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発電とは、一次エネルギー源から電力を生成するプロセスである。電力業界の公益事業者にとって、発電とは、最終消費者に電力を供給する（送電、配電など）前、あるいは揚水発電などの方法を用いて電力を貯蔵する前の段階を指す。
消費可能な電力は自然界に自由に存在することはないため、他の形態のエネルギーを電力に変換して「生産」する必要があります。生産は発電所（「発電所」とも呼ばれる）で行われます。発電所では、主に燃焼または核分裂を燃料とする熱機関によって駆動される電気機械式発電機によって電力が生成されますが、流れる水や風の運動エネルギーなどの他の手段によっても発電されます。その他のエネルギー源には、太陽光発電や地熱発電があります。エネルギーを回収するための斬新で投機的な方法もあり、例えば、核融合反応によって生成された高速の荷電粒子によって生成される強力な磁場から直接エネルギーを抽出することを目的とした提案されている核融合炉の設計などがあります（磁気流体力学を参照）。
石炭火力発電所、そして最終的にはガス火力発電所を段階的に廃止すること[ 1 ] 、あるいは可能であればそれらの温室効果ガス排出量を回収することは、気候変動を抑制するために必要なエネルギー転換の重要な部分である。輸送、家庭、産業のさらなる電化に伴い電力需要が大幅に増加し[ 4 ] 、太陽光発電[ 2 ]と風力発電[ 3 ]がはるかに多く必要になると予測されている[ 5 ]。しかし、2023年には、太陽光発電と風力発電の増加により、世界の電力供給がCO2排出量のピークに近づいていると報告された[ 6 ] 。
発電の基本原理は、1820年代から1830年代初頭にかけて、イギリスの科学者マイケル・ファラデーによって発見されました。彼の方法は現在でも用いられており、磁石の極の間でワイヤーのループ、すなわちファラデー円盤を動かすことによって電気を発生させるというものです。交流送電（AC）技術の開発により、高電圧かつ低損失で電力を送電できる変圧器が用いられるようになり、中央発電所が経済的に実用的になりました。
商業的な電力生産は、ダイナモと水力タービンの結合から始まった。機械による電力生産は第二次産業革命の幕開けとなり、電気を利用した数々の発明を可能にした。その主な貢献者はトーマス・アルバ・エジソンとニコラ・テスラである。それ以前は、電気を生成する唯一の方法は化学反応か電池を使用することであり、電気の実用的な用途は電信のみであった。
中央発電所での発電は1882年に始まりました。当時、ニューヨークのパールストリート駅で蒸気機関がダイナモを駆動し、直流電流を発生させてパールストリートの街灯を点灯させたのです。この新しい技術は世界中の多くの都市で急速に採用され、ガス灯を電気式に切り替えました。電気照明はすぐに公共施設や企業、路面電車や列車などの公共交通機関の動力源としても利用されるようになりました。
最初の発電所は水力または石炭を使用していた。[ 7 ]今日では、石炭、原子力、天然ガス、水力、風力、石油、太陽エネルギー、潮力、地熱源など、さまざまなエネルギー源が使用されている。
1880年代には、白熱電球の登場により電気の人気が飛躍的に高まりました。ジョセフ・スワンとトーマス・エジソン以前にも電球の発明者として認められた人物は22人いますが、エジソンとスワンの発明が群を抜いて最も成功し、普及しました。19世紀初頭には、電気科学において大きな飛躍がありました。そして19世紀後半には、電気技術と工学の進歩により、電気は日常生活の一部となりました。多くの電気発明とその日常生活への導入により、家庭における電気の需要は劇的に増加しました。この需要の増加に伴い、多くの起業家が利益の可能性を見出し、電気システムへの投資を開始し、最終的に最初の公共電力事業を設立しました。歴史上、このプロセスはしばしば電化と呼ばれます。[ 8 ]
初期の電力供給は、それぞれ独立して運営される企業によって行われていました。消費者は発電事業者から電力を購入し、発電事業者は自社の送電網を通じて電力を供給していました。技術の進歩に伴い、発電の生産性と効率も向上しました。蒸気タービンなどの発明は、発電効率だけでなく、発電の経済性にも大きな影響を与えました。熱エネルギーを機械的な仕事に変換するこの方法は、蒸気機関のそれと似ていますが、規模がはるかに大きく、生産性も格段に向上しました。これらの大規模発電所の改良は、集中型発電のプロセスにとって極めて重要であり、現在私たちが利用している電力システム全体にとって不可欠なものとなりました。
