発電方式の整理


発電方式の整理

原発やら新電力やらが何かと話題になっている昨今なので、発電方式をまとめてみることにしました。

まずは表にまとめてみました。

発電時の電気の種類 使用される主な発電方式
交流 タービン式 火力(石油、石炭、バイオマス)原子力地熱
非タービン式 水力風力波力海洋温度差ディーゼル
直流 太陽光燃料電池(水素)熱電対

表を見て貰えればわかるように、大きく3つに分類することが出来ます。

交流と直流、これ自体の説明は今更不要でしょう。補足すれば、交流電気を生み出す機械を「発電機」、直流電気を生み出す装置を「電池」と呼びます。これは、そういうルールだ、としかいいようがないです(というか物理学科のローカルルールで、工学部だと違うかも?)。

直流:

電池というと、乾電池を想像する人が多いでしょうが、あれは「ボルタ電池」と呼ばれる、金属の電気化学反応を使って直流の電流を取り出す装置の系譜を組む電池の一つで、直流の電気を取り出す装置はみんな電池になります。

それ以外の電池で今一番メジャーなのが、太陽電池でしょう。何か電池と呼ぶのが間違ってると思っているのか、最近は「太陽光」 という言い方をすることが多いようですが。直流電流を生み出す装置なので、電池で合ってます。
太陽電池は、光電効果という、金属結合に光を当てると電流が発生する現象を利用しています。余談ですが、アインシュタインがノーベル賞を取ったのはこの光電効果の研究の成果のためです。相対性理論があまりにも有名なのでこっちでノーベル賞を取ったと思われがちですが、実際は光電効果の研究なのです。

光電効果は金属(金属結合)ならどれでも起こるのですが、発電効率の関係で半導体結晶がよく使われます。最もよく見るのは、シリコン結晶を使った青いタイプです。シリコンは大量にとれるので原価が安いですし、コンピュータ用半導体の材料としても長らく使われてきたため、製造技術が確立されていて、安価に大量生産できます。が、発電効率があまり良くないということで、最近はアモルファス半導体の技術を応用したものが使われ出しています。
この太陽電池、実は発電効率はあまり良くありません。どんなに頑張っても光を電流に変えるエネルギー変換効率が40%を超えることは無いとも言われています。現状は、学習付録につくような安いのだとせいぜい3%程度、メガソーラーに使われるような高級品でも、ようやく10%行くかどうか、といったところです。

それでは、何故太陽光がこれだけもてはやされるのか。理由は二つ。
一つ目は、燃料が要らないこと。晴れてさえいれば太陽の光が勝手に電気を生み出してくれるので、その点に関しては原価0です。
二つ目は、メンテナンスの手間がかからないこと。太陽電池は基本的に金属のパネルで複雑な機械構造とか無いので、基本メンテナンスフリーです。しかも光電効果で材料が劣化するとかは無いので、理論上は半永久的に使えます。実際には表面を覆うコーティングが汚れたりはげたりというのがあるので、完全メンテナンスフリーにはならないのですが。それでも、他の発電方式よりは圧倒的に手間はかかりません。24時間体制で監視しなければいけない大型発電所よりは、ずっと低コストです。
こういった理由があるので、トータルコストで見ると、他の発電方式と十分勝負できるというわけです。

他に最近話題になっているのが、燃料電池です。水を電気分解すると水素と酸素が発生するから、その逆をやれば電気が取り出せるんじゃね? という、一見ホントかよという原理ですが、実際それで自動車が動き出しているのですから。飛行機が空を飛ぶのと同じで、とりあえず信じといて下さい。
ただ、規模がそれほど大きくは無いので、いわゆる送電網に繋ぐ発電方式としてはちょと非力かも知れません。スマートグリッドが完成すれば、これも電力供給網の中に組み入れられるんでしょうけど。

あまり知られていないし普及もしていませんが、熱電対発電という方式もあります。種類の異なる2種類の金属を貼り合わせて熱を与えると電流が発生する、という現象を利用したものです。琉球大学名誉教授の矢ヶ崎克馬先生の専門は、実はこれです。(原子力の専門家だと思っている人が多いようですが。。。)
熱海市で温泉の廃熱を利用した実験が行われているようです。

直流電流全体のメリットとして。蓄電池を同じ直流回路の中に組み込める、というのがあります。現在実用化されている蓄電池は直流で充放電を行うので、変換が必要な交流よりも直流で発電した方が効率はいいです。但し、日本の送電網は交流なので、交流に変換しなければいけない、というのがデメリットでしょうか。

交流(タービン式):

交流電気は、発電機を回して作ります。この発電機、高校で物理を履修した人は習ったでしょうが、直流モータを回すと発電機になります。磁界を高速で変化させることによって起きる電界の変化を位相を持った電流として取り出す、という原理で、センターレベルでは出ないかも知れませんが国立二次ならよく出題されますね。
発電所で使われてるものはだいぶ設計が違いますが、原理自体は同じです。

で、問題は、どうやって発電機を回すか? というところです。究極の方法としては、人力ですね。手回しとか、自転車とか。しかし商用にはとてもなり得ないので、ここでは省きます。

