発電

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す。電力業界の公益企業にとっては、最終消費者への配送（送電、配電など）や、揚水発電方式などを使用した貯蔵の前の段階です。

消費可能な電気は自然界では自由に手に入るものではないため、他の形態のエネルギーを電気に変換して「生産」する必要があります。生産は「発電所」とも呼ばれる発電所で行われます。発電所では、電気機械 発電機によって電気が生成されることが最も多く、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ますが、流水や風の運動エネルギーなど、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などがあります。エネルギーを回収するための奇抜で推測的な方法があり、たとえば、核融合反応によって生成された高速で移動する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核融合炉の設計が提案されています (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を回収することは、気候変動を制限するために必要なエネルギー転換の重要な部分です。輸送、住宅、産業のさらなる電化に伴い、電力需要が大幅に増加し^{[4]、より多くの}太陽光発電^[2]と風力発電^[3]が必要になると予測されています。^[5]しかし、2023年には、太陽光発電と風力発電の成長により、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ています。^[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。今日でも使用されている彼の方法は、磁石の極の間をワイヤのループ、つまりファラデーディスクが動くことで電気を発生させるというものです。中央発電所は、電力変圧器を使用して高電圧で低損失で電力を伝送する 交流(AC) 送電の開発により、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りました。電力の機械的な生産は第二次産業革命の始まりとなり、トーマス・アルバ・エジソンとニコラ・テスラが主な貢献者となった電気を使ったいくつかの発明を可能にしました。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セルの使用であり、電気の唯一の実用的な用途は電信でした。

中央発電所での発電は 1882 年に始まりました。パール ストリート駅のダイナモを駆動する蒸気エンジンが直流電流を生成し、ニューヨークのパール ストリートの公共照明に電力を供給したのです。この新しい技術は世界中の多くの都市ですぐに採用され、ガス燃料の街灯が電気で動くようになりました。その後すぐに、公共の建物や企業で電灯が使われるようになり、路面電車や電車などの公共交通機関にも電力が供給されるようになりました。

最初の発電所では水力や石炭が使用されていました。^{[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ます。

1880年代、白熱電球の導入により電気の人気が爆発的に高まりました。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知られている人物は22人いますが、エジソンとスワンの発明は、圧倒的に最も成功し、人気を博しました。19世紀初頭、電気科学は飛躍的に進歩しました。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。多くの電気の発明と日常生活への実装により、家庭内の電気の需要が劇的に増加しました。この需要の増加により、多くの起業家が利益の可能性に気づき、電気システムへの投資を開始し、最終的に最初の電気公益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して説明されます。^[8]

最も初期の電力供給は、互いに独立して運営されている企業から始まりました。消費者は生産者から電気を購入し、生産者はそれを自社の電力網を通じて供給していました。技術が進歩するにつれ、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、発電の効率だけでなく、発電の経済性にも大きな影響を及ぼしました。熱エネルギーを機械的な仕事に変換するこの方法は、蒸気エンジンと似ていましたが、規模がはるかに大きく、生産性もはるかに高かったです。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、現在使用されている電力システム全体に不可欠なものとなりました。

20世紀半ばには、多くの電力会社が経済性と効率性のメリットを理由に配電網の統合を始めた。長距離送電の発明とともに、発電所の調整も始まった。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のシステムオペレーターによって確保された。家庭の電化は、1920年代に北欧と北米の大都市と都市部で始まった。1930年代になってようやく農村部で大規模な電化が行われた。^[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あります。 公益事業規模の発電は、回転式発電機または太陽光発電システムによって実現されます。 公益事業によって配給される電力のごく一部は、バッテリーによって供給されます。 ニッチな用途で使用されるその他の発電形態には、摩擦電気効果、圧電効果、熱電効果、およびベータボルタイクがあります。

発電機は運動エネルギーを電気に変換します。これは、ファラデーの法則に基づく発電の最もよく使われる形式です。銅線などの導電性材料の閉ループ内で磁石を回転させることによって実験的に確認できます。ほぼすべての商用発電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。電気化学的発電は、ポータブルおよびモバイル アプリケーションで重要です。現在、ほとんどの電気化学電力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(充電式電池など) 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。燃料電池と呼ばれるオープン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。浸透圧発電は、塩水と淡水が混ざる場所で使用できます。

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。その後、必要に応じて電力インバータが交流電力に変換します。太陽光は無料で豊富ですが、パネルのコストのため、太陽光発電の電力は通常、大規模な機械的発電よりも生産コストが高くなります。^[要出典]効率の低いシリコン太陽電池はコストが低下しており、変換効率が 30% に近い多接合セルが現在市販されています。実験システムでは 40% を超える効率が実証されています。^[12]

