電化

電化とは、電気で動力を得るプロセスであり、多くの場合、以前の動力源から切り替えることによってそのような動力を導入することを意味します。技術と経済発展の歴史の文脈では、電化とは発電および配電システムの構築を指します。持続可能なエネルギーの文脈では、電化とは再生可能エネルギーへのエネルギー移行と最終用途の電気への切り替えに対応するために、エネルギー貯蔵を備えたスーパーグリッドの構築を指します。^{[引用が必要]}

経済の特定分野の電化は、特に文脈から外れて、工場の電化、家庭の電化、農村の電化、鉄道の電化などの修飾された用語で呼ばれます。持続可能なエネルギーの文脈では、輸送の電化（電気自動車を指す）や暖房の電化（ヒートポンプを指す）などの用語が使用されます。また、石炭やコークスの加熱からの製錬、溶解、分離、精製などの産業プロセスの変更にも適用される場合があります^{[説明が必要] 。または、化学プロセスから、}電気アーク炉、電気誘導または抵抗加熱、電気分解または電解分離などの何らかのタイプの電気プロセスへの変更にも適用される場合があります。

電化は米国工学アカデミーによって「20世紀最大の工学的成果」と呼ばれており、^[1]富裕国と貧困国の両方で継続しています。^{[2] [3]}

電気照明は非常に望ましい。電気照明は石油やガスのランプよりもはるかに明るく、すすも出ない。初期の電気は今日に比べて非常に高価だったが、石油やガスの照明よりもはるかに安く便利だった。電気照明は石油やガスよりもはるかに安全であったため、一部の企業は保険料の節約で電気代を支払うことができた。^[4]

1851年、チャールズ・バベッジは次のように述べました。

高度な技術を持つ労働者（エンジニア）にとって最も重要な発明の1つは、おそらく半人分から馬2頭分の力で、いつでも作動を開始したり停止したりでき、管理に時間をかけず、初期費用と日々の費用の両方でそれほどコストがかからない小型の動力源です。^[5]

蒸気機関を効率的にするには、数百馬力が必要でした。蒸気機関とボイラーには、オペレーターとメンテナンスも必要でした。これらの理由から、最も小型の商用蒸気機関は約2馬力でした。これは、多くの小規模な工場の需要を上回っていました。また、小型の蒸気機関とボイラーのコストは約7,000ドルですが、1/2馬力しか出せない古い盲馬のコストは20ドル以下でした。^[6] 馬を動力源とする機械のコストは300ドル以下でした。^[7]

多くの動力要件は馬のそれよりも低かった。木工旋盤などの作業機械は、1人または2人のクランクで動くことが多かった。家庭用ミシンは足踏み式だったが、工場のミシンはラインシャフトから蒸気で動いていた。バターを撹拌するのに改造できるトレッドミルなどの機械では、犬が使われることもあった。^[8]

19世紀後半には、特別に設計された発電所の建物が小規模な商店にスペースを貸し出していた。これらの建物は、蒸気機関からラインシャフトを通じてテナントに電力を供給していた。^[8]

中央発電所の発電は小型蒸気機関よりも効率的であり、ラインシャフトとベルトの摩擦損失が大きかったため、電気モーターは小型蒸気機関よりも数倍効率的でした。^{[9] [8]}

電気モーターは人力や動物力よりも効率的でした。動物飼料を動力源とするモーターの変換効率は4～5％ですが、石炭を使った発電では30％を超えます。^{[10] [11]}

電化と経済成長は高い相関関係にある。^[12]経済学では、発電の効率は技術進歩と相関関係にあることが示されている。^{[10] [12]}

米国では1870年から1880年にかけて、1人当たり0.55馬力の電力が供給されていました。1950年には1人当たり5馬力となり、年間2.8%の増加となり、1930年から1950年にかけては1.5%に減少しました。 ^[13] 1900年から1940年にかけての工場や家庭の電化の時代は、生産性と経済成長が高かった時代でした。

電化と電力網に関する研究のほとんどは、ヨーロッパとアメリカの工業中核国に焦点を当てている。他の地域では、有線電気は植民地支配の回路上や回路を通じて供給されることが多かった。一部の歴史家や社会学者は、植民地政治と電力網の発達の相互作用を検討した。インドでは、ラオ^[14]は、技術地理学的考慮ではなく、言語に基づく地域政治が2つの別々の電力網の創設につながったことを示した。植民地時代のジンバブエ（ローデシア）では、チコウェロ^[15]は、電化は人種に基づいており、白人入植者コミュニティに役立ち、アフリカ人は排除されたことを示した。そして、委任統治領パレスチナでは、シャミール^{[16] [ページ必要]}は、イギリスがシオニスト所有の会社に電力利権を与えたことで、アラブ人とユダヤ人の経済格差が深まったと主張した。