発電機を回す方式として、現在最もよく使われているのが、蒸気タービンです。水を沸騰させて高温の蒸気にして、それをタービンに吹き付けて発電機を回す、という方法です。

表に挙げたように、火力・原子力・地熱が蒸気タービンを使用する方式です。この3つの違いは、どうやって上記を得るか、という違いです。
火力は、「蒸気」として一番イメージしやすい方式です。石油なり石炭なりで火をたいて水を沸騰させて、蒸気を得る方法です。地熱発電は火山で沸騰した地下水をそのまま使う方式です。

そして、今話題の原子力。これは仕組みがちょっと、というかかなり複雑です。
まず、原子炉の中で特定の放射性物質を核分裂させて莫大な熱量を得る(この辺りが原爆と同じと言われる所以)のですが、火力と違って熱量が莫大すぎて、普通の蒸気タービンに吹き付けたら、あっという間にタービンが壊れます。しかもこの蒸気、ハンパない放射能を含んでいます。
そこで、原子炉で直接作った蒸気は「一次冷却水」とし、さらにその一次冷却水を使って水を沸騰させる、という二度手間を取る方式もあります。前者を沸騰水型、後者を加圧水型と呼びます。さらに、一次冷却水の代わりにナトリウムを使う高速増殖炉というのもあるのですが、これはかなり特殊なのでちょっと脇に置いておきましょう。
沸騰水型は前述のように、原子炉で作った高温高圧の蒸気を直接タービンに吹き付けるので、タービンの製造にかなり高度な技術が求められます。日本ではこれの大型化に成功して、三菱重工やIHIが日立や東芝に納入しているのです。これが、いわゆる原子力村と呼ばれる企業集団ですね。

原発には、最大の問題点として核廃棄物(使用済みのウランやプルトニウム、施設や備品に至るまで全て)という問題があって、もちろんタービンも廃炉の際には核廃棄物になるのですが、それについてはちょっと本題から外れるので、ここでは軽く触れるに止めておきます。

交流(非タービン式):

交流を発電させる方式は、蒸気タービン以外にもあります。

その中でも最大勢力が、水力です。シムシティだと唯一爆発しない、最もコストパフォーマンスがいい扱いの奴です。

仕組みは、水車を使って発電機を回す。という、割とシンプルなものです。水の落差を利用するので、ポテンシャルエネルギー発電と呼ばれたりもします。
最もよく使われるのは、専用のダムを建設して溜め込んだ水の落差で発電する、というものです。岐阜県や長野県は急流が多いため大型水力発電所が非常に多く、管内の中部電力だけで無く、関西電力(むしろ中部電力より多い)・東京電力・北陸電力の他、JR東日本も専用の発電所を持っています。立山黒部アルペンルートで有名な黒部湖も、関西電力の水力発電所用に作られたダム湖です。

しかし大型ダムの建設は、谷が丸ごと水没するとか、地盤にコンクリートを注入するので地中の水理系が破壊されるとかで、それ自体問題視されるようになっています。
なので近年では、小型ダムやダム自体用いない「小水力発電」の活用が提唱されています。

水力の対抗馬と言えるのが、風力でしょう。水車の代わりに風車を使う、という方式ですが、風の力は一定では無いため、実際に稼働している風力発電所では力を均一化するための工夫がされています。
風の強い北海道や、海風が有り電力供給量がそこまで多くない沖縄の離島で普及しています。

他に、海上の波の動きを回転に変えて発電機を回す波力発電、海洋表面と深海の温度差を使って揮発性の液体を循環させ、発電機を回す海洋温度差発電といったものもあります。

ディーゼル発電は、燃料は軽油ですが、蒸気タービンでは無くディーゼルエンジンを使って発電機を回す方式なので、こちらに分類しました。

まとめ:

ここまで、3つの方式(というか、分類)について簡単に解説してみました。

おおむね、タービン式がでっかい発電所で電力を大量生産するモデルが多いのに対し、直流発電には実用化に達している新エネルギーが多い、と言えるでしょう。無論、どちらかが優れていて一方は劣っているとか、そういう話をしているのでは無いですが。

発電方式とは違うので、言葉を出しただけで解説をしなかったのですが、ITを使って小規模発電を安定給電網の中に組み込むスマートグリッドという技術も出てきており、役割に応じて安全でコスト力の高いものを使って行くことになるでしょう。
ただ、前述のように、スマートグリッドに不可欠な蓄電池は直流と相性が良いのは事実で有り、一方で原子力は大規模且つ複雑すぎて、制御するだけで莫大なコストがかかるのは明白です。
「細かく作って細かく使う」というスマートグリッドと原発は決して相性が良くないためか、原発推進派が力を取り戻してからはあまり聞かなくなってしまいましたね。

ちなみにこのスマートグリッドは、ITを使うということで、NECや富士通・ソニーと言ったIT系企業が力を入れています。特にNECはスマートグリッドに社運を賭けていて、これに注力するためにビッグローブを切り離したようなものです。
(なので、NECの社員はかなり本気で脱原発派を支援しています)

一方で日立は、IT部門もあるので昔はスマートグリッドを唱えていましたが、原発と相性が悪いことがわかったからか最近は口にしなくなってしまいました。
三菱と火力発電を統合したように、原発が駄目でもせめてタービン方式を主力に、と考えているようですね。

電力問題は政治問題や経済問題として語られることが多いですが、技術的な側面から見ても面白いものですね。

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