[論文レビュー] Energy Limits to the Gross Domestic Product on Earth

Andreas M. Hein, Jean-Baptiste Rudelle|arXiv (Cornell University)|May 11, 2020

Global Energy and Sustainability Research参考文献 79被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、炭素中立が達成されたとしても、熱力学的制約のため、地球のグローバル経済には硬い上限が存在すると主張している。温室効果ガス由来の温暖化とエネルギー消費由来の温暖化を両方モデル化することで、継続的な年間2%のGDP成長が、数世紀以内に惑星のエネルギー容量を枯渇させることを示しており、エネルギー強度を大幅に削減しない限り、宇宙ベースの経済拡大がなければ、地球上での経済拡大は物理的に不可能であると結論づけている。

ABSTRACT

Once carbon emission neutrality and other sustainability goals have been achieved, a widespread assumption is that economic growth at current rates can be sustained beyond the 21st century. However, even if we achieve these goals, this article shows that the overall size of Earth's global economy is facing an upper limit purely due to energy and thermodynamic factors. For that, we break down global warming into two components: the greenhouse gas effect and heat dissipation from energy consumption related to economic activities. For the temperature increase due to greenhouse gas emissions, we take 2 °C and 5 °C as our lower and upper bounds. For the warming effect of heat dissipation related to energy consumption, we use a simplified model for global warming and an extrapolation of the historical correlation between global gross domestic product (GDP) and primary energy production. Combining the two effects, we set the acceptable global warming temperature limit to 7 °C above pre-industrial levels. We develop four scenarios, based on the viability of large-scale deployment of carbon-neutral energy sources. Our results indicate that for a 2% annual GDP growth, the upper limit will be reached at best within a few centuries, even in favorable scenarios where new energy sources such as fusion power are deployed on a massive scale. We conclude that unless GDP can be largely decoupled from energy consumption, thermodynamics will put a hard cap on the size of Earth's economy. Further economic growth would necessarily require expanding economic activities into space.

研究の動機と目的

• 地球のエネルギーおよび熱力学的制約下で、長期的な経済成長が物理的に持続可能かどうかを評価すること。
• 温室効果ガス排出とエネルギー消費に起因する廃熱が、地球温暖化に与える影響を統合的に定量化すること。
• さまざまなエネルギー導入シナリオ下で、年間2%のGDP成長を維持可能かどうかを評価すること。
• 地球経済の硬い上限を回避するため、GDPをエネルギー使用から切り離す必要があるかどうかを特定すること。
• エネルギー制限が将来の経済発展に与える影響、および宇宙ベースの拡大が果たす可能性のある役割を検討すること。

提案手法

• 温室効果ガスによる放射強制とエネルギー使用に起因する熱放出の合算として、地球温暖化をモデル化すること。
• 2°Cおよび5°Cを温室効果ガス由来の温暖化の上限とし、歴史的GDP-エネルギー生産相関を用いて、熱による温暖化を推定すること。
• 予防的基準として、産業革命以前比で合計で7°Cの上昇を許容可能な温暖化限界と設定すること。
• 核融合やその他の先進技術を含む大規模な炭素中立エネルギー源の実現可能性に基づいて、4つのシナリオを構築すること。
• 累積的なエネルギー使用とそれに伴う廃熱の時間的推移を予測するために、簡略化されたエネルギー収支モデルを適用すること。
• エネルギー消費が地球の熱放出能力を超える時期を推定することで、GDP成長の上限を計算すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱放出およびエネルギー使用に関する熱力学的制約を考慮した場合、地球のGDPはどの程度まで持続可能か？
• RQ2 温室効果ガス排出と経済活動に起因する廃熱が、地球温暖化にどのように共同で寄与するか？
• RQ3 大規模に炭素中立エネルギー源が導入されたとしても、年間2%のGDP成長は無期限に維持可能か？
• RQ4 将来のエネルギー技術導入に関する異なる仮定のもとで、地球経済の上限はどのようになるか？
• RQ5 地球経済のサイズに熱力学的上限が及ぶのを避けるため、GDPをエネルギー消費からどれほど切り離す必要があるか？

主な発見

• 大規模に炭素中立エネルギー源が導入された楽観的シナリオでも、熱力学的制約のため、地球経済には硬い上限が存在する。
• 年間2%のGDP成長を想定した場合、技術的進歩があっても、経済規模の上限に到達するのは数世紀以内である。
• 温室効果ガス排出とエネルギー消費に起因する廃熱の併合効果により、産業革命以前比で地球温暖化が7°C上昇する可能性がある。
• エネルギー消費に起因する熱放出は、地球温暖化に顕著に寄与しており、GDPと一次エネルギー生産の間に明確な歴史的相関が確認できる。
• GDPをエネルギー使用から大幅に切り離さない限り、地球上での経済成長は物理的に持続不可能である。
• 本論文は、地球の限界を超えた将来の経済拡大は、宇宙ベースの経済活動の開発に依存する可能性が高いと結論づけている。