開発の概念は、排出量とエネルギー安全保障に焦点を当ててきた。1990年代初頭以降、この概念はより広範な社会経済的問題を含むように拡大している。

持続可能性の環境側面には、温室効果ガス排出量、生物多様性と生態系への影響、有害廃棄物と有毒排出物、そして非再生可能資源の枯渇が含まれます。環境負荷の低いエネルギー源は、時に「グリーンエネルギー」または「クリーンエネルギー」と呼ばれます。持続可能性の経済側面は、経済発展、効率的なエネルギー利用、そして各国が十分なエネルギーに常にアクセスできることを保証するエネルギー安全保障を網羅している。社会問題には、すべての人々が手頃な価格で信頼できるエネルギーを利用できること、労働者の権利、そして土地の権利が含まれる。

環境への影響

化石燃料の使用に起因する死者数（グラフの長方形の面積）は、持続可能なエネルギー生産による死者数（グラフの長方形はほとんど見えない）を大きく上回る

インドのラージャスターン州の農村で薪を集める女性。調理に木材などの汚染燃料を使用することは、屋内および屋外の大気汚染により、毎年数百万人の死者を出している。

現在のエネルギーシステムは、気候変動、大気汚染、生物多様性の損失、環境への毒素放出、水不足など、多くの環境問題の一因となっている。2019年現在、世界のエネルギー需要の85%は化石燃料の燃焼によって賄われている。2018年現在、エネルギーの生産と消費は、年間人間活動による温室効果ガス排出量の76%を占めている。2015年の気候変動に関する国際合意であるパリ協定は、地球温暖化を2℃を十分に下回るように、できれば1.5℃に抑えることを目指しており、この目標達成には、排出量をできるだけ早く削減し、今世紀半ばまでに実質ゼロにする必要がある。

化石燃料とバイオマスの燃焼は、大気汚染の主要な原因であり、年間推定700万人が死亡しており、特に低所得国および中所得国で最大の疾患負担が見られる。発電所、車両、工場における化石燃料の燃焼は、大気中の酸素と結合して酸性雨を引き起こす排出物の主な発生源である。大気汚染は、非感染性疾患による死因の第2位となっている。世界の人口の推定99%が、世界保健機関が推奨する制限値を超える大気汚染レベルの中で生活している。

薪、動物の糞、石炭、灯油といった汚染燃料での調理は、屋内外の大気汚染のほぼすべての原因となっており、年間推定160万から380万人の死亡を引き起こしている。健康への影響は、調理を担当する可能性が高い女性や幼い子供に集中している。

燃焼による副産物以外にも、環境への影響は及ぶ。海上での石油流出は海洋生物に害を与え、有毒な排出物を放出する火災を引き起こす可能性がある。世界の水使用量の約10%はエネルギー生産、主に火力発電所での冷却に費やされている。乾燥地域では、これは水不足の一因となっている。バイオエネルギー生産、石炭採掘と加工、石油抽出も大量の水を必要とする。燃焼目的での木材やその他の可燃性物質の過剰な採取は、砂漠化を含む深刻な局所的環境被害を引き起こす可能性がある。

持続可能な開発目標

詳細は「:en:Energy poverty」および「:en:Energy poverty and cooking」を参照

2016年時点で電力にアクセスできない人々が住んでいた世界地図 — 主にサハラ以南アフリカとインド亜大陸

既存および将来のエネルギー需要を持続可能な方法で満たすことは、経済成長を維持し、生活水準の向上を可能にしつつ、気候変動を抑制するという世界的な目標にとって極めて重要な課題である。特に電力のような信頼性があり手頃な価格のエネルギーは、医療、教育、経済発展に不可欠です。2020年現在、発展途上国では7億9000万人が電力にアクセスできず、約26億人が調理のために汚染燃料の燃焼に依存している。

後発開発途上国におけるエネルギーアクセスの改善と、エネルギーのクリーン化は、気候変動対策からジェンダー平等まで多岐にわたる国連の2030年持続可能な開発目標のほとんどを達成するための鍵となる。持続可能な開発目標7は、「すべての人々に手ごろで信頼でき、持続可能かつ近代的なエネルギーへのアクセス」を求めており、これには2030年までの普遍的な電力へのアクセスとクリーンな調理設備へのアクセスが含まれている。

省エネルギー

詳細は「:en:Energy conservation」および「:en:Efficient energy use」を参照

世界のエネルギー使用量は非常に不公平である。米国やカナダのような高所得国は、アフリカの一部の後発開発途上国の100倍も一人当たりのエネルギーを使用している。

エネルギー効率、つまり同じ財やサービスを提供するためにより少ないエネルギーを使用すること、あるいはより少ない財で同等のサービスを提供することは、多くの持続可能なエネルギー戦略の要石です。国際エネルギー機関（IEA）は、エネルギー効率を高めることで、パリ協定の目標達成に必要な温室効果ガス排出量削減の40%を達成できると推定している。