都市や住宅の電化は19世紀後半から始まっているが、2010年の12億人から2017年には約8億4000万人（主にアフリカ）が電力網にアクセスできない状態に陥っている。^[18]

1970年代と1980年代には電化が大幅に進み、1970年には世界人口の49%が電化されていたのに対し、1990年には76%にまで増加しました。 ^{[19] [20]} 2010年代初頭までに、世界人口の81～83%が電力を利用できるようになりました。^[21]

クリーンエネルギーは、再生可能エネルギーや原子力など、主に電気の形で生成されます。これらのエネルギー源に切り替えるには、世界のエネルギーシステムを持続可能にするために、輸送や暖房などの最終用途を電化する必要があります。

米国とカナダでは、太陽光発電（PV）装置で電力を供給し、農村部のプロパン暖房^[23]と都市部の天然ガス暖房[ ^{24]を相殺する}ヒートポンプ（HP）の使用は経済的です。 2023年の研究^[25]では、（1）住宅用天然ガスベースの暖房システムと系統電力、（2）電気負荷に対応するためにPVを備えた住宅用天然ガスベースの暖房システム、（3）系統電力を備えた住宅用HPシステム、および（4）住宅用HP + PVシステムが調査されました。典型的なインフレ条件下では、天然ガスと可逆的な空気源ヒートポンプのライフサイクルコストはほぼ同じであることがわかりました。これは、米国でヒートポンプの販売が高インフレ期に初めてガス炉の販売を上回った理由を部分的に説明しています。^[26]インフレ率の上昇またはPV資本コストの低下により、PVは価格上昇に対するヘッジとなり、電気と暖房の両方のコスト増加を固定することでヒートポンプの採用を促進します。研究^[25]は次のように結論づけている。「このようなプロシューマー技術の実質的な内部収益率は長期預金証書の20倍であり、これはPVとHP技術が炭素排出量を大幅に削減しながら、比較的安全な投資手段よりもプロシューマーに付加価値を提供していることを示している。」このアプローチは、ヒートポンプ+太陽エネルギー暖房システムに熱電池を統合することで改善できる。^{[27] [28]}

持続可能な液体燃料の生産よりも、持続可能な電気の生産の方が簡単です。したがって、電気自動車の導入は、輸送をより持続可能にする方法です。^[29] 水素自動車は、長距離トラックなど、まだ広く電化されていない大型車両にとって選択肢となる可能性があります。^[30]電気自動車技術は道路輸送では比較的成熟していますが、電気船舶と航空はまだ開発の初期段階にあるため、持続可能な液体燃料はこれらの分野でより大きな役割を果たす可能性があります。^[31]

世界人口の大部分は、自宅に十分な冷房設備を導入する余裕がありません。電化と追加電力需要を必要とするエアコンに加え、持続可能な方法で冷房のニーズを満たすためには、パッシブな建築設計と都市計画が必要になります。^{[32]同様に、発展途上国と先進国の多くの世帯は}燃料貧困に苦しみ、家を十分に暖めることができません。^[33]既存の暖房方法は、しばしば汚染を引き起こします。

暖房の重要な持続可能な解決策は電化（ヒートポンプ、または効率の低い電気ヒーター）です。IEAは、ヒートポンプは現在、世界的に空間と水の暖房需要のわずか5％しか満たしていないが、90％以上を供給できると推定しています。^[34]地中熱ヒートポンプを使用すると、暖房と冷房に関連する年間の総エネルギー負荷が削減されるだけでなく、夏のピーク時の極端な電力供給要件がなくなるため、電力需要曲線が平坦になります。^[35]ただし、ヒートポンプと抵抗加熱だけでは、産業用熱の電化には不十分です。これは、いくつかのプロセスで、これらのタイプの機器では達成できないより高い温度が必要になるためです。たとえば、蒸気分解によるエチレンの生産には、900℃もの高温が必要です。したがって、大幅に新しいプロセスが必要です。それでも、電力から熱への変換は化学産業の電化の第一歩になると予想されており、2025年までに大規模に導入されると予想されています。 ^[36]

米国のいくつかの都市では、新築住宅へのガス接続を禁止し始めており、州法が可決され、電化を義務付けるか、地域の要件を禁止するかが検討されている。^[37]英国政府は、気候目標を達成するために、家庭暖房の電化を実験している。 [38]調理台用のセラミック加熱と誘導加熱、および産業用途（スチームクラッカーなど）は、天然ガスからの移行に使用できる技術の例である。^[39]

