今回は、火力発电についてお话していきます。

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火力発电とは

まずは、火力発电とは何か、概要を見ておさらいしてみましょう。

歴史

火力を使って発电する方法、ひいてはその土台となった仕组みはいつ顷确立したものなのでしょうか。

世界

1769年、イギリスのジェームズ?ワットによって蒸気機関の技術が確立しました。それまでも蒸気機関自体はありましたが、効率の悪さからなかなか実用化には至りませんでしたが、ワットの蒸気機関は効率が飛躍的に向上したことで一気に普及し、産業革命を後押ししました。その後、世界の発明王、トマス?エジソンが世界初の火力発电所を設置します。この「パールストリート発電所」では蒸気機関が用いられていたようです。2011年時点では、世界の電力のうち68%は火力発电でまかなわれています。参照:

日本(终戦まで)

日本国内では、エジソンが火力発电所を開設した5年後の明治20年、東京は日本橋茅場町に設置された「第2電燈局」が我が国初の火力発电所です。この発電所からは直流での送電でしたが、電力需要の高まりや、長距離の送電が難しいという直流独特の制約などから次第に交流へとシフトし、明治30年には交流の「浅草火力発电所」が設置されました。この浅草火力発电所には、出力200kWという当時の世界でも有数の出力を誇る発電機がありました。ただし日本国内では、地形や資源の点で火力発电よりも水力発電が優位だったため、戦前は水力発電で不足する電力を火力発电が補うといういわゆる「水主火従」の时代でした。参照:参照:

日本(戦后)

戦後、復興が進むにつれて電力需要は逼迫します。この需要に対応するため発電所の増設が図られましたが、時代が進むにつれて水力発電に適するダム候補地が少なくなってきたほか、火力発电の技術が向上したこともあり、次第に火力発电所の建設が進むようになりました。昭和38年には火力発电所の出力が水力発電所のそれを初めて上回り、時代は「火主水従」の時代へと突入しました。石油危機を機に、それまで主要な燃料だった石油から石炭、さらには液化天然ガスへとシフトし、今日に至っています。表の出典:参照:

火力発电所の数

富津火力発电所

日本の電力の6割以上を賄う火力発电。日本国内には、どれくらいの数の火力発电所があるのでしょうか。

平成28年现在では、电力事业に用いられるものとしては日本各地の合计で186の火力発电所があります。この数字の中には、点検等で運用を停止しているものも含まれています。この他に、工場などで使う电気を作るための自家発電用の火力発电所も多数存在しています。参照:

そもそもどうやって発电するの？―火力発电所の仕组み―

蒸気机関车

発电の详しい仕组みは后で説明するとして、まずはざっくりとしたお话です。

突然ですが、皆さんは蒸気机関车に牽かれる列車に乗られたことはありますか？雄々しく黒煙を吐きながら走る蒸気机関车の姿は格好いいですよね。ところで、蒸気机関车はどのような仕組みで動くか、ご存知ですか？蒸気机関车はその名の通り、蒸気で稼働しますが、どうやって蒸気を作るかといえば、もちろん石炭を燃やして水を沸騰させるわけですよね。そしてその蒸気で車輪を動かす力を生み出し走ります。

なぜいきなり蒸気机関车の話をしたかというと、実は多くの火力発电も基本的な原理は同じだからです。火力発电所では、燃料を燃やして水を沸騰させ、蒸気でタービンを廻して発電機に回転する力を伝えて発電します。

火力発电のメリット?デメリット

さて、続いては火力発电のメリットとデメリットをそれぞれ見ていきましょう。

メリット

まずはメリットから。

安定的に発电できる

なんと言っても火力発电の最大のメリットは、燃料があるかぎり安定的に発电できる点です。太陽光発電や風力発電とは違って天候に左右されることはありませんし、ダムのように雨が降らなくて干上がってしまうこともありません。

エネルギー変换効率が良い

エネルギー変换効率とは、読んで字の如く、あるエネルギーを别のエネルギーに変える际の効率のことです。一般的な火力発电のエネルギー変換効率は35～43％、最新の発電所では55%以上になってきており、数ある発电方法の中では水力発电に次いで2番目に良い数字を示しています。
画像の出典:

