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石炭火力発電所または石炭発電所は、石炭を燃やして発電する火力発電所です。世界には約 2,500 の石炭火力発電所があり、[ 1 ]平均してそれぞれ1 ギガワットの発電能力があります。[ 2 ] [ a ]これらは世界の電力の約 3 分の 3 を発電していますが、[ 3 ]発電量あたりの病気や早期死亡を最も多く引き起こしており、[ 4 ]主に大気汚染が原因です。[ 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 2% 増加しました。[ 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、微粉炭燃焼ボイラーで燃焼されます。炉の熱によってボイラー内の水が蒸気に変わり、その蒸気でタービンを回転させて発電機を回します。このようにして、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、そして最終的には電気エネルギーへと順次変換されます。
石炭火力発電所は気候変動の最大の原因であり、[ 8 ]年間約 120 億トンの二酸化炭素を排出しており、[ 2 ]世界の温室効果ガス排出量の約 5 分の 1 を占めています。[ 9 ]世界の石炭火力発電量の半分以上は中国が占めています。[ 10 ]稼働中の石炭火力発電所の総数は、ヨーロッパ[ 13 ]とアメリカ大陸[ 14 ]での廃止により2020 年に減少し始めましたが、 [ 11 ] [ 12 ]アジア、特に中国と東南アジアでは建設が続いています。[ 15 ] [ 16 ]石炭の生産と使用による健康および環境コストが電力価格に完全に反映されていないため、一部の発電所の収益性は外部性によって維持されています。[ 17 ] [ 18 ]しかし、新しい発電所は座礁資産になるリスクに直面しています。[ 19 ]これは、石炭火力発電所の増加率が世界で最も高い地域の一つである東南アジアにおいて特にリスクが高い。[ 20 ]
国連事務総長は、 OECD諸国に対し2030年までに石炭火力発電を段階的に廃止するよう、また世界の他の国々に対しては2040年までに廃止するよう求めている。[ 21 ]
最初の石炭火力発電所は19世紀後半に建設され、往復動エンジンを用いて直流電流を生成していた。20世紀初頭には蒸気タービンの登場により、より大規模な発電所の建設が可能となり、交流電流がより広い地域への電力供給に用いられるようになった。
石炭は、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、炭鉱の隣に建設されることもあります。特に、褐炭など、長距離輸送するほど価値のない石炭を採掘する炭鉱では、コンベアベルトや大型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。[ 22 ]「ユニットトレイン」と呼ばれる大型石炭列車は、 長さが2kmにもなり、130～140両の貨車にそれぞれ約100トンの石炭が積まれ、総積載量は10,000トンを超えます。[ 23 ]フル稼働の大規模発電所では、毎日少なくともこの規模の石炭の配送が1回必要です。発電所は、特に電力消費量が多い最も暑い夏または最も寒い冬の月（地域の気候による）の「ピークシーズン」には、1日に3～5本の列車を受け取ることがあります。
最新の荷降ろし機は回転式ダンプ装置を使用しており、底部ダンプ貨車内の石炭の凍結問題を解消しています。荷降ろし機には列車位置決めアームがあり、列車全体を引っ張って各貨車を石炭ホッパーの上に配置します。ダンプ装置は個々の貨車をプラットフォームに固定し、貨車を逆さまに回転させて石炭を排出します。回転式連結器により、貨車が連結されたまま全ての作業を行うことができます。ユニット列車の荷降ろしには約3時間かかります。[ 24 ]
短い列車では、「エアダンプ」と呼ばれる装置を備えた貨車が使用されることがあります。これは、機関車からの空気圧と各貨車に取り付けられた「ホットシュー」を利用して石炭を排出する仕組みです。この「ホットシュー」が荷降ろし橋の「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、貨車の底部の扉が開いて、石炭が橋の開口部から排出されます。このような列車の荷降ろしには、1時間から1時間半ほどかかります。古いタイプの荷降ろし装置では、今でも手動式の底部排出貨車と、石炭を排出するための「シェーカー」が使用されている場合があります。
石炭運搬船（石炭を運ぶ貨物船）は41,000トン（40,000ロングトン）の石炭を積載でき、荷揚げには数日かかる。石炭運搬船の中には、自社の燃料庫から石炭を荷揚げするための搬送設備を備えているものもあれば、工場の設備に頼っているものもある。河川や湖などの穏やかな水域で石炭を輸送する場合、平底のバージがよく使われる。バージは通常動力を持たないため、タグボートや曳航船で移動させなければならない。[ 25 ]
