火力発電

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火力発電所
ポーランドベウハトゥフ発電所英語版は欧州最大の石炭発電所。

火力発電(かりょくはつでん)は、石油石炭天然ガス廃棄物などの化石燃料の反応熱エネルギー電力へ変換する発電方法の一つである。水力発電に比べて建設費が安い、電源立地の自然的条件の制約が少ない、大容量機設置ができる、大消費地に近接した地点で建設できるので電力輸送の際の損失が少なくてすむのが利点。しかし大気汚染の原因となる二酸化炭素(CO2)や、燃料の種類により、発がん性物質である窒素酸化物(NOx)や、硫黄酸化物(SOx)等の有害物質を多量に排出する、運転費が大きい等の欠点がある[1]

火力発電を行うための設備を有し、火力発電を専門に行う施設を火力発電所という。

主な設備[編集]

ボイラー[編集]

石炭石油天然ガス(LNG)を燃焼させて得た熱を水に伝え、水蒸気に変える。純度の高い水が必要であるため、水処理装置(イオン交換樹脂や逆浸透膜装置及び付帯設備)で硬度分、場合によっては、シリカやその他のイオン、溶存ガスなど除去している。水蒸気は蒸気タービンへ送られるほか、付近の工場などに蒸気を供給している発電所もある。

発電用ボイラーは伝熱部が水管になっている水管ボイラーであり、循環方法により貫流ボイラー、強制循環ボイラー、自然循環ボイラーがある。熱効率向上のため再熱式がほとんどである。また、貫流ボイラーは定圧ボイラーと変圧ボイラーがあり、近年は発電出力に応じて給水圧力を調整できる変圧ボイラーが採用されているほか、定圧ボイラーの弁を取り替えて、過熱器での変圧運転を行い、低出力運転時の発電効率を向上させている発電所もある。

発電効率向上のため、2015年現在の日本では超臨界圧(蒸気温度374.1℃以上、蒸気圧力22.1MPa以上)や、超々臨界圧(蒸気温度593℃以上、蒸気圧力24.1MPa以上)としている。この場合、必ず貫流ボイラーが採用される。

なお、排熱回収型コンバインドサイクル発電方式では、ガスタービンからの高温排気を取り入れる、排熱回収ボイラーが使用される。こちらは自然循環ボイラーである。

ガスタービン[編集]

原動機の一種であり、燃料の燃焼等で生成された高温のガスタービンを回して回転運動エネルギーを得る内燃機関である。

ガスタービン発電方式や、コンバインドサイクル発電方式の発電所に設置されている。燃料は主に天然ガス(LNG)であるが、小型のものは重油軽油が使用される。蒸気タービンに比べて起動時間が短いため、ピーク時用内燃力発電として1950年代から用いられていた。また、ディーゼルエンジンと比較して、小型軽量で冷却水が不要なため、非常用発電機に用いられる。

ガスタービンは高温で動作するため、その排気もまた十分に高温であり、排熱回収ボイラー、蒸気タービンと組み合わせた高効率コンバインドサイクル発電方式の普及が進んでいる。また、電気および蒸気を付近の工場などに供給する熱電併給システム(コジェネレーション)を導入している発電所もある。

コンバインドサイクル発電で使用されるガスタービンは、導入当初1,100℃級であったが、熱効率向上のため高温化が進み、改良型では1,300℃級が採用され、近年では1,500℃級、1,600℃級が採用されてきている。熱効率(低位発熱量基準)は、ガスタービン発電では38%前後、汽力発電(蒸気タービン)では44%前後が限度であったが、1,600℃級ガスタービンと蒸気タービンの組み合わせでは60%以上が可能となった。

蒸気タービン[編集]

電気の史料館に展示保存されている東京電力千葉火力発電所旧1号タービン発電機

水蒸気のもつエネルギーを、タービン(羽根車)と軸を介して回転運動へと変換する。

発電所で使用される蒸気タービンは、高圧、中圧、低圧の3つのタービンから構成されており、蒸気(主蒸気)は、高圧タービンを回した後、再熱器で再び熱せられ(再熱サイクル)、再熱蒸気として中圧タービンへ送られ、最後に低圧タービンを回し復水器へ送られる。このタービンの構成により、一軸型(タンデム・コンパウンド)、二軸型(クロス・コンパウンド)がある。70万kW以上の大出力機ではベースロード発電向けの運用が多く熱効率が重視されていたことや、高速回転に伴う低圧タービン最終段動翼の遠心力の制約などにより二軸型が使用されることが多いが、建設コストの低減や運用性向上が重視されるようになったため、軽量のチタン動翼による遠心力の緩和や材料強度の改善などにより一軸型を採用した発電所もある。

日本では近年、熱効率向上のため、蒸気条件を主蒸気温度、再熱蒸気温度ともに600℃前後まで向上させている。

なお、日本の火力発電用タービンの回転速度は、50Hzでは3000min-1、60Hzでは3600min-1である。

復水器[編集]

蒸気タービンで使用された蒸気を冷却して水に戻す装置。これによりタービン出口側が低圧状態(慣習的に真空と呼んでいる)となり、熱機関として動作が完結する(ランキンサイクル)。戻された水は給水ポンプに送られ、再びボイラーへ送られる

