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風力発電は、風のエネルギーを利用して有用な仕事を生み出すことです。歴史的には、風力は帆、風車、風力ポンプによって使用されていましたが、今日では主に電力を生成するために使用されます。この記事では、発電のための風力発電についてのみ扱います。今日、風力発電はほぼ完全に風力タービンによって生成され、一般的に風力発電所にまとめられ、電力網に接続されています。
2022年には、風力は2,304 TWh以上の電力を供給し、これは世界の電力の7.8％に相当します。[1] 2021年には、主に中国と米国で 約100GWが追加され、世界の風力発電設備容量は800GWを超えました。[2] [3] [4] 32か国が2023年に電力の10分の1以上を風力発電で生成し、風力発電は2015年以来ほぼ3倍になっています。[1]気候変動を制限するというパリ協定の目標 を達成するためには、アナリストは風力発電を年間1％以上拡大する必要があると言います。[5]
風力発電は持続可能な再生可能エネルギー源と考えられており、化石燃料の燃焼に比べて環境への影響がはるかに小さい。風力発電は変動性が高いため、安定した電力供給を得るにはエネルギー貯蔵やその他のディスパッチ可能な発電源が必要である。陸上（陸上）風力発電所は、生産エネルギー当たりの景観に対する他のほとんどの発電所よりも大きな視覚的影響がある。[6] [7]沖合にある風力発電所は視覚的影響が少なく、設備利用率が高いが、一般的に高価である。[2]現在、新規設備の約10％が洋上風力発電である。[8]
風力発電は、生産されるエネルギー単位あたりのコストが最も低い電源の1つです。多くの地域では、新しい陸上風力発電所は新しい石炭火力発電所やガス火力発電所よりも安価です。[9]
北半球と南半球の高緯度地域は風力発電の潜在性が最も高い。[10]ほとんどの地域では、夜間や太陽光発電の出力が低い冬季に風力発電量が多くなる。このため、多くの国では風力と太陽光発電の組み合わせが適している。[11]
風力エネルギー資源
風は地球の大気中の空気の動きです。時間単位、たとえば 1 秒あたりに、ある領域を通過した空気の量はです。空気の密度が の場合、この空気の質量は で、1 秒あたりの電力伝達、つまりエネルギー伝達は です。したがって、風力は風速の3 乗に比例します。つまり、風速が 2 倍になると、利用可能な電力は 8 倍になります。風速が 2.1544 倍変化すると、風力は 1 桁増加します (10 倍)。
1979年から2010年までの期間における世界の風の運動エネルギーの平均はおよそ1.50 MJ/m 2で、北半球では1.31 MJ/m 2 、南半球では1.70 MJ/m 2でした。大気は熱機関として機能し、高温では熱を吸収し、低温では熱を放出します。このプロセスにより、2.46 W/m 2の風の運動エネルギーが生成され、摩擦に抗して大気の循環が維持されます。[14]
風力資源評価を通じて、世界規模、国や地域別、または特定の場所の風力発電の潜在能力を推定することができます。デンマーク工科大学が世界銀行と提携して提供している世界風力アトラスは、風力発電の潜在能力の世界規模評価を提供しています。[12] [15] [16] 複数年にわたる風速と電力密度の推定値を平均する「静的」な風力資源アトラスとは異なり、Renewables.ninjaなどのツールは、1時間ごとの解像度で、さまざまな風力タービンモデルからの風速と電力出力の時間変動シミュレーションを提供します。[17]より詳細な、場所固有の風力資源の潜在能力評価は、専門の商用プロバイダーから入手でき、大規模な風力開発業者の多くは社内にモデリング機能を持っています。
風から得られる経済的に抽出可能な電力の総量は、現在人類があらゆる電力源から使用している電力よりかなり多い。[18]風の強さは変化し、特定の場所の平均値だけでは、風力タービンがその場所で生産できるエネルギー量を示すものではない。
風力発電の候補地を評価するために、観測された風速データに確率分布関数を当てはめることがよくあります。[19]場所によって風速分布は異なります。ワイブルモデルは、多くの場所での1時間/10分間の風速の実際の分布をよく反映しています。ワイブル係数は2に近いことが多いため、レイリー分布は精度は劣りますが、より単純なモデルとして使用できます。[20]
風力発電所
風力発電所とは、同じ場所にある風力タービンのグループです。大規模な風力発電所は、広い範囲に分散した数百の個別の風力タービンで構成される場合があります。タービン間の土地は、農業やその他の目的に使用できます。風力発電所は、沖合にある場合もあります。ほぼすべての大型風力タービンは同じ設計です。つまり、3 枚のブレードを持つアップウィンド ローターを備えた水平軸風力タービンが、高い管状のタワーの上にある ナセルに取り付けられています。