20世紀半ばにかけて、多くの公益事業者は経済的および効率上の利点から配電網の統合を開始しました。長距離送電の発明とともに、発電所の協調が始まりました。このシステムはその後、安定性と信頼性を確保するために地域系統運用者によって維持されました。家庭の電化は、1920年代に北ヨーロッパと北アメリカの大都市や都市部で始まりました。農村部で大規模な電化が実現したのは1930年代になってからです。[ 9 ]
他の形態のエネルギーを電気エネルギーに変換する基本的な方法はいくつか存在する。大規模な発電は、回転式発電機または太陽光発電システムによって行われる。電力会社が供給する電力のごく一部は、バッテリーによって供給される。ニッチな用途で使用されるその他の発電形態には、摩擦帯電効果、圧電効果、熱電効果、ベータボルタ効果などがある。
発電機は運動エネルギーを電気エネルギーに変換します。これはファラデーの法則に基づいた最も一般的な発電方法です。銅線などの導電性材料で作られた閉じたループの中で磁石を回転させることで、実験的に確認できます。商業用発電のほぼすべては電磁誘導を利用しており、機械エネルギーによって発電機が回転します。
電気化学は、電池のように化学エネルギーを電気に直接変換するものです。電気化学発電は、携帯機器や移動機器において重要です。現在、電気化学電力の大部分は電池から供給されています。[ 11 ]一般的な亜鉛炭素電池などの一次電池は直接電源として機能しますが、二次電池（充電式電池）は一次発電システムではなく蓄電システムに使用されます。燃料電池として知られる開放型電気化学システムは、天然燃料または合成燃料から電力を抽出するために使用できます。塩水と淡水が混ざり合う場所では、浸透圧発電が考えられます。
光起電力効果とは、太陽電池のように、光を電気エネルギーに変換する現象のことです。太陽光発電パネルは太陽光を直接直流電力に変換します。必要に応じて、パワーインバーターで交流電力に変換することも可能です。太陽光発電産業は1990年代以降、目覚ましい成長を遂げてきました。
発電方式の選択とその経済的実現可能性は、需要と地域によって異なります。経済性は世界各地で大きく異なり、その結果、住宅用電力の販売価格にも大きなばらつきが生じます。水力発電所、原子力発電所、火力発電所、再生可能エネルギー源にはそれぞれ長所と短所があり、選択は地域の電力需要と需要の変動に基づいて行われます。
すべての電力網には変動する負荷がかかっています。日々の最小負荷[ 12 ]はベースロードであり、多くの場合、連続運転する発電所によって供給されます。原子力、石炭、石油、ガス、および一部の水力発電所がベースロードを供給できます。天然ガスの井戸建設コストが1MWhあたり10ドル未満であれば、天然ガスによる発電は石炭燃焼による発電よりも安価になります。[ 13 ]
原子力発電所は、1基あたり膨大な量の電力を発電できます。しかし、原子力災害によって原子力発電の安全性に対する懸念が高まっており、また、原子力発電所の建設費用は非常に高額です。水力発電所は、落下する水の持つ位置エネルギーを利用してタービンを回し、発電できる地域に建設されます。しかし、貯水能力が限られていたり、年間発電サイクル中に負荷が大きく変動したりする地域では、水力発電は経済的に採算の取れる単一の発電源とはなり得ない場合があります。
電気発電機は、1830年代の電磁誘導の発見以来、単純な形で知られていました。一般的に、エンジンや上述のタービンなどの原動機が、回転する磁場を固定されたコイルに送り込み、それによって機械エネルギーを電気エネルギーに変換します。 [ 14 ]発電機を使用しない商業規模の電力生産方法は、太陽光発電と燃料電池のみです。
地球上の商業用電力のほぼすべては、風力、水力、蒸気、または燃焼ガスによって駆動されるタービンによって発電されています。タービンは発電機を駆動し、電磁誘導によって機械エネルギーを電気エネルギーに変換します。機械エネルギーを生成する方法は、熱機関、水力、風力、潮力など、多岐にわたります。電力発電の大部分は熱機関によって行われています。
これらのエンジンのエネルギーの大部分は化石燃料の燃焼によって供給され、そのかなりの割合が核分裂によるもので、一部は再生可能エネルギー源によるものです。 1884年にチャールズ・パーソンズ卿によって発明された現代の蒸気タービンは、現在、さまざまな熱源を使用して世界の電力の約55%を発電しています。タービンの種類には以下が含まれます。
