発電

発電(はつでん、: electricity generation)とは、その名の通り電気を発生させること[1]

概説

発電とは、電気を発生させることである。つまり、電力以外のエネルギー電力へ変換することである。

人工的な発電としては、例えば、水力によるもの(水力発電)、風力によるもの(風力発電)、太陽光によるもの(太陽光発電)、地熱によるもの(地熱発電)、火力によるもの(火力発電)、原子力によるもの(原子力発電)などがある。

核となっている装置や原理としては、機械エネルギー[2]運動エネルギー)を電磁誘導を用いて電力に変換するもの(発電機)だけでなく、化学変化のエネルギーを利用したもの(電池)、光起電力効果によるもの(太陽電池によるもの)、ゼーベック効果によるもの(熱電素子によるもの)、圧電素子によるもの、モノとモノをこすることによって生じる静電気を利用するものなど、様々なものがある。

現代では発電は実に様々な場所・場面で行われている。発電所で行われているだけでなく、近年では各家庭や各会社でさかんに発電されるようになっており(自家発電)、例えばソーラーパネルで発電している家庭も増えている。

そもそも、発電は従来から実に様々な場所・場面で行われている。例えば、夜間に前照灯をつけて自転車で走る時は、乾電池式や充電式でなければ、人がペダルを踏む力でダイナモを動かして発電し、電球を点灯することも過去には多く、また、オートバイ自動車で走行する時はオルタネーターで発電し、その電気をバッテリー充電し、その電力で電装品を働かせ、スターターモーターでエンジンを始動し、火花点火内燃機関であれば点火プラグ混合気を燃焼させる。最近実用化されはじめた燃料電池車では燃料電池で発電し、電動機を動かし走る。

なお、自然界では積乱雲中での発電によりが発生するほか、「地球も巨大な発電機である」ともされ、発電された電流によって地磁気が維持されているという[3]。また、動物で発電するものもいる。→#発電する生物

発電の種類

※ 構想・実験・研究段階であり実用化に至っていないものもある。

発電機による発電

発電機電磁誘導によって運動エネルギーを電力に変換する装置である。具体的にはコイルに対して磁石を回転させることで電気を発生させる。動力を何から得るかによって以下のように様々な種類がある。

  • 火力発電:燃料の持つ化学エネルギーを燃焼により熱に変換し、さらに運動エネルギーに変換する発電。熱を得る方法、熱から運動を得る方法によりさらに細分される。
    • 汽力発電:熱により水蒸気を作り、蒸気タービンを回す発電。広義には蒸気タービンを用いる発電を総称していう。
    • 内燃力発電:気体の膨張により内燃機関を回す発電。
    • コンバインドサイクル発電:内燃力発電の排熱で汽力発電を行う発電。
    • 廃棄物発電:廃棄物をエネルギー源として行う発電。
  • 原子力発電:核反応により熱エネルギーを得る発電。運動エネルギーへの変換は、通常は蒸気タービンを用いる。
  • 核融合発電:原子核の融合によってエネルギーを得る発電。
  • 水力発電:水の位置エネルギー及び運動エネルギーによる発電。
  • 地熱発電:地熱により熱エネルギーを得る発電。
  • 太陽熱発電:太陽光の熱エネルギーによる発電。太陽光を直接電気に変える太陽光発電とは別。
  • 風力発電:風の運動エネルギーによる発電。
    • 陸上風力発電:タービンを陸上に設置する。
    • 洋上風力発電:タービンを洋上に設置する。
    • 浮体式洋上風力発電:タービンを深度のある洋上に浮かせて設置する。
    • 凧型風力発電:凧(カイト)によって高高度の風を利用する。
  • 波力発電:波の運動エネルギーによる発電。
  • 海流発電:海流の運動エネルギーによる発電。潮流発電ともいう。
  • 潮力発電:潮の干満の運動エネルギーによる発電。潮汐発電ともいう。
  • 炉頂圧発電:高炉の高圧ガスでタービンを回す発電。
  • 冷熱発電:液化天然ガス (LNG) の冷熱を利用し、中間熱媒体を液化、循環させる方法と、気化した高圧ガスで直接タービンを動かす方法がある。主に LNG の受け入れ基地などで用いられる。
  • 海洋温度差発電:海面の温水と深海の冷水の温度差を利用する発電。
  • 人力発電:人間を動力源とする発電。燃料や電池の補給が難しい局面で重宝される。