電気は「粘着性」のあるエネルギーであり、生産された大陸や島に留まる傾向がある。また、複数の供給源があり、1つの供給源が不足しても、再生可能エネルギー源を含む他の供給源から電力を生産することができる。その結果、長期的には比較的回復力のあるエネルギー伝送手段である。^[40]短期的には、電気は消費されると同時に供給されなければならないため、現地で配送および貯蔵できる燃料と比較すると、やや不安定である。しかし、これはグリッドエネルギー貯蔵と分散型発電によって緩和することができる。

太陽光と風力は変動性のある再生可能エネルギー源であり、天候や時間帯に応じて断続的に電力を供給する。^{[41] [42]}ほとんどの電力網は、石炭火力発電所などの非断続的なエネルギー源向けに構築された。^[43]より多くの太陽光と風力エネルギーが電力網に統合されるにつれて、電力供給が需要に一致するようにエネルギーシステムに変更を加える必要がある。^[44] 2019年には、これらのエネルギー源は世界の電力の8.5％を生成し、そのシェアは急速に増加している。^[45]

電力システムをより柔軟にする方法は様々です。多くの場所では、風力と太陽光発電は日ごとおよび季節ごとに補完的です。太陽エネルギーの生産量が少ない夜間や冬には風が多くなります。^[44]地理的に離れた地域を長距離送電線で結ぶと、変動性をさらに相殺することができます。^{[46]エネルギー需要は}、エネルギー需要管理とスマートグリッドの使用を通じて時間的にシフトでき、変動エネルギーの生産が最も高くなる時間に合わせて調整できます。貯蔵により、余剰に生産されたエネルギーを必要なときに放出できます。^{[44]風力発電と太陽光発電の追加容量を構築することで、悪天候でも十分な電力を生産できるようになります。最適な天候のときは、エネルギー生産を}削減する必要があるかもしれません。最終的なミスマッチは、水力発電、バイオエネルギー、天然ガスなどのディスパッチ可能なエネルギー源を使用することでカバーできます。^[47]

エネルギー貯蔵は、断続的な再生可能エネルギーの障壁を克服するのに役立ち、したがって持続可能なエネルギーシステムの重要な側面です。^[48]最も一般的に使用されている貯蔵方法は揚水式水力発電ですが、高低差が大きく水にアクセスできる場所が必要です。^[48] バッテリー、特にリチウムイオンバッテリーも広く導入されています。^[49]これらにはコバルトが含まれており、その大部分は政治的に不安定な地域であるコンゴで採掘されています。地理的に多様な調達により、サプライチェーンの安定性が確保され、ダウンサイクルとリサイクルによって環境への影響を軽減できます。^{[50] [51]}バッテリーは通常、短期間電気を貯蔵します。季節を超えて持続するのに十分な容量を持つ技術の研究が進行中です。^[52]数か月の使用容量を備えた揚水式水力貯蔵とパワーツーガスは、いくつかの場所で実装されています。^{[53] [54]}

2018年現在、熱エネルギー貯蔵は化石燃料を燃やすほど便利ではない。初期費用が高いことが導入の障壁となっている。季節的な熱エネルギー貯蔵には大容量が必要であり、一部の高緯度地域では家庭用暖房として導入されている。^[55]

電気の最も初期の商業的利用は電気メッキと電信であった。^[56]

1831年から1832年にかけて、マイケル・ファラデーは電磁発電機の動作原理を発見しました。後にファラデーの法則と呼ばれるこの原理は、磁場中を移動する電線など、変化する磁束の影響を受ける導電体に発生する起電力に基づいています。ファラデーは、馬蹄形磁石の極の間で回転する銅のディスクを使用した、同極発電機の一種であるファラデーディスクと呼ばれる最初の電磁発電機を製作しました。ファラデーの最初の電磁発電機は、小さな直流電圧を生成しました。

1832年頃、イポリット・ピクシーは馬蹄形に巻かれたワイヤーを使ってマグネトーを改良した。このコイルは導体を増やしてより多くの電流を発生させたが、それは交流電流だった。アンドレ・マリー・アンペールは、ピクシーのマグネトーからロッキングスイッチを使って電流を直流に変換する方法を提案した。後にセグメント化された整流子が直流電流を生成するために使用された。^[57]

1838年から1840年頃、ウィリアム・フォザーギル・クックとチャールズ・ホイートストンが電信機を開発した。1840年、ホイートストンは電信機に電力を供給するために開発したマグネトを使用していた。ホイートストンとクックは永久磁石の代わりに電池駆動の電磁石を使用することで発電に重要な改良を加え、1845年に特許を取得した。^[58]自己励磁磁場ダイナモは電磁石に電力を供給する電池を不要にした。このタイプのダイナモは1866年に数人によって作られた。