タービンは蒸気以外の熱媒体も利用できます。超臨界二酸化炭素を用いたサイクルは、熱交換速度が速く、エネルギー密度が高く、発電サイクルインフラが簡素化されるため、より高い変換効率を実現できます。現在開発中の超臨界二酸化炭素混合物は、臨界圧力と臨界温度を最適化することで、さらに効率を高めることができます。
商業発電ではタービンが最も一般的だが、小型発電機はガソリンエンジンやディーゼルエンジンで駆動することもできる。これらは、非常用電源として、あるいは孤立した村落における主要な電源として使用されることがある。
2024年の世界の総発電量は30,850 TWhで、石炭（34％）、ガス（22％）、水力（14％）、原子力（9％）、風力（8％）、太陽光（7％）、石油およびその他の化石燃料（3％）、バイオマス（2％）が含まれる。[ 16 ]
電力を生成する国によって環境への懸念が異なる。フランスでは電力のわずか 10% しか化石燃料から生成されていないが、米国では 70%、中国では 80% と高い。[ 17 ]電力のクリーンさは、その供給源によって異なる。メタン漏洩(天然ガスから燃料ガス火力発電所へ) [ 18 ]および化石燃料ベースの発電からの二酸化炭素排出は、世界の温室効果ガス排出量のかなりの部分を占めている。[ 19 ]米国では、発電のための化石燃料燃焼が酸性雨の主成分である二酸化硫黄の全排出量の 65% を占めている。 [ 20 ]発電は、米国におけるNOx、一酸化炭素、および粒子状物質の複合発生源として4 番目に高い。 [ 21 ]
国際エネルギー機関（IEA）によると、気候変動の最悪の影響を回避するためには、2040年までに世界の電力生産量の85%を低炭素発電で賄う必要がある。[ 22 ]エネルギーインパクトセンター（EIC）[ 23 ]や国連欧州経済委員会（UNECE）[ 24 ]などの他の組織と同様に、 IEAもこの目標を達成するために原子力と再生可能エネルギーの拡大を求めている。[ 25 ] EICの創設者であるブレット・クーゲルマス氏のように、原子力発電は既存の大気中の炭素排出物を除去する直接空気回収にも電力を供給できるため、発電の脱炭素化の主要な方法だと考える人もいる。[ 26 ]原子力発電所は地域暖房や海水淡水化プロジェクトも生み出すことができ、炭素排出量と電力生産量拡大の必要性を抑えることができる。[ 27 ]
集中型発電と現在使用されている発電方法に関して根本的な問題となっているのは、多くの発電プロセスが環境に重大な悪影響を及ぼすことです。石炭やガスなどのプロセスは、燃焼時に二酸化炭素を放出するだけでなく、地中からの採掘も環境に影響を与えます。露天掘り炭鉱は石炭を採掘するために広大な土地を使用し、採掘後の生産的な土地利用の可能性を制限します。天然ガスの採掘では、地中から大量のメタンが大気中に放出され、地球規模の温室効果ガスを大幅に増加させます。原子力発電所は発電によって二酸化炭素を放出しませんが、核廃棄物に関連するリスクや、原子力源の使用に伴う安全上の懸念があります。
発電量1単位当たりの石炭火力発電およびガス火力発電のライフサイクル温室効果ガス排出量は、他の発電方法の少なくとも10倍であることがほとんどである。[ 28 ]
極端な高温現象は、発電、送電、配電に悪影響を及ぼし、停電（ブラックアウトまたはブラウンアウト）につながる可能性があります。外気温の上昇は、タービン、ボイラー、発電機の効率を著しく低下させ、天然ガス、石油、原子力発電所に影響を与えますが、石炭やバイオマス発電所には影響しません。水温の上昇は、化石燃料、地熱、バイオマス、原子力発電所の冷却能力を制限します。水域の蒸発量の増加により水力発電量が減少する可能性があり、高温では太陽光発電量が減少します。[ 29 ]
集中型発電とは、大規模な集中型施設で発電された電力を送電線を通して消費者に送る方式です。これらの施設は通常、消費者から遠く離れた場所にあり、高電圧送電線を通して変電所に電力を供給し、そこから消費者に配電されます。基本的な概念は、数メガワットまたはギガワット規模の大規模発電所が多数の人々に電力を供給するというものです。使用される電力の大部分は集中型発電によって生成されます。集中型発電のほとんどは、石炭や天然ガスなどの化石燃料で稼働する大規模発電所によるものですが、原子力発電所や大規模水力発電所も一般的に使用されています。[ 30 ]
集中型発電は、分散型発電とは根本的に正反対です。分散型発電とは、小規模な消費者グループに電力を供給する小規模な発電のことです。これには、太陽光発電や風力発電による独立した発電も含まれます。近年、分散型発電は、屋上太陽光発電などの再生可能エネルギー発電方法を利用する傾向があるため、人気が急上昇しています。[ 31 ]
