発電にはどのような種類があるのか

発電にはどのような種類があるのか
私たちの生活における電気の重要性

私たちが生活の中で用いるエネルギーには、基本的に以下2つの使い方がありますす。

①灯油・ガス・ガソリン等の化石燃料として使う
②電気として使う

実際の生活場面に落とし込んで考えると、『①灯油・ガス・ガソリン等の化石燃料として使う』は「暖房器具で使用する」「給湯器や調理器具で使用する」「自動車等の燃料として使用する」といった場面が該当します。逆に、それ以外の生活場面のほぼ全ては『②送電された電気として使う』が該当します。身の回りの器具のほとんどは電気を使って動いていることは疑う余地がありません。もちろん、灯油ストーブの制御にも電気は使われています。このように、電気は私たちの生活になくてはならないものです。
では、この生活で使う電気はどこから送電されてくるのかを考えてみましょう。昨今、家庭用の太陽光発電導入が進んでいるものの、容量ベースは全体の約5%、戸数ベースでも全世帯の約7%の導入にとどまっています(図1参照)。したがって、多くの家庭で使用される電気のほとんどは発電所から送られてきているというのが現状です。

図1 住宅用太陽光発電導入件数
(出展:太陽光発電を取り巻く状況と今後の展望 一般社団法人 太陽光発電協会)

発電の仕組み

では、電力のほとんどは発電所で作られますが、どのような発電の種類があるのかをみていきましょう。その前に、発電には大きく分けて2つ仕組みがあるので、それぞれを簡単にご紹介します。

発電機を利用して発電する

発電機とは、電磁誘導を利用して電気を発生させる機械のことを指します。理科の授業で「コイルに磁石を通すと電流が発生する」という電磁誘導について習ったかと思いますが、この原理を応用して電気を起こす機械が発電機です。
この発電機を利用した発電では、何らかの方法により運動エネルギーを発生させ、発電機を介して電気エネルギーを取り出す、という一連のフローにより電気を発生させます。
なお、運動エネルギーを発電機に送るためには、発電機に直結したタービン(羽根車)を回すことが必要となりますが、タービンの回し方の違いにより、さまざまな発電の種類が存在します。
つまり、何らかの方法でタービンとそれに直結された発電機を回すことによって電気を取り出す仕組みが「発電機を利用した発電」と分類されるのです。さらに、タービンを回す方法により、火力発電、原子力発電、水力発電、風力発電等の種類に分けられます。
火力発電は、天然ガス・石油・石炭を燃焼させた際に発生する燃焼ガスや高温高圧の蒸気をタービンに吹き付けることで発電します(図2参照)。
原子力発電は、核燃料が核分裂する際の熱を利用して発生させた高温高圧の水蒸気をタービンに吹き付けることで発電します(図2参照)。
水力発電は水の流れでタービンを回す、風力発電は風の力でタービンを回すことで発電します(図3、4参照)。
以上の「発電機を利用して発電する」という仕組みは、古典的(従来式)な発電方法でありながら、化石燃料や核燃料を利用したものだけでなく、水力や風力といった自然(再生可能)エネルギーを用いたものまで、多岐に渡ります。
自然(再生可能)エネルギーを用いた発電方法については後述します。

図2 火力発電・原子力発電の概略図
(出展:資源エネルギー庁HP 「エネルギー政策広報・教育」)

図3 水力発電の概略図
(出展:資源エネルギー庁HP 「エネルギー政策広報・教育」)

図4 風力発電の概略図
(出展:資源エネルギー庁HP 「エネルギー政策広報・教育」)

発電機を利用しないで発電する

代表的なものは、太陽光発電が該当します。
太陽光発電とは、光を受けると電気エネルギーを発生するシリコンなどの半導体を利用した発電方式を指します。太陽光エネルギーから電気エネルギーを直接取り出すと(タービン、発電機を介さない)いう点で、従来型とは異なる発電の仕組みです(図5参照)。なお、太陽光発電パネルは太陽電池とも呼ばれます。

図5 太陽光発電(太陽電池)の概略図
(出展:資源エネルギー庁HP 「エネルギー政策広報・教育」)

太陽光発電は、私たちの身近な自然(再生可能)エネルギー発電の一つですが、大型太陽光発電プラント(メガソーラー)も実運用されていて、活躍の場は家庭用だけではないと考えられます(図6参照)。

図6 1,000MW級のメガソーラー
(出展:Government of India, Ministry of New and Renewable Energy「Akshay Urja/october-2017」)

自然(再生可能)エネルギー発電とは?