起動時や補助的な目的で、プラントは燃料油も使用することがある。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る。油は最大14,000立方メートル（90,000バレル）の容量を持つ垂直円筒形の鋼製タンクに貯蔵される。より重い5号「バンカー」燃料と6号燃料は、寒冷地ではポンプで送る前に通常蒸気加熱される。[ 26 ]
石炭火力発電所は、火力発電所の一種として、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、そして最終的には電気エネルギーへと順次変換します。[ 27 ] [ 28 ]石炭は通常、粉砕されてから、微粉炭燃焼ボイラーで燃焼されます。燃焼した微粉炭からの熱によってボイラー水が蒸気に変わり、その蒸気でタービンを回転させて発電機を回します。他の燃料を燃焼する火力発電所と比較すると、石炭特有の燃料処理と灰の処理が必要です。
出力が約200MWを超えるユニットでは、強制送風ファン、誘引送風ファン、空気予熱器、飛灰集塵機などの主要部品を二重に設置することで冗長性を確保している。出力が約60MWのユニットでは、代わりにユニットあたり2基のボイラーが設置される場合もある。世界最大の石炭火力発電所100基の規模は、3,000MWから6,700MWに及ぶ。
石炭は、粗炭を5cm （2インチ）以下の大きさに粉砕して使用に適した状態にする。その後、石炭は貯蔵ヤードから工場内の貯蔵サイロまで、コンベアベルトによって毎時最大4,000トンの速度で輸送される。
微粉炭を燃焼させる発電所では、サイロから供給される石炭を粉砕機（石炭ミル）に送ります。粉砕機は、5cmほどの大きな石炭片をタルク粉 状になるまで粉砕し、選別した後、一次燃焼用空気と混合します。この空気は石炭をボイラー炉に運び、余分な水分を除去するために石炭を予熱します。500MWの発電所では、このような粉砕機が6台設置されている場合があり、そのうち5台はフル稼働時に毎時250トンの石炭を炉に供給できます。
微粉炭を燃焼しない発電所では、 5cm程度の大きな石炭片を直接サイロに投入し、そこから機械式分配器（移動式火格子上に石炭を落とす装置）またはサイクロンバーナー（大きな燃料片を効率的に燃焼できる特殊な燃焼装置）に供給される。
褐炭用に設計されたプラントは、ヨーロッパ全域、特に西バルカン諸国[ 29 ]や世界中で使用されています。褐炭は、瀝青炭よりもはるかに若い形態の石炭です[ 30 ] 。瀝青炭よりもエネルギー密度が低く[ 31 ]、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%の水と灰が含まれている場合があり、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。燃焼システムも瀝青炭とは異なり、通常は炉出口レベルから高温ガスを吸い込み、ファンタイプのミルで流入する石炭と混合し、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。
灰はしばしば灰池に貯蔵される。灰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ことで大気汚染物質の量は減少するものの、これらの構造物は周辺環境に深刻な健康リスクをもたらす。[ 32 ]電力会社は、特に米国では、ライナーなしでこれらの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地表水に浸出する可能性がある。[ 33 ]
石炭に含まれるすべての物質が燃焼するわけではないため、不燃性物質は石炭自体よりも石炭灰に高濃度で含まれています。石炭灰によく見られる物質には、ヒ素、バリウム、ベリリウム、ホウ素、カドミウム、ニッケル、鉛、水銀、モリブデン、セレン、タリウムなどがあります。放射能レベルが高い場合もあります。[ 34 ]これらの物質の多く、特に重金属は、摂取すると人体に悪影響を及ぼす可能性があります。生物濃縮により、動物体内の不要な化学物質の濃度は食物連鎖を上るにつれて増加する可能性があります（マグロの水銀と同様）。燃焼生成物である石炭灰はこれらの元素を濃縮し、灰池からの漏洩があると地下水や地表水を汚染する可能性があります。[ 35 ]
1990年代以降、米国の電力会社は多くの新しい発電所を乾燥灰処理システムで設計してきました。乾燥灰は埋立地に処分され、埋立地には通常、遮水シートと地下水モニタリングシステムが含まれています。[ 36 ]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。[ 37 ]
飛灰は、炉の出口、誘引送風機の手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（あるいは両方）によって排ガスから捕捉・除去されます。飛灰は、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回収されます。一般的に、飛灰は空気圧で貯蔵サイロに運ばれ、敷地内の灰池に保管されるか、トラックまたは鉄道貨車で埋立地に輸送されます。