日本の火力発電所では、ほとんどが海水を冷却水として利用しているため、表面復水器が使用される。これは、冷却水が復水器冷却管内を通り、タービン蒸気とは直接接触しない方式である。海水の取水には深層取水方式が主に採用され、放水には表層放水方式が主に採用される。取放水の温度差は、日本では環境負荷低減のため7 - 9℃としている。

発電機[編集]

電磁誘導の法則を利用して、機械的エネルギーから電気エネルギーを得る機械である。現在の発電用では三相交流同期発電機が使用され、日本では商用電源として50Hz用と60Hz用に分けて採用されている。

主変圧器[編集]

発電機で発生した電力を送電するにあたり、送電ロスを少なくするために電圧を昇圧する変圧器。日本では主に275kVや500kVまで昇圧している。

煤煙処理設備[編集]

特に石炭火力などは煙突より煤煙を噴出し公害をイメージするものとして描かれる事が多い。環境負荷を低減させるため、様々な処理設備を設けている。

なお、LNG(液化天然ガス)はガスを液化する際にガス中の「ちり」、燃焼時に硫黄分などの不純物を取り除いているため、硫黄酸化物や煤塵の発生がない。

また、近年では電子ビームを使用して脱硝、脱硫する装置もある[2][3][4]

煙突[編集]

高熱による上昇気流の原理で排気を上方に導き上空に排出させる。煙突の高さが高いほど、排出ガス中に含まれる大気汚染物質濃度は、地表に到達するまでに拡散されることから、排出ガス濃度そのものの低減対策(脱硫、脱硝、集塵など)に加えて煙突の高さを高くする対策が広く推奨されてきた。ただし、煙突の高さを高くしても大気汚染物質の削減効果はない。

発電所では、60 m - 200 m級が主に採用される。航空法によって60 mを超える建造物は、航空機からの視認のため外観を目立たせるよう(赤白など)義務付けられている。発電所によっては展望台を設けた塔のような構造にしたり、ライトアップを可能にしたりするなど、発電所のシンボル的存在となっている。

燃料[編集]

日本国内では、1970年代前半には石油による発電が大半を占めていたが、オイルショック以降、他の燃料への代替が進み、石炭や天然ガスによる発電量が増加した。さらに、1990年代後半の電力自由化によって価格の安い石炭にシフトする傾向がある。2004年度では、火力発電の内訳は石炭と天然ガスがそれぞれ40%強、石油は15%弱となっている。

また発電コストは、2011年12月13日の政府の国家戦略室コスト検証委員会報告書案によると、2010年時点で天然ガスと石炭火力が約10円/kWhであるのに対して、石油火力は近年の原油高により37円/kWhとソーラー発電並みに高くなった。ちなみに原子力発電コストは天然ガスや石炭火力と同程度の約10円 / kWhである。発電コストに関しては原子力発電の「政府内閣府による試算」の項を参照のこと。

石炭を燃焼させた後のセメントの原料として外部に売却されている[6]

長所と短所[編集]

長所[編集]

  • 安定した電力を供給可能。経済学者の円居総一は「火力発電は、原子力発電と違い需要に応じて発電量を柔軟に調整できる」と指摘している[7]。ただし、揚水発電や、南オーストラリア州では大規模のエネルギー蓄電施設により75%電気代が値下げされ約45億円の節約につながる等、蓄電技術の向上等により出力や需要の変動の問題は解決される[8]
  • 万一事故を起こしても、被害は局所的なものにとどまる。但し台風などがオイルタンク破壊と結びつく場合、生態破壊や土壌汚染などは他の発電に比べて、大きく長期的なものになる(その災害の規模に依存する)。石油火力発電所は1979年以降、新規建設が禁止されている。

大気汚染と環境破壊[編集]

火力発電は、大気汚染の原因となる二酸化炭素(CO2)や、燃料の種類により、発がん性物質である窒素酸化物(NOx)や、硫黄酸化物(SOx)等の有害物質を多量に排出する。

石炭火力発電[編集]

特に石炭火力発電は二酸化炭素排出量が、天然ガスを使う同規模の火力発電の約2倍多く、欧州の国々やカナダが廃止していく方針を打ち出すなど、「脱石炭」の流れが世界で強まっている[9]地球温暖化パリ協定の目標である1.5°Cまたは2°C未満に保つには、数百から数千の石炭火力発電所を早期に廃止する必要がある[10]国連事務総長を務めるアントニオ・グテーレス事務総長は各国に化石燃料への補助金を削減し、新規の石炭火力発電所の建設中止をくり返し求めているが、環境NGO気候ネットワークの調査によると、日本では2019年現在約100基の石炭火力発電所が稼働中で、計画中(建設中含む)の22基が稼働すればさらに年7474万トンが排出される。この石炭火力発電をめぐり、日本の安倍晋三首相とオーストラリアスコット・モリソン首相は、米ニューヨークで2019年9月23日に開かれた国連気候行動サミットへの参加が認められなかった。サミットに合わせて、石炭を使った発電を続ける日本に対する抗議デモも開かれた[11][12]