エネルギーは、家電製品、車両、産業プロセス、建物の技術効率を高めることで節約できる。もう一つのアプローチは、より良い建築設計やリサイクルなどを通じて、生産に多くのエネルギーを必要とする材料の使用を減らすことである。出張で飛行機を利用する代わりにビデオ会議を利用したり、都市内の移動を車ではなく自転車、徒歩、公共交通機関にすることで、エネルギーを節約することも可能である。政府の効率改善政策には、建築基準、性能基準、炭素価格制度、そして交通手段の変化を促すエネルギー効率の良いインフラの開発などが含まれる。

世界の経済におけるエネルギー強度（GDP1単位あたりに消費されるエネルギー量）は、経済生産のエネルギー効率の目安となる。2010年、世界のエネルギー強度はGDP1米ドルあたり5.6メガジュール（1.6kWh）だった。国連の目標では、2010年から2030年の間にエネルギー強度を毎年2.6%削減することを求めている。しかし近年、この目標は達成されていない。例えば、2017年から2018年にかけて、エネルギー強度はわずか1.1%しか減少しなかった。

効率改善はしばしば、消費者が節約したお金をよりエネルギー集約的な財やサービスの購入に充てるという、ジェボンズのパラドックスにつながる。例えば、輸送や建物における最近の技術的効率改善は、より大型の車両や住宅を選択するといった消費者行動の傾向によって、大部分が相殺されてしまっている。

持続可能なエネルギー源 =

再生可能エネルギー源

詳細は「:en:Renewable energy」を参照

2023年には、風力と太陽光からの発電量が2030年までに30%を超える見込みである。

太陽光発電を中心に、再生可能エネルギー容量は着実に増加している。

クリーンエネルギー投資は、パンデミック後の経済回復、化石燃料価格の高騰を伴う世界的なエネルギー危機、そして各国の政策支援の拡大から恩恵を受けている。2025年までに、エネルギー転換への投資は化石燃料（石油、天然ガス、石炭）への投資の約2倍に増加した。

再生可能エネルギー源は、エネルギー安全保障を強化し、化石燃料よりもはるかに少ない温室効果ガスを排出するため、持続可能なエネルギーに不可欠である。ただし、再生可能エネルギープロジェクトも、生態学的に価値の高い地域がバイオエネルギー生産や風力・太陽光発電所に転換される際に、生物多様性へのリスクなど、重大な持続可能性の懸念を引き起こすことがある。

水力発電は再生可能電力の最大の供給源であり、太陽光と風力エネルギーは急速に成長している。ほとんどの国で、太陽光発電と陸上風力発電は新規発電設備の中で最も安価な形態だ。現在電力にアクセスできない7億7000万人のうち半数以上にとって、太陽光発電ミニグリッドのような分散型再生可能エネルギーは、2030年までに電力を供給する最も安価な方法となる可能性が高い。国連の2030年目標には、世界のエネルギー供給における再生可能エネルギーの割合を大幅に増加させることが含まれている。

国際エネルギー機関 (IEA) によると、風力や太陽光発電といった再生可能エネルギー源は今や一般的な電力源であり、世界の新規発電設備投資の70%を占めている。IEAは、今後3年以内に再生可能エネルギーが石炭を抜き、世界の電力供給における主要なエネルギー源になると予測している。

太陽光

カリフォルニア州にある太陽光発電所

詳細は「:en:Solar power」および「:en:Solar water heating」を参照

太陽は地球の主要なエネルギー源であり、多くの地域でクリーンで豊富に入手可能な資源である。2019年には、太陽光発電は主に太陽光パネル（太陽電池を基盤とする）を通じて世界の電力の約3%を供給した。太陽光発電は、2027年までに世界最大の設備容量を持つ電力源になると予想されている。これらのパネルは建物の屋根に設置されるか、大規模な太陽光発電所に設置される。太陽電池のコストは急速に低下しており、世界中の設備容量の力強い成長を牽引している。新しい太陽光発電所からの電力コストは、既存の石炭火力発電所からの電力と競争力があり、多くの場所ではそれよりも安価である。将来のエネルギー使用に関する様々な予測では、太陽光発電が持続可能なエネルギー構成における主要な発電源の一つとして挙げられている。

ソーラーパネルのほとんどの部品は簡単にリサイクルできるが、規制がないと必ずしも行われているわけではない。パネルには通常重金属が含まれているため、埋立地に廃棄されると環境リスクをもたらす。ソーラーパネルがその製造に使用されたのと同じ量のエネルギーを生産するのに要する期間は2年未満である。材料が採掘ではなくリサイクルされる場合、必要なエネルギーはさらに少なくなる。

集光型太陽熱発電では、鏡の集光によって太陽光線を集中させ、流体を加熱する。結果として生じる蒸気から、熱機関を使って電力が生成される。集光型太陽熱発電は、熱の一部を貯蔵して必要な時に電力を生成できるようにすることで、ディスパッチ可能な発電をサポートできる。電力生産に加えて、太陽エネルギーはより直接的に利用されており、太陽熱暖房システムは給湯、建物の暖房、乾燥、淡水化に利用されている。

