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電力産業は、一般市民および産業界への電力の発電、送電、配電、販売を網羅しています。電力の商業的な配電は、1882年に電灯用の電力が生産されたことから始まりました。1880年代から1890年代にかけて、経済面と安全面への懸念の高まりから、電力産業の規制が始まりました。かつては人口密度の高い地域に限られていた高価な技術革新であった電力は、信頼性が高く経済的な電力供給へと進化し、先進経済のあらゆる要素の正常な運営に不可欠なものとなっています。
20世紀半ばまでに、電力は「自然独占」とみなされるようになり、限られた数の組織が市場に参加する場合にのみ効率的であると考えられていた。一部の地域では、垂直統合された企業が発電から小売まで全ての段階を担い、政府の監督によってのみ収益率とコスト構造が規制されていた。
1990年代以降、多くの地域で電力の発電と配電が分離されてきた。こうした市場は不正操作によって消費者に価格や供給の信頼性といった悪影響を及ぼす可能性があるものの、一般的には競争的な電力生産によって効率性の向上という有益な成果が得られる。しかし、送電と配電は投資収益率を容易に把握できないため、より困難な問題である。
1800年にアレッサンドロ・ボルタがボルタ電池を開発して以来、電解槽内で起こる化学反応によって電気が生成されることは知られていたものの、この方法による発電は当時も今も高価である。1831年、マイケル・ファラデーは回転運動から電気を生成する機械を考案したが、この技術が商業的に実用化されるまでには50年近くかかった。1878年、米国ではトーマス・エジソンが、地域で発電・配電された直流電力を利用した、ガス灯や暖房に代わる商業的に実用可能な電気機器を開発し、販売した。
ロバート・ハモンドは、1881年12月、イギリスのサセックス州ブライトンで、新しい電灯の試験運用を行った。この試験運用が成功したことで、ハモンドはこの事業を商業的にも法的にも確立することができた。多くの商店主が新しい電灯を使いたいと希望したためである。こうしてハモンド電力供給会社が設立された。
1882年初頭、エジソンはロンドンのホルボーン・バイアダクトに世界初の蒸気発電所を開設した。彼はロンドン市当局と3ヶ月間の契約を結び、街路灯を供給していた。やがて彼は地元の多くの消費者に電灯を供給した。供給方式は直流（DC）だった。ゴダルミングと1882年のホルボーン・バイアダクト計画は数年後に閉鎖されたが、ブライトン計画は継続され、1887年には24時間体制で電力供給が可能になった。
1882 年 9 月、エジソンはニューヨーク市にパールストリート発電所を開設したが、これも直流電源だった。エジソンは電圧変換の手段を持っていなかったため、発電所は消費者の敷地内または近くに設置された。あらゆる電気システムで選択される電圧は妥協の産物である。一定の電力を送電する場合、電圧を上げると電流が減り、必要な電線の太さも小さくなる。しかし、直接接触による危険性が高まり、必要な絶縁体の厚さも増える。さらに、一部の負荷タイプは高電圧では動作が困難または不可能だった。結果として、エジソンのシステムでは発電所を消費者の 1 マイル以内に設置する必要があった。これは都市中心部では機能したが、郊外に経済的に電力を供給することはできなかった。[ 1 ]
1880年代半ばから後半にかけて、ヨーロッパとアメリカで交流（AC）システムが導入されました。AC電力には、発電所に設置された変圧器を使用して発電機からの電圧を昇圧でき、地域の変電所の変圧器を使用して負荷に供給するために電圧を降圧できるという利点がありました。電圧を上げると、送電線と配電線の電流が減少し、導体のサイズと配電損失が減少します。これにより、長距離にわたって電力を配電することがより経済的になりました。発電機（水力発電所など）は負荷から遠く離れた場所に設置することができました。ACとDCはしばらくの間、電流戦争と呼ばれる期間に競合しました。DCシステムはわずかに安全性が高いと主張できましたが、この差は交流の技術的および経済的な大きな利点を覆すほど大きくはなく、最終的に交流が勝利しました。[ 1 ]
今日使用されている交流電力システムは、ジョージ・ウェスティングハウスをはじめとする実業家たちの支援を受けて急速に発展し、ミハイル・ドリヴォ＝ドブロヴォルスキー、ガリレオ・フェラリス、セバスチャン・ジアーニ・デ・フェランティ、リュシアン・ゴーラール、ジョン・ディクソン・ギブス、カール・ヴィルヘルム・ジーメンス、ウィリアム・スタンレー・ジュニア、ニコラ・テスラなどがこの分野に貢献した。
パワーエレクトロニクスは、固体電子工学を電力の制御と変換に応用したものです。パワーエレクトロニクスは、交流を直流に変換するために使用される水銀アーク整流器が1902 年に開発されたことから始まりました。1920 年代以降、サイラトロンとグリッド制御水銀アークバルブを電力伝送に応用する研究が続けられました。グレーディング電極により、高電圧直流(HVDC) 電力伝送に適したものになりました。1933 年にセレン整流器が発明されました。[ 2 ]トランジスタ技術は、1947 年に点接触トランジスタが発明されたことに遡り、 1948 年にバイポーラ接合トランジスタ(BJT)がそれに続きました。1950年代までに、より高出力の半導体ダイオードが利用可能になり、真空管に取って代わり始めました。1956 年にシリコン制御整流器(SCR) が導入され、パワーエレクトロニクスの応用範囲が拡大しました。[ 3 ]
パワーエレクトロニクスの画期的な進歩は、1959年のMOSFET（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）の発明によってもたらされました。MOSFETの世代を重ねることで、パワー設計者はバイポーラトランジスタでは不可能だった性能と密度レベルを達成できるようになりました。 [ 4 ] 1969年、日立は最初の垂直パワーMOSFETを発表しました。[ 5 ]これは後にVMOS（V溝MOSFET）として知られるようになりました。 [ 6 ]パワーMOSFETは、ゲート駆動電力が低い、スイッチング速度が速い、[ 7 ]高度な並列接続が容易、[ 7 ] [ 8 ]広帯域幅、堅牢性、駆動が容易、バイアスが簡単、適用が容易、修理が容易であることから、世界で最も一般的なパワーデバイスとなっています。 [ 8 ]
