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発電所（発電所、発電所、発電プラントとも呼ばれる）は、電力を生成するための産業施設です。発電所は一般的に電力網に接続されています。多くの発電所には、機械動力を三相電力に変換する回転機械である発電機が1台以上設置されています。磁場と導体の相対運動によって電流が発生します。
発電機を回転させるために利用されるエネルギー源は多岐にわたる。世界のほとんどの発電所は、石炭、石油、天然ガスなどの化石燃料を燃焼させて発電している。低炭素電源には、原子力発電や、太陽光、風力、地熱、水力などの再生可能エネルギーの利用が含まれる。[ 1 ]
1871年初頭、ベルギーの発明家ゼノーブ・グラムは、産業向けに商業規模で電力を生産できるほど強力な発電機を発明した。[ 2 ]
1878年、ウィリアム・アームストロング卿はイングランドのクラッグサイドに水力発電所を設計・建設した。この発電所は、彼の領地の湖の水を利用してシーメンス製のダイナモを稼働させた。発電された電力は、照明、暖房、温水供給、エレベーターの運転、省力化装置、農場の建物などに供給された。[ 3 ]
1882年1月、世界初の公共石炭火力発電所であるエジソン電灯所がロンドンに建設された。これはトーマス・エジソンのプロジェクトで、エドワード・ジョンソンが組織した。バブコック＆ウィルコックス社のボイラーが93kW （125馬力）の蒸気機関を駆動し、 27トン（27ロングトン）の発電機を動かした。これにより、ガス会社が独占していた道路を掘り起こすことなく、高架橋の暗渠を通って到達できる地域の建物に電力が供給された。顧客にはシティ・テンプルやオールド・ベイリーが含まれていた。もう1つの重要な顧客は中央郵便局の電信局であったが、ここは暗渠を通って到達できなかった。ジョンソンは、ホルボーン・タバーンとニューゲートを経由して、架空線で送電ケーブルを敷設するよう手配した。[ 4 ]
1882年9月、ニューヨークでエジソンはマンハッタン島南部の地域に電灯を供給するため、パールストリート発電所を設立した。この発電所は1890年に火災で焼失するまで稼働していた。発電所では往復式蒸気機関を使って直流発電機を回転させていた。直流配電のため、送電線での電圧降下によってサービスエリアが狭く制限されていた。1886年、ジョージ・ウェスティングハウスは変圧器を使って電圧を昇圧して長距離送電し、屋内照明用に降圧する交流システムの構築に着手した。これは現代のシステムに似た、より効率的で安価なシステムだった。電流戦争は最終的に交流配電と利用の優位に終わったが、一部の直流システムは20世紀末まで存続した。サービス半径が1マイル（1キロメートル）程度の直流システムは、必然的に規模が小さく、燃料消費効率が悪く、はるかに大規模な中央交流発電所に比べて運用に多くの労力を要した。
交流システムは負荷の種類に応じて幅広い周波数を使用しており、照明負荷には高周波が、牽引システムや重モーター負荷システムには低周波が好まれていました。共通周波数で動作する統一された照明・電力システムが開発されると、中央発電所の経済性は大幅に向上しました。日中は大規模な産業負荷に電力を供給する同じ発電所が、ラッシュアワーには通勤鉄道システムに電力を供給し、夕方には照明負荷に電力を供給することができ、システム負荷率が向上し、電気エネルギー全体のコストが削減されました。多くの例外があり、発電所は周波数の選択によって電力または照明専用に分けられ、回転周波数変換器や回転コンバータは、一般的な照明・電力ネットワークから電気鉄道システムに電力を供給するために特に一般的でした。