風力発電

詳細は「:en:Wind power」および「:en:Environmental impact of wind power」を参照

中国新疆ウイグル自治区の風力タービン

風は何千年にもわたり、産業プロセス、水ポンプ、帆船に機械的エネルギーを供給することで、開発の重要な推進力となってきた。現代の風力タービンは発電に使用され、2019年には世界の電力の約6%を供給した。陸上風力発電所からの電力は、既存の石炭火力発電所よりも安価なことが多く、天然ガスや原子力とも競争力がある。風力タービンは洋上にも設置でき、そこでは陸上よりも風が安定していて強いが、建設費と維持費は高くなる。

陸上風力発電所は、しばしば自然豊かな地域や農村部に建設されるため、景観に視覚的な影響を与える。風力タービンとの衝突によりコウモリや、程度は低いものの鳥が死亡することもあるが、これらの影響は窓や送電線といった他のインフラによるものよりも小さい。タービンから発生する騒音やちらつきのある光は不快感を引き起こし、人口密集地近くでの建設を制限する可能性がある。原子力発電所や化石燃料発電所とは対照的に、風力発電は水を消費しない。風力発電所自体が生み出すエネルギーと比較して、風力タービンの建設に必要なエネルギーは少ない。

水力発電

詳細は「:en:Hydroelectricity」を参照

ベネズエラのグリダムにある水力発電ダム

水力発電所は、流れる水のエネルギーを電気に変換する。2020年、水力発電は世界の電力の17%を供給したが、これは20世紀半ばから後半にかけての約20%という最高値からは減少している。

従来の水力発電では、ダムの背後に貯水池が作られる。従来の水力発電所は、非常に柔軟で調整可能な電力供給を提供する。これらは、需要のピークに対応したり、風力や太陽光の利用が少ない時に補完したりするために、風力発電や太陽光発電と組み合わせることができる。

貯水池型の施設と比較して、流れ込み式水力発電は一般的に環境への影響が少ない。しかし、その発電能力は河川流量に依存し、これは日々の天候や季節によって変動する可能性がある。貯水池は、治水や柔軟な電力出力に利用される水量の調整機能を提供するとともに、干ばつ時の飲料水供給や灌漑に対する安全性も提供する。

水力発電は、エネルギー生産量あたりの温室効果ガス排出量が最も少ないエネルギー源の一つだが、その排出レベルはプロジェクトによって大きく異なる。最も排出量が多いのは、熱帯地域の大規模ダムで発生する傾向がある。これらの排出は、貯水池の湛水で水没した生物学的物質が分解され、二酸化炭素とメタンを放出する際に発生する。森林伐採と気候変動は、水力発電ダムからのエネルギー生成を減少させる可能性がある。場所によっては、大規模ダムは住民を強制移住させたり、深刻な地域環境被害を引き起こしたりする可能性があり、ダムの決壊は周辺住民を危険にさらす可能性がある。

地熱

ラデルレロ（イタリア）にある地熱発電所の冷却塔

地熱エネルギーは、地下深部の熱を利用して発電したり、水や建物を温めたりすることで生成される。地熱エネルギーの利用は、高い温度、熱流量、そして透過性（流体が岩石を通過できる能力）の組み合わせが必要な、熱抽出が経済的に可能な地域に集中している。地下の貯水池で生成された蒸気から電力が作られる。2020年、地熱エネルギーは世界のエネルギー消費量の1%未満を供給した。

地熱エネルギーは、周辺の高温地域からの熱の絶え間ない補充と、天然に存在する同位体の放射性崩壊によって熱エネルギーが常に補給されるため、再生可能資源である。平均して、地熱発電による温室効果ガス排出量は、石炭火力発電の5%未満に過ぎない。地熱エネルギーは地震を誘発するリスクがあり、水質汚染を避けるための効果的な保護が必要であり、捕捉可能な有毒な排出物を放出する可能性がある。

バイオエネルギー

詳細は「:en:Bioenergy」を参照

詳細は「:en:Sustainable biofuel」を参照

ケニアの酪農家がバイオガスランプに火をつける。バイオガスはバイオマスから生成される再生可能エネルギー源で、調理や照明に燃やすことができる。

ブラジルのサトウキビ農園。エタノール燃料を生産する。

バイオマスは、植物や動物に由来する再生可能な有機物質である。熱や電力を生成するために燃焼させることも、車両の燃料として使用できるバイオ燃料（バイオディーゼルやエタノールなど）に変換することもできる。

バイオエネルギーの気候への影響は、バイオマスの原料がどこから来て、どのように栽培されるかによって大きく異なる。例えば、エネルギーのために木材を燃やすと二酸化炭素が放出されるが、伐採された木が適切に管理された森林で新しい木に置き換えられれば、新しい木が成長するにつれて空気中の二酸化炭素を吸収するため、これらの排出は大幅に相殺されうる。しかし、バイオエネルギー作物の確立と栽培は、自然の生態系を変位させ、土壌を劣化させ、水資源や合成肥料を消費する可能性がある。

熱帯地域で伝統的な暖房や調理に使われる木材の約3分の1は、持続不可能な方法で伐採されている。バイオエネルギーの原料は通常、収穫、乾燥、輸送にかなりの量のエネルギーを必要とし、これらのプロセスでのエネルギー使用は温室効果ガスを排出する可能性がある。場合によっては、土地利用の変化、栽培、加工の影響により、バイオエネルギーの方が化石燃料を使用するよりも全体の炭素排出量が多くなることがある。