HVDCは、大量の電力を長距離にわたって送電したり、隣接する非同期電力系統を接続したりするためにますます利用されるようになっているが、電力の発電、送電、配電、小売の大部分は交流を使用して行われている。
電力産業は一般的に4つのプロセスに分けられます。これらは、発電所などの発電、送電、配電、小売です。多くの国では、電力会社が発電所から送電・配電インフラまで、インフラ全体を所有しています。このため、電力は自然独占とみなされています。この産業は一般的に厳しく規制されており、価格統制が行われることが多く、政府が所有・運営している場合も少なくありません。しかし、現代の傾向としては、少なくとも後者の2つのプロセスにおいて規制緩和が進んでいます。[ 9 ]
電力市場の市場改革の性質と状況は、電力会社がインフラ全体を所有することなく、これらのプロセスの一部のみに関与できるかどうか、あるいは市民がどのインフラ構成要素を利用するかを選択できるかどうかを決定づけることが多い。電力供給が自由化されている国では、電力の最終消費者は、より高価な再生可能エネルギーを選択する可能性がある。
発電とは、一次エネルギー源を電力網上で商業的に利用可能な電力に変換することです。商業用電力の大部分は、回転式電気機械である「発電機」によって生成されます。発電機は、磁場を通して導体を動かすことで電流を発生させます。発電機は、別の原動機によって回転します。一般的な系統連系型発電機では、これは蒸気タービン、ガスタービン、または水力タービンです。これらの機械の一次エネルギー源は、多くの場合、化石燃料（石炭、石油、天然ガス）、核分裂、地熱蒸気、または落差水です。風力や太陽光などの再生可能エネルギー源は、商業的にますます重要性を増しています。
発電量は電力消費量と密接に一致させる必要があるため、ピーク需要を満たすのに十分な発電容量を確保しなければなりません。同時に、発電コストを最小限に抑えるために、主要なエネルギー源を選択する必要があります。一般的に、需要増加に対応するために次に接続される発電設備は、増分コストが最も低いものとなります。発電機には、送電系統に供給される電力を調整するための自動制御機能があり、発電出力を刻々と調整して電力需要とのバランスを取ります。数十台または数百台の発電機と数千の負荷が接続された大規模な電力網では、経済性、環境性、信頼性の要件を満たすために、安定した発電機供給の管理は大きな課題となります。例えば、原子力発電所のような増分コストの低い発電設備は、接続された系統の平均「ベース負荷」を満たすために継続的に運転される一方、天然ガスタービンのような高コストのピーク負荷発電所は、ピーク負荷を満たすために日中の短時間だけ運転されることがあります。あるいは、負荷管理戦略によって、電力需要をより均等にし、コストのかかるピーク負荷を削減することも可能です。特定の電力系統向けに指定された発電機ユニットは、需要の急激な増加や他の発電機ユニットの故障に備えて「回転予備力」を確保するため、部分的な出力でのみ運転される場合がある。
発電設備は、電力生産に加えて、周波数制御、無効電力供給、停電時のブラックスタートなど、電力網に対するその他の補助サービスを提供する場合がある。発電、送電、配電の各電力会社がそれぞれ独立した事業体である場合、これらの補助サービスは商業的に価値を持つ可能性がある。
電力送電とは、発電所などの発電場所から変電所まで、電気エネルギーを大量に移動させることを指します。この移動を円滑にする相互接続された送電線は、送電網と呼ばれます。これは、高電圧変電所と顧客間のローカル配線とは異なり、後者は一般的に配電と呼ばれます。北米では、送電網と配電網を合わせたものを「電力網」または単に「グリッド」と呼びます。英国、インド、マレーシア、ニュージーランドでは、このネットワークはナショナルグリッドと呼ばれています。
広域 同期送電網（北米では「相互接続」とも呼ばれる）は、多数の発電機を直結し、同じ相対周波数の交流電力を多数の消費者に直接供給する。例えば、北米には4つの主要な相互接続網（西部相互接続網、東部相互接続網、ケベック相互接続網、テキサス州電力信頼性評議会（ERCOT）送電網）がある。ヨーロッパでは、 1つの大規模な送電網がヨーロッパ大陸の大部分を結んでいる。
歴史的には、送電線と配電線は同じ会社が所有していましたが、1990年代以降、多くの国が電力市場の規制を自由化し、送電事業と配電事業の分離につながりました。[ 11 ]
Electric power distribution is the final stage in the delivery of electric power; it carries electricity from the transmission system to individual consumers. Distribution substations connect to the transmission system and lower the transmission voltage to medium voltage ranging between 2 kV and 35 kV with the use of transformers.[12]Primary distribution lines carry this medium voltage power to distribution transformers located near the customer's premises. Distribution transformers again lower the voltage to the utilization voltage used by lighting, industrial equipment or household appliances. Often several customers are supplied from one transformer through secondary distribution lines. Commercial and residential customers are connected to the secondary distribution lines through service drops. Customers demanding a much larger amount of power may be connected directly to the primary distribution level or the subtransmission level.[13]