最近まで、太陽光発電は商用電力網にアクセスできない遠隔地や、個人の家庭や企業の補助電源として最も一般的に使用されていました。近年の製造効率と太陽光発電技術の進歩、そして環境問題による補助金により、ソーラーパネルの導入が劇的に加速しています。設置容量は、ドイツ、日本、米国、中国、インドの増加を牽引し、 年間約20％増加しています^{[2] 。}

電力生産モード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。経済性は世界中で大きく異なり、住宅販売価格も幅広くなっています。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さまざまな負荷がかかります。毎日の最小値^{[要出典]は}ベース負荷であり、連続的に稼働する発電所によって供給されることがよくあります。原子力、石炭、石油、ガス、一部の水力発電所はベース負荷を供給できます。天然ガスの井戸建設コストが1MWhあたり10ドル未満の場合、天然ガスによる発電は石炭を燃やして発電するよりも安価です。^[13]

原子力発電所は、1 基で膨大な量の電力を生産できます。しかし、原子力災害により原子力の安全性に対する懸念が高まっており、原子力発電所の資本コストは非常に高くなっています。水力発電所は、落下する水からの位置エネルギーを利用してタービンを動かし、発電できる地域に設置されています。水の流れを貯める能力が限られており、年間の生産サイクル中に負荷が大きく変動する場合、水力発電所は経済的に実行可能な単一の生産源ではない可能性があります。

発電機は、 1830年代に電磁誘導が発見されて以来、単純な形で知られてきました。一般的に、エンジンや前述のタービンなどの何らかの原動機が、固定されたワイヤーコイルを通り抜けて回転磁場を駆動し、機械的エネルギーを電気に変換します。^[14]発電機を使用しない商業規模の電力生産形態は、太陽光発電と燃料電池のみです。

地球上のほぼすべての商用電力は、風、水、蒸気、燃焼ガスを動力源とするタービンで発電されています。タービンは発電機を駆動し、その機械エネルギーを電磁誘導によって電気エネルギーに変換します。機械エネルギーを開発する方法は、熱機関、水力、風力、潮力など多岐にわたります。ほとんどの発電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ほとんどは化石燃料の燃焼によって供給され、その大部分は核分裂によるもので、一部は再生可能な資源から供給されています。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 80% を生成しています。タービンの種類には次のものがあります。

• スチーム
  • 火力発電所では石炭を燃やして水を沸かします。全電力の約41％がこの方法で発電されています。^[15]
  • 原子炉内で発生した核分裂熱によって蒸気が発生します。この方法で生成される電力は全体の 15% 未満です。
  • 再生可能エネルギー。蒸気はバイオマス、太陽熱エネルギー、または地熱エネルギーによって生成されます。
• 天然ガス: タービンは燃焼によって生成されたガスによって直接駆動されます。複合サイクルは蒸気と天然ガスの両方によって駆動されます。ガスタービンで天然ガスを燃焼させて電力を生成し、余熱を利用して蒸気を生成します。世界の電力の少なくとも 20% は天然ガスによって生成されています。
• 水力エネルギーは、水力タービンによって、水の動き（水​​面の落下、潮の満ち引き​​、海洋熱流）から得られます（海洋熱エネルギー変換を参照）。現在、水力発電所は世界の電力の約 16% を供給しています。
• 風車は初期の風力タービンでした。2018年には世界の電力の約5％が風力で生産されました。

タービンは、蒸気以外の熱伝達液体を使用することもできます。超臨界二酸化炭素ベースのサイクルは、より速い熱交換、より高いエネルギー密度、およびよりシンプルなパワーサイクルインフラストラクチャにより、より高い変換効率を提供できます。現在開発中の超臨界二酸化炭素ブレンドは、臨界圧力と温度ポイントを最適化することで、効率をさらに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ですが、小型の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できます。これらはバックアップ発電用として、または孤立した村々の主な電源として使用できます。

2021年の世界の総発電量は28,003TWhで、石炭（36%）、ガス（23%）、水力（15%）、原子力（10%）、風力（6.6%）、太陽光（3.7%）、石油およびその他の化石燃料（3.1%）、バイオマス（2.4%）、地熱およびその他の再生可能エネルギー（0.33%）が含まれています。^[10]