バイオマス栽培のために農地を使用すると、食料生産に利用できる土地が減少する可能性がある。米国では、自動車用ガソリンの約10%がトウモロコシ由来のエタノールに置き換えられているが、これはかなりの収穫量を必要とする。マレーシアとインドネシアでは、バイオディーゼル用のパーム油を生産するために森林を伐採した結果、深刻な社会的および環境的影響が生じている。これらの森林は重要な炭素吸収源であり、多様な種の生息地であるためだ。光合成は太陽光のエネルギーのごく一部しか捕捉しないため、一定量のバイオエネルギーを生産するには、他の再生可能エネルギー源と比較して大量の土地が必要となる。

第二世代バイオ燃料は、非食用の植物や廃棄物から生産されるため、食料生産との競合を減らすことができる。しかし、保護地域とのトレードオフや地域の大気汚染など、他の負の影響をもたらす可能性がある。比較的持続可能なバイオマス源としては、藻類、廃棄物、そして食料生産には不適な土壌で栽培される作物などが挙げられる。

炭素回収・貯留技術は、バイオエネルギー発電所からの排出を回収するために使用できる。このプロセスはバイオエネルギー炭素回収・貯留（BECCS）として知られ、大気からの正味の二酸化炭素除去をもたらす可能性がある。しかし、BECCSもまた、バイオマス材料の栽培、収穫、輸送方法によっては、正味でプラスの排出量となる可能性がある。一部の気候変動緩和経路で記述されている規模でのBECCSの展開には、大量の農地転換が必要となるだろう。

海洋エネルギー

詳細は「:en:Marine energy」を参照

海洋エネルギーは、エネルギー市場において最も小さいシェアを占めている。これには、海洋温度差発電（OTEC）、実用化が進む潮力発電、そして開発の初期段階にある波力発電が含まれる。フランスと韓国にある2つの潮汐堰システムが、世界の生産量の90%を占める。単一の海洋エネルギー装置が環境に与えるリスクは小さいものの、より大型の装置が与える影響については、まだ十分に解明されていない。

非再生可能エネルギー源

化石燃料の転換と緩和策

石炭から天然ガスへの転換は、持続可能性の観点から利点がある。生産されるエネルギー単位あたりで比較すると、天然ガスのライフサイクル温室効果ガス排出量は風力や原子力の約40倍だが、石炭よりははるかに少ない。発電に利用する場合、天然ガスの燃焼による排出量は石炭の約半分であり、熱生産に利用する場合は石炭の約3分の2となる。また、天然ガスの燃焼は石炭よりも大気汚染物質の排出が少ない。しかし、天然ガス自体が強力な温室効果ガスであり、採掘や輸送中の漏出は、石炭からの転換による利点を帳消しにしてしまう可能性がある。メタン漏出を抑制する技術は広く利用可能だが、常に使用されているわけではない。

石炭から天然ガスへの転換は、短期的には排出量を削減するため、気候変動緩和に貢献する。しかし、長期的には正味ゼロ排出への道筋を提供するものではない。天然ガスインフラの開発は、炭素のロックインや座礁資産のリスクを伴う。これは、新たな化石燃料インフラが数十年にわたる炭素排出を約束するか、利益を上げる前に償却されなければならない状況を指す。

化石燃料およびバイオマス発電所の温室効果ガス排出量は、炭素回収・貯留（CCS）によって大幅に削減できる。ほとんどの研究では、CCSが発電所からの二酸化炭素（CO2）排出量の85〜90%を回収できるという前提に基づいている。たとえ石炭火力発電所から排出されるCO2の90%が回収されたとしても、回収されなかった排出量は、原子力、太陽光、風力エネルギーが生産する電力単位あたりの排出量よりもはるかに多い。 CCSを使用する石炭火力発電所は効率が低いため、より多くの石炭を必要とし、その結果、石炭の採掘や輸送に伴う汚染が増加する。CCSは、エネルギー部門における排出量削減のための最も高価な方法の一つである。この技術の導入は非常に限定的で、2024年現在、CCSはわずか5つの発電所と39のその他の施設でしか使用されていない。

原子力発電

詳細は「:en:Nuclear power debate」および「:en:Nuclear renaissance」を参照

1985年以降、低炭素源からの発電量の割合はわずかにしか増加していない。再生可能エネルギー導入の進展は、原子力のシェア低下によってほとんど相殺されている。

原子力発電は、1950年代からベースロード電力の低炭素源として利用されてきた。30カ国以上にある原子力発電所は、世界の電力の約10%を供給している。2019年現在、原子力は全低炭素エネルギーの4分の1以上を生産しており、水力発電に次ぐ第2位の供給源となっている。