ここまでで、発電の仕組みとして「発電機を利用するもの」と「発電機を利用しないもの」の2つを紹介してきました。これは、あくまでも「発電の仕組み」という観点での分類であり、「自然(再生可能)エネルギーによる発電か否か」という分類ではありません。
発電の仕組みとして「発電機を利用するもの」であったとしても、そのエネルギー源として従来の化石燃料でなく、自然界に現存するエネルギーを用いた発電であれば、自然(再生可能)エネルギー発電に該当します。ここに、再生可能エネルギーの定義を引用します。

自然(再生可能)エネルギーの定義

エネルギー供給事業者による非化石エネルギー源の利用及び化石エネルギー原料の有効な利用の促進に関する法律(エネルギー供給構造高度化法)においては、「再生可能エネルギー源」について、「太陽光、風力その他非化石エネルギー源のうち、エネルギー源として永続的に利用することができると認められるものとして政令で定めるもの」と定義されており、政令において、太陽光・風力・水力・地熱・太陽熱・大気中の熱その他の自然界に存する熱・バイオマスが定められています。
(引用元:資源エネルギー庁HP 「なっとく!再生可能エネルギー 総論」
https://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/saiene/renewable/outline/index.html

太陽光発電

発電の原理については『発電の仕組み』のパートですでに紹介しました。特徴としては、

①太陽光が得られれば発電可能
②タービンのような機械部品が少ないのでメンテナンスが比較的容易
③技術的にはほぼ確立している
④各家庭に設置できる

などの地産地消が可能といった利点が挙げられます。反面、

⑤日射量により発電量が左右される
⑥発電量の制御が難しい
⑦大電力を得るためには広大な敷地面積が必要

といった課題も挙げられます。
課題はあるものの、先述の大型太陽光発電プラントのように、安定した日射量と広大な敷地面積を確保できる環境条件があれば、自然(再生可能)エネルギー発電としては非常に有用な手段であると言えます。
事実、世界ではインドや中国などの日射量と広大な敷地を確保できる地域では大型太陽光発電プラントが導入されています。

風力発電

風力発電の原理についても『発電の仕組み』のパートですでに紹介しました。特徴としては、

①風が得られれば発電可能
②発電機そのものの技術的にはほぼ確立している

という利点が挙げられます。反面、

③風量により発電量が左右される
④大電力を得るためには広大な敷地面積が必要(ウインドファーム)
⑤騒音問題が起こりうる
⑥建造物が大きいため景観を損ねうる
⑦タービンブレード(羽根)に鳥が衝突する事故(バードストライク)が起こりうる
といった課題も挙げられます。

日本では三重県の「青山高原ウインドファーム(95MW)」などが有名ですが、人口密集地では安定した風量と広大な敷地面積を確保することが難しく、大規模ウインドファーム事業が実現できていないのが現状です。これは、海外でも同様の傾向が見られます。
この課題を克服するため、30年近く前から欧州を中心に洋上ウインドファーム事業が始まり、現在ではアメリカや中国などでも大規模な洋上風力発電プラント(ウインドファーム)事業が成立しています。送電網という技術的課題をクリアできれば、洋上は安定した風量と広大な敷地面積が確保できるためです(図7参照)。

図7 欧州の洋上ウインドファーム
(出展:Offshore Wind in Europe 「Key trends and statistics 2018」)

しかしながら、日本では洋上ウインドファーム事業にはまだ課題があります。日本は広大な排他的経済水域(EEZ)を有しているものの、急峻な海底形状により水深が深いため、欧州や中国のように遠浅の海でプラントの基礎を海底に固定する着床式の風車の設置が難しいためです。しかしながら、造船業界の技術を活かした浮体式風車の開発も進められており、今後の動向が注目されます(図8参照)。