別のエネルギーを直接電力に変換する発電

電力以外のエネルギーを直接電力に変換する発電には以下のようなものがある。

  • 燃料電池発電:燃料の化学エネルギーを直接電力に変換する発電。部分出力でも発電効率が高いが、固体高分子形では触媒用の白金が非常に高価である一方、高効率で使用できる期間が7 - 8年程度と寿命は短い。
  • 太陽光発電:太陽光エネルギーを太陽電池で直接電力に変換する発電。自然エネルギーなので燃料を購入する必要がない。しかし、発電効率で劣る。
  • 宇宙太陽光発電:宇宙空間で太陽光発電を行い、それによって得た電力を地上に送る。現在多くの課題について討論中。
  • MHD発電:ファラデーの法則に基づきプラズマなどを用いて発電する。
  • 熱電発電:温泉水と河川水などの温度差を利用して熱電変換素子により発電する。
  • 振動発電圧電素子と振動板を組み合わせることにより、音や振動のエネルギーを電気エネルギーに変換する発電。

発電の原理

電磁誘導

発電機は前述のように電磁誘導により電力を生む。電磁誘導による発電は、磁力線を導体が横切ることによって起こる現象であり、得られる出力は以下のように表される。

e起電力 (V)、v速度 (m/s)、B磁束密度 (Wb/m2)、l は横切る導体の長さ (m)、θ は磁力線からの偏角 (rad) である。これは、磁力線を長さ l の導体が速度 v で横切ったときに導体に発生する起電力を求める式である。この式から、電磁誘導によって大きな起電力 e を得るためには、

  1. 磁界を強くする
  2. 速度を上げる
  3. 磁力面積を拡大する

ことが必要であるとわかる。

電気化学反応

電池のうち「化学電池」と呼ばれる種類の電池は電気化学反応により電力を生む。電気化学反応は、2 種以上の活物質の接触によって生じるもので、反応で生じた電極間の電圧を出力として取り出す。この出力は、単純には以下の式のように表される。

e起電力 (V)、ΔG は反応におけるギブズエネルギー変化、n は反応電子価数、F はファラデー定数 (C/mol) である。これは、反応に関与する活物質の活量がすべて 1 で平衡状態にあるときの標準電極電位である。

光起電力効果

電池のうち「物理電池」、その中でも「光電池(太陽電池)」と呼ばれる種類の電池は光起電力効果により電力を生む。

ゼーベック効果

電池のうち「物理電池」、その中でも「熱電池」と呼ばれる種類の電池はゼーベック効果により電力を生む。ゼーベック効果は、2種以上の物体の接触点の温度差によって生じるもので、反応によって生じた電極間の電圧を出力として取り出す。2 種の物体を用いた場合のこの出力は、単純には以下の式のように表される。

e起電力 (V)、S AS B はそれぞれ物体 A, B のゼーベック係数T 1T 2 は 2 つの接点の温度 (K) である。

その他

  • 原子力電池のうち実用化されているものは、放射性崩壊により発生する熱をゼーベック効果により電気に変換するものなどで、上記を参照のこと。理論上は放射性崩壊によるエネルギーが直接電子を放出させる「熱イオン変換方式」もあるが実用化はされていない。

各国の電力源

2015年の全世界の総発電量は24,255TWhであった。これは地球が太陽から 1 年間に受けるエネルギー 1,525,284,000TWh の 0.001 % に相当する。電力源の内訳の66.3%は化石燃料、23.1%は再生可能エネルギー、10.6% は原子力による。化石燃料の大半は石炭と天然ガスであり、石油による発電量は総発電量の4.1%である。再生可能エネルギーは水力が16.0%あり大半を占める。水力以外の再生可能エネルギーは全体の7.1%であり石油を超えている。しかし資源量全体では風力よりも太陽光、太陽熱の方が遥かに大きい(「再生可能エネルギー」項目参照)。また太陽光発電による発電量は総発電量の1%であった。数値はIEA/OECDより[4] これらの燃料の中には電力以外に熱源、動力源として消費されるものもあるがここでは電力源のみを考慮している。

発電所のエネルギーフロー
世界の発電量の推移

全世界で2015年に火力、原子力、水力、コージェネレーション・プラント、その他の発電所で消費された総エネルギーは石油換算トンで1,737Mtoe。これは全世界の一次エネルギー供給量(TPES)13,647Mtoeの12.7%であった。 生産された電力はグロスで 1,735,579 ktoe 相当の電力 (20,185 TWh) であった。発電効率は 39 %。残りの 61 % の一部 ( 3 %) はコージェネレーションの熱源として利用されたが大半は排出された。また 289,681 ktoe 相当の電力(発電量の 17 %)は発電所での内部消費と送電ロスで消費され、最終的に消費者へは 1,446,285 ktoe 相当の電力 (16,430TWh) が供給された。これは発電およびコージェネレーションに投入されたエネルギーの 33 % であった。Key World Energy Statistics 2017 - IEA