原子力のライフサイクル温室効果ガス排出量（ウランの採掘・加工を含む）は、再生可能エネルギー源からの排出量と同程度である。原子力は、主要な再生可能エネルギーと比較して、生産されるエネルギー単位あたりの土地使用量が少ない。さらに、原子力は局所的な大気汚染を引き起こさない。核分裂発電所の燃料となるウラン鉱石は非再生可能資源であるが、数百年から数千年分の供給を賄える量が存在する。しかし、現在の技術では経済的に採掘可能なウラン資源は限られており、拡大期にはウラン生産が追いつかない可能性がある。意欲的な目標に合致する気候変動緩和経路では、通常、原子力による電力供給の増加が見込まれている。

原子力発電が持続可能であるか否かについては、核廃棄物、核兵器拡散、事故に関する懸念から、議論が続いている。放射性核廃棄物は数千年にわたる管理が必要となる。 しかし、生産されるエネルギー単位あたりで比較すると、原子力発電が原因となる事故や汚染関連の死亡者数は、化石燃料よりもはるかに少ない。また、原子力の過去の死亡率は再生可能エネルギー源と同程度である。原子力エネルギーに対する世論の反対は、原子力発電所の導入を政治的に困難にすることがしばしばある。

新規原子力発電所の建設期間とコスト削減は長年の目標となっているが、コストは依然として高く、期間も長期にわたる。在来型プラントの欠点を克服するため、様々な新しい形態の原子力エネルギーが開発中である。高速増殖炉は核廃棄物の再処理が可能であり、地層処分が必要な廃棄物の量を大幅に削減できるが、大規模な商業ベースでの導入には至っていない。トリウム（ウランではなく）をベースとする原子力発電は、ウラン供給が少ない国々にとってエネルギー安全保障を高める可能性がある。小型モジュール炉は、現在の大型炉に比べていくつかの利点を持つとされる。より迅速な建設が可能であり、モジュール化により経験曲線効果によるコスト削減が見込まれる。また、従来の発電所よりも安全性が高いと考えられている。

複数の国が核融合炉の開発を試みており、これは少量の廃棄物を生成し、爆発のリスクもない。核融合は研究室レベルでは前進しているものの、商業化、そして規模拡大には数十年かかるため、気候変動緩和のための2050年ネットゼロ目標には貢献できないだろう。

エネルギーシステムの変革

詳細は「:en:Energy transition」を参照

2025年までに、エネルギー転換への投資は化石燃料（石油、天然ガス、石炭）への投資の約2倍に増加した。

地球のエネルギーシステムの脱炭素化

地球温暖化を2℃未満に抑えるために必要な排出削減には、エネルギーの生産、配給、貯蔵、消費の方法におけるシステム全体の変革が求められる。社会が一方のエネルギー形態を他方に置き換えるには、エネルギーシステム内の複数の技術や行動を変える必要がある。例えば、自動車のエネルギー源を石油から太陽光発電に移行させるには、太陽光発電の生成、太陽光パネルの出力変動に対応するための送電網の改修、または可変充電器の導入と全体的な需要の増加、電気自動車の導入、電気自動車充電設備および修理工場のネットワークが必要となる。

多くの気候変動緩和経路では、低炭素エネルギーシステムの3つの主要な側面が想定されている:

• The use of low-emission energy sources to produce electricity
• Electrification – that is increased use of electricity instead of directly burning fossil fuels
• Accelerated adoption of energy efficiency measures

Some energy-intensive technologies and processes are difficult to electrify, including aviation, shipping, and steelmaking. There are several options for reducing the emissions from these sectors: biofuels and synthetic carbon-neutral fuels can power many vehicles that are designed to burn fossil fuels, however biofuels cannot be sustainably produced in the quantities needed and synthetic fuels are currently very expensive. For some applications, the most prominent alternative to electrification is to develop a system based on sustainably-produced hydrogen fuel.

Full decarbonisation of the global energy system is expected to take several decades and can mostly be achieved with existing technologies. In the IEA's proposal for achieving net zero emissions by 2050, about 35% of the reduction in emissions depends on technologies that are still in development as of 2023. Technologies that are relatively immature include batteries and processes to create carbon-neutral fuels. Developing new technologies requires research and development, demonstration, and cost reductions via deployment.

The transition to a zero-carbon energy system will bring strong co-benefits for human health: The World Health Organization estimates that efforts to limit global warming to 1.5 °C could save millions of lives each year from reductions to air pollution alone. With good planning and management, pathways exist to provide universal access to electricity and clean cooking by 2030 in ways that are consistent with climate goals. Historically, several countries have made rapid economic gains through coal usage.} However, there remains a window of opportunity for many poor countries and regions to "leapfrog" fossil fuel dependency by developing their energy systems based on renewables, given adequate international investment and knowledge transfer.

Integrating variable energy sources

See also: Grid balancing

Buildings in the Solar Settlement at Schlierberg, Germany, produce more energy than they consume. They incorporate rooftop solar panels and are built for maximum energy efficiency.

To deliver reliable electricity from variable renewable energy sources such as wind and solar, electrical power systems require flexibility. Most electrical grids were constructed for non-intermittent energy sources such as coal-fired power plants. As larger amounts of solar and wind energy are integrated into the grid, changes have to be made to the energy system to ensure that the supply of electricity is matched to demand. In 2019, these sources generated 8.5% of worldwide electricity, a share that has grown rapidly.