炉底には、底灰を収集するためのホッパーが設置されています。このホッパーには、炉から落下する灰やクリンカーを冷却するために水が満たされています。クリンカーを粉砕し、粉砕されたクリンカーと底灰を敷地内の灰池、または敷地外の埋立地へ搬送する装置も備えられています。灰抽出機は、都市ごみを燃料とするボイラーから灰を排出するために使用されます。
効果的なエネルギー政策、法律、電力市場は、グリッドの柔軟性にとって不可欠です。[ 38 ]一部の石炭火力発電所の柔軟性は向上させることができますが、一般的に、ほとんどのガス火力発電所よりも調整可能な発電量が少なくなります。柔軟性の重要な側面は、最小負荷が低いことです。[ 39 ]ただし、石炭火力発電所の柔軟性を向上させるための特定のアップグレードは、蓄電池を備えた再生可能エネルギー源を導入するよりもコストがかかる場合があります。[ 40 ]
2020年現在燃焼される石炭の3分の2は発電用である。[ 12 ] 2020年には石炭が34%で最大の電力源であった。[ 41 ] 2020年の世界の石炭火力発電の半分以上は中国で行われ、[ 41 ]中国、インド、インドネシアでは石炭が電力の約60%を供給した。[ 3 ]
2020年には、世界中で2,059 GWの石炭火力発電設備が稼働しており、50 GWが新たに稼働開始、25 GWが建設中（主に中国）、38 GWが廃止（主に米国とEU）した。[ 42 ]
2023年までに、世界の石炭火力発電容量は2,130GWに増加したが、これは主に中国における 47.4GWの増設によるものである。 [ 43 ]： 7-64
2021年の国連気候変動枠組条約締約国会議（COP26）において、一部の国は「石炭からクリーンエネルギーへの移行に関する世界声明」を通じて石炭火力発電からの脱却を誓約したが、特にインドネシアやベトナムなどの発展途上国では、依然として大きな課題が残っている。[ 44 ]
従来の石炭火力発電所には主に 3 つのタイプがあります。効率の低い順に、亜臨界、超臨界、超々臨界です。[ 45 ]コジェネレーション プラント(熱電併給または CHP とも呼ばれる)などの他の技術は、さらに効率的です。[ 46 ]亜臨界は最も効率の低いタイプですが、最近のイノベーションにより、古い亜臨界プラントを改造して、超臨界プラントの効率に匹敵するか、それを上回ることも可能になりました。[ 47 ]
統合ガス化複合サイクル（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系燃料）を加圧合成ガス（シンガス）に変換する石炭ベースの発電技術です。ガス化プロセスにより、複合サイクル発電機の使用が可能になり、通常はより高い効率が達成されます。IGCCはまた、発電前にシンガスから特定の汚染物質を除去することも容易にします。ただし、この技術は従来の石炭火力発電所よりも高価です。[ 48 ] [ 49 ]
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。平均的に、石炭火力発電所は、他のエネルギー源と比較して、発電量1単位あたりはるかに多くの温室効果ガスを排出する（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、発電のために燃焼された石炭から、燃料燃焼による総排出量34 Gt [ 51 ]のうち10 Gt CO 2 [ 50 ]以上が排出された（2018年の温室効果ガス総排出量は55 Gt CO 2 e [ 52 ]であった）。
2015年から2020年にかけて、石炭火力発電量は絶対値で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発電と太陽光発電に奪われた。[ 41 ] 2020年には中国だけが石炭火力発電量を増やし、世界全体では4%減少した。[ 41 ]しかし、2021年に中国は2025年まで石炭火力発電量を制限し、その後段階的に廃止すると宣言した。[ 56 ]国連事務総長は、OECD諸国は2030年までに、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、さも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。[ 21 ]エコノミスト誌による2024年の分析では、段階的廃止への資金調達は炭素オフセットよりも安価であると結論付けられた。[ 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に困難となる可能性がある。[ 3 ]中国では、発電所の閉鎖による副次的効果は立地によって大きく異なる。[ 57 ]ベトナムは、石炭に依存している急速に発展している国の中で、2040年代までに、またはそれ以降できるだけ早く、未処理の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数少ない国の1つである。[ 58 ]
アンモニアは水素密度が高く、取り扱いが容易です。ガスタービン発電における炭素フリー燃料の貯蔵に使用でき、燃料としてCO2排出量を大幅に削減するのに役立ちます。 [ 59 ]