Electricity retailing is the final sale of electricity from generation to the end-use consumer.
The organization of the electrical sector of a country or region varies depending on the economic system of the country. In some places, all electric power generation, transmission and distribution is provided by a government controlled organization. Other regions have private or investor-owned utility companies, city or municipally owned companies, cooperative companies owned by their own customers, or combinations. Generation, transmission and distribution may be offered by a single company, or different organizations may provide each of these portions of the system.
Not everyone has access to grid electricity. About 840 million people (mostly in Africa) had no access in 2017, down from 1.2 billion in 2010.[14]
The business model behind the electric utility has changed over the years playing a vital role in shaping the electricity industry into what it is today; from generation, transmission, distribution, to the final local retailing. This has occurred prominently since the reform of the electricity supply industry in England and Wales in 1990.
1996年から1999年にかけて、連邦エネルギー規制委員会（FERC）は、米国の卸売電力市場を新規参入者に開放することを目的とした一連の決定を下した。競争を促進することで、消費者が年間40億ドルから50億ドル節約し、業界の技術革新が促進されることを期待していた。[ 15 ]すべての市場参加者が既存の州間送電線に自由にアクセスできるような措置が取られた。
完全に相互接続された送電網と統合された全国電力市場を創設することを目的としたこれらの決定は、米国の電力産業の再編をもたらした。このプロセスはすぐに2つの挫折に見舞われた。2000年のカリフォルニアのエネルギー危機とエンロンのスキャンダルと破綻である。産業の再編は進んだものの、これらの出来事は競争市場が操作される可能性があることを明らかにし、したがって適切に設計および監視する必要があることを示した。さらに、2003年の北東部大停電は、競争力のある価格設定と強力な信頼性基準の両方に焦点を当てる必要性を浮き彫りにした。[ 21 ]
一部の国では、卸売電力市場が運営されており、発電事業者と小売業者が株式や通貨と同様の方法で電力を取引しています。規制緩和がさらに進むにつれて、エネルギー市場がガス市場と同様に先物市場やスポット市場、その他の金融取引を利用するようになるため、電力会社は資産を売却せざるを得なくなります。外国による買収を伴うグローバル化も進んでいます。そのような買収の1つは、世界最大の民間電力会社である英国のナショナル・グリッドが、ニューイングランドの複数の電力会社を32億ドルで買収したことです。[ 22 ] 1995年から1997年の間に、イングランドとウェールズの12の地域電力会社（REC）のうち7社が米国のエネルギー会社に買収されました。[ 23 ]国内では、地元の電力会社とガス会社が、共同提携のメリット、特に共同計量によるコスト削減に気づき、事業を統合しました。競争的な卸売電力市場では技術革新が起こり、すでに利用されている例としては、宇宙飛行で使用される燃料電池などがあります。ジェット機で使用される航空機転用型ガスタービン、太陽光発電工学および太陽光発電システム、洋上風力発電所、そしてデジタル世界によって生み出された通信技術の進歩、特に監視と指令に役立つマイクロプロセッシングなどが挙げられる。[ 24 ]
電力需要は今後増加すると予想されている。情報革命は電力に大きく依存している。その他の成長分野としては、電力専用の新しい技術の出現、空調設備の開発、工業プロセス、輸送（例えば ハイブリッド車、機関車）などが挙げられる。[ 24 ]
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