図8 欧州の洋上ウインドファーム
(出展:Offshore Wind in Europe 「Key trends and statistics 2018」)

バイオマスエネルギー発電

バイオマスとは、動植物に由来する資源のうち化石燃料を除いたものであり、農業残渣、家畜排泄物、食品廃棄物などを指します。これらを用いたエネルギー利用は自然(再生可能)エネルギーに該当します。バイオマスエネルギーのフローは図9に示しますが、バイオマスから製造された燃料を用いて(燃焼させ)発電を行うものが、バイオマスエネルギー発電に当たります。

特徴としては、

①燃焼時にCO2の発生が伴うが、燃料製造過程でCO2を取り込んでいるため、CO2の排出と吸収が相殺されるカーボンニュートラルとなる
②バイオマス燃料製造のために食品廃棄物などを利用することで、他の産業活動から発生する廃棄物を減らすことができるという
③燃料が安定供給により、発電量も安定する

という利点があります。反面、

④バイオマスからバイオマス燃料を製造するためのプラントが必要になる
⑤発電所内の燃焼設備について、バイオマス燃料専用のものが必要になる
⑥バイオマス燃料の規格化が必要になる

という課題があります。

バイオマスエネルギー発電に似たもので、バイオガスエネルギー発電というものも存在します。これは、家畜排泄物等を発酵させた際に発生するメタンガス等のバイオガスを、高圧にした上で発電用ガスタービンに投入し、発電機を駆動させるというものです。燃焼設備が必要ないため、バイオマスエネルギー発電よりも低コストで導入できるというメリットはあります。

図9 バイオマスエネルギーのフロー
(出展:NEDO再生可能エネルギー技術白書 第2版)

太陽熱発電

太陽熱発電とは、先述した太陽光発電とは、太陽を利用する点では共通ですが、仕組みおよび発電の考え方が大きく異なります。
太陽光発電は、太陽光発電パネルが光を受けることによって直接発電をしますが、太陽熱発電は、その熱エネルギーを集約して高温高圧の蒸気を発生させてタービンおよび発電機を駆動することにより発電を行います。つまり、発電機を利用した発電するという点では既存の火力発電と同様ですが、熱エネルギーとして太陽という自然(再生可能)エネルギーを用いるという特徴があります(図10参照)。

特徴としては、太陽光発電と類似した部分も多く、

①太陽光が得られれば発電可能である
②燃料燃焼を伴わないためCO2を排出しない

という利点が挙げられます。反面、

③日射量により発電量が左右される
④大電力を得るためには広大な敷地面積が必要になる

といった課題も挙げられます。

これらの課題はあるものの、先述のメガソーラのように、安定した日射量と広大な敷地面積を確保できる環境条件があれば、自然(再生可能)エネルギー発電としては非常に有用な手段であると言えます。
現在は、アメリカやオーストラリアなどで実証試験が行われています。現状では25kW程度の規模ではあるものの、様々な形状の太陽熱発電について検討が進められており、今後の動向に注目です。

図10 太陽熱発電の概略図
(出展:NEDO再生可能エネルギー技術白書 第2版)

自然(再生可能)エネルギー発電とは?(続き)
海洋エネルギー発電

一言で海洋エネルギー発電といっても、利用するエネルギー・資源を分類すると様々なものがあります。

①波力を利用するもの
②潮流・海流を利用するもの
③海洋温度差を利用するもの

これら3つが代表的なものとしてあげられます。

波力を利用する波力発電についても、海洋波により発電タービンを回して発電するタイプ(図11参照)や、海洋波による装置動揺から直接発電するタイプ(図12参照)があげられます。

図11 波力発電(海洋波タイプ)の概略図
(出展:NEDO再生可能エネルギー技術白書 第2版)

図12 波力発電(装置動揺)の概略図
(出展:NEDO再生可能エネルギー技術白書 第2版)

潮流・海流を利用する発電については図13に示す通り、海中に水車(プロペラ)を設置し、その回転運動によりタービンおよび発電機を駆動させるというものです。仕組みとしては風力発電と非常によく似ています。