There are various ways to make the electricity system more flexible. In many places, wind and solar generation are complementary on a daily and a seasonal scale: there is more wind during the night and in winter when solar energy production is low. Linking different geographical regions through long-distance transmission lines allows for further cancelling out of variability. Energy demand can be shifted in time through energy demand management and the use of smart grids, matching the times when variable energy production is highest. With grid energy storage, energy produced in excess can be released when needed. Further flexibility could be provided from sector coupling, that is coupling the electricity sector to the heat and mobility sector via power-to-heat-systems and electric vehicles.

Building overcapacity for wind and solar generation can help ensure that enough electricity is produced even during poor weather. In optimal weather, energy generation may have to be curtailed if excess electricity cannot be used or stored. The final demand-supply mismatch may be covered by using dispatchable energy sources such as hydropower, bioenergy, or natural gas.

Energy storage

Main articles: Energy storage and Grid energy storage

Energy from renewable sources is converted to potential energy that is stored in devices such as electric batteries. The stored potential energy is later converted to electricity and added to the power grid, even when the original source is unavailable.

A battery storage facility

Energy storage helps overcome barriers to intermittent renewable energy and is an important aspect of a sustainable energy system. The most commonly used and available storage method is pumped-storage hydroelectricity, which requires locations with large differences in height and access to water. Batteries, especially lithium-ion batteries, are also deployed widely. Batteries typically store electricity for short periods; research is ongoing into technology with sufficient capacity to last through seasons.

Costs of utility-scale batteries in the US have fallen by around 70% since 2015, however the cost and low energy density of batteries makes them impractical for the very large energy storage needed to balance inter-seasonal variations in energy production. Pumped hydro storage and power-to-gas (converting electricity to gas and back) with capacity for multi-month usage has been implemented in some locations. According to the International Energy Agency (IEA), global battery storage capacity is expected to increase nearly 15-fold between 2021 and 2030, driven by falling costs and increased investment in clean infrastructure.

Electrification

Main article: Electrification

The outdoor section of a heat pump. In contrast to oil and gas boilers, they use electricity and are highly efficient. As such, electrification of heating can significantly reduce emissions.

Compared to the rest of the energy system, emissions can be reduced much faster in the electricity sector. As of 2019, 37% of global electricity is produced from low-carbon sources (renewables and nuclear energy). Fossil fuels, primarily coal, produce the rest of the electricity supply. One of the easiest and fastest ways to reduce greenhouse gas emissions is to phase out coal-fired power plants and increase renewable electricity generation.

Climate change mitigation pathways envision extensive electrification—the use of electricity as a substitute for the direct burning of fossil fuels for heating buildings and for transport. Ambitious climate policy would see a doubling of energy share consumed as electricity by 2050, from 20% in 2020.

One of the challenges in providing universal access to electricity is distributing power to rural areas. Off-grid and mini-grid systems based on renewable energy, such as small solar PV installations that generate and store enough electricity for a village, are important solutions. Wider access to reliable electricity would lead to less use of kerosene lighting and diesel generators, which are currently common in the developing world.

Infrastructure for generating and storing renewable electricity requires minerals and metals, such as cobalt and lithium for batteries and copper for solar panels. Recycling can meet some of this demand if product lifecycles are well-designed, however achieving net zero emissions would still require major increases in mining for 17 types of metals and minerals. A small group of countries or companies sometimes dominate the markets for these commodities, raising geopolitical concerns. Most of the world's cobalt, for instance, is mined in the Democratic Republic of the Congo, a politically unstable region where mining is often associated with human rights risks. More diverse geographical sourcing may ensure a more flexible and less brittle supply chain.

Hydrogen

Main article: Hydrogen economy

Hydrogen gas is widely discussed as a fuel with potential to reduce greenhouse gas emissions. This requires hydrogen to be produced cleanly, in quantities to supply in sectors and applications where cheaper and more energy efficient mitigation alternatives are limited. These applications include heavy industry and long-distance transport.

Hydrogen can be deployed as an energy source in fuel cells to produce electricity, or via combustion to generate heat. When hydrogen is consumed in fuel cells, the only emission at the point of use is water vapour. Combustion of hydrogen can lead to the thermal formation of harmful nitrogen oxides. The overall lifecycle emissions of hydrogen depend on how it is produced. Nearly all of the world's current supply of hydrogen is created from fossil fuels.

The main method of producing hydrogen is steam methane reforming, in which hydrogen is produced from a chemical reaction between steam and methane, the main component of natural gas. Producing one tonne of hydrogen through this process emits 6.6–9.3 tonnes of carbon dioxide. While carbon capture and storage (CCS) could remove a large fraction of these emissions, the overall carbon footprint of hydrogen from natural gas is difficult to assess 2021年現在, in part because of emissions (including vented and fugitive methane) created in the production of the natural gas itself.

Electricity can be used to split water molecules, producing sustainable hydrogen provided the electricity was generated sustainably. However, this electrolysis process is currently more expensive than creating hydrogen from methane without CCS and the efficiency of energy conversion is inherently low. Hydrogen can be produced when there is a surplus of variable renewable electricity, then stored and used to generate heat or to re-generate electricity. It can be further transformed into liquid fuels such as green ammonia and green methanol. Innovation in hydrogen electrolysers could make large-scale production of hydrogen from electricity more cost-competitive.