最初の実用的な発電機であるグラム発電機は、1870年代にこの機械を多数販売したZTグラム社によって製造された。イギリスの技術者REBクロンプトンは、発電機を改良して空気冷却を改善し、その他の機械的な改良も行った。負荷に対してより安定した電圧を与える複合巻線は、発電機の動作特性を改善した。^[59]

19 世紀に発電技術が改良されたことで、効率と信頼性が大幅に向上しました。最初のマグネト発電機は、機械エネルギーの数パーセントしか電気に変換できませんでした。19 世紀末までに、最高効率は 90% を超えました。

ハンフリー・デービー卿は、炭素電極で電気によって光のアークを発生させることができることを発見し、1802 年に炭素アークランプを発明しました。しかし、実用的な発電方法が開発されるまで、このランプはあまり広く使用されることはありませんでした。

カーボンアークランプは、2つのカーボン電極を接触させて点火し、その後狭い隙間に離す。カーボンは燃え尽きるため、隙間を常に再調整する必要があった。アークを制御するためにいくつかの機構が開発された。一般的な方法は、重力でカーボン電極に電力を供給し、一対の電磁石で隙間を維持するというもので、そのうちの1つはアークが始動した後に上部のカーボンを引っ込め、もう1つは重力供給のブレーキを制御するものであった。^[8]

当時のアーク灯は、4,000カンデラという非常に強い光出力を持ち、大量の熱を放出し、火災の危険性もあったため、住宅の照明には適していませんでした。^[57]

1850年代、ウィリアム・ペトリーとウィリアム・ステイトが発明したアーク灯によって、これらの問題の多くは解決されました。この灯は磁気発電機を使用し、2本の炭素棒の間の隙間を制御する自動調整機構を備えていました。その光はロンドンのナショナル・ギャラリーを照らすために使用され、当時としては大きな目新しいものでした。大型のマグネトーで駆動するこれらのアーク灯とそれに似た設計は、1850年代半ばにイギリスの灯台に初めて設置されましたが、この技術には電力制限がありました。^[60]

最初の成功したアーク灯（ヤブロチコフ・キャンドル）は、グラム発電機を使用してロシアの技術者パベル・ヤブロチコフによって開発されました。その利点は、以前のもののように機械的な調整器を使用する必要がないことです。1878年のパリ万博で初めて展示され、グラムによって大々的に宣伝されました。^[61]アーク灯は1878年にオペラ通り、テアトル・フランセ広場、オペラ広場周辺の半マイルに沿って設置されました。^[62]

REB クロンプトンは 1878 年に、ヤブロチコフ キャンドルよりもはるかに明るく安定した光を出す、より洗練されたデザインを開発しました。1878 年に彼はクロンプトン & Co.を設立し、クロンプトン ランプの製造、販売、設置を始めました。彼の会社は、世界初の電気工学会社の一つでした。

白熱電球にはさまざまな形があり、多数の発明家がいたが、初期の最も成功した電球は高真空に密封された炭素フィラメントを使用したものだった。これらは1878年にイギリスでジョセフ・スワン、1879年にアメリカでトーマス・エジソンが発明した。エジソンの電球はスワンのものよりも成功したが、それはエジソンがより細いフィラメントを使用したため抵抗が高くなり、電流がはるかに少なかったためである。エジソンは1880年に炭素フィラメント電球の商業生産を開始した。スワンの電球は1881年に商業生産を開始した。^[63]

ゲーツヘッドのローフェルにあるスワンの家は、実際に使える電球が設置された世界初の家でした。ニューカッスルのリト＆フィル図書館は、電気で照らされた最初の公共の部屋でした。^{[64] [65]}サヴォイ劇場は、完全に電気で照らされた世界初の公共の建物でした。^[66]

公共電力を供給した最初の中央発電所は、 1881年秋にイギリスのサリー州ゴダルミングに設置されたと考えられている。このシステムは、町がガス会社から請求される料金について合意に達することができなかったため、町議会が電気を使用することを決定した後に提案された。このシステムにより、大通りのアーク灯と数本の脇道の白熱灯が水力発電で点灯した。1882年までに8～10世帯が接続され、合計57個の照明がついた。このシステムは商業的には成功せず、町はガスに戻った。^[67]

