看動畫學綠能知識：學園都市的能源可以100%由綠能供應嗎？
遍佈全市的風力發電機是《科學超電磁炮》裡學園都市的招牌。實際上，這樣的電力規劃能夠滿足一座中型城市的能源需求嗎？
動畫《科學超電磁炮》與《魔法禁書目錄》的主要場景「學園都市」，被設定成科技領先外界二三十年的先進城市、日本境內的國中之國。因為技術領先全球，能源系統自然也應該是採用100%綠能供應的了。
今天我們接續前一篇文章，來更詳細討論學園都市發電佔比設定上的合理性。
當然，故事設定裡的學園都市，藏著許多黑科技，如果要說都市上空有一堆風力發電用的飛行船在提供電力，也不無可能。不過為了貼近現實，我們這裡就不討論目前尚無法量產應用的發電技術；要求御版妹妹每人握一臺風機塔柱來發電這種毫無人道的做法，在此當然也不考慮。
動畫與原作原始設定
首先，正如前一篇文章所說的，學園都市被設定成以風能為主、光能為輔的先進綠能都市。網路上就有引用原作小說中的段落佐證：
「喔……可是學園都市的主要電力來源是風力發電，跟二氧化碳沒關係吧？次要來源也是太陽能發電之類不會耗費資源的發電方式。」
就本文作者所知，在原著和動畫中，並沒有具體說明風能和光能的配比，但相較於隨處可見的風能發電機組，太陽能發電在《科學超電磁炮》的前兩季中，僅在少數幾個場景中出現過：
同前一篇所討論的，與到處都是的風力發電機組相比，這樣的光能建置比例真的太少了！
原始設定合理性？以日本風能潛能做討論
現在，讓我們來檢視原始設定風光配比的合理性。除了前一篇討論到的，都市人口密度對風能發電的限制以外，讓我們首先考慮日本本身的先天氣候特性：在日本，一個100%綠能的能源系統，應該要長甚麼樣子？
在去年LUT大學所公布的Global Energy System Based on 100% Renewable Energy這份研究中，說明了全球若欲在2050年達成100%綠能的能源系統時，世界各地各種綠能的最適佔比。在模型中，日本的風能潛力相對於東亞其他區域是較為豐沛的，但即使如此，日本能源系統的配比也仍是以太陽能為大宗。
事實上，根據該研究，世界上大部分的地區的100%綠能最適配比裡，太陽能會占最大宗；全世界也將有70%的能源需求由太陽能滿足。
這樣的大趨勢已經暗示了原始設定中風能大於光能的未來世界觀不一定能成立。不過，為了更嚴謹分析，我們現在來詳細看看學園城市本身的風能潛能吧。
學園城市位在現實世界的東京縣的多摩市和立川市及其周遭，面積大約1/3個東京縣的大小（約700平方公里）。從Global Wind Atlas當中可以看出，這個區域並不是一個風能潛能特別高的地方。尤其此處剛好位在冬季西北季風的背風面，風自山坡往下吹的時候，會有地形造成的擴散效應，造成風速降低。
底下是東京縣風能潛力的一些統計量。該縣50公尺高空的平均風速為每秒3.79公尺（風力潛能最豐沛的前10%區域則有每秒5.21公尺）。
假設我們只考慮在平均風速前10%的地區架設陸上風力發電機組、平均每支機組裝置容量為0.75MW、每支風機葉片直徑50公尺、並且按照一般最密的間隔距離排列（3D*6D），則整個學園都市大約可以裝設1.167GW的風能發電機組。
在推估出學園都市的風能發電機組裝置容量以後，接著我們要來看看這些風能發電機組的容量因素。假設這些區域的風速符合k為2、λ為平均風速的Weibull分佈，則可以搭配一般風能發電機組的發電－風速曲線，求出該地區風能發電機組一年的平均容量因素為13.321%。在前述的裝置容量下，學園都市一年的風能發電量為1361.457GWh。
和學園都市的用電需求相比，這樣的風能發電量在量級上足夠嗎？就本文作者所知，不論原作還是動畫，都沒有具體說明學園都市的年用電需求總量。我們唯一能做的，似乎是從日本既有的用電資料，加上一些對能源轉型後用電需求變化的合理假設，來推測一個具有230萬人口（原始設定中學園都市的人口數）的未來都市用電需求會是多少。
根據ISEP的資料，東電管轄區域在2019年的總用電需求為232.350TWh。東電管轄區包括東京縣、群馬縣、栃木縣、茨城縣、千葉縣、神奈川縣、山梨縣、以及靜岡縣東部。這些區域加起來大約有4200萬人。因此，其中230萬人的用電需求，大約是12.724TWh。
