石炭火力発電所

石炭火力発電所は、石炭を燃やして電気を生み出す火力発電所です。世界中には約2,500の石炭火力発電所があり、^[1]平均すると1基あたり1ギガワットの発電が可能です。^{[2] [a]これらの発電所は}世界の電力の約3分の1を発電していますが、^{[3 ]主に}大気汚染が原因で、エネルギー生産量当たりの病気や最も早い死亡率を引き起こしています。^{[4] [5] [6]} 世界の設備容量は2000年から2023年にかけて2倍になり、2023年には2％増加します。^[7]

石炭火力発電所は化石燃料発電所の一種です。石炭は通常、粉砕され、その後、微粉炭ボイラーで燃焼されます。炉の熱によりボイラー水が蒸気に変換され、その蒸気でタービンが回転し、発電機が作動します。このように、石炭に蓄えられた化学エネルギーは、熱エネルギー、機械エネルギー、そして最終的に電気エネルギーに順次変換されます。

石炭火力発電所は毎年約120億トンの二酸化炭素を排出しており^{[2] 、これは世界の}温室効果ガス排出量の約5分の1に相当し^[8]、気候変動の最大の原因となっている。^[9]世界の石炭火力発電の半分以上は中国で発電されている。^[10] 2020年には発電所の総数は減少し始めた^{[11] [12]。ヨーロッパ[13]}とアメリカ^[14]で発電所が廃止されたためであるが、アジアではまだ建設が続いており、そのほとんどが中国である。^[15]石炭産業による健康や環境への影響による他人へのコストが発電コストに織り込まれていないため、一部の発電所は利益を上げ続けているが^{[16] [17] 、新しい発電所が}座礁資産になるリスクがある。^[18]国連事務総長は、 OECD諸国は2030年までに、世界のその他の国々は2040年までに石炭による発電を停止すべきだと述べた。[ ^19]

最初の石炭火力発電所は 19 世紀後半に建設され、直流電力を生成するために往復エンジンが使用されていました。20世紀初頭には蒸気タービンによってさらに大規模な発電所が建設され、交流電力がより広い地域に供給されるようになりました。

石炭は、高速道路のトラック、鉄道、はしけ、石炭運搬船、または石炭スラリーパイプラインによって運ばれます。発電所は鉱山の隣に建設されることもあります。特に、長距離輸送するほど価値のない亜炭などの石炭を採掘している鉱山では、ベルトコンベアや大型のディーゼル電気駆動トラックで石炭を受け取ることがあります。「ユニットトレイン」と呼ばれる大型の石炭列車は、長さが 2 km で、1 両あたり約 100 トンの石炭を積んだ車両が 130 ～ 140 台あり、総積載量は 10,000 トンを超えます。フル負荷の大型プラントでは、この規模の石炭輸送を毎日少なくとも 1 回は必要とします。プラントには、電力消費量が多い最も暑い夏や最も寒い冬 (地域の気候による) の「ピークシーズン」には特に、1 日に 3 ～ 5 本の列車が到着することがあります。

最新のアンローダーは回転式ダンプ装置を使用しており、これにより、底部ダンプカーでの石炭の凍結の問題が解消されます。アンローダーには、列車全体を引っ張って各車両を石炭ホッパーの上に配置するための列車ポジショナー アームが含まれています。ダンプカーは、個々の車両をプラットフォームに固定し、車両を逆さまに回転させて石炭を投棄します。回転式連結器により、車両が連結されたままですべての操作を実行できます。ユニット トレインからの荷降ろしには約 3 時間かかります。

より短い列車では、エンジンからの空気圧と各車両に装備された「ホットシュー」を利用する「エアダンプ」付きの車両が使用されることがあります。この「ホットシュー」が荷降ろし架台の「ホットレール」に接触すると、エアダンプ装置に電流が流れ、車両下部のドアが開き、架台の開口部から石炭が排出されます。このような列車の荷降ろしには、1 時間から 1 時間半かかります。古い荷降ろし装置では、手動で操作する下部ダンプ車両と、石炭を排出するための「シェーカー」が取り付けられている場合があります。

石炭船（石炭を積載する貨物船）は 41,000 トン（40,000 長トン）の石炭を積載でき、荷降ろしには数日かかります。石炭船の中には、独自の運搬設備を持ち、独自の燃料庫から石炭を降ろすものもあれば、工場の設備に頼っているものもあります。川や湖などの穏やかな水域で石炭を輸送する場合は、底が平らな荷船がよく使用されます。荷船は通常動力がなく、タグボートまたは引き船で移動する必要があります。

始動または補助目的で、プラントは燃料油を使用する場合もあります。燃料油は、パイプライン、タンカー、タンク車、またはトラックでプラントに配送されます。油は、最大 14,000 立方メートル (90,000 バレル) の容量を持つ垂直の円筒形鋼製タンクに保管されます。より重いNo. 5「バンカー」および No. 6 燃料は、寒冷気候でポンプで送り出す前に通常蒸気加熱されます。

火力発電所の一種である石炭火力発電所は、石炭に蓄えられた化学エネルギーを熱エネルギー、機械エネルギー、そして最終的に電気エネルギーに順次変換します。石炭は通常、粉砕され、その後、微粉炭ボイラーで燃焼されます。燃焼する微粉炭の熱によってボイラー水が蒸気に変換され、次に、発電機を回すタービンを回転させるために使用されます。他の燃料を燃焼する火力発電所と比較して、石炭特有の燃料処理と灰の処分が必要です。

約 200 MWを超えるユニットでは 、強制および誘引通風ファン、空気予熱器、フライアッシュ コレクターを重複して設置することで、主要コンポーネントの冗長性が確保されます。約 60 MW のユニットでは、ユニットごとにボイラーを 2 つ設置する場合もあります。最大規模の石炭火力発電所 100 か所の規模は、3,000 MW から 6,700 MW の範囲です。

石炭は、5 cm (2 インチ) 未満の大きさに粉砕されて使用準備されます。その後、石炭は、最大 4,000 トン/時の速度で コンベア ベルトによって貯蔵ヤードから工場内の貯蔵サイロに輸送されます。

粉砕された石炭を燃焼するプラントでは、サイロから石炭が粉砕機（石炭ミル）に送られ、_粉砕機は5cmの大きな破片を取り出し、タルク粉程度の大きさに粉砕し、選別して一次燃焼空気と混合します。一次燃焼空気は石炭をボイラー炉に運び、余分な水分を飛ばすために石炭を予熱します。500MWのプラントには、このような粉砕機が6台あり、そのうち5台は全負荷時に1時間あたり250トンの石炭を炉に供給できます。

粉砕された石炭を燃焼しないプラントでは、5 cm の大きな破片がサイロに直接投入され、その後、石炭を移動する火格子に落とす機械式ディストリビューター、またはより大きな燃料を効率的に燃焼できる特殊な燃焼器である サイクロンバーナーに供給されます。

亜炭（褐炭）用に設計されたプラントは、ドイツ、ビクトリア州、オーストラリア、ノースダコタ州などさまざまな場所で使用されています。亜炭は黒炭よりもはるかに若い形態の石炭です。黒炭よりもエネルギー密度が低く、同等の熱出力を得るにははるかに大きな炉が必要です。このような石炭には最大 70% の水分と灰が含まれる場合があり、炉の温度が低くなり、より大きな誘引通風ファンが必要になります。燃焼システムも黒炭とは異なり、通常は炉の出口レベルから高温ガスを引き出し、ファンタイプのミルで入ってくる石炭と混合し、粉砕された石炭と高温ガスの混合物をボイラーに注入します。

灰は灰貯留池に貯蔵されることが多い。灰貯留池を大気汚染防止装置（湿式スクラバーなど）と組み合わせて使用​​すると空気中の汚染物質の量は減少するが、その構造物は周囲の環境に深刻な健康リスクをもたらす。^[20]特に米国では、電力会社はライナーなしで貯留池を建設することが多く、そのため灰に含まれる化学物質が地下水や表層水に浸出する可能性がある。^[21]

1990年代以降、米国の電力会社は多くの新発電所に乾燥灰処理システムを採用してきました。乾燥灰は埋立地に処分されますが、埋立地には通常ライナーと地下水監視システムが備わっています。^[22]乾燥灰はコンクリート、道路建設用の構造充填材、グラウトなどの製品にリサイクルされることもあります。^[23]

フライアッシュは、炉の出口と誘引通風機の前に設置された電気集塵機または布製バッグフィルター（または両方）によって、煙道ガスから捕捉され除去されます。フライアッシュは、集塵機またはバッグフィルターの下にある収集ホッパーから定期的に除去されます。通常、フライアッシュは空気圧で貯蔵サイロに輸送され、灰溜め池に保管されるか、トラックまたは貨車で埋立地に輸送されます。

炉の底には、ボトムアッシュを収集するためのホッパーがあります。このホッパーには、炉から落ちる灰とクリンカを急冷するための水が満たされています。クリンカを粉砕し、粉砕されたクリンカとボトムアッシュを敷地内の灰置き場または敷地外の埋立地に運ぶための設備も備わっています。灰抽出機は、都市固形廃棄物燃焼ボイラーから灰を排出するために使用されます。

柔軟性には、適切に設計されたエネルギー政策、エネルギー法、電力市場が不可欠です。^[24]技術的には、一部の石炭火力発電所の柔軟性は改善できるものの、ほとんどのガス火力発電所に比べて、ディスパッチ可能な発電量を提供する能力は劣ります。最も重要な柔軟性は、最低負荷が低いことです。^{[25]ただし、柔軟性の改善によっては、}バッテリーを使用した再生可能エネルギーよりもコストがかかる場合があります。^[26]

2020年現在、^[update]燃焼される石炭の3分の2は発電用です。^[12] 2020年には石炭が34％で最大の電力源でした。^[27] 2020年の石炭発電の半分以上は中国で行われました。^[27]中国、インド、インドネシアの電力の約60％は石炭から作られています。^[3]

2020年には世界中で2,059GWの石炭火力発電所が稼働しており、50GWが稼働を開始し、25GWが建設を開始した（この3つのほとんどは中国）。また、38GWが廃止された（ほとんどが米国とEU）。^[28]

2023年には世界の石炭火力発電容量は2,130GWに増加し、中国が47.4GWを追加することになる。^{[29] : 7–64}

2021年のCOP26では、各国が「世界の石炭からクリーンな電力への誓約」に加わった。しかし、特にインドネシアやベトナムなどの発展途上国では、複雑な課題が残っている。^[30]

石炭火力発電所には、効率の順に、亜臨界、超臨界、超々臨界、コージェネレーション（熱電併給またはCHPとも呼ばれる）の4つの主要なタイプがあります。^[31]亜臨界は最も効率の悪いタイプですが、最近の技術革新により、古い亜臨界発電所を改造することで、超臨界発電所の効率と同等か、それを上回ることも可能になりました。^[32]

石炭ガス化複合発電（IGCC）は、高圧ガス化装置を使用して石炭（またはその他の炭素ベースの燃料）を加圧ガス、つまり合成ガス（合成ガス）に変える石炭発電技術です。石炭をガスに変換することで、複合サイクル発電機を使用できるようになり、通常は高い効率が得られます。IGCCプロセスでは、発電サイクルの前に合成ガスから一部の汚染物質を除去することもできます。ただし、この技術は従来の石炭火力発電所と比較してコストがかかります。

石炭は主に炭素であるため、石炭火力発電所は炭素強度が高い。平均して、石炭火力発電所は他のエネルギー源と比較して、発電単位当たりの温室効果ガス排出量がはるかに多い（エネルギー源のライフサイクル温室効果ガス排出量も参照）。2018年には、発電のために燃やされた石炭は、燃料燃焼による総排出量34 Gt ^{[34]のうち10 Gt CO} _{2 [} ^33]以上を排出した（2018年の総温室効果ガス排出量は55 Gt CO ₂ e ^[35]）。

2015年から2020年にかけて、石炭火力発電は絶対的にはほとんど減少しなかったものの、その市場シェアの一部は風力と太陽光に奪われた。^[27] 2020年に石炭火力発電が増加したのは中国のみで、世界全体では4％減少した。^[27]しかし、2021年に中国は2025年まで石炭火力発電を制限し、その後時間をかけて段階的に廃止すると宣言した。[ ^39]国連事務総長は、 OECD諸国は2030年までに、世界のその他の国々は2040年までに石炭による発電を停止すべきであり、そうでなければパリ協定の目標である地球温暖化を1.5℃に抑えることは極めて困難になると述べている。^[19]エコノミスト誌の2024年の分析では、段階的廃止の資金調達はカーボンオフセットよりも安価であると結論付けている。^[2]しかし、アジアでは発電所が比較的新しいため、段階的廃止は財政的な課題となる可能性がある。^{[3 [ 40]}ベトナムは、2040年代までに、あるいはその後できるだけ早く、石炭火力発電を段階的に廃止することを完全に約束した、石炭に依存して急速に発展している数少ない国の一つである。^[41]

アンモニアは水素密度が高く、取り扱いが容易で、ガスタービン発電における炭素フリー燃料の貯蔵として利用でき、燃料としてのCO₂排出量を大幅に削減するのに役立ちます。^[42]

日本では、大規模な商業用石炭火力発電所で大量のアンモニアを混焼できる技術を開発するための最初の大規模な4年間の試験プロジェクトが2021年6月に開始されました。^{[43] [44]}しかし、低炭素の水素とアンモニアは、電力発電とは異なり、他にクリーンな選択肢がほとんどない持続可能な船舶に求められています。 ^[45]

いくつかの発電所はガス、バイオマス、廃棄物を燃焼するように転換されており、^{[46] 2023年には}蓄熱への転換が試験的に実施される予定である。^[47]

中国では2020年に既存の石炭火力発電所の一部を炭素回収貯留設備で改修することが検討されていたが^[48]、これは非常に費用がかかり^[12]、エネルギー出力を減少させ、一部の発電所では技術的に実現不可能である。^[49]

石炭火力発電所は、微粒子の排出によって毎年何千人もの命を奪っています。微粒子とは、人間の肺やその他の臓器に入り込み、喘息、心臓病、低出生体重、がんなど、さまざまな悪影響のある健康状態を引き起こす微小な大気汚染物質です。米国だけでも、PM _2.5（直径2.5μm以下の微粒子）と呼ばれる微粒子は、20年間で少なくとも46万人の死亡を引き起こしました。^[50]

一部の国では、汚染は利用可能な最善の技術によってある程度制御されており、例えばEU ^[51]では産業排出指令を通じて制御されています。米国では、石炭火力発電所は、水銀および大気有害物質基準（MATS）規制^{[52] 、}水質汚染に関する排出ガイドライン^[53]、および資源保全回収法（RCRA）に基づく固形廃棄物規制を含むいくつかの大気汚染規制によって国家レベルで管理されています。^[54]

石炭火力発電所は、西バルカン諸国、^[55]インド、ロシア、南アフリカなどの規制が緩い国々で汚染を引き起こし続けており、^[56]毎年10万人以上の早期死亡を引き起こしています。^{[5] [57] [58]}

粒子状物質、二酸化硫黄、窒素酸化物による健康被害は主にアジアで発生しており、近代的な排ガス処理設備のない発電所で褐炭などの低品質の石炭を燃焼させることで発生することが多い。^[56]大気汚染による早期死亡者数は1GW年あたり200人と推定されているが、スクラバーを使用していない発電所周辺ではそれより多く、都市部から遠い場合はそれより少ない可能性がある。^[59]石炭排出物による硫黄、硫酸塩、またはPM _{2.5への曝露は、他のPM 2.5}成分または単位濃度あたりの他の発生源からのPM _2.5への曝露よりも、相対的な罹患率または死亡率のリスクが高い可能性があることを示す証拠がある。^[60]

裏地のない石炭灰貯蔵池や埋立地から地下水に浸出する重金属などの汚染物質は、数十年または数世紀にわたって水を汚染する可能性があります。^[61]灰貯蔵池から河川（またはその他の表層水域）に排出される汚染物質には、通常、ヒ素、鉛、水銀、セレン、クロム、カドミウムが含まれます。^[53]

石炭火力発電所から排出される水銀は、雨となって地表や水域に戻り、細菌によってメチル水銀に変換される可能性があります。 ^[62]生物濃縮により、この水銀は魚類の体内で危険な高濃度に達する可能性があります。^[63]大気中の水銀の半分以上は石炭火力発電所から発生しています。^[64]

石炭火力発電所は二酸化硫黄と窒素も排出します。^{[65]これらの排出物は}酸性雨を引き起こし、食物連鎖の再構築や魚類や無脊椎動物の個体数の減少につながる可能性があります。^{[65] [66]}

2018年現在、^[update]石炭火力発電所が最も多い中国では、特に小型で効率の低い発電所が早期に廃止されれば、2020年代と2030年代に地域汚染がさらに減少すると予測されている。^[67]

石炭火力発電所は、可用性が高く、出力の増減が比較的難しくコストもかかるため、ベースロード技術として機能する傾向がある。そのため、リアルタイムのエネルギー市場では、場所の限界価格の変化に対応できないため、パフォーマンスは低い。米国では、安価な天然ガスの出現により、特にこれが当てはまり、送電網のベースロードの役割を代替するディスパッチ可能な発電所の燃料として機能できるようになった。 ^[68]

2020年に石炭産業には180億米ドルの補助金が支給された。^[3]

石炭ファイナンスとは、石炭採掘や石炭火力発電所を含む石炭関連プロジェクトに提供される資金援助である。^{[69]世界のエネルギー情勢を形作る上での石炭ファイナンスの役割と、環境や気候への影響は、石炭ファイナンスを懸念の対象としている。石炭ファイナンスと国際的な気候目標、特に}パリ協定との不一致が注目を集めている。^[70]

パリ協定は、地球温暖化を2℃未満に抑え、理想的には1.5℃に抑えることを目指しています。これらの目標を達成するには、石炭関連の活動を大幅に削減する必要があります。^[71]

石炭火力発電への資金提供と気候目標の不一致が、財務ベースの石炭排出量計算を含む研究によって明らかになった。^[70]中国、日本、米国などの主要国は、海外の石炭火力発電インフラに財政支援を行っている。^{[69] [72]}最大の支援者は、一帯一路構想（BRI）の下にある中国の銀行である。^{[73] [69]}この支援は、長期的な気候および財政上の重大なリスクをもたらし、中国、米国、日本が署名しているパリ協定で定められた二酸化炭素排出量削減の目的を損なっている。関連する_{二酸化炭素}排出量のかなりの部分は、2019年以降に発生すると予想されている。^[70]

石炭への資金提供は、発電部門の世界的な脱炭素化に対する課題となっている。^[72]再生可能エネルギー技術がコスト競争力を持つようになると、石炭プロジェクトの経済的実行可能性は低下し、過去の化石燃料投資の魅力は低下する。^[74]これらの懸念に対処し、気候目標と整合させるために、海外の石炭への資金提供に関するより厳格な政策を求める声が高まっている。^{[69] [70]}日本や米国を含む国々は、特定の石炭プロジェクトへの資金提供を許可したことで批判に直面している。石炭プロジェクトへの公的資金提供を完全に禁止するなど、政策を強化することは、各国の気候への取り組みと信頼性を高めることになるだろう。さらに、資金提供の詳細を開示する際の透明性の向上は、環境への影響を評価する上で極めて重要である。^[70]

インドでは設備利用率は60％を下回っている。^[75] 2020年の米国の石炭火力発電所の全体的な設備利用率は40％で、累積定格出力の半分弱で稼働していたことになる。^[76]

パリ協定で規定されているように地球温暖化が2℃を大きく下回る水準に抑えられれば、2050年までに5000億ドル以上の石炭火力発電所の座礁資産が予測されており、そのほとんどは中国で発生している。 ^[77] 2020年にシンクタンクのカーボントラッカーは、石炭火力発電所の39％がすでに新しい再生可能エネルギーや蓄電池よりも高価であり、2025年までに73％になると推定した。 ^[78] 2020年現在、^[update]中国の石炭火力発電会社の約半数が赤字であり、古い小規模の発電所は「利益を上げる見込みがない」。^[79] 2021年現在、^[update]インドは補助金を支給することで潜在的な座礁資産の運用を維持している。^{[80] [81] [82]}

2021年5月、G7は年内に石炭火力発電所への支援を終了することを約束した。^[83] G7の石炭火力発電所への支援終了の約束は、2015年の23%（443GW）から2023年には15%（310GW）に減少し、より環境に優しい政策への転換を反映していることを考えると、意義深いものである。これは、石炭が依然としてエネルギー政策の中心となっている中国やインドとは対照的である。^{[29] : 11}

2023年現在、20カ国・地域（G20）は世界の石炭火力発電所の稼働容量（1,968GW）の92％と建設前容量（336GW）の88％を保有している。^{[29] : 11}

中国の石炭に関するエネルギー政策と中国の石炭は、国内に多数の石炭火力発電所があるため、石炭火力発電所の将来を左右する最も重要な要素である。^[84]ある分析によると、中央政府が運転時間を保証し、高い卸電力価格を設定したため、地方当局は2010年代半ばに石炭火力発電に過剰投資した。^[85]

民主主義国では、石炭火力発電への投資は環境クズネッツ曲線に従う。^[86]インドの石炭に関するエネルギー政策は、インドの政治における問題である。^{[87] [88]}

21世紀には、ハンバッハの森、アクベレンの森、フォス・イ・フランなどの露天掘り鉱山に対する抗議活動が頻繁に行われてきました。^{[89] [90]また、ケニア[91]や中国[92]}などの新しい鉱山計画の現場でも抗議活動が行われました。

• 石炭火力発電同盟
• グローバルエネルギーモニター

• 石炭火力発電所カルガリー大学によるエネルギー教育
• テネシー川流域開発公社による石炭火力発電所の仕組みのビデオ
• オンタリオ電力公社による石炭火力発電所の仕組みのビデオ
• 世界石炭協会による石炭からの電力
• カーボン・ブリーフが世界の石炭火力発電所を地図に表す
• 石炭を終わらせよう 2022年5月1日にWayback Machineでアーカイブされた、環境、社会正義、健康のさまざまな擁護者による
• 国際エネルギー機関による石炭火力発電
• カーボントラッカーによる石炭の経済性
• エネルギーとクリーンエア研究センター