風力発電所では、個々のタービンが中電圧（多くの場合34.5kV）の電力収集システム[25]と通信ネットワークで相互接続されています。一般的に、完全に開発された風力発電所では、各タービン間の距離は7D（風力タービンのローター直径の7倍）に設定されています。[26]変電所では、この中電圧電流を変圧器で電圧を上げ、高電圧電力送電システムに接続します。[27]
発電機の特性と安定性
現代のタービンのほとんどは、タービン発電機と集電システムの間に部分的または完全な電力変換器を組み合わせた可変速発電機を使用しており、これらは一般に系統連系に適した特性を持ち、低電圧ライドスルー機能を備えています。[28]現代のタービンは、部分的な変換器を備えた二重給電式電動機、または完全な変換器を備えたかご形誘導発電機または同期発電機（永久励磁と電気的励磁の両方）を使用しています。[29] ブラックスタートは可能であり[30] 、電力のほとんどを風力で発電している場所（アイオワ州など）向けにさらに開発が進められています。[31]
送電システム事業者は、送電網への接続要件を規定するグリッドコードを風力発電所開発者に提供する。これには、力率、周波数の一定性、システム障害時の風力発電所タービンの動的挙動などが含まれる。[32] [33]
洋上風力発電
洋上風力発電は、通常は海などの大きな水域に建設される風力発電所です。これらの施設は、これらの場所で利用できるより頻繁で強力な風を利用することができ、陸上のプロジェクトよりも景観への視覚的影響が少なくなります。ただし、建設費と維持費はかなり高くなります。[35] [36]
2021年11月現在、イギリスのホーンシー風力発電所は1,218MWで世界最大の洋上風力発電所となっている。[37]
収集・伝送ネットワーク
沖合の風力発電所の近くでは交流で接続され、沖合の遠くでは高圧直流で接続されることがある。[38]
風力発電資源は必ずしも人口密度の高い場所にあるわけではない。送電線が長くなると、短い距離での損失モードが悪化し、長さが長くなるにつれて新しい損失モードが無視できなくなるため、電力伝送に関連する損失が増加し、長距離にわたって大きな荷物を輸送することが困難になる。[39]
送電容量が発電容量を満たさない場合、風力発電所は最大潜在能力を下回る発電を強いられるか、または完全に停止する。これは出力抑制と呼ばれるプロセスである。これにより再生可能エネルギーの潜在的発電量が未活用のままになるが、送電網の過負荷や信頼性の高いサービスへのリスクを防ぐことができる。[40]
一部の国における風力発電の送電網統合における現在の最大の課題の 1 つは、風力発電所から電力を運ぶための新しい送電線を開発する必要性です。風力発電所は通常、風が利用できるため遠く離れた人口の少ない地域にあり、高負荷の場所、通常は人口密度が高い海岸にあります。[41]遠隔地の既存の送電線は、大量のエネルギーを輸送するように設計されていない可能性があります。[42]特定の地理的地域では、最大風速が洋上か陸上かに関係なく、電力のピーク需要と一致しない場合があります。将来の可能性のあるオプションは、広範囲に分散した地理的エリアを HVDCスーパーグリッドで相互接続することです。[43]
風力発電の容量と生産量
成長傾向
世界の風力発電累積容量の対数グラフ（データ：GWEC）[46]
2020年、風力は約1600 TWhの電力を供給し、これは世界全体の発電量の5％以上、エネルギー消費量の約2％を占めた。[47] [3] 2020年には主に中国で100GW以上が追加され、世界の風力発電の設置容量は730GWを超えた。[2] [3]しかし、気候変動を制限するというパリ協定の目標を達成するためには、アナリストは風力発電を年間発電量の1％以上というはるかに速いペースで拡大する必要があると述べている。[5]風力発電の拡大は化石燃料補助金によって妨げられている。[48] [49] [50]
風力発電が実際に発電できる電力量は、定格出力に設備や場所によって異なる設備利用率を掛けて計算されます。風力発電設備の設備利用率は35%から44%の範囲と推定されています。[51]
容量係数
風速は一定ではないため、風力発電所の年間発電量は、発電機の定格出力と年間総稼働時間を掛け合わせた値には決して達しません。年間の実際の生産性とこの理論上の最大値の比率を稼働率と呼びます。一部の地域ではオンラインデータが利用可能で、稼働率は年間出力から計算できます。[52] [53]
浸透
風力エネルギーの普及率は、総発電量と比較した風力発電によるエネルギーの割合です。2021年の世界全体の電力使用量における風力発電のシェアはほぼ7％で、[55] 2015年の3.5％から増加しました。[56] [57]