20世紀初頭の数十年間、中央発電所は規模が拡大し、より高い蒸気圧を利用して効率を高め、複数の発電所を相互接続することで信頼性とコストを改善した。高電圧交流送電により、遠く離れた滝から都市の市場へ水力発電を容易に送電できるようになった。 1906年頃、中央発電所に蒸気タービンが導入されたことで、発電容量が大幅に拡大した。発電機はもはやベルトによる動力伝達や往復動エンジンの比較的低速な速度に制約されず、巨大なサイズにまで拡大できるようになった。例えば、セバスチャン・ジアニ・デ・フェランティは、計画中の新しい中央発電所のために、当時建造された中で最大の往復動蒸気機関となるであろうものを設計したが、必要なサイズのタービンが入手可能になったため、その計画を破棄した。中央発電所から電力システムを構築するには、エンジニアリングのスキルと財務の洞察力が同等に必要だった。中央発電所の先駆者には、米国のジョージ・ウェスティングハウスとサミュエル・インサル、英国のフェランティとチャールズ・ヘスターマン・メルツなど、多くの人物がいる。[ 6 ]
火力発電所では、熱機関が燃料の燃焼などから得られる熱エネルギーを回転エネルギーに変換することで機械動力が生成されます。ほとんどの火力発電所は蒸気を生成するため、蒸気発電所と呼ばれることもあります。熱力学第二法則によれば、すべての熱エネルギーが機械動力に変換できるわけではないため、常に熱が環境に失われます。この損失が産業プロセスや地域暖房などの有用な熱として利用される場合、発電所はコジェネレーション発電所またはCHP（熱電併給）発電所と呼ばれます。地域暖房が一般的な国では、熱専用ボイラー発電所と呼ばれる専用の熱供給施設があります。中東では、副産物熱を水の淡水化に利用する発電所が重要な種類となっています。
熱力発電サイクルの効率は、発生する作動流体の最高温度によって制限されます。効率は、使用する燃料に直接依存するものではありません。同じ蒸気条件であれば、石炭火力発電所、原子力発電所、ガス火力発電所はすべて理論上の効率が同じです。一般的に、システムが常時稼働している場合（ベースロード）は、断続的に使用されている場合（ピークロード）よりも効率が高くなります。蒸気タービンは、通常、フル稼働時に効率が高くなります。
プロセス暖房や地域暖房に排熱を利用する以外にも、発電所の総合効率を向上させる方法の一つとして、2つの異なる熱力学サイクルを組み合わせた複合サイクル発電所が挙げられます。最も一般的なのは、ガスタービンからの排ガスを利用してボイラーと蒸気タービン用の蒸気を生成する方法です。「トップサイクル」と「ボトムサイクル」を組み合わせることで、どちらか一方のサイクル単独で達成できるよりも高い総合効率が得られます。
2018年、Inter RAO UESと国営電力網[ 8 ]は、ロシア最大の石炭火力発電所建設プロジェクトである8GWの火力発電所[ 9 ]の建設を計画した[ 10 ]。
原動機とは、様々な形態のエネルギーを運動エネルギーに変換する機械のことである。
電力系統にエネルギーを供給するために稼働（スケジュール）できる発電所には、以下のようなものがある。
非制御型発電設備には、風力発電や太陽光発電などが含まれます。これらの設備は、長期的な系統エネルギー供給への貢献度は予測可能ですが、短期（日単位または時間単位）では発電を延期できないため、利用可能なエネルギーをその都度使用する必要があります。独立系発電事業者との契約（「テイク・オア・ペイ」方式）や、他のネットワークとの系統連系も、実質的に非制御型となる場合があります。
すべての火力発電所は、発電した有効電力の副産物として廃熱エネルギーを排出します。廃熱エネルギーの量は、有効電力に変換されたエネルギー量と同等かそれ以上です。ガス火力発電所では最大65%の変換効率を達成できますが、石炭火力発電所と石油火力発電所では約30～49%です。廃熱によって大気の温度が上昇しますが、これは同じ発電所からの温室効果ガス排出による温度上昇に比べると小さいものです。多くの原子力発電所や大規模な化石燃料火力発電所では、自然通風式の湿式冷却塔が、大きな双曲面状の煙突のような構造（右の画像参照）を使用しており、水の蒸発によって廃熱を周囲の大気に放出します。
しかし、多くの大規模火力発電所、原子力発電所、化石燃料発電所、石油精製所、石油化学プラント、地熱発電所、バイオマス発電所、廃棄物発電所にある機械式誘引通風式または強制通風式の湿式冷却塔は、ファンを使用して下降する水を通して空気を上方に動かすものであり、双曲面状の煙突のような構造ではありません。誘引通風式または強制通風式の冷却塔は、通常、上昇する空気と下降する水の混合を促進する材料で満たされた長方形の箱状の構造です。[ 16 ] [ 17 ]