図13 海流・潮流発電の概略図
(出展:NEDO再生可能エネルギー技術白書 第2版)

海洋温度差を利用する発電については、概要を図14に示します。海面近くの暖かい海水と海底の冷たい海水の温度差を利用し、媒体ガスを発生させ、このガス流によりタービンおよび発電機を駆動させるというものです。日本国内では沖縄県久米島で実証実験が行われています。

図14 海洋温度差発電の概略図
(出展:沖縄県海洋温度差発電実証設備)

海洋エネルギー発電には、これら多岐にわたる方式があります。日本としても、広大なEEZを有していることもあり、導入に向けた開発に積極的です。しかしながら、日本近海は台風が多いため波浪による発電装置の故障の懸念、漁業者との協議など、技術的・政策的な課題は多く、本格的な導入には至っていません。

地熱発電

火山付近のマグマの熱を取り出し、これにより高温高圧の蒸気(水やアンモニア)を発生させ、タービンおよび発電機を駆動して発電を行います。概略を図15に示しますが、発電所の考え方としてはバイオマス発電や太陽熱発電と非常によく似ています。

図15 地熱発電の概略図
(出展:NEDO再生可能エネルギー技術白書 第2版)

特徴としては、

①自然(再生可能)エネルギーの中でも安定的にエネルギーを得られる
②国内実績もあり発電所としての信頼性も高い

という利点がありますが、反面、

③火山付近が温泉地や国定公園などの場合が多く、発電所建設自体が難しい場合もがある

という課題もあります。

 

中小水力発電

水力発電は、火力発電等の既存発電所と同様に非常に馴染みのある発電方式です。ダムに貯めた水を放流する際の水流や河川の水流により、水車(タービン)を回転させることで、発電を行います(図16参照)。このうち、中小規模のものが、中小水力発電に該当します。日本では、1000kW以下のものが新エネルギーとして位置付けられています。

特徴としては、

①水量が安定して得られていれば安定的な発電が可能である
②発電量の制御も非常に容易である

という利点があります。反面、

③新たなダムや水門の建設を行う場合、周辺環境への影響が大きい
④周辺住民との調整が必要になる

という課題があります。
したがって、既存の水力発電所を安定的に稼働させるという方針が現実的です。

図16 水力発電の概略図
(出展:NEDO再生可能エネルギー技術白書 第2版)

以上にて、世界で稼働・開発検討がされている自然(再生可能)エネルギー発電の主だったものを紹介・説明しました。ここからは、今後の導入ポテンシャルの特に高い自然(再生可能)エネルギー発電(太陽光発電、風力発電、バイオマス発電、太陽熱発電、海洋エネルギー発電)についてピックアップし、国内の状況を国際比較も交えて紹介します。

風力発電

風力エネルギーは、年間平均風速7m/s以上が経済的な導入の目安とされていて、世界の陸上における適切地域はアメリカ中央部や中国西部、イギリス、アルゼンチン南部が該当します。先述した洋上ウインドファームが存在するように、一般的に陸上よりも洋上の方が風況はよく、冬季はアメリカ東岸、北海、日本沿岸が良いとされています。

日本での導入実績は図17に示す通りで、1990年代後半から急速に増加しているものの、ここ数年の伸びは非常に小さくなっています。これは建設適地(陸上・洋上ともに)の確保が困難なことが大きく影響しています。

図17 日本における風力発電の導入推移
(出展:NEDO再生可能エネルギー技術白書 第2版)

日本での状況に反して、世界では洋上風力発電の導入量が増加しています。特に、日本の風力発電導入量が伸び悩んだ2010年以降も、世界全体では大きく伸びていて、この伸びを牽引しているのは、イギリス、デンマーク、ベルギー、中国といった、遠浅な海域を有している国が多くを占めています(図18、19参照)。

図18 世界の洋上風力発電の導入推移

図19洋上風力発電の導入量の国別内訳
(出展:ともに NEDO再生可能エネルギー技術白書 第2版)