風力発電の普及率には、一般的に認められた上限はない。特定の送電網の限界は、既存の発電所、価格設定メカニズム、エネルギー貯蔵容量、需要管理、その他の要因によって決まる。相互接続された電力網には、機器の故障に備えて予備の発電・送電容量がすでに備わっている。この予備容量は、風力発電所の発電量の変動を補うためにも役立つ。研究によると、年間総電力消費量の20%は、ほとんど問題なく組み込めるという。[58]これらの研究は、地理的に分散した風力発電所、ある程度のディスパッチ可能なエネルギーまたは貯蔵容量を備えた水力発電、需要管理、必要に応じて電力を輸出できる大規模な送電網に相互接続された場所を対象としている。電力会社は、風力発電の大規模な普及がシステムの安定性に与える影響を研究し続けている。[59]
風力エネルギーの普及率は、期間ごとに指定できるが、通常は年間で引用される。年間のほぼすべての電力を風力で発電するには、他のシステムとの相当な相互接続が必要であり、たとえばスコットランドの風力発電の一部は、英国の他の送電網に送られている。[60]月、週、日、時間単位、あるいはそれ以下で、風力は現在の使用量の100%以上を供給し、残りは貯蔵、輸出、または削減される可能性がある。季節産業は、風力が通常の需要を上回る夜間など、風が強く使用率が低い時間帯を利用する可能性がある。そのような産業には、シリコン、アルミニウム、[61]鉄鋼、天然ガス、水素の生産や、将来の長期貯蔵を使用して変動する再生可能エネルギーから100%のエネルギーを促進することが含まれる可能性がある。[62] [63] [より良い情報源が必要]家庭や企業は、たとえば遠隔操作で給湯器のサーモスタットを上げるなど、電力需要を変化させるようにプログラムすることもできる。 [64] [65] [ 66]
変動性
風力発電は変動性があり、風の弱い時期には他の電源に置き換える必要があるかもしれません。現在、送電網は他の発電所の停電や日々の電力需要の変化に対応していますが、風力発電などの断続的な電源の変動性は、従来の発電所の変動性よりも頻繁に発生します。従来の発電所は、運転が予定されている場合、約 95% の時間で定格出力を供給できます。
風力発電による電力は、時間単位、日単位、季節単位など、いくつかの異なる時間スケールで大きく変動する可能性があります。年間変動もありますが、それほど大きくはありません。[要出典]グリッドの安定性を維持するには、瞬間的な発電と消費のバランスを保つ必要があるため、この変動性により、大量の風力発電をグリッド システムに組み込む際に大きな課題が生じる可能性があります。風力エネルギー生産の間欠性とディスパッチ不可能な性質により、調整、増分運用予備力のコストが上昇する可能性があり、(普及率が高い場合) 既存のエネルギー需要管理、負荷制限、ストレージ ソリューション、またはHVDCケーブル によるシステム相互接続の強化が必要になる可能性があります。
負荷の変動と大型化石燃料発電所の故障に備えるには、運用予備容量が必要であり、これを増加することで風力発電の変動を補うことができます。
商用規模のバッテリーは、時間単位やより短い時間スケールの変動を相殺するためによく使用されますが、 [67] [68]車載用バッテリーは2020年代半ばから普及する可能性があります。[69]風力発電の支持者は、風力の弱い期間は、準備が整っている既存の発電所を再稼働するか、HVDCと相互接続するだけで対処できると主張しています。[70]
変動性のある再生可能エネルギーを種類や場所によって多様化し、その変動を予測し、ディスパッチ可能な再生可能エネルギー、柔軟な燃料の発電機、需要反応と統合することで、電力供給のニーズを確実に満たす可能性のある電力システムを構築できます。現実世界では、これまで以上に高いレベルの再生可能エネルギーの統合が実証されています。[71]
太陽光発電は風力発電を補完する傾向があります。[73] [74]日ごとから週ごとの時間スケールで見ると、高気圧地域では晴天と低地風がもたらされる傾向がありますが、低気圧地域では風が強くなり、曇りになる傾向があります。季節的な時間スケールでは、太陽エネルギーは夏にピークを迎えますが、多くの地域で風力エネルギーは夏に低く、冬に高くなります。[A] [75]このように、風力と太陽光発電の季節変動は、ある程度相殺される傾向があります。[72] 風力ハイブリッド発電システムがますます普及しています。[76]
予測可能性
どの発電機でも、風力発電の出力が1時間以内に10%未満に変化する確率は80%、5時間以内に10%以上変化する確率は40%です。[77]