水の使用が制限されている地域では、蒸発冷却用の補給水を確保するコストや環境への影響が大きすぎるため、乾式冷却塔または直接空冷式ラジエーターが必要となる場合があります。これらの冷却装置は、一般的な湿式蒸発冷却塔に比べて効率が低く、ファンを駆動するためのエネルギー消費量が多くなります。
発電所では、従来、水資源が限られている地域や水価格が高い地域で、空冷式凝縮器が使用されることがある。空冷式凝縮器は、水を使わずに冷却塔と同じ目的（放熱）を果たす。ただし、補助電力を消費するため、従来の冷却塔に比べて二酸化炭素排出量が多くなる可能性がある。
電力会社は、冷却塔の代わりに、海や湖、川、または冷却池からの冷却水を使用することを好むことが多い。この単回通過または一回通過冷却システムは、冷却塔のコストを節約でき、発電所の熱交換器を通して冷却水をポンプで送るエネルギーコストも低くなる可能性がある。しかし、廃熱は、水が排出されるときに熱汚染を引き起こす可能性がある。冷却に自然の水域を使用する発電所は、冷却装置への生物の流入を制限するために、魚類スクリーンなどのメカニズムを備えて設計されている。これらのスクリーンは部分的にしか効果がなく、その結果、毎年数十億匹の魚やその他の水生生物が発電所によって死んでいる。[ 18 ] [ 19 ]例えば、ニューヨーク州のインディアンポイントエネルギーセンターの冷却システムは、毎年10億匹以上の魚の卵と幼生を死に至らしめている。 [ 20 ] さらに環境への影響として、暖かい排出水に適応している水生生物は、寒い天候で発電所が停止した場合に負傷する可能性がある。
発電所による水の消費は、発展途上の問題である。[ 21 ]
近年、再生水、いわゆる生活排水が冷却塔に利用されるようになっている。ウィスコンシン州のカルパイン・リバーサイド発電所とカルパイン・フォックス発電所、そしてミネソタ州のカルパイン・マンカト発電所などがその例である。
発電所は再生可能エネルギー源から電気エネルギーを生成することができる。
水力発電所では、水がタービンを流れ、水力発電によって電力が生成されます。電力は、水圧管を通って水車に落下する水の重力から得られ、タービンは発電機に接続されています。利用可能な電力の量は、水位と水流の組み合わせによって決まります。水位を上げて貯水池を作るために、さまざまなダムが建設されることがあります。水力発電は150か国で行われており、2010年にはアジア太平洋地域が世界の水力発電量の32%を占めました。中国は最大の水力発電国であり、2010年には721テラワット時の発電量を記録し、これは国内電力使用量の約17%に相当します。
太陽エネルギーは、太陽電池で直接電気に変換することも、集光型太陽熱発電所で光を集中させて熱機関を動かすことで電気に変換することもできます。[ 22 ]
太陽光発電所は、光電効果を利用して太陽光を直流電力に変換します。インバータは直流を交流に変換し、電力網に接続します。このタイプの発電所は、エネルギー変換に回転機械を使用しません。[ 23 ]
太陽熱発電所では、放物面トラフまたはヘリオスタットを用いて、油などの熱媒体が入ったパイプに太陽光を集光します。加熱された油は水を沸騰させて蒸気を発生させ、その蒸気でタービンを回転させ、発電機を駆動します。中央タワー型の太陽熱発電所では、規模に応じて数百枚または数千枚の鏡を用いて、タワー上部の受光器に太陽光を集光します。この熱を利用して蒸気を発生させ、タービンを回転させ、発電機を駆動します。
風力タービンは、風が強く安定している地域、時には洋上で発電に使用できます。過去にはさまざまな設計が使用されてきましたが、今日生産されている最新のタービンのほぼすべては、3 枚のブレードを持つ風上向きの設計を使用しています。[ 24 ]現在建設されている系統連系型風力タービンは、1970 年代に設置されたユニットよりもはるかに大きくなっています。そのため、以前のモデルよりも安価で信頼性の高い発電が可能です。[ 25 ]大型タービン (1 メガワット程度) では、ブレードは古い小型ユニットよりもゆっくりと回転するため、視覚的な妨げが少なく、鳥にとってより安全です。[ 26 ]