先ほど述べた通り、日本は急峻な海底形状により他国のような着床式の洋上風力発電の導入は困難なため、浮体式の洋上風力発電の実用化が急務であると言えます。ただ、浮体式の洋上風力発電はまだ実証実験段階であり、当面は政策的な支援が必要と考えられます。

 

バイオマス発電

バイオマス発電は今後の導入ポテンシャルはあるものの、原料となるバイオマスの品質によっては安定した発電出力を得られないことが課題です。現時点では日本を含めた世界各国にて、バイオマス燃料の規格化・技術研究開発の段階です。バイオマス燃料として、メタノール、ディーゼル、ペレットなど、どの方法が良いのか、また輸送方法や燃焼方法について各国がそれぞれ検討・開発しているため、日本と国際比較は一概にできません。

とはいえ、資源調達から利用までの全体システム構築の推進が必要で、バイオマス発電全体のパッケージ化まで検討する必要があるでしょう。

 

海洋エネルギー発電

波力エネルギーについては、日本は海外と比較して潜在ポテンシャルが小さいという現実があります(図20参照)。

図20世界の波力エネルギーの分布
(出展:NEDO再生可能エネルギー技術白書 第2版)

イギリス、アイルランド、ノルウェー沿岸などが波力エネルギーポテンシャルの高い地域です。しかし、これらの地域でも洋上風力発電の導入が進んでいることから、波力発電については数多くの実証研究はなされているものの、大規模な導入は進んでいないという現状があります。
その他、潮流・海流エネルギー発電についても、日本を含めた多くの国で実証研究はなされていますが、波力発電同様に大規模な導入には至っていません。
波力発電、潮流・海流発電については、それぞれ数多くの形式での技術的検討が進められているため、国際比較を簡潔に示すことは容易ではありません。
海洋温度差発電については、日本では沖縄県などで実証研究が進められており、離島での導入が前向きに検討されています。既存の海域利用者との利害調整・協調が重要な鍵となるでしょう。
海外ではハワイでの実証試験が行われているなど、やはり温暖な地域の離島での導入を目指した研究がなされているという段階です。
実証試験の域を超え、実用化がなされると、エネルギーの地産地消というシステムが成り立つため、各方面からの期待も大いにあります。

まとめ

以上、既存の発電や自然(再生可能)エネルギー発電の種類の特徴等ついての簡単に紹介しました。さらに、自然(再生可能)エネルギーについては国際比較も含め、今後の動向について紹介しました。それぞれの自然(再生可能)エネルギーにより、開発・実用化のフェーズは異なりますが、今後の発展に期待が高まります。

参照・引用を見る
  1. 資源エネルギー庁HP 「なっとく!再生可能エネルギー 各種データの公開」
    https://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/saiene/statistics/index.html
  2. 太陽光発電を取り巻く状況と今後の展望(平成29年6月8日 一般社団法人 太陽光発電協会)
    https://www.nedo.go.jp/content/100866077.pdf
  3. 資源エネルギー庁HP 「エネルギー政策広報・教育」
    https://www.enecho.meti.go.jp/category/others/tyousakouhou/kyouikuhukyu/fukukyouzai/cs/3-3.html
  4. Government of India, Ministry of New and Renewable Energy「Akshay Urja/october-2017」
    https://mnre.gov.in
  5. SolarInsure, 「TOP 5 LARGEST SOLAR POWER PLANTS OF THE WORLD」
    https://www.solarinsure.com/largest-solar-power-plants
  6. 青山高原ウインドファームHP
    http://www.awf.co.jp/publics/index/1/
  7. Offshore Wind in Europe 「Key trends and statistics 2018」
    https://windeurope.org/wp-content/uploads/files/about-wind/statistics/WindEurope-Annual-Offshore-Statistics-2018.pdf
  8. 福島洋上風力コンソーシアムHP
    http://www.fukushima-forward.jp/gaiyou/index.html
  9. NEDO再生可能エネルギー技術白書 第2版(国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構)
    https://www.nedo.go.jp/library/ne_hakusyo_index.html
  10. 沖縄県海洋温度差発電実証設備
    http://otecokinawa.com/jp/OTEC/index.html
  11. 株式会社アクアスHP
    https://www.aquas-biogas.jp/about/difference.html