2021年夏、イギリスの風力発電は過去70年間で最も風が弱かったため減少しました。 [78]将来的には、風力発電のシェアが拡大したときに、グリーン水素を生産してピークを平滑化することが役立つかもしれません。[79]
単一のタービンからの出力は、局所的な風速の変化に応じて大きく急激に変化する可能性があるが、より多くのタービンがより広い地域に接続されるにつれて、平均電力出力は変動が少なくなり、より予測可能になる。[28] [80] 天気予報により、電力ネットワークは、発生する予測可能な生産変動に備えることができる。[81]
最も信頼性の高い低炭素電力システムには、風力発電が大きな割合を占めると考えられています。[82]
エネルギー貯蔵
通常、従来の水力発電は風力発電を非常にうまく補完します。風が強く吹いているときは、近くの水力発電所が一時的に水を貯めることができます。風が弱まると、発電能力があれば、それを補うために急速に生産量を増やすことができます。これにより、全体的に非常に均一な電力供給が可能になり、エネルギーの損失はほとんどなく、水の使用量も増えません。
あるいは、適切な水頭が利用できない場合は、揚水発電や、圧縮空気エネルギー貯蔵や熱エネルギー貯蔵などの他の形態のグリッドエネルギー貯蔵によって、強風時に発生したエネルギーを貯蔵し、必要に応じて放出することができます。必要な貯蔵の種類は風力浸透レベルによって異なります。浸透率が低い場合は毎日の貯蔵が必要であり、浸透率が高い場合は短期と長期の両方の貯蔵が必要であり、1か月以上かかります。[要出典]貯蔵されたエネルギーは、ピーク需要時に高コストの発電を置き換えることができるため、風力エネルギーの経済的価値を高めます。この裁定取引から得られる潜在的な収益は、貯蔵のコストと損失を相殺することができます。揚水発電システムの効率は約75％に過ぎず、設置コストは高いですが、ランニングコストが低く、必要な電気ベースロードを削減できるため、燃料と総発電コストの両方を節約できます。[83] [84]
エネルギー回収
風力発電所の建設に必要なエネルギーをその寿命全体の総出力で割った値、すなわち風力発電の投資エネルギー回収率は変動しますが、平均すると約20～25です。[85] [86]したがって、エネルギー回収期間は通常約1年です。
経済
陸上風力は安価な電力源であり、石炭火力発電所や新しいガス火力発電所よりも安価である。[9] BusinessGreenによると、風力タービンは2000年代半ばにヨーロッパの一部の地域でグリッドパリティ（風力発電のコストが従来の電源と同等になるポイント）に達し、米国でもほぼ同じ時期に達成された。価格の下落により均等化発電コストは引き続き低下しており、ヨーロッパでは2010年に一般的なグリッドパリティに到達し、資本コストが約12％削減されると予想されるため、米国でも2016年頃に同じポイントに到達すると示唆されている。[88] [更新が必要] 2021年、シーメンス・ガメサのCEOは、低コストの風力タービンの需要増加と高い投入コストおよび鋼材コストが組み合わさることで、メーカーへの圧力が高まり、利益率が低下すると警告した。[89]
北ユーラシア、カナダ、米国の一部、アルゼンチンのパタゴニアは陸上風力発電に最適な地域である。一方、世界の他の地域では、太陽光発電、または風力と太陽光の組み合わせの方が安価になる傾向がある。[90] : 8
電力コストと動向
風力発電は資本集約型ですが、燃料費がかかりません。[91]そのため、風力発電の価格は、価格変動の激しい化石燃料源よりもはるかに安定しています。[92]ただし、電力1単位あたりの推定平均コストには、タービンと送電施設の建設費、借入金、投資家への収益（リスクコストを含む）、推定年間生産量、およびその他の要素が組み込まれ、機器の予想耐用年数（20年以上になる場合があります）にわたって平均化される必要があります。エネルギーコストの推定はこれらの仮定に大きく依存するため、公表されるコストの数値は大幅に異なる可能性があります。
風力エネルギーは、補助金があっても、高価なピーク時発電所の使用を最小限に抑えることで限界価格を下げ、消費者のコスト（ドイツでは年間50億ユーロ）を削減することができます。[93]
風力タービンの技術が向上するにつれて、コストは低下しました。現在では、風力タービンのブレードはより長く、より軽くなり、タービンの性能が向上し、発電効率も向上しています。また、風力プロジェクトの設備投資コストとメンテナンスコストは引き続き低下しています。[94]