Hydrogen fuel can produce the intense heat required for industrial production of steel, cement, glass, and chemicals, thus contributing to the decarbonisation of industry alongside other technologies, such as electric arc furnaces for steelmaking. For steelmaking, hydrogen can function as a clean fuel and simultaneously as a low-carbon catalyst replacing coal-derived coke. Hydrogen used to decarbonise transportation is likely to find its largest applications in shipping, aviation and to a lesser extent heavy goods vehicles. For light duty vehicles including passenger cars, hydrogen is far behind other alternative fuel vehicles, especially compared with the rate of adoption of battery electric vehicles, and may not play a significant role in future.

Disadvantages of hydrogen as a fuel include high costs of storage and distribution due to hydrogen's explosivity, its large volume compared to other fuels, and its tendency to make pipes brittle.

Energy usage technologies

Transport

Utility cycling infrastructure, such as this bike lane in Vancouver, encourages sustainable transport.>

Main article: Sustainable transport

Transport accounts for 14% of global greenhouse gas emissions, but there are multiple ways to make transport more sustainable. Public transport typically emits fewer greenhouse gases per passenger than personal vehicles, since trains and buses can carry many more passengers at once. Short-distance flights can be replaced by high-speed rail, which is more efficient, especially when electrified.

The energy efficiency of cars has increased over time, but shifting to electric vehicles is an important further step towards decarbonising transport and reducing air pollution. A large proportion of traffic-related air pollution consists of particulate matter from road dust and the wearing-down of tyres and brake pads. Substantially reducing pollution from these non-tailpipe sources cannot be achieved by electrification; it requires measures such as making vehicles lighter and driving them less. Light-duty cars in particular are a prime candidate for decarbonization using battery technology. 25% of the world's CO
2 emissions still originate from the transportation sector.

Long-distance freight transport and aviation are difficult sectors to electrify with current technologies, mostly because of the weight of batteries needed for long-distance travel, battery recharging times, and limited battery lifespans. Where available, freight transport by ship and rail is generally more sustainable than by air and by road. Hydrogen vehicles may be an option for larger vehicles such as lorries. Many of the techniques needed to lower emissions from shipping and aviation are still early in their development, with ammonia (produced from hydrogen) a promising candidate for shipping fuel. Aviation biofuel may be one of the better uses of bioenergy if emissions are captured and stored during manufacture of the fuel.

Buildings

Main articles: Renewable heat, Green building, and Zero-energy building

Over one-third of energy use is in buildings and their construction. To heat buildings, alternatives to burning fossil fuels and biomass include electrification through heat pumps or electric heaters, geothermal energy, central solar heating, reuse of waste heat, and seasonal thermal energy storage. Heat pumps provide both heat and air conditioning through a single appliance. The IEA estimates heat pumps could provide over 90% of space and water heating requirements globally.

A highly efficient way to heat buildings is through district heating, in which heat is generated in a centralised location and then distributed to multiple buildings through insulated pipes. Traditionally, most district heating systems have used fossil fuels, but modern and cold district heating systems are designed to use high shares of renewable energy.

Passive cooling features, such as these windcatcher towers in Iran, bring cool air into buildings without any use of energy.

Cooling of buildings can be made more efficient through passive building design, planning that minimises the urban heat island effect, and district cooling systems that cool multiple buildings with piped cold water. Air conditioning requires large amounts of electricity and is not always affordable for poorer households. Some air conditioning units still use refrigerants that are greenhouse gases, as some countries have not ratified the Kigali Amendment to only use climate-friendly refrigerants.

Cooking

Main article: Energy poverty and cooking

For cooking, electric induction stoves are one of the most energy-efficient and safest options.

In developing countries where populations suffer from energy poverty, polluting fuels such as wood or animal dung are often used for cooking. Cooking with these fuels is generally unsustainable, because they release harmful smoke and because harvesting wood can lead to forest degradation. The universal adoption of clean cooking facilities, which are already ubiquitous in rich countries, would dramatically improve health and have minimal negative effects on climate. Clean cooking facilities, e.g. cooking facilities that produce less indoor soot, typically use natural gas, liquefied petroleum gas (both of which consume oxygen and produce carbon-dioxide) or electricity as the energy source; biogas systems are a promising alternative in some contexts. Improved cookstoves that burn biomass more efficiently than traditional stoves are an interim solution where transitioning to clean cooking systems is difficult.

Industry

Over one-third of energy use is by industry. Most of that energy is deployed in thermal processes: generating heat, drying, and refrigeration. The share of renewable energy in industry was 14.5% in 2017—mostly low-temperature heat supplied by bioenergy and electricity. The most energy-intensive activities in industry have the lowest shares of renewable energy, as they face limitations in generating heat at temperatures over 200 °C (390 °F).