世界の総電力の電力源 2015年
-石炭石油ガス原子力水力風力 太陽光 再生可能エネルギー全体合計
電力 (TWh/年)9,5389905,5432,5713,978838 247 5,53424,176
割合39.4%4.0%22.9%10.6%16.4%3.4% 1.0 22.8100%

2008年の主要国の電力源

以下の表にリストした 30 ヶ国は人口がトップ 20 位か、国内総生産 (GDP) が 20 位以内の国と、参考にサウジアラビアを含めた。CIA World Factbook 2009より

これら 30 ヶ国の合計は対全世界比、人口で 77 %、GDP で 84 %、消費電力で 83 % であり、各指標の 30 ヶ国の平均値は全世界の平均値と近似している。

電力源の内訳(TWh/年 2008年度)
国名 化石燃料 原子力 順位 再生可能 バイオマス 他 合計 順位
石炭 石油 ガス 小計 順位 水力 地熱 太陽光 太陽熱 風力 潮汐 小計 順位  バイオ
マス
 廃棄物  その他  小計  順位
全世界 8,2631,1114,30113,675-2,731-3,28865120.92190.53,584-198694271-20,261-
41%5.5%21%67%-13%-16%0.3%0.06%0.004%1.1%0.003%18%-1.0%0.3%0.02%1.3%-100%-
 中国 2,73323312,7882688585-0.2-13-59812.4--2.4143,4572
 インド 569348268561512114-0.02-14-12862.0--2.0168305
 アメリカ合衆国 2,133589113,10118381282171.60.8856-357450220.87314,3691
 インドネシア 61432513019--128.3----2017-----14920
 ブラジル 13182959231413370---0.6-370320-0.22044639
 パキスタン 0.1323062221.61628-----2814-----9224
 バングラデシュ 0.61.7313327--1.5-----1.529-----3527
 ナイジェリア -3.1121528--5.7-----5.725-----2128
 ロシア 19716495708416341670.5--0.01-16750.022.5-2.5131,0404
 日本 28813928371132583832.82.3-2.6-917157.3-2231,0823
 メキシコ 2149131202139.814397.10.01-0.3-47120.8--0.81725914
 フィリピン 164.9204026--9.8110.001-0.1-2116-----6126
 ベトナム 151.6304725--26-----2615-----7325
 エチオピア -0.5-0.529--3.30.01----3.328-----3.830
 エジプト -269011520--15---0.9-1620-----13122
 ドイツ 2919.28838861486270.024.4-41-729209.4-2926377
 トルコ 587.59916416--330.2--0.85-34130.10.1-0.21919819
 コンゴ民主共和国 -0.020.030.0530--7.5-----7.522-----7.529
 イラン 0.43617320911--5.0---0.2-5.226-----21517
 タイ 321.710213518--7.10.0020.003---7.1234.8--4.81014721
 フランス 275.8225524439268-0.04-5.70.57582.13.8-5.995758
 イギリス 1276.1177310752109.3-0.02-7.1-16188.12.9-11538911
 イタリア 49311732539--475.50.2-4.9-58114.43.30.98.6631912
 韓国 1921581288815155.6-0.3-0.4-6.3240.50.20.10.71844610
 スペイン 50181221901459926-2.60.0232-61102.51.60.34.31131413
 カナダ 1129.84116217947383-0.03-3.80.0338628.30.2-8.576516
 サウジアラビア -1168820412---------------20418
 中華民国 12514461861541117.8-0.004-0.6-8.4210.53.0-3.51223816
 オーストラリア 1982.83923910--12-0.20.0043.9-16192.2--2.21525715
 オランダ 272.16392214.2150.1-0.04-4.3-4.4273.72.90.16.8810823
国名 石炭 石油 ガス 小計 順位 原子力 順位 水力 地熱 太陽光 太陽熱 風力 潮汐 小計 順位  バイオ
マス
 廃棄物  その他  小計  順位 合計 順位

発電する生物

生物は細胞膜の性質として膜電位を持つため、すべての生物はわずかながら電気を作っている。しかし一部にはそれを方向をそろえて作り出すことで、より高い電圧を生み出すものがあり、それを持つのが殆どが魚類で占めている[5]

強発電魚
100V以上の発電量を持つ発電魚。
弱発電魚
5V前後の微弱な発電量を持つ発電魚。
発電菌

脚注

  1. 広辞苑「発電」
  2. ブリタニカ国際大百科事典「発電機」に「機械エネルギー」とある。
  3. 地磁気と地球ダイナモ (PDF) - 数研出版ホームページ内のコラム。
  4. IEA/OECD IEA Statistics/Electricity and Heat by country
  5. 世界の電気魚
  6. ブラックゴースト・熱帯魚カタログ

関連項目

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