2021年、ラザードが実施した補助金なしの電力に関する調査によると、風力発電の平準化発電コストは引き続き低下しているが、以前よりも低下のペースは緩やかだという。この調査では、風力発電による新規の電力コストは26～50ドル/MWh、ガス発電による新規の電力コストは45～74ドル/MWhと推定されている。完全に廃止された既存の石炭火力発電のコスト中央値は42ドル/MWh、原子力発電は29ドル/MWh、ガス発電は24ドル/MWhだった。この調査では、洋上風力発電のコストを約83ドル/MWhと推定している。 2016年から2021年までの年平均成長率は4％で、2009年から2021年までの年平均成長率は10％だった。[9]
風力発電の価値
風力発電の均等化発電コストは従来の燃焼ベースの発電技術のコストに達している可能性があるが、発電された電力の市場価値もメリットオーダー効果により低くなっている。メリットオーダー効果とは、この技術の限界費用が低いため、変動性再生可能エネルギーの大量発電時には電力市場価格が低くなることを意味している。[95]この効果はいくつかの欧州市場で確認されている。[96]変動性再生可能エネルギー源の浸透率が高い市場で電力市場価格に左右される風力発電所の場合、収益性が課題となる可能性がある。
インセンティブとコミュニティの利益
近年、エネルギーオークションの利用増加や多くの市場での補助金廃止など、競争条件の厳しさにより、タービンの価格は大幅に下落している。[97] 2021年現在、洋上風力には依然として補助金が支給されることが多い。しかし、競合する化石燃料補助金がない限り、中国など炭素価格が非常に低い国でも陸上風力には一般的に補助金は必要ない。[98]
二次市場の力は、たとえ電気料金が割高であっても、企業が風力発電を利用する動機となる。例えば、社会的責任を負っている製造業者は、公益事業会社に割増料金を支払い、その割増料金が新しい風力発電インフラの補助金や建設に充てられる。企業は風力発電を利用し、その代わりに、強力な「グリーン」な取り組みを行っていると主張することができる。[99]風力発電プロジェクトは、地方税、または税金に代わる支払いを提供し、土地に風力タービンを設置している農家に収入をもたらすことで、農村地域の経済を強化する。[100] [101]
風力エネルギー部門は、建設段階と運用段階でも雇用を生み出すことができます。[102]雇用には、風力タービンの製造と、タービンの輸送、設置、メンテナンスを含む建設プロセスが含まれます。2020年には推定125万人が風力発電に従事しました。[103]
小規模風力発電
小規模風力発電とは、最大50kWの電力を生産できる風力発電システムのことです。[104]ディーゼル発電機に頼る孤立したコミュニティでは、代替手段として風力タービンを使用することができます。個人は、経済的な理由から、または二酸化炭素排出量を削減するために、グリッド電力への依存を減らすかなくすために、これらのシステムを購入することがあります。風力タービンは、何十年にもわたって遠隔地でバッテリーストレージと組み合わせて家庭用電力生成に使用されてきました。 [105]
都市部での小規模な風力発電プロジェクトの例としては、ニューヨーク市が挙げられます。2009年以降、いくつかの建物の屋根にゴルロフ型らせん状風力タービンが設置されています。建物全体の消費量と比較すると、これらの風力タービンが生み出すエネルギーは小さいものですが、「ハイテクボイラーを人々に見せる」だけでは得られない方法で、建物の「グリーン」な信頼性を強化するのに役立ちます。また、一部のプロジェクトは、ニューヨーク州エネルギー研究開発局の直接的な支援も受けています。[106]
グリッド接続された家庭用風力タービンは、グリッドエネルギーストレージを使用することで、購入電力を地元で生産された電力に置き換えることができます。一部の管轄区域では、家庭用マイクロジェネレータによって生成された余剰電力をネットワークに供給して電力会社に販売し、マイクロジェネレータの所有者に小売クレジットを作成してエネルギーコストを相殺することができます。[107]
オフグリッドシステムのユーザーは、断続的な電力に適応するか、風力タービンを補うためにバッテリー、太陽光発電、またはディーゼルシステムを使用できます。 [108]パーキングメーター、交通警告標識、街灯、ワイヤレスインターネットゲートウェイなどの機器は、小型風力タービンで電力を供給できます。太陽光発電システムと組み合わせて、小型バッテリーを充電することで、電力網への接続の必要性をなくすことができます。[109]
凧などの空中風力タービンは事前に撤去できるため、ハリケーンの危険がある場所で使用することができます。[110]
環境と景観への影響
風力発電による環境への影響は、化石燃料発電に比べると小さい。[112]風力タービンは、ライフサイクル全体での温室効果ガス排出量が最も少ないエネルギー源の一つである。平均的な電力単位よりも温室効果ガスの排出量がはるかに少ないため、風力発電は気候変動の抑制に貢献している。 [113]人工木材の使用により、カーボンネガティブな風力発電が可能になる可能性がある。[114]風力発電は燃料を消費せず、化石燃料電源とは異なり、局所的な大気汚染を排出しない。