中国は2021年に世界の電力の3分の1を生産しましたが、その大部分は石炭によるものでした。米国の生産量は中国の半分ですが、天然ガスと原子力の使用量はかなり多くなっています。^[10]

電力を生産する国間の差異は、環境への懸念に影響します。フランスでは、化石燃料から発電される電力はわずか10％ですが、米国では70％、中国では80％と高くなっています。^[16]電気のクリーンさはその供給源によって異なります。メタンの漏れ（天然ガスから燃料ガス火力発電所へ）^[17]と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ます。^[18] 米国では、酸性雨の主成分である二酸化硫黄の総排出量の65％は、発電のための化石燃料の燃焼によるものです。 ^[19]米国では、NO _x、一酸化炭素、粒子状物質の合計排出量のうち、発電が4番目に多いです。 ^[20]

国際エネルギー機関（IEA）によると、気候変動による最悪の影響を回避するには、2040年までに世界の電力出力の85％を低炭素発電で賄う必要がある。^[21]エネルギー影響センター（EIC）^[22]や国連欧州経済委員会（UNECE）^[23]などの他の組織と同様に、 IEAはそ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。^[24] EIC創設者のブレット・クーゲルマス氏のように、原子力は大気から既存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、脱炭素発電の主な方法であると考える人もいる。 ^[25]原子力発電所は地域暖房や淡水化プロジェクトも生み出し、炭素排出と電力出力の拡大の必要性を制限することもできる。^[26]

集中型発電と現在使用されている現在の発電方法に関する基本的な問題は、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。露天掘りの炭鉱は、石炭を採掘するために広大な土地を使用するため、採掘後の生産的な土地利用の可能性が制限されます。天然ガスの採掘では、地中から採掘される際に大量のメタンが大気中に放出され、地球温暖化ガスが大幅に増加します。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、核源の使用に関連する安全上の懸念があります。

石炭火力発電とガス火力発電の単位電力あたり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10倍以上であることがほとんどです。^[27]

集中発電とは、大規模な集中施設で発電し、送電線を通じて消費者に送電するものである。これらの施設は通常、消費者から遠く離れた場所にあり、高圧送電線を通じて変電所に電気を配電し、そこから消費者に配電する。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な発電所が多数の人々のために電気を作るというものである。使用される電気の大部分は集中発電によって作られる。集中発電のほとんどは、石炭や天然ガスなどの化石燃料で稼働する大規模な発電所によるものであるが、原子力発電所や大規模水力発電所もよく使用される。^[28]

集中型発電は、分散型発電の根本的に反対です。分散型発電は、より小規模な消費者グループ向けに小規模な発電を行うものです。これには、太陽光や風力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使用する傾向があるため、人気が高まっています。^[29]

集中型エネルギー源は、多数の消費者に大量の電力を供給する大規模な発電所です。集中型発電で使用される発電所のほとんどは火力発電所です。つまり、燃料を使用して蒸気を加熱し、加圧ガスを生成し、そのガスがタービンを回転させて発電します。これは、エネルギーを生成する従来の方法です。このプロセスでは、広範囲の電力を生成するために、天然の石炭、ガス、原子力による熱発電など、いくつかの形態の技術に依存しています。最近では、太陽光と風力が大規模になっています。

太陽光発電所は、ソーラーパーク、ソーラーファーム、または太陽光発電プラントとも呼ばれ、商用電力の供給を目的として設計された大規模な系統接続型太陽光発電システム(PV システム) です。地元のユーザーではなく、ユーティリティレベルで電力を供給するため、ほとんどの建物設置型およびその他の分散型太陽光発電とは異なります。このタイプのプロジェクトを説明するために、ユーティリティ スケール ソ​​ーラーが使用さ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の発電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長所と短所がありますが、これ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^{[アップデート]}、公益規模の太陽光発電容量の約97％はPVでした。^{[30] [31]}

一部の国では、太陽光発電所の銘板容量はメガワットピーク（MW _p）で評価されており、これは太陽電池アレイの理論上の最大DC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記載しています。ただし、カナダ、日本、スペイン、米国では、他の形態の発電とより直接的に比較できる尺度であるMW _ACで変換された低い公称電力出力を使用して指定することがよくあります。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年の時点で、稼働中の世界最大の太陽光発電所は1ギガワットを超えました。2019年末の時点で、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）を超え、合計容量は220 GW _ACを超えています。^[30]

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、地域や公益事業会社が所有するプロジェクトの関与が増加している。^{[32]以前は、ほぼすべてが}固定価格買い取り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サポートされていたが、2010年代に均等化費用が大幅に低下し、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。