For some industrial processes, commercialisation of technologies that have not yet been built or operated at full scale will be needed to eliminate greenhouse gas emissions. Steelmaking, for instance, is difficult to electrify because it traditionally uses coke, which is derived from coal, both to create very high-temperature heat and as an ingredient in the steel itself. The production of plastic, cement, and fertilisers also requires significant amounts of energy, with limited possibilities available to decarbonise. A switch to a circular economy would make industry more sustainable as it involves recycling more and thereby using less energy compared to investing energy to mine and refine new raw materials.

Government policies

Main articles: Politics of climate change and Energy policy

"Bringing new energy technologies to market can often take several decades, but the imperative of reaching net‐zero emissions globally by 2050 means that progress has to be much faster. Experience has shown that the role of government is crucial in shortening the time needed to bring new technology to market and to diffuse it widely."

International Energy Agency (2021)

Well-designed government policies that promote energy system transformation can lower greenhouse gas emissions and improve air quality simultaneously, and in many cases can also increase energy security and lessen the financial burden of using energy.

Regulations

Environmental regulations have been used since the 1970s to promote more sustainable use of energy. Some governments have committed to dates for phasing out coal-fired power plants and ending new fossil fuel exploration. Governments can require that new cars produce zero emissions, or new buildings are heated by electricity instead of gas. Renewable portfolio standards in several countries require utilities to increase the percentage of electricity they generate from renewable sources. Governments can accelerate energy system transformation by leading the development of infrastructure such as long-distance electrical transmission lines, smart grids, and hydrogen pipelines. In transport, appropriate infrastructure and incentives can make travel more efficient and less car-dependent. Urban planning that discourages sprawl can reduce energy use in local transport and buildings while enhancing quality of life. Government-funded research, procurement, and incentive policies have historically been critical to the development and maturation of clean energy technologies, such as solar and lithium batteries. In the IEA's scenario for a net zero-emission energy system by 2050, public funding is rapidly mobilised to bring a range of newer technologies to the demonstration phase and to encourage deployment.

Several countries and the European Union have committed to dates for all new cars to be zero-emissions vehicles.

Carbon pricing

Carbon pricing (such as a tax on CO
2 emissions) gives industries and consumers an incentive to reduce emissions while letting them choose how to do so. For example, they can shift to low-emission energy sources, improve energy efficiency, or reduce their use of energy-intensive products and services. Carbon pricing has encountered strong political pushback in some jurisdictions, whereas energy-specific policies tend to be politically safer. Most studies indicate that to limit global warming to 1.5 °C, carbon pricing would need to be complemented by stringent energy-specific policies.

As of 2019, the price of carbon in most regions is too low to achieve the goals of the Paris Agreement. Carbon taxes provide a source of revenue that can be used to lower other taxes or help lower-income households afford higher energy costs. Some governments, such as the EU and the UK, are exploring the use of carbon border adjustments. These place tariffs on imports from countries with less stringent climate policies, to ensure that industries subject to internal carbon prices remain competitive.

Pace

The scale and pace of policy reforms that have been initiated as of 2020 are far less than needed to fulfil the climate goals of the Paris Agreement. In addition to domestic policies, greater international cooperation is required to accelerate innovation and to assist poorer countries in establishing a sustainable path to full energy access.

Countries may support renewables to create jobs. The International Labour Organization estimates that efforts to limit global warming to 2 °C would result in net job creation in most sectors of the economy. It predicts that 24 million new jobs would be created by 2030 in areas such as renewable electricity generation, improving energy-efficiency in buildings, and the transition to electric vehicles. Six million jobs would be lost, in sectors such as mining and fossil fuels. Governments can make the transition to sustainable energy more politically and socially feasible by ensuring a just transition for workers and regions that depend on the fossil fuel industry, to ensure they have alternative economic opportunities.

Finance

Main article: Climate finance

Electrified transport and renewable energy are key areas of investment for the renewable energy transition.

Raising enough money for innovation and investment is a prerequisite for the energy transition. The IPCC estimates that to limit global warming to 1.5 °C, US$2.4 trillion would need to be invested in the energy system each year between 2016 and 2035. Most studies project that these costs, equivalent to 2.5% of world GDP, would be small compared to the economic and health benefits. Average annual investment in low-carbon energy technologies and energy efficiency would need to be six times more by 2050 compared to 2015. Underfunding is particularly acute in the least developed countries, which are not attractive to the private sector.

The United Nations Framework Convention on Climate Change estimates that climate financing totalled $681 billion in 2016. Most of this is private-sector investment in renewable energy deployment, public-sector investment in sustainable transport, and private-sector investment in energy efficiency. The Paris Agreement includes a pledge of an extra $100 billion per year from developed countries to poor countries, to do climate change mitigation and adaptation. This goal has not been met and measurement of progress has been hampered by unclear accounting rules. If energy-intensive businesses like chemicals, fertilizers, ceramics, steel, and non-ferrous metals invest significantly in R&D, its usage in industry might amount to between 5% and 20% of all energy used.

Fossil fuel funding and subsidies are a significant barrier to the energy transition.Ending these could lead to a 28% reduction in global carbon emissions and a 46% reduction in air pollution deaths. Funding for clean energy has been largely unaffected by the COVID-19 pandemic, and pandemic-related economic stimulus packages offer possibilities for a green recovery.

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