陸上の風力発電所は、視覚的に大きな影響を与える可能性がある。[115]表面電力密度が非常に低く、間隔も必要なため、風力発電所は通常、他の発電所よりも広い土地に分散する必要がある。 [6] [116]タービン、アクセス道路、送電線、変電所のネットワークは、「エネルギーのスプロール現象」を引き起こす可能性がある。[7]ただし、タービンと道路の間の土地は農業に使用できる。[117] [118]一部の風力発電所は、保護された景勝地、考古学的景観、遺産を損なう可能性があるとして反対されている。[119] [120] [121]スコットランド登山協議会の報告書は、風力発電所が自然の景観とパノラマビューで知られる地域の観光に悪影響を及ぼしていると結論付けている。 [122]
陸上風力発電所が野生生物に及ぼす最大の潜在的影響は生息地の喪失と分断であるが[7]、世界規模での生態系への影響は最小限である。[112]希少種を含む何千羽もの鳥やコウモリが風力タービンの羽根によって殺されているが[123]、気候変動の影響を考慮すると、風力タービンによる鳥の死は化石燃料発電所による鳥の死よりもはるかに少ない。[124]これらの影響を除けば、現代の風力タービンは1GWhあたり約0.273羽の鳥を殺しているのに対し、石炭火力発電所では0.200羽である。[124]風力タービンが鳥に与える影響は、適切な野生生物モニタリングによって軽減できる。[125]
風力タービンのブレードの多くはグラスファイバー製で、寿命は20年です。[126]ブレードは中が空洞になっています。一部のブレードは圧縮されて容積が小さくなり、埋め立てられます。[127]しかし、ブレードは大きな重量を支えることができるため、歩行者や自転車用の長持ちする小さな橋にすることができます。[128]ブレードの寿命は複雑で、[129] 2020年代に製造されるブレードは完全にリサイクルできるように設計される可能性が高いです。[130]
風力タービンも騒音を発生する。300メートル（980フィート）の距離では、騒音は約45デシベルで、冷蔵庫よりわずかに大きい。1.5キロメートル（1マイル）では、騒音は聞こえなくなる。[131] [132]風力タービンのすぐ近くに住む人々には健康への悪影響があるという逸話的な報告がある。[133]査読済みの研究では、これらの主張は一般的に裏付けられていない。[134] [135] [136]
政治
中央政府
固定式の風力タービンは成熟した技術であり、新規の設置には一般的に補助金は支給されないが[137] [138] 、浮体式風力タービンは比較的新しい技術であるため、一部の政府は、例えばより深い水域を利用するために補助金を支給している。[139]
一部の政府による化石燃料補助金は再生可能エネルギーの成長を鈍化させている。[140]
風力発電所の許可には何年もかかることがあり、一部の政府はスピードアップを図っています。風力業界は、これが気候変動を抑制し、エネルギー安全保障を高めるのに役立つと主張しています[141] 。時には漁師などの団体がこれに抵抗しますが[142]、政府は生物多様性を保護する規則は依然として遵守されると述べています。[143]
世論
ヨーロッパやその他多くの国で行われた世論調査では、風力発電に対する国民の強い支持が示されています。[145] [146] [147]バッカーら（2012年）は、風力タービンを近くに建設することを望まない住民は、「風力タービンから経済的利益を得ている」住民よりも著しく多くのストレスを抱えていることを研究で発見しました。[148]
風力発電はエネルギー生成の一般的な形態であるが、陸上または沖合付近の風力発電所は、景観（特に景勝地、遺産地域、考古学的景観）への影響、騒音、観光への影響を理由に反対されることがある。[149] [150]
他のケースでは、風力発電所はコミュニティが直接所有しています。ドイツの中小規模の風力発電所に携わる何十万人もの人々が、そのような支援を示しています。[151]
2010年のハリス世論調査では、ドイツ、その他のヨーロッパ諸国、米国で風力発電に対する強い支持があることが判明した。[145] [146] [152]
米国における国民の支持は2020年の75%から2021年には62%に減少しており、民主党は共和党の2倍の支持を風力エネルギーの利用に向けている。[153]バイデン大統領は大規模風力発電所の建設を開始する大統領令に署名した。[154]