英国のシンクタンクOverseas Development Institute英語版およびその他11のNGOは、人口のかなりの割合が電力にアクセスできない国での新しい石炭火力発電所の建設の影響に関するレポートを2016年10月に発表している。報告書は、石炭火力発電所の建設は貧困層をほとんど助けず、むしろより貧しくする可能性があると結論付けている[13][14]

二酸化炭素回収・貯蔵技術は各国で開発が進められており技術的に実現可能であるが、太陽光発電技術のコストが低下しているため、石炭との併用は経済的に実行可能ではないことが判明している[15]

その他の短所[編集]

  • 火力発電には大量の化石燃料を必要とするが、日本の2018年の化石燃料の海外依存度は、石油99.7%、LNG(液化天然ガス)97.5%、石炭99.3%となっており、そのほとんどを海外からの輸入に頼っている[16]。そのため、エネルギーコストがかかり、国際的な燃料価格の影響をうけやすく、化石燃料が値上がりすると、貿易赤字や電気代値上がりで膨大な国民損失を発生させる[17]
  • 国内の投資・雇用誘発効果が低い。ただし、六本木エネルギーサービスのように街全体の再開発の中で、都市ガスから電気と熱を供給し多くの雇用を生んでいる例もある。

分類[編集]

汽力発電
燃料の燃焼で放出されるエネルギーで水蒸気を作り、蒸気タービンを回転させることによる発電。
なお単に汽力発電と言った場合には、原子力発電地熱発電太陽熱発電も含まれる。
内燃力発電
燃料の燃焼で放出される化学エネルギーで内燃機関を回すことによる発電。始動性が良く、非常用電源・携行用電源・電源車などとしても用いられる。
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も行う、複合的な火力発電。熱効率が高く、始動性も良い。
MHD発電
高温のプラズマを発生させ、ファラデーの電磁誘導の法則を利用して発電する。次世代の技術として開発が進められている。
燃料電池発電
電気化学反応を利用する。大型化や追随性の問題があるが、小型の発電には導入されつつある。
廃棄物発電
サーマルリサイクルの一つ。日本では、2018年現在一般廃棄物の焼却施設が全国に約1,100カ所ほどあり、その約32%の施設が発電設備をもっている。ただし、燃料が廃棄物だけに発電効率は低く平均12%にとどまる[18][19]

脚注[編集]

  1. ^ 火力発電 - コトバンク
  2. ^ 電子ビームによる排煙処理技術
  3. ^ 電子ビームによる排煙処理パイロット試験結果
  4. ^ 電子ビーム照射による排煙の脱硫脱硝処理技術
  5. ^ 次世代の火力発電としての「水素発電」の可能性 - みずほ情報総研(2016年6月28日版/2016年10月11日閲覧)
  6. ^ 石炭火力発電の石炭に関する放射線規制免除について
  7. ^ 円居総一 『原発に頼らなくても日本は成長できる』 ダイヤモンド社、2011年、85頁。
    発電所さえ建てれば供給は随意拡大可能。ガスタービンは季節/時間的負荷変動に応じた運転可能。ただし、石炭火力・ガスタービン廃熱発電は夜でも火は落せず半出力。
  8. ^ テスラによる世界最大規模の蓄電システムが約45億円もの節約に貢献し大成功を収める Gigazine 2018年12月07日
  9. ^ 「脱石炭」へ問われる姿勢 日本は電源の3割、世界は 朝日新聞 2019年9月21日
  10. ^ We have too many fossil-fuel power plants to meet climate goals National Geographic 2019年7月1日
  11. ^ 気候変動が「加速」、過去5年で世界気温は最も暑く=世界気象機関 BBC NEWS JAPAN 2019年09月23日
  12. ^ 「石炭はセクシーじゃない」NYで日本の火力発電に抗議 朝日新聞 2019年9月24日
  13. ^ Coal doesn’t help the poor; it makes them poorer The Guardian 2016年10月31日 Nuccitelli, Dana
  14. ^ Beyond coal: scaling up clean energy to fight global poverty Position Paper Overseas Development Institute (ODI) London, United Kingdom 2016年10月 Granoff, Ilmi; Hogarth, James Ryan; Wykes, Sarah; Doig, Alison
  15. ^ Coal with Carbon Capture and Sequestration is not as Land Use Efficient as Solar Photovoltaic Technology for Climate Neutral Electricity Production Nature
  16. ^ 2019—日本が抱えているエネルギー問題(前編) 経済産業省 2019年8月13日
  17. ^ 日本総研 円安により高まる火力発電燃料費の増加懸念 2013年5月2日
  18. ^ 家庭ゴミを燃料にした廃棄物発電、その年間の発電量「8,762GWh」”. タキレポ (2018年7月25日). 2019年10月2日閲覧。
  19. ^ 家庭ゴミを発電燃料に 爆発事故12年目の再挑戦”. 日本経済新聞 (2015年5月26日). 2019年10月2日閲覧。

参考文献[編集]

関連項目[編集]

外部リンク[編集]