海洋エネルギー（海洋動力とも呼ばれる）とは、海洋の波、潮汐、塩分濃度、海水温の差によって運ばれるエネルギーを指します。世界の海洋における水の動きは、膨大な運動エネルギー、つまり運動エネルギーを生み出します。このエネルギーを利用して発電し、家庭、輸送機関、産業などに電力を供給することができます。
海洋エネルギーという用語は、波力発電（表面波からのエネルギー）と潮力発電（大きな水塊の運動エネルギーから得られるエネルギー）の両方を含みます。洋上風力発電は、風力タービンが水上に設置されていても、風力発電は風から得られるエネルギーであるため、海洋エネルギーの一種ではありません。
海洋は膨大なエネルギーを秘めており、人口密集地の多く、あるいはほとんどが海洋に近い。海洋エネルギーは世界中で相当量の新たな再生可能エネルギーを提供する可能性を秘めている。 [ 27 ]
塩分濃度勾配エネルギーは圧力遅延浸透と呼ばれます。この方法では、海水が、塩水と淡水の圧力差よりも低い圧力の圧力室に送り込まれます。淡水も膜を通して圧力室に送り込まれ、圧力室の容積と圧力の両方が増加します。圧力差が相殺されると、タービンが回転してエネルギーが生成されます。この方法は、ノルウェーの電力会社Statkraftによって特に研究されており、ノルウェーでは このプロセスから年間最大25 TWhのエネルギーが得られると計算されています。Statkraftは、2009年11月24日に開所したオスロフィヨルドに世界初のプロトタイプ浸透発電所を建設しました。 しかし、2014年1月にStatkraftはこのパイロットプロジェクトを継続しないことを発表しました。[ 28 ]
バイオマスエネルギーは、廃棄された緑色の植物性物質を燃焼させて水を加熱し、蒸気タービンを駆動することで生成できます。また、バイオエネルギーは、ガス化、熱分解、焙焼などの反応において、さまざまな温度と圧力で処理することも可能です。これらの反応は、目的とする最終製品に応じて、よりエネルギー密度の高い生成物（合成ガス、木質ペレット、バイオ石炭など）を生成し、これらを付属のエンジンに供給することで、野焼きに比べてはるかに低い排出率で発電することができます。
揚水式水力発電、熱エネルギー貯蔵、フライホイールエネルギー貯蔵、蓄電池式発電所などでは、エネルギーを貯蔵して後で電力を生成することが可能です。
揚水発電は、余剰電力を貯蔵する世界最大の形態であり、可逆的な水力発電所です。エネルギーの純消費源ではありますが、あらゆる電源からの電力を貯蔵できるため、電力の供給と需要のピークと谷を効果的に平準化します。揚水発電所は通常、オフピーク時に「余剰」電力を使用して、下部貯水池から上部貯水池に水を汲み上げます。揚水は「オフピーク」に行われるため、電力の価値はピーク時よりも低くなります。この価値の低い「余剰」電力は、制御されていない風力発電所や、石炭、原子力、地熱などのベースロード発電所から供給されます。これらの発電所は、需要が非常に低い夜間でも発電を続けています。電力価格が高い日中のピーク需要時には、貯水はピーク電力供給に使用され、上部貯水池の水をタービンと発電機を通して下部貯水池に流し戻します。冷間状態から起動するのに12時間以上かかることもある石炭火力発電所とは異なり、水力発電機は数分で稼働できるため、ピーク負荷需要を満たすのに最適です。南アフリカには、パルミエット揚水発電所とドラケンスバーグ山脈にあるイングーラ揚水発電所という、 2つの大規模な揚水発電所がある。
発電所が発電する電力は、ワットの倍数で測定され、一般的にはメガワット（10⁶ワット）またはギガワット（10⁹ワット）で表される。発電所の発電容量は、発電所の種類や、歴史的、地理的、経済的な要因によって大きく異なる。