中国では、シェンら（2019）は、中国の都市住民が都市部に風力タービンを建設することに抵抗を示す可能性があることを発見しました。驚くほど多くの人々が、根拠のない放射線への恐怖を懸念の原因として挙げています。[155]また、この研究では、OECD諸国の回答者と同様に、都市部の中国人の回答者は直接的なコストと野生生物の外部性に敏感であることがわかりました。タービンに関する関連情報を一般の人々に配布することで、抵抗を和らげることができるかもしれません。
コミュニティ
多くの風力発電会社は、特定の風力発電所に関連する環境問題やその他の懸念を軽減するために地域社会と協力しています。[158] [159] [160] その他のケースでは、風力発電所プロジェクトは地域社会が直接所有しています。適切な政府との協議、計画、承認手続きも、環境リスクを最小限に抑えるのに役立ちます。[145] [161] [162] 一部の人々は依然として風力発電所に反対しているかもしれませんが[163] 、多くの人々は、彼らの懸念は、大気汚染、[164] [113] 気候変動[165]がもたらす脅威に対処する必要性、およびより広範な地域社会の意見と比較検討されるべきだと言います。 [166]
米国では、風力発電プロジェクトは地方の税基盤を強化し、学校、道路、病院の費用の支払いに役立ち、農家やその他の土地所有者に安定した収入をもたらすことで農村地域の経済を活性化させると報告されています。[100]
英国では、ナショナル・トラストとイングランドの田園地帯保護キャンペーンの両団体が、不適切な場所に設置された風力タービンや風力発電所が田園地帯の景観に与える影響について懸念を表明している。[167] [168]
いくつかの風力発電所は観光名所となっている。ホワイトリー風力発電所ビジターセンターには展示室、学習センター、展望台のあるカフェ、ショップがある。このセンターはグラスゴー科学センターによって運営されている。[169]
デンマークでは、風力タービンの近接により財産の価値が失われた場合、価値損失制度により補償を請求する権利が人々に与えられている。損失は財産価値の少なくとも1％でなければならない。[170]
風力発電の概念は一般大衆に広く支持されているにもかかわらず、地元の反対派がしばしば存在し、多くのプロジェクトが遅延または中止されている。[171] [172] [173] 景観への懸念に加え、一部の施設では過度の騒音や振動レベルが発生し、不動産価値の低下につながるという懸念もある。[174]風力タービンの近くで販売された5万件の住宅を調査した研究では、価格が影響を受けたという統計的証拠は見つからなかった。[175]
美観の問題は主観的なものであり、風力発電所を心地よく楽観的なもの、あるいはエネルギーの自立と地域の繁栄の象徴と考える人もいるが、さまざまな理由から風力発電所の建設を阻止しようとする抗議団体が結成されることも多い。[163] [176] [177]
風力発電所に対する反対意見の中にはNIMBY主義として退けられるものもあるが[178]、 2009年に実施された調査では、住民が風力発電所に反対するのは「自分の裏庭には置きたくない」という態度のためだけだという考えを裏付ける証拠はほとんどないことが判明した[179] 。
地政学
風力は石油やガスと違って止まることがないので、エネルギー安全保障に貢献できる。[180]
タービン設計
風力タービンは、風の運動エネルギーを電力に変換する装置です。1000年以上にわたる風車の発展と現代の工学技術の成果として、今日の風力タービンは、さまざまな水平軸型と垂直軸型で製造されています。最小のタービンは、補助電源用のバッテリー充電などの用途に使用されます。少し大きいタービンは、家庭用電力供給に少し貢献し、未使用の電力を電力網経由で電力会社に販売するために使用できます。大型タービンのアレイは風力発電所として知られ、再生可能エネルギーの重要な供給源となりつつあり、多くの国で化石燃料への依存を減らす戦略の一環として使用されています。
風力タービンの設計は、風からエネルギーを抽出するための風力タービンの形状と仕様を定義するプロセスです。[181]風力タービンの設備は、風のエネルギーを捕捉し、タービンを風に向け、機械的な回転を電力に 変換するために必要なシステムと、タービンを始動、停止、制御するためのその他のシステムで構成されています。
1919年、ドイツの物理学者アルベルト・ベッツは、仮想的な理想的な風力エネルギー抽出機では、質量とエネルギーの保存則の基本法則により、風の運動エネルギーの16/27（59%）しか捕捉できないことを示しました。このベッツ限界は現代のタービン設計で近づくことができ、理論上のベッツ限界の70～80%に達する可能性があります。[182] [183]