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4年間の大規模試験プロジェクトが2021年6月に開始されました。[ 60 ] [ 61 ]しかし、低炭素水素とアンモニアは持続可能な海運で需要があり、発電とは異なり、クリーンな選択肢はほとんどありません。[ 62 ]
一部の発電所はガス、バイオマス、または廃棄物を燃焼するように転換されており、 [ 63 ] 2023年には熱貯蔵への転換が試験される予定です。[ 64 ]
2020年には中国で既存の石炭火力発電所の一部に二酸化炭素回収・貯留設備を後付けすることが検討されていたが[ 65 ]、これは非常に高価であり[ 12 ] 、エネルギー出力を低下させ、一部の発電所では技術的に実現不可能である[ 66 ] 。
石炭火力発電所は、微粒子状物質の排出によって毎年何千人もの命を奪っています。微粒子状物質は、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、癌など、さまざまな健康被害を引き起こす微細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）として知られるこのような微粒子は、過去20年間で少なくとも46万人の超過死亡を引き起こしました。[ 67 ]
一部の国では、汚染は利用可能な最良の技術によってある程度抑制されており、たとえばEUでは産業排出指令を通じて抑制されています[ 68 ]。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[ 69 ] 、水質汚染に関する排水ガイドライン[ 70 ]、および資源保全回復法（RCRA）に基づく固体廃棄物規制[ 71 ]など、いくつかの大気汚染規制によって国家レベルで規制されています。
石炭火力発電所は、西バルカン諸国[ 72 ]、インド、ロシア、南アフリカ[ 73 ]などの規制の緩い国々で汚染を続けており、毎年10万人以上の早期死亡を引き起こしている[ 5 ] [ 74 ] [ 75 ] 。
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、多くの場合、最新の排ガス処理設備のない発電所で亜炭などの低品質の石炭を燃焼させることが原因です。[ 73 ]大気汚染による早期死亡は、GW-年あたり200人と推定されていますが、スクラバーを使用していない発電所周辺ではそれより高くなる可能性があり、都市から遠い場合は低くなる可能性があります。[ 76 ]証拠によると、石炭排出物からの硫黄、硫酸塩、またはPM 2.5への曝露は、単位濃度あたり他のPM 2.5成分または他の発生源からの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ります。[ 77 ]
裏打ち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、数十年あるいは数世紀にわたって水を汚染する可能性がある。 [ 78 ]灰池から河川（またはその他の地表水域）への汚染物質の排出には、通常、ヒ素、鉛、水銀、セレン、クロム、カドミウムが含まれる。[ 70 ]
石炭火力発電所からの水銀排出物は雨によって陸地や水面に降り注ぎ、バクテリアによってメチル水銀に変換される。 [ 79 ]生物濃縮によって、この水銀は魚類の中で危険なほど高濃度になる可能性がある。[ 80 ]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る。[ 81 ]
石炭火力発電所は二酸化硫黄と窒素も排出する。[ 82 ]これらの排出物は酸性雨を引き起こし、食物連鎖を再構築し、魚類や無脊椎動物の個体群の崩壊につながる可能性がある。[ 82 ] [ 83 ]
2018年現在石炭火力発電所が圧倒的に多い中国では、2020年代と2030年代には、特に小型で効率の低い発電所が早期に廃止されれば、局地的な汚染がさらに減少すると予測されている。[ 84 ]
石炭火力発電所は、稼働率が高く、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ります。そのため、リアルタイムのエネルギー市場では、場所ごとの限界価格の変化に対応できないため、性能が劣ります。米国では、安価な天然ガスの出現により、この傾向が特に顕著になっています。天然ガスは、送電網のベースロードの役割を代替する調整可能な発電所の燃料として使用できます。[ 85 ]
2020年には石炭産業に180 億米ドルの補助金が支給された。[ 3 ]
石炭融資とは、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のことである。[ 86 ]世界のエネルギー情勢を形成する上でのその役割と、環境および気候への影響から、懸念の対象となっている。石炭融資が国際的な気候目標、特にパリ協定と整合していないことが注目を集めている。[ 87 ]