最初の大規模な中央配電所は1882年にロンドンのホルボーン・ヴァイアダクトに開設された。 ^{[68]古いガス灯に代わる1000個の白熱電球を備えたこの駅は、}中央郵便局の事務所や有名なシティ・テンプル教会を含むホルボーン・サーカスを照らした。供給は110ボルトの直流であったが、銅線での電力損失のため、顧客にとっては100ボルトとなった。

数週間のうちに、議会委員会は画期的な1882年電気照明法の可決を勧告した。この法律により、個人、企業、地方自治体は、公共または私的な目的に電気を供給するための免許を取得できるようになった。

アメリカで最初の大規模な中央発電所は、1882年9月に稼働を開始したニューヨークのエジソンのパールストリート発電所であった。この発電所には200馬力のエジソン製発電機が6台あり、それぞれが独立した蒸気エンジンで駆動していた。この発電所はビジネスおよび商業地区に位置し、400個のランプを備えた85の顧客に110ボルトの直流を供給した。1884年までにパールストリートは508の顧客に10,164個のランプを供給していた。^[69]

1880年代半ばまでに、英国のクロンプトン社やスワン電灯会社、米国のトムソン・ヒューストン・エレクトリック・カンパニーやウェスティングハウス、ドイツのシーメンスなど、他の電力会社も中央発電所を設立し、電力を配給するようになった。1890年までに1000の中央発電所が稼働していた。^{[8] 1902年の国勢調査では3,620の}中央発電所が記載されている。1925年までに電力の半分は中央発電所によって供給されていた。^[70]

初期の電力会社が直面した最大の問題の一つは、時間ごとに変動する需要であった。照明が実質的に唯一の電気の用途であった時代、需要は仕事前の最初の数時間と需要がピークとなる夕方の時間帯に高かった。^[71]その結果、初期の電力会社のほとんどは昼間のサービスを提供しておらず、1897年には3分の2の会社が昼間のサービスを提供していなかった。^[72]

中央発電所の平均負荷とピーク負荷の比率は負荷率と呼ばれます。^[71]電力会社が収益性を高めて料金を下げるには、負荷率を高める必要がありました。これが最終的に達成された方法は、モーター負荷でした。^[71]モーターは日中に多く使用され、多くは連続運転されます。電気路面電車は負荷分散に最適でした。多くの電気鉄道は独自の電力を生成し、電力を販売し、配電システムを運営していました。^[4]

20世紀に入ると、乗車率は上昇し、パールストリート駅では1884年の19.3%から1908年には29.4%に増加した。1929年までに、世界中の乗車率は主にモーターの負荷により50%を超えた。^[73]

中央発電所からの電力供給が普及する以前は、多くの工場、大型ホテル、アパート、オフィスビルが独自の発電設備を持っていました。排気蒸気を建物や工業プロセスの熱に使用できるため、これは経済的に魅力的であることが多かったため、今日ではコジェネレーションまたは熱電併給（CHP）と呼ばれています。電力価格が下落するにつれて、ほとんどの自家発電は不経済になりました。20世紀初頭まで、独立した電力システムが中央発電所を大幅に上回っていました。^{[8]パルプや製紙、化学薬品、精製など、蒸気と電力の両方を大量に使用する多くの業界では、コジェネレーションは現在でも一般的に行われています。自家発電機を継続的に使用することを}マイクロジェネレーションと呼びます。

機械を回転させることができる最初の整流子付き直流電気モーターは、1832年にイギリスの科学者ウィリアム・スタージョンによって発明されました。 ^[74]マイケル・ファラデーによって実証されたモーターに対するこのモーターの決定的な進歩は、整流子の組み込みでした。これにより、スタージョンのモーターは連続的な回転運動を提供できる最初のモーターとなりました。^[75]

フランク・J・スプレイグは1884年に、負荷が変化しても一定速度を維持し、ブラシからの火花を減らすという問題を解決して直流モーターを改良した。スプレイグはエジソン社を通じてこのモーターを販売した。 ^[76]直流モーターは速度を変えるのが簡単なので、電気路面電車、工作機械、その他速度制御が望ましい特定の産業用途など、多くの用途に適していた。^[8]

製造は、蒸気機関と水力を利用したラインシャフトとベルト駆動から電気モーターに移行しました。^{[4] [9]}

最初の発電所は直流を供給していましたが、すぐに交流の配電が最も好まれる選択肢となりました。交流の主な利点は、高電圧に変換して送電損失を減らすことができ、交流モーターが一定速度で簡単に動作できることです。

交流技術は、変化する磁場が回路に電流を誘導できることをファラデーが1830年から1831年にかけて発見したことに端を発している。^[77]