風力タービンの空気力学は単純ではありません。ブレードの空気の流れは、タービンから遠く離れた場所の空気の流れと同じではありません。空気からエネルギーを抽出する方法の性質自体が、タービンによって空気が偏向される原因にもなります。これは下流の物体や他のタービンに影響を及ぼし、「後流効果」として知られています。また、風力タービンのローター表面の空気力学は、他の空気力学の分野ではほとんど見られない現象を示します。風力タービンのブレードの形状と寸法は、風からエネルギーを効率的に抽出するために必要な空気力学的性能と、ブレードにかかる力に抵抗するために必要な強度によって決まります。[184]
完全な風力発電システムの設計では、ブレードの空気力学的設計に加えて、設備のローターハブ、ナセル、タワー構造、発電機、制御装置、基礎の設計も考慮する必要があります。[185]
歴史
風力は、人類が帆を上げて風を起こした頃から利用されてきた。穀物を挽いたり水を汲み上げたりする風力機械、風車や風力ポンプは、 9世紀までに現在のイラン、アフガニスタン、パキスタンで開発されていた。 [186] [187]風力は広く利用可能であり、流れの速い川の岸に限定されず、後に燃料源を必要とすることもなかった。風力ポンプはオランダの干拓地の水を排水し、アメリカ中西部やオーストラリアの奥地などの乾燥地域では、風力ポンプが家畜や蒸気機関に水を供給した。
電力生産に使用された最初の風車は、1887年7月にグラスゴーのアンダーソンズ・カレッジ（ストラスクライド大学の前身）のジェームズ・ブライス教授によってスコットランドで建設されました。 [188]ブライスの高さ10メートル（33フィート）の布帆の風力タービンは、キンカーディンシャーのメアリーカークにある彼の別荘の庭に設置され、フランス人のカミーユ・アルフォンス・フォールによって開発された蓄電池を充電してコテージの照明に電力を供給するために使用されました。 [188]こうして、この別荘は風力で電力を供給された世界初の家となりました。[189]ブライスは余剰電力をメインストリートの照明としてメアリーカークの人々に提供しましたが、彼らは電力は「悪魔の所業」であると考え、申し出を断りました。 [ 188]彼は後に、モントローズの精神病院、診療所、診療所に非常用電力を供給するために風力タービンを建設したが、その技術は経済的に実行可能ではないと考えられていたため、この発明は実際には普及しなかった。[188]
大西洋を越えたオハイオ州クリーブランドでは、1887年から1888年の冬に、チャールズ・F・ブラッシュにより、より大きく高度な技術を備えた機械が設計され、製造されました。[190]これは彼のエンジニアリング会社によって彼の自宅で製造され、1886年から1900年まで稼働しました。[191]ブラッシュの風力タービンは、直径17メートル（56フィート）のローターを持ち、18メートル（59フィート）の塔の上に設置されていました。今日の基準では大きいものでしたが、この機械の定格出力はわずか12kWでした。接続されたダイナモは、バッテリーバンクを充電するか、ブラッシュの研究室にある最大100個の白熱電球、3つのアークランプ、およびさまざまなモーターを動かすために使用されました。[192] 電力の発達により、風力発電は、中央発電から離れた建物の照明という新しい用途が見つかりました。 1932年以降、オーストラリアの多くの孤立した土地では、風力発電機「フリーライト」で充電したバッテリーで照明や扇風機を稼働させ、 時速10マイル（16km/h）程度の風速でも100ワットの電力を生産していた。[193]
1973年の石油危機をきっかけにデンマークと米国で調査が始まり、電力網に接続して遠隔地でも電力を利用できる、より大規模な風力発電機が開発されました。2008年までに米国の設置容量は25.4ギガワットに達し、2012年には60ギガワットに達しました。[194]今日、風力発電機は、孤立した住宅のバッテリー充電用の小さなステーションから、国の電力網に電力を供給するギガワット規模の洋上風力発電所まで、あらゆる規模で稼働しています。欧州連合は、これらの見通しを高めるために取り組んでいます。[195]
2023年には世界の風力発電部門は大幅な成長を遂げ、電力網に116.6ギガワット（GW）の新規容量が追加され、2022年の追加量より50％増加しました。この容量の急増により、年末までに世界の風力発電の総設置容量は1,021GWに達し、前年比13％の増加を記録しました。[196] : 138
参照
注記
- ^ カリフォルニアは例外です
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、風力発電に関連するメディアがあります。
- 世界風力エネルギー協議会（GWEC）の公式ウェブサイト
- プロジェクト再生からの風
- 世界風力エネルギー協会（WWEA）の公式ウェブサイト
- 国際エネルギー機関のダイナミックデータダッシュボード
- 現在の世界風力発電密度地図