在前述的LUT研究中，日本2050年的總發電量推測為2358TWh，相比之下2019年日本的總發電量僅有808.064TWh。這代表能源轉型後，部門耦合和其他因素，會讓日本的用電需求增加至目前的2.92倍。換算下來，學園都市一年會有37.132TWh的用電需求。因此，前述學園城市一年的風能發電量，僅能滿足3.67%的用電需求。
當然，根據原始設定和動畫畫面可知，學園城市的風能機組幾乎無所不在，比如說第22學區基本上就是個風能發電區。不過就算學園城市所有的土地都有設置風能發電機組，依照前述同樣的方法學計算，學園都市一年的風能發電量也僅會有5000.902GWh，也就是13.47%的用電需求。
有一種可能性是，學園都市的風能發電機組有特殊設計過，更適合低風速的都市環境裡發電。這代表比坊間主流的風能發電機組更小、單位發電成本更高的設計，要安置的風機數量也更多。不過，原作設定裡已經有說過，學園都市內的風機數量，超過十萬座，所以這或許才是較合理的假設。
如此一來，學園都市內風能發電機組的容量因素，理論上最佳情況下有機會從15%提升到25%左右，但即使假設風能容量因素因此提升50%、加上前述所有土地都設置風機的假設下，風能發電的佔比也僅會有總發電需求的20%而已。
那太陽能呢？
前面的計算可以知道，學園城市的風能發電潛能限制，使其不可能成為該城市的主要發電來源。不過，既然我們已經知道能源轉型下，日本的最適綠能配比中太陽能才是主力，那麼假設我們改變學園城市的原始設定，使其以太陽能為發電主力，現實上是否就有可能？
根據Global Solar Atlas的資料，東京縣的太陽能板，一日的平均發電量為3.7度／每1kW的額定功率。現在假設學園城市使用目前最先進的的太陽能模組（光電轉換效率大約20%），加上考慮其他電子元件後，學園城市每一平方公尺平均可以裝設0.15kW的太陽能板。
再假設學園城市的用電需求裡，至少90%需由太陽能供應（剩下的扣除風能發電，由沼氣、地熱、水力等供應），則城市內需要至少裝設24.746GW的太陽能板。換算下來會需要165平方公里，這已經超過學園城市腹地的20%。即使將條件改成只是滿足LUT研究中的日本太陽能占比平均值－60%左右，也需要16.497GW的太陽能板，即110平方公里的土地。
在一份2013年的研究中，東京縣總可架設太陽能板的屋頂面積總量為93.4平方公里（Potential for rooftop photovoltaics in Tokyo to replace nuclear capacity，Brady L. Stoll等人，2013年）。學園都市的面積被設定為東京縣的1/3，本文為求簡化，直接乘上線性系數，假設學園都市內的可設置太陽能板屋頂面積為31.1平方公里。因此，學園都市的屋頂太陽能板可設置約4.67GW的量，相當於將近30%的太陽能設置需求。如此一來，學園都市仍需規劃80平方公里的腹地（或其他種類的屋頂）給太陽能板，才能將太陽能佔比提升至能源需求的60%。
也就是說，學園都市如果要單純靠境內的資源達成100%綠能，物理上和現有技術上都是可行的，但如此一來，其城市地景將和動畫裡看到的完全不同。
實際情況：東京縣有必要完全自給自足嗎？
從本文前幾段已經很清楚知道，一座如同學園城市般人口密集的中型都市，要透過境內生產的綠能達到100%能源自給自足，是非常困難的。
但也許「學園都市必須透過境內發電源達成100%綠電」的這個命題，本身就是不必要的限制。學園都市是日本境內的國中之國，根本沒有理由將自己的電網和關東電網完全切割。
實際上，日本本州北部和北海道有豐沛的陸上風能資源、整個太平洋側經濟海域則有豐富的離岸風能資源、全國太陽能資源也十分豐沛。學園都市如果要達成100%綠能，根本不需要把焦點侷限在自己的領土內，和鄰近各縣的綠能業者簽訂長期購電合約的話，就不必擔心境內土地資源不足的問題。
目前，日本能源轉型的火車頭，風光混合的模範生是北海道、太陽能則是九州；而311後直接受到核災打擊的福島，則宣示2040年的時候能源需求要100%由再生能源供應的野心（其電力需求目前已超過60%由綠能供應）。這些能源轉型的領頭羊，在未來肯定會成為綠能的淨輸出區域，開始供應東京這樣大型的都市的。