稼働中の陸上風力発電所のうち、最大規模のものは中国に多く存在する。2022年現在、世界最大の陸上風力発電所は甘粛風力発電所で、発電量は10.45GW、次いで張家口風力発電所（3000MW）となっている。2022年1月現在、世界最大の洋上風力発電所は英国のホーンシー風力発電所で、発電量は1218MW 、次いで英国のウォルニー風力発電所が1026MWとなっている。
2021年には、世界の発電所の設備容量が347GW増加した。太陽光発電と風力発電の設備容量は1年間で80%増加した。[ 29 ] 2022年現在世界最大の太陽光発電所は、インドのバドラ太陽光発電所（定格出力2245MW）が率いている 。
米国最大の太陽熱発電所（アイバンパ太陽光発電所）の出力は392MWである 。
大規模な石炭火力発電所、原子力発電所、水力発電所は、数百メガワットから数ギガワットの電力を発電できる。いくつかの例を挙げると以下の通りである。
ガスタービン発電所は、数十メガワットから数百メガワットの発電能力を持つ。例をいくつか挙げる。
発電所の定格容量とは、その発電所が発電できるほぼ最大の電力容量のことです。一部の発電所は、計画的または突発的なメンテナンス時を除き、負荷追従を行わないベースロード発電所として、ほぼ定格容量で常時運転されています。
しかし、多くの発電所は通常、定格容量よりもはるかに少ない電力しか発電しない。
発電所によっては、断続的なエネルギー源を使用しているため、定格容量よりもはるかに少ない電力しか発電できない場合があります。このような発電所では限界費用が実質的にゼロになるため、事業者は利用可能な電力を最大限に引き出そうとしますが、利用可能な電力は大きく変動します。特に、夜間の激しい嵐の際には、電力がゼロになることもあります。
場合によっては、事業者は経済的な理由から意図的に発電量を減らすことがあります。負荷追従型発電所の燃料費は比較的高額になる可能性があり、ピーク負荷型発電所の燃料費はさらに高額になります。つまり、これらの発電所は限界費用が比較的高いのです。事業者は、ほとんどの時間、発電所を停止（「運用予備力」）するか、最小限の燃料消費量（「回転予備力」）で運転します。需要が低コストの発電所（つまり、間欠型発電所とベースロード発電所）の発電能力を超えた場合にのみ、負荷追従型発電所に燃料を追加供給し、需要の増加が負荷追従型発電所の対応能力を超えた場合にのみ、ピーク負荷型発電所に燃料を追加供給します。
発電所で発電された電力のすべてが必ずしも配電システムに供給されるわけではありません。発電所は通常、発電した電力の一部を自らも使用します。その場合、発電量は総発電量と正味発電量に分類されます。
総発電量または総電力出力とは、発電所が特定の期間に発電した電力の総量のことです。 [ 31 ]これは発電ターミナルで測定され、キロワット時(kW·h)、メガワット時(MW·h)、[ 32 ]ギガワット時(GW·h)、または最大規模の発電所の場合はテラワット時(TW·h) で測定されます。これには、発電所の補助設備や変圧器で使用された電力も含まれます。[ 33 ]
純発電量とは、発電所で発電され、消費者向けに送電・配電される電力の量を指します。純発電量は総発電量よりも少なく、これは発電された電力の一部がポンプ、モーター、汚染防止装置などの補助機器の動力源として発電所内で消費されるためです。[ 34 ] したがって
発電所の運転スタッフにはいくつかの職務があります。運転員は、機械設備や電気設備の修理を頻繁に行う作業員の安全を確保する責任があります。運転員は、定期的な点検で設備を維持し、温度、圧力、その他の重要な情報を定期的に記録します。運転員は、必要に応じて発電機の起動と停止を行う責任があります。運転員は、システムに支障をきたすことなく、追加された発電機の電圧出力を稼働中の電気系統と同期および調整することができます。運転員は、施設内の問題をトラブルシューティングし、施設の信頼性を高めるために、電気システムと機械システムについて熟知している必要があります。運転員は、緊急事態に対応でき、それに対処するための手順を知っている必要があります。[ 35 ]