風力発電所またはウィンドパークは、風力発電所または風力発電所とも呼ばれ、^[33]同じ場所に設置され、電力を生産するために使用される風力タービンのグループです。風力発電所の規模は、少数のタービンから数百の風力タービンで広大な地域をカバーするものまでさまざまです。風力発電所は陸上または洋上のいずれかに存在します。

稼働中の最大規模の陸上風力発電所の多くは、中国、インド、米国にあります。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 、^[34] 2020年までに20,000MW ^{[35]を目標としています。 [36]} 2020年12月現在、1218MWの英国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。^{[37]個々の風力タービンの設計は}出力が増加し続けており、同じ総出力を得るの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、他の多くの発電形態よりも環境への影響が少なく、グリーンエネルギーの優れた供給源としてよく言及される。しかし、風力発電所は、その視覚的影響と景観への影響について批判されてきた。通常、他の発電所よりも広い土地に広げる必要があり、野生地域や田舎に建設する必要があるため、「田舎の工業化」、生息地の喪失、観光客の減少につながる可能性がある。一部の批評家は、風力発電所が健康に悪影響を及ぼすと主張しているが、ほとんどの研究者は、これらの主張を疑似科学と見なしている（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るが、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り衝突は解決され、風力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」という。^[38]

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2,400を超える石炭火力発電所があり、総発電容量は2,130ギガワットを超えます。^{[39]石炭火力発電所は}世界の電力の約3分の1を発電していますが、^[40]多くの病気や最も早い死亡を引き起こしており、^[41]主に大気汚染が原因です。^{[42] [43]} 世界の設備容量は2000年から2023年までに倍増し、2023年には2％増加します。^[44]

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、粉砕石炭ボイラーで燃焼されます。炉の熱によって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 100億トン以上の二酸化炭素を排出しており^{[45] 、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、気候変動の最大の原因となっている。^[46]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。^[47] 2020年には、ヨーロッパ^[50]とアメリカ^[51]で発電所が廃止されたため、発電所の総数は減少し始めたが^{[48] [49]}、アジアではまだ建設中であり、そのほとんどが中国である。^[52]石炭産業による健康や環境への影響による他者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生み続けているが^{[53] [54] 、新しい発電所が}座礁資産になるリスクがある。^[55]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年までに石炭火力発電を停止すべきだと述べている。 ^[56]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。^[57]

天然ガスを点火すると加圧ガスが発生し、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、天然ガスを酸素とともに投入すると、燃焼してタービンを通って膨張し、発電機を回転させます。

天然ガス発電所は石炭火力発電よりも効率的ですが、気候変動に寄与しますが、石炭発電ほどではありません。天然ガスの点火により二酸化炭素を排出するだけでなく、採掘時にガスを抽出すると、大気中に大量のメタンが放出されます。 ^[58]

原子力発電所は、原子核分裂のプロセスから得られる熱入力を利用して蒸気タービンで電気を作ります。現在、原子力は世界の全電力の11％を生産しています。ほとんどの原子炉はウランを燃料源として使用しています。原子核分裂と呼ばれるプロセスでは、原子核が分裂するときに熱の形でエネルギーが放出されます。電気は原子炉を使用して作られ、原子核分裂によって発生した熱を使用して蒸気が生成され、次にタービンが回転して発電機に電力を供給します。原子炉にはいくつかの種類がありますが、基本的にはすべてこのプロセスを使用しています。^[59]

原子力発電所による通常の排出物は、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す可能性があります。この危険は環境保護主義者の継続的な懸念事項です。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、この問題を例証しています。 ^[60]

表には45カ国の総電力容量が記載されている。データは2022年のものである。エネルギー情報局によると、2022年の世界の総電力容量は約8.9テラワット（TW）で、1981年の世界の総電力容量の4倍以上である。2022年の世界平均一人当たり電力容量は約1,120ワットで、1981年の世界平均一人当たり電力容量の約2.5倍である。

アイスランドは、約 8,990 ワットの一人当たりの設備容量が世界で最も高い。先進国はすべて、一人当たりの平均電力容量が世界平均を上回っており、イギリスは他のすべての先進国の中で一人当たりの平均電力容量が最も低い。

• 発電用語集
• コージェネレーション：熱機関または発電所を使用して電気と有用な熱を同時に生成すること。
• 電力源別のコスト
• ディーゼル発電機
• エンジン発電機
• 発電拡張計画
• 蒸気発電所
• 世界のエネルギー供給と消費