回転磁界を最初に思いついたのはウォルター・ベイリーで、彼は1879年6月28日にロンドン物理学会で、整流子を利用した電池駆動の多相モーターの実用的デモンストレーションを行った。 ^[78]ベイリーの装置とほぼ同じものを、フランスの電気技師マルセル・デプレが1880年に発表した論文では、回転磁界の原理と、それを生み出す2相交流電流システムの原理が明らかにされている。^[79] 1886年、イギリスの技師エリヒュー・トムソンが、誘導反発原理と彼の電力計を拡張して交流モーターを製作した。^[80]

この技術が大規模な発電と送電のために商業的に開発されたのは1880年代のことでした。1882年、シーメンス社に勤務していたイギリスの発明家で電気技師の セバスチャン・デ・フェランティは、著名な物理学者のケルビン卿と協力して、初期の変圧器を含む交流電力技術の先駆者となりました。^[81]

ルシアン・ゴラールとジョン・ディクソン・ギブスが開発した電力変圧器は、 1881年にロンドンで実演され、ウェスティングハウスの関心を引いた。彼らは1884年にトリノでもこの発明を展示し、そこで電気照明システムに採用された。彼らの設計の多くは、英国の電力供給を規定する特定の法律に適合していた。^[要出典]

セバスチャン・ジアーニ・デ・フェランティは1882年にロンドンに店を構え、さまざまな電気機器の設計を手がけ、この業界に参入した。フェランティは早くから交流配電の成功を信じ、英国でこのシステムの専門家として数少ない一人でした。ケルビン卿の助けを借りて、フェランティは1882年に初の交流発電機と変圧器を開発しました。 ^[82] イギリスの物理学者ジョン・ホプキンソンは配電用の3線式（三相）システムを発明し、 1882年に特許を取得しました^。[83]

イタリアの発明家ガリレオ・フェラーリスは、 1885年に多相交流誘導モーターを発明した。そのアイデアは、位相がずれているが同期した2つの電流を使用して2つの磁場を発生させ、スイッチングや可動部品を必要とせずに組み合わせて回転磁場を生成できるというものでした。他の発明者には、アメリカのエンジニアであるチャールズ・S・ブラッドリーとニコラ・テスラ、ドイツの技術者フリードリヒ・アウグスト・ハーゼルヴァンダーがいました。^[84]彼らは、多相電流によって生成された回転磁場を使用することで、交流モーターの起動の問題を克服することができました。^[85] ミハイル・ドリヴォ・ドブロボルスキーは1890年に最初の三相誘導モーターを発表しました。これはヨーロッパと米国で使用されるプロトタイプとなった、はるかに高性能な設計でした。 ^[86] 1895年までに、GEとウェスティングハウスの両社が交流モーターを市場に投入しました。^[87]単相電流では、コンデンサまたはコイル（インダクタンスを生成）のいずれかをモーター内部の回路の一部に使用して回転磁界を生成することができます。^[88]別々に配線された極を持つ多速ACモーターは長い間利用可能であり、最も一般的なのは2速です。これらのモーターの速度は、極のセットをオンまたはオフに切り替えることによって変更されます。これは、大型モーターの場合は特別なモータースターター、小馬力モーターの場合は単純な多速スイッチを使用して行われました。

最初の交流発電所は、イギリスの電気技師セバスチャン・デ・フェランティによって建設されました。1887 年、ロンドン電力供給会社は、デプトフォードの発電所の設計をフェランティに依頼しました。彼は建物、発電所、配電システムを設計しました。発電所は、かつて東インド会社が使用していたデプトフォード クリークの河口の西側、ストウエイジに建設されました。前例のない規模で建設され、高圧 (10,000 V) 交流電流の使用の先駆けとなったこの発電所は、800 キロワットを発電し、ロンドン中心部に電力を供給しました。1891 年に完成したこの発電所は、真に近代的な最初の発電所であり、高圧交流電力を供給し、その後、各通りの消費者向けに変圧器で「降圧」しました。この基本的なシステムは、今日でも世界中で使用されています。

米国では、ゴーラードとギブスが開発した電力変圧器に興味を持ったジョージ・ウェスティングハウスが、20:1 の昇圧と降圧を備えた伝送システムを使用して、AC 照明システムの開発を開始しました。1890 年にウェスティングハウスとスタンレーは、コロラド州の鉱山まで数マイル離れた場所に電力を送るシステムを構築しました。ナイアガラ発電プロジェクトからニューヨーク州バッファローへの電力伝送には、AC を使用することが決定されました。1890 年にベンダーから提出された提案には、DC および圧縮空気システムが含まれていました。DC と圧縮空気の組み合わせのシステムは、スケジュールの後半まで検討されていました。ナイアガラのコミッショナーであるウィリアム・トムソン(ケルビン卿) の抗議にもかかわらず、ウェスティングハウスとゼネラル・エレクトリックの両社から提案されていた AC システムを構築することが決定されました。1893 年 10 月、ウェスティングハウスは、5,000 馬力、250 rpm、25 Hz、2 相発電機の最初の 3 台を供給する契約を獲得しました。^[89]水力発電所は1895年に稼働を開始し、^[90]当時としては最大のものであった。^[91]