集中型エネルギー源とは、多数の消費者に大量の電力を供給する大規模な発電所のことです。集中型発電に用いられる発電所のほとんどは火力発電所であり、燃料を用いて蒸気を加熱し、加圧ガスを発生させてタービンを回転させ、発電します。これは従来からのエネルギー生産方法です。このプロセスでは、石炭、ガス、原子力といった様々な火力発電技術を用いて広範囲に電力を供給しています。近年では、太陽光発電や風力発電も大規模化が進んでいます。
太陽光発電所は、ソーラーパーク、ソーラーファーム、太陽光発電プラントとも呼ばれ、商用電力供給用に設計された大規模な系統連系型太陽光発電システム（PVシステム）です。建物設置型やその他の分散型太陽光発電とは異なり、電力会社レベルで電力を供給し、地域ユーザーへの供給は行いません。この種のプロジェクトは、公益事業規模の太陽光発電と呼ばれることもあります。
このアプローチは、熱を利用してさまざまな従来型の発電機システムを駆動する、もう1つの主要な大規模太陽光発電技術である集光型太陽光発電とは異なります。どちらのアプローチにもそれぞれ長所と短所がありますが、今日まで、さまざまな理由から、太陽光発電技術の方がはるかに広く使用されています。2019年現在、公益事業規模の太陽光発電容量の約97%がPVです。[ 32 ] [ 33 ]
一部の国では、太陽光発電所の定格容量はメガワットピーク(MW p ) で評価され、これはソーラーアレイの理論上の最大直流電力出力を指します。他の国では、メーカーは表面積と効率を示します。しかし、カナダ、日本、スペイン、米国では、他の発電形態とより直接的に比較できる尺度であるMW ACに変換された低い公称電力出力を使用することがよく指定されています。ほとんどのソーラーパークは、少なくとも 1 MW pの規模で開発されています。2018 年現在、世界最大の稼働中の太陽光発電所は 1ギガワットを超えています。2019 年末には、約 9,000 のソーラーファームが 4 MW AC (ユーティリティ規模) より大きく、合計容量は 220 GW ACを超えています。[ 32 ]
既存の大規模太陽光発電所のほとんどは独立系発電事業者が所有・運営しているが、コミュニティや公益事業体が所有するプロジェクトの関与が増加している。[ 34 ]以前は、ほぼすべてが固定価格買取制度や税額控除などの規制上のインセンティブによって少なくとも部分的に支援されていたが、2010年代に均等化コストが大幅に低下し、ほとんどの市場でグリッドパリティが達成されたため、外部のインセンティブは通常必要ない。
水力発電とは、水力（水の力）を利用して発電する電力のことです。水力発電は世界の電力の15％ 、2023年には約4,210テラワット時（TWh）を供給しており、これは他のすべての再生可能エネルギー源を合わせた量よりも多く、原子力発電よりも多い量です。水力発電は、需要に応じて大量の低炭素電力を供給できるため、安全でクリーンな電力供給システムを構築する上で重要な要素となっています。ダムと貯水池を備えた水力発電所は、電力需要の変動に応じて発電量を数秒から数分単位で増減できるため、柔軟性の高い電源と言えます。
風力発電所（風力パークまたは風力発電所とも呼ばれる）[ 35 ]は、発電のために同じ場所に設置された風力タービンの集まりです。風力発電所の規模は、少数のタービンから、広大なエリアを覆う数百の風力タービンまで様々です。風力発電所は、陸上または洋上に設置されます。
稼働中の陸上風力発電所のうち最大規模のものは、中国、インド、米国に多くあります。例えば、世界最大の風力発電所である中国の甘粛風力発電所は、2012年までに6,000MWを超える容量を持ち[ 36 ] 、 2020年までに20,000MW [ 37 ]を目指しています[ 38 ]。2020年12月現在、英国の1,218MWのホーンシー風力発電所は、世界最大の洋上風力発電所です[ 39 ] 。個々の風力タービンの設計は出力が増大し続けており、同じ総出力を得るために必要なタービンの数は少なくなっています。
風力発電所は燃料を必要としないため、他の多くの発電方法よりも環境への影響が少なく、しばしば優れたグリーンエネルギー源として言及されます。しかし、風力発電所は、その視覚的および景観への影響について批判されています。一般的に、風力発電所は他の発電所よりも広い土地に分散する必要があり、自然豊かな農村地域に建設する必要があるため、「田園地帯の工業化」、生息地の喪失、観光客の減少につながる可能性があります。風力発電所は健康に悪影響を及ぼすと主張する批判者もいますが、ほとんどの研究者はこれらの主張を疑似科学とみなしています（風力タービン症候群を参照）。風力発電所はレーダーに干渉する可能性がありますが、米国エネルギー省によると、ほとんどの場合、「立地やその他の緩和策によって衝突は解決され、風力発電プロジェクトはレーダーと効果的に共存できるようになった」とのことです。[ 40 ]
