発電

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発電(はつでん、: Electricity generation)は、電力以外のエネルギー電力へ変換すること。

自然界では積乱雲中での発電により雷が発生するほか、地球そのものも巨大な発電機であるとされ、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[1]。また、動物に発電するものがいくつかある。人工的なものでは電磁誘導の原理を用いた発電機によるものと、それ以外の方法で電気を得る方法がいくつかある。可動部分を持たず、エネルギーを直接変換して直流を得る装置は、特に電池と呼ばれる。

発電を行う施設を発電所という。日常的な生活の中では、主にここから供給される電気を利用している。それ以外の施設において、発電所によらず発電施設を持つ場合、自家発電(じかはつでん)という。

発電の種類

発電機による発電

発電機は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。
  • 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。
  • 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:潮の干満の位置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良い。
  • 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の購入の必要がない。
  • 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。
  • 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は起電力(V)、vは速度(m/s)、Bは磁束密度(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(m)の導体が速度v(m/s)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(V)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は起電力(V)、ΔGは反応におけるギブスエネルギー変化、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は起電力(V)、SASBはそれぞれ物体A,Bのゼーベック係数T1T2 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

2008年の全世界の総発電量は20,261TWh(テラワット時、20,260,838GWh)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。 電力源の内訳は67%は化石燃料、18%は再生可能エネルギー*、13%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、石油は5.5%。再生可能エネルギーは大半が水力(92%)で次いで風力(6%)、地熱(1.8%)、太陽光発電は再生可能エネルギーの0.3%で、総発電量の0.06%であった。数値はIEA/OECDより[2] 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2008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(ktoe)で4,398,768キロトンであった。 これは全世界の一次エネルギー供給量(TPES)の36%であった。 生産された電力はグロスで1,735,579キロトン相当の電力(20,185TWh)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キロトン相当の電力(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キロトン相当の電力(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。IEA 2008 Energy Balance for Worldより

世界の総電力の電力源 2008年
- 石炭 石油 ガス 原子力 水力 その他 合計
電力 (TWh/年) 8,263 1,111 4,301 2,731 3,288 568 20,261
割合 41% 5% 21% 13% 16% 3% 100%

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、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 8,263 1,111 4,301 13,675 - 2,731 - 3,288 65 12 0.9 219 0.5 3,584 - 198 69 4 271 - 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% -
中華人民共和国の旗 中国 2,733 23 31 2,788 2 68 8 585 - 0.2 - 13 - 598 1 2.4 - - 2.4 14 3,457 2
インドの旗 インド 569 34 82 685 6 15 12 114 - 0.02 - 14 - 128 6 2.0 - - 2.0 16 830 5
アメリカ合衆国の旗 アメリカ合衆国 2,133 58 911 3,101 1 838 1 282 17 1.6 0.88 56 - 357 4 50 22 0.8 73 1 4,369 1
インドネシアの旗 インドネシア 61 43 25 130 19 - - 12 8.3 - - - - 20 17 - - - - - 149 20
ブラジルの旗 ブラジル 13 18 29 59 23 14 13 370 - - - 0.6 - 370 3 20 - 0.2 20 4 463 9
パキスタンの旗 パキスタン 0.1 32 30 62 22 1.6 16 28 - - - - - 28 14 - - - - - 92 24
バングラデシュの旗 バングラデシュ 0.6 1.7 31 33 27 - - 1.5 - - - - - 1.5 29 - - - - - 35 27
ナイジェリアの旗 ナイジェリア - 3.1 12 15 28 - - 5.7 - - - - - 5.7 25 - - - - - 21 28
ロシアの旗 ロシア 197 16 495 708 4 163 4 167 0.5 - - 0.01 - 167 5 0.02 2.5 - 2.5 13 1,040 4
日本の旗 日本 288 139 283 711 3 258 3 83 2.8 2.3 - 2.6 - 91 7 15 7.3 - 22 3 1,082 3
メキシコの旗 メキシコ 21 49 131 202 13 9.8 14 39 7.1 0.01 - 0.3 - 47 12 0.8 - - 0.8 17 259 14
フィリピンの旗 フィリピン 16 4.9 20 40 26 - - 9.8 11 0.001 - 0.1 - 21 16 - - - - - 61 26
ベトナムの旗 ベトナム 15 1.6 30 47 25 - - 26 - - - - - 26 15 - - - - - 73 25
エチオピアの旗 エチオピア - 0.5 - 0.5 29 - - 3.3 0.01 - - - - 3.3 28 - - - - - 3.8 30
エジプトの旗 エジプト - 26 90 115 20 - - 15 - - - 0.9 - 16 20 - - - - - 131 22
ドイツの旗 ドイツ 291 9.2 88 388 6 148 6 27 0.02 4.4 - 41 - 72 9 20 9.4 - 29 2 637 7
トルコの旗 トルコ 58 7.5 99 164 16 - - 33 0.2 - - 0.85 - 34 13 0.1 0.1 - 0.2 19 198 19
コンゴ民主共和国の旗 コンゴ民主共和国 - 0.02 0.03 0.05 30 - - 7.5 - - - - - 7.5 22 - - - - - 7.5 29
イランの旗 イラン 0.4 36 173 209 11 - - 5.0 - - - 0.2 - 5.2 26 - - - - - 215 17
タイ王国の旗 タイ 32 1.7 102 135 18 - - 7.1 0.002 0.003 - - - 7.1 23 4.8 - - 4.8 10 147 21
フランスの旗 フランス 27 5.8 22 55 24 439 2 68 - 0.04 - 5.7 0.5 75 8 2.1 3.8 - 5.9 9 575 8
イギリスの旗 イギリス 127 6.1 177 310 7 52 10 9.3 - 0.02 - 7.1 - 16 18 8.1 2.9 - 11 5 389 11
イタリアの旗 イタリア 49 31 173 253 9 - - 47 5.5 0.2 - 4.9 - 58 11 4.4 3.3 0.9 8.6 6 319 12
大韓民国の旗 韓国 192 15 81 288 8 151 5 5.6 - 0.3 - 0.4 - 6.3 24 0.5 0.2 0.1 0.7 18 446 10
スペインの旗 スペイン 50 18 122 190 14 59 9 26 - 2.6 0.02 32 - 61 10 2.5 1.6 0.3 4.3 11 314 13
カナダの旗 カナダ 112 9.8 41 162 17 94 7 383 - 0.03 - 3.8 0.03 386 2 8.3 0.2 - 8.5 7 651 6
サウジアラビアの旗 サウジアラビア - 116 88 204 12 - - - - - - - - - - - - - - - 204 18
台湾の旗 中華民国 125 14 46 186 15 41 11 7.8 - 0.004 - 0.6 - 8.4 21 0.5 3.0 - 3.5 12 238 16
オーストラリアの旗 オーストラリア 198 2.8 39 239 10 - - 12 - 0.2 0.004 3.9 - 16 19 2.2 - - 2.2 15 257 15
オランダの旗 オランダ 27 2.1 63 92 21 4.2 15 0.1 - 0.04 - 4.3 - 4.4 27 3.7 2.9 0.1 6.8 8 108 23
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る。

脚注

[脚注の使い方]
  1. ^ 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。
  2. ^ IEA/OECD IEA Statistics/Electricity and Heat by country

関連項目