出力の调整が容易にできる

夏は冷房、冬は暖房……電力需要は時間帯によって大きく変化するものです。火力発电は出力の増減を細かく?素早くコントロールしやすいので、電力ネットワーク全体の状況に合わせた運転が可能です。

環境に配慮した火力発电所

化石燃料を燃やすと、温室効果ガスのほか、硫黄酸化物(SOx)、窒素酸化物(NOx)、煤塵(すす)が排出されます。硫黄酸化物は四日市ぜんそくの原因にもなった物質ですが、近年では燃料のなかでも硫黄や窒素の含有量の低いものを使用したり、排煙から硫黄酸化物や窒素酸化物、煤塵を取り除く装置が取り付けられたりと、火力発电所では環境に配慮するようになっています。液化天然ガスには、硫黄は含まれません。参照:

デメリット

メリットがあればデメリットもあります。

温室効果ガスを排出する

化石燃料を燃やすと温室効果ガスを排出する、というのは皆さんご存知かと思います。同じ温室効果ガスの排出量でより多くのエネルギーを生み出すことで、相対的に温室効果ガスの量を减らす技术の开発が进んでいます。また、近年では、石炭とバイオマス燃料を混合して発电する、通称「木质バイオマス混焼発电」の导入も进んでいます。バイオマス燃料には、燃やしても二酸化炭素の総量は変わらないという所谓「カーボンニュートラル」という特徴があり、これを石炭と混ぜて燃焼させることで、温室効果ガスの排出が抑制できると期待されています。参照:

バイオマス発电については、以下の记事でご绍介しています。

バイオマス発電とは？仕組みやメリット?デメリットについて

燃料费がかさんでいる

昨今の厳しい原子力発電情勢の中、その代替の発電方法とされているのが火力発电です。原子力発電所を稼働できないしわ寄せが火力発电所に来ているのですが、火力発电の稼働が増加したことにより、その分燃料费も莫大な金額となっています。経済産業省の電力需給検証小委員会の報告書によると、平成26年度末までの累積で、燃料费の増加额は実に12.4兆円に达しています。ちなみに、日本の平成28年度予算は100兆円あまりですから、12.4兆円を国家予算に直すとだいたい1.5カ月分ということになります。参照:

「原発ゼロ」のしわ寄せで発电所を十分に点検できない

メリットの出力調整の点で、「電力需要が逼迫しても発電所の能力さえ超えなければ十分対応できる」と書きましたが、最近では必ずしもそうとは言えなくなっています。原子力発電所の稼働に高いハードルがある現在、代わりに火力発电所をフル稼働させて電力需要を満たしています。中には老朽化しても点検する余裕がないまま稼働しているものもあり、そういった発電所がひとたび故障すれば停電する可能性があります。参照:

火力発电の种类と発电方法

次に、火力発电の種類と、種類別の発電方法を見ていきましょう。

汽力発电

燃料を燃やして、ボイラーで水を沸腾させて水蒸気を作り、その水蒸気でタービンを廻して発电する方法です。タービンとつながっている発电机を廻すことで発电する仕组みです。

火力発电

コンバインドサイクル発电

ガスタービンと蒸気タービンの2つを组み合わせて発电する方法です。「コンバインド(肠辞尘产颈苍别诲)」とは、「复数のものが组み合わさっている」という意味を表す英语です。ガスを燃やして発生する1100℃の燃焼ガスでタービンを廻し、さらにその排热で水を沸腾させて蒸気タービンも廻してしまう、という具合に2つのタービンのコンビネーションで発电するから「コンバインド」なんですね。

火力発电

础颁颁発电

ACCとは “Advanced Combined Cycle” の略で、日本語に直せば「改良型コンバインドサイクル」、つまりコンバインドサイクル発电をさらに改良したものです。ガスの燃焼温度を1300℃超のより高いものにすることで効率を上げています。エネルギー変換効率は実に55%前後と、従来の火力発电と比較すればかなり優れた数字を示します。

火力発电

M础颁颁発电

MACCとは “More Advanced Combined Cycle” の略で、改良型コンバインドサイクルをさらに改良したもの、という具合です。M础颁颁発电のガス燃焼温度は1500℃級。エネルギー変換効率は58.6％まで上昇しています。

火力発电

参照と4つの画像の出典:

内燃力発电

本土と电気系統が連絡していない離島では、島ごとにディーゼルエンジンで発電して電力を供給する「内燃力発电所」が設けられています。また、非常用発電機もこの内燃システムを用いているものが多くみられます。

参照:

コンバインドサイクルのガスタービン部分も内燃力発电の一種です。

火力発电に使われる燃料と特徴

火力発电に使われる燃料とそれぞれの特徴について見てみましょう。

石炭

火力発电全体の内、石炭火力発电の占める割合は26.3%です。

调达先

石炭の调达先はオーストラリア(74%)、インドネシア(13.8%)、ロシア(7.5%)、カナダ(2.4%)と、世界的に広範囲から輸入しています。また1位のオーストラリアは情勢が安定していることもあり、调达先が中東に集中している石油と比べると、地政学的なリスクは少ないと言われています。参照:

燃料费

石炭の価格は1迟あたり12,914円(平成25年)で、石油や液化天然ガスと比べると安価となっています。原油価格……1办尝あたり84,658円、液化天然ガス価格……1办尝あたり86,428円(いずれも平成25年)参照:

资源量

石炭は埋蔵量が豊富で、确认されているだけでも后100年以上は採掘が可能な量が眠っています。
参照:

温室効果ガス

火力発电の燃料の内、石炭は比較的温室効果ガス(CO2)を排出すると言われています。近年では、発電効率を上げて同じ温室効果ガスの排出量でより多くの電力を生み出す努力がなされています。

石油

火力発电全体の内、石油火力発电の占める割合は28.9％です。

调达先

石油は、その调达先の8割以上を中東に依存しています。そのため、ひとたび中東情勢が不安定になればその分石油価格が高騰するリスクがあります。歴史の時間に「オイルショック」という用語を習った記憶のある方も多いと思います。参照:

资源量

ひと昔前は「あと40年で石油がなくなる」と言われていましたが、最近では技术の発达で新たに油田が発见されたこともあり、40年経った今でもあと40年分はまだ世界に埋蔵しているとみられています。参照:

扱いやすさ

石油は、他の燃料に比べると輸送がしやすく、供給網も全国に張り巡らされていることから、扱いやすさに関しては軍配が上がります。扱いやすいゆえに備蓄も豊富で、緊急時にも対応できる点が特徴です。東日本大震災の際には、稼働を停止していた石油火力発电所を緊急稼働させ、電力不足を補いました。

石油火力発电所の新設は禁止

「石油が一番扱いやすいのなら、もっと石油火力発电所を増やせばいいのでは？」と思った方もいらっしゃるかもしれません。しかし、残念ながらそれはできないのです。1979年に開かれた第3回IEA閣僚級理事会で、石炭の利用促進を図るために採択された「石炭に関する行動原則」のなかで、石油火力発电所の新設やリプレースは禁止されています。
参照:

液化天然ガス(尝狈骋)

液化天然ガスを积んだタンカー

火力発电全体の内、液化天然ガス(LNG : Liquefied Natural Gas)の占める割合は44.8%と、3つの燃料の中では一番大きい数字となっています。

液化天然ガスとは？

そもそも、液化天然ガスとは一体何なのでしょうか？

尝狈骋とは、Liquefied Natural Gas 液化天然ガスの略で、メタンを主成分とした天然ガスを冷却し液化した無色透明の液体です。天然ガスは、太古の動植物の死骸が地中で圧力と熱を受け、長い歳月をかけて変化したものと考えられています。

出典:

つまり、メタンが主成分のガスが液体にされているものです。ということは石油とは别物ですね。なぜわざわざ液化する必要があるのかというと、天然ガスは気体のままだと非常に扱いづらいからです。天然ガスを液化することで体积が600分の1にまで小さくなり、运びやすくなります。ちなみに液化天然ガスの発热量は13000办肠补濒/办驳と高い値です。参照:

调达先

液化天然ガスの调达先は、オーストラリア(20.9%)、マレーシア(17.1%)、ロシア(9.8%)をはじめとして、中東以外の地域が70.2%を占めています。世界的に広範囲から輸入していて、地政学的リスクは高くありません。参照:

资源量

天然ガスは、确认されているだけであと约60年分の埋蔵量があるとみられます。参照:

火力発电の现状と今后の课题

最後に、日本国内における火力発电の現状と今后の展望について考えましょう。

発电量

まずは現状での発电量について。

平成26年度