1890年代までに、単相および多相交流が急速に導入されました。^[92]米国では1902年までに発電能力の61％が交流となり、1917年には95％に増加しました。^[93]ほとんどの用途で交流が優れているにもかかわらず、いくつかの既存の直流システムは、交流が新しいシステムの標準となった後も数十年間稼働し続けました。

燃料の熱エネルギーを機械的な仕事に変換する蒸気原動機の効率は、蒸気中央発電所の経済的な運用において重要な要素でした。初期のプロジェクトでは、比較的低速で動作する往復蒸気エンジンが使用されていました。蒸気タービンの導入により、中央発電所の運用の経済性が根本的に変わりました。蒸気タービンは、往復エンジンよりも大きな定格で製造でき、一般に効率が高かったです。蒸気タービンの速度は、各回転中に周期的に変動しませんでした。これにより、交流発電機の並列動作が可能になり、牽引や産業用途の直流を生成する回転変換器の安定性が向上しました。蒸気タービンは往復エンジンよりも高速で動作し、シリンダー内のピストンの許容速度によって制限されませんでした。これにより、2極または4極のみの交流発電機との互換性が高くなり、エンジンと発電機の間にギアボックスやベルト式増速機は不要になりました。中央ステーションのサービスに必要な非常に大きな定格で、低速エンジンと高速発電機の間にベルト駆動を提供するのはコストがかかり、最終的には不可能でした。

現代の蒸気タービンは1884年にイギリスの技術者サー・チャールズ・パーソンズによって発明されました。彼の最初のモデルは7.5kW（10馬力）の電気を生成する発電機に接続されていました。 ^[94]パーソンズの蒸気タービンの発明により、安価で豊富な電力が可能になりました。パーソンズのタービンは1894年までにイギリスの中央発電所で広く導入されました。ターボ発電機を使用して発電した世界初の電力供給会社は、1894年に設立されたパーソンズ自身の電力供給会社ニューカッスル・アンド・ディストリクト・エレクトリック・ライティング・カンパニーでした。 ^[95]パーソンズの存命中に、ユニットの発電能力は約10,000倍に拡大されました。^[96]

米国初のタービンは1895年にニューヨークのエジソン社で製造された2台のデ・レバルタービンであった。米国初のパーソンズタービンはピッツバーグ近郊のウェスティングハウス・エアブレーキ社で製造された。^[97]

蒸気タービンには、レシプロエンジンに比べて資本コストと運用上の利点もありました。蒸気エンジンからの凝縮水は油で汚染されており、再利用できませんでしたが、タービンからの凝縮水はクリーンで、通常は再利用されます。蒸気タービンは、同等の定格のレシプロ蒸気エンジンに比べてサイズと重量がわずかでした。蒸気タービンは、ほとんど摩耗することなく何年も稼働できます。レシプロ蒸気エンジンは、高いメンテナンスを必要としました。蒸気タービンは、これまでに製造されたどの蒸気エンジンよりもはるかに大きな容量で製造できるため、重要な規模の経済性が得られます。

蒸気タービンは、より高圧で高温の蒸気で作動するように製造することができる。熱力学の基本原理は、エンジンに入る蒸気の温度が高いほど効率が高くなるということである。蒸気タービンの導入は、温度と圧力の一連の改善を促した。その結果、変換効率が向上し、電気料金が下がった。^[98]

ボイラーの出力密度は、強制燃焼空気の使用と圧縮空気を使用した粉砕石炭の供給によって増加した。また、石炭の取り扱いは機械化され自動化された。^[99]

長距離送電が実現したことで、異なる中央ステーションを相互接続して負荷を均衡させ、負荷率を向上させることが可能になりました。20 世紀初頭に電化が急速に進むにつれて、相互接続はますます望ましいものとなりました。