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、[ 41 ]平均してそれぞれ 1ギガワットの発電能力があります。[ 42 ] [ 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、[ 43 ]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、[ 44 ]主に大気汚染が原因です。[ 45 ] [ 46 ] 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。[ 47 ]
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、[ 48 ]年間約 120 億トンの二酸化炭素を排出しており、[ 42 ]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。[ 49 ]中国は世界の石炭火力発電の半分以上を占めています。[ 50 ]稼働中の石炭火力発電所の総数は、ヨーロッパ [53] とアメリカ大陸 [54] での廃止により 2020 年に減少し始めましたが、アジア、特に中国と東南アジアでは建設が続いています。[ 55 ] [ 56 ]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。 [ 57 ] [ 58 ]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。[ 59 ]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。[ 60 ]
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、またそ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。[ 61 ]
天然ガスに点火して加圧ガスを生成し、そのガスでタービンを回転させて発電します。天然ガス発電所ではガスタービンを使用し、天然ガスに酸素を加えて燃焼させ、タービン内で膨張させることで発電機を回転させます。
天然ガス発電所は石炭火力発電所よりも効率的ですが、気候変動に影響を与えます。ただし、石炭火力発電所ほどではありません。天然ガスの燃焼によって二酸化炭素が発生するだけでなく、ガス採掘時に大量のメタンが大気中に放出されます。[ 62 ]
原子力発電所は、核分裂の過程から得られる熱を利用して蒸気タービンで発電します。現在、世界の電力の 11% は原子力発電によって供給されています。ほとんどの原子炉は燃料源としてウランを使用しています。核分裂と呼ばれるプロセスでは、原子核が分裂する際に熱の形でエネルギーが放出されます。原子炉では、核分裂によって発生した熱を利用して蒸気を生成し、その蒸気でタービンを回転させて発電機を駆動することで発電します。原子炉にはいくつかの種類がありますが、すべて基本的にこのプロセスを使用しています。[ 63 ]
原子力発電所からの通常の排出物は主に廃熱と放射性使用済み燃料です。原子炉事故では、大量の放射性同位元素が環境に放出され、生命に長期的な危険をもたらします。この危険性は環境保護主義者の継続的な懸念事項となっています。スリーマイル島事故、チェルノブイリ原発事故、福島原発事故などの事故は、この問題を如実に示しています。[ 64 ]
この表には、総発電容量を持つ45か国が記載されています。データは2022年のものです。エネルギー情報局によると、2022年の世界の総発電容量は約8.9テラワット（TW）で、1981年の世界の総発電容量の4倍以上でした。2022年の世界平均一人当たり発電容量は約1,120ワットで、1981年の世界平均一人当たり発電容量の約2.5倍でした。
アイスランドは、一人当たりの発電設備容量が約8,990ワットで世界最高です。先進国はすべて、一人当たりの平均発電容量が世界平均を上回っており、英国は他の先進国の中で最も低い一人当たりの平均発電容量となっています。
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。