パリ協定は、地球温暖化を摂氏2度未満に抑え、理想的には摂氏1.5度に抑えることを目指している。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る。[ 88 ]
石炭排出量の財務会計を含む研究により、石炭融資と気候目標との不一致が明らかになった。[ 87 ]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きた。[ 86 ] [ 89 ]最大の支援者は、一帯一路構想（BRI）の下での中国の銀行である。[ 90 ] [ 86 ]この支援は、重大な長期的な気候および金融リスクをもたらし、中国、米国、日本が署名国であるパリ協定で設定されたCO2排出量削減の目標を損なう。関連するCO2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。[ 87 ]
石炭融資は、発電部門の世界的な脱炭素化に課題を突きつけている。[ 89 ]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現可能性は低下し、過去の化石燃料投資の魅力は薄れる。[ 91 ]これらの懸念に対処し、気候目標に沿うために、海外の石炭融資に関するより厳格な政策を求める声が高まっている。[ 86 ] [ 87 ]日本や米国を含む国々は、特定の石炭プロジェクトへの融資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融資を全面的に禁止するなどして政策を強化することは、気候変動対策と信頼性を高めることになるだろう。さらに、融資の詳細を開示する際の透明性を高めることは、環境への影響を評価する上で不可欠である。[ 87 ]
インドでは設備利用率が60%を下回っている。[ 92 ] 2020年の米国の石炭火力発電所の総合設備利用率は40%で、これは累積定格容量の半分弱で稼働していたことを意味する。[ 93 ]
パリ協定 で規定されているように地球温暖化が2℃未満に抑えられた場合、 2050年までに5,000億米ドルを超える石炭火力発電所の座礁資産が予測され、そのほとんどは中国に集中する。[ 94 ] 2020年、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よりもコストが高く、2025年までに73%がそうなると推定した。 [ 95 ] 2020年現在、 中国の石炭火力発電会社の約半数は赤字で、老朽化して小規模な発電所は「利益を上げる見込みがない」。[ 96 ] 2021年現在インドは、潜在的な座礁資産を補助金によって稼働させ続けている。[ 97 ] [ 98 ] [ 99 ]
2021年5月、G7は同年中に石炭火力発電所への支援を終了することを約束した。[ 100 ] G7の石炭支援終了へのコミットメントは、石炭火力発電容量が 2015年の23%（443GW）から2023年には15%（310GW ）に減少したことから、より環境に優しい政策への転換を反映しており、重要な意味を持つ。これは、石炭がエネルギー政策の中心であり続ける中国とインドとは対照的である。[ 43 ]： 11
2023年現在、 G20（主要20カ国・地域）は世界の稼働中の石炭火力発電容量の92％（1,968 GW）と建設準備中の容量の88％（336 GW）を保有している。[ 43 ]： 11
中国の石炭に関するエネルギー政策と中国国内の石炭は、同国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に関して最も重要な要素である。[ 101 ]ある分析によると、中央政府が稼働時間を保証し、卸売電力価格を高く設定したため、2010年代半ばに地方当局は石炭火力発電に過剰投資した。[ 102 ]
民主主義国家では、石炭火力発電への投資は環境クズネッツ曲線に従う。[ 103 ]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。[ 104 ] [ 105 ]
21世紀には、ハンバッハの森、アクベレンの森、フォス・イ・フランなどで露天掘り鉱山に対する抗議活動が頻繁に行われており[ 106 ] [ 107 ] 、ケニア[ 108 ]や中国[ 109 ]などの新しい工場の建設予定地でも抗議活動が行われている。
1882年以降の石炭からの累積排出量は8000億トンに達し、今日の地球を1882年よりも約1.2℃温暖化させている最大の要因となっている。その石炭のほとんどは発電のために燃やされてきた。今日の発電所は年間約120億トンを生産している。
世界の稼働中の石炭火力発電所は年間2%増加し、現在2,130 GWとなっている […] 図16：世界の石炭火力発電容量はパリ協定にもかかわらず着実に成長を続けており、2023年には2%増加した
石炭火力発電所は世界の温室効果ガス排出量の5分の1を占めており、これは他のどの単一発生源よりも多い。
中国は2020年に世界の石炭火力発電量の53％を発電し、5年前より9パーセントポイント増加した。
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