メルツ・アンド・マクレラン・コンサルティング・パートナーシップのチャールズ・メルツは、 1901年にニューカッスル・アポン・タインの近くにネプチューン・バンク発電所を建設し、 ^[100] 1912年までにはヨーロッパ最大の統合電力システムに発展した。^[101] 1905年に彼は議会に働きかけて国の電力供給産業におけるさまざまな電圧と周波数を統一しようとしたが、第一次世界大戦まで議会はこの考えを真剣に受け止め始めず、彼を問題に対処するための議会委員会の委員長に任命した。 1916年にメルツは、産業に効率的に電力を供給するために高密度の配電網を構築することで、英国の小さな国土を有利に利用できると指摘した。彼の研究結果は1918年のウィリアムソン報告書につながり、さらに1919年の電力供給法案を作成した。

1926年のより重要な電力（供給）法は、ナショナルグリッドの設立につながりました。^[102]中央電力委員会は国の電力供給を標準化し、132キロボルト、50ヘルツで稼働する最初の同期交流グリッドを確立しました。これは1938年に国家システムであるナショナルグリッドとして運用を開始しました。

アメリカでは、第一次世界大戦中の1918年夏の電力危機以降、供給の統合が国家目標となった。1934年、公益事業持株会社法は、ガス、水道、電話会社とともに電力会社を重要な公共財と認め、その運営に明確な制限と規制監督を与えた。^[103]

ヨーロッパと北米の家庭の電化は、20世紀初頭に大都市と電気鉄道が通っている地域で始まり、1930年頃には米国で70%の家庭が電化されるまで急速に増加しました。

ヨーロッパでは最初に農村地域が電化され、米国では1935年に設立された農村電力局が、サービスが不十分な農村地域に電化をもたらしました。^[104]

ソ連では、米国と同様に、農村部の電化は都市部よりもゆっくりと進行した。農村部での電化が普及したのはブレジネフ時代になってからであり、ソ連の農村電化運動は1970年代初頭までにほぼ完了した。^[105]

中国では、軍閥時代の混乱、国共内戦、そして20世紀初頭の日本軍の侵攻により、電化は数十年遅れた。1949年に中華人民共和国が成立して初めて、国は広範囲にわたる電化を追求する態勢を整えた。毛沢東時代には、都市部では電気が普及したが、農村部はほとんど無視されていた。^[106]毛沢東が死去した1976年時点で、中国の世帯の25%はまだ電気を利用できなかった。^[107]

1978年に中国の最高指導者となった鄧小平は、より広範な近代化努力の一環として、農村部の電化運動を開始した。1990年代後半までに、電気は地方に普及した。^[108 ] 2015年には、中国の最後の辺境の村々が電力網に接続された。 ^[109]

中央発電所の発電は、小型発電機よりも効率的かつ低コストで電力を供給した。また、電力単位あたりの資本コストと運用コストも中央発電所の方が安かった。^[9] 20世紀初頭の数十年間に、蒸気タービンの導入と交流モーターの導入後の負荷率の向上により、電気料金は劇的に低下した。電気料金が下がると、使用量が劇的に増加し、中央発電所は巨大な規模に拡大され、大きな規模の経済が生まれた。^[110] 過去のコストについては、Ayres-Warr (2002) 図7を参照。^[11]

• GOELROプラン
• 国別の主電源- プラグ、電圧、周波数
• 再生可能電力
• 再生可能エネルギー開発

• ハンター、ルイス C.、ブライアント、リンウッド (1991)。『アメリカ合衆国の産業力史 1730-1930、第 3 巻: 電力の伝達』、マサチューセッツ州ケンブリッジ: MIT 出版。ISBN 0-262-08198-9。
• ヒルズ、リチャード・レスリー（1993年）。蒸気動力：定置式蒸気機関の歴史（ペーパーバック版）。ケンブリッジ大学出版局。244ページ。ISBN 0-521-45834-X。
• 国際エネルギー機関(2020)。世界エネルギー展望 2020。国際エネルギー機関。ISBN 978-92-64-44923-72021年8月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。
• マクニール、イアン（1990）。技術史百科事典。ロンドン：ラウトレッジ。ISBN 0-415-14792-1。
• ナイ、デイビッド E. (1990)。『電化するアメリカ：新技術の社会的意味』、米国マサチューセッツ州ケンブリッジおよび英国ロンドン：MIT 出版局。
• REN21 (2020). 再生可能エネルギー2020: 世界状況報告書(PDF) . REN21 事務局. ISBN 978-3-948393-00-72020年9月23日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） 。{{cite book}}: CS1 maint: 数値名: 著者リスト (リンク)

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• ウィクショナリーの「電化」の辞書定義
• 20190809 雷の真実 01 (英語)2-アンの安全地帯 
• 20190809 雷の真実 01 (日本語)2-アンの安全地帯 
• 20190809 雷の真実 02 (英語)2-アンの安全地帯
• ザンベジ ラピッズ -水力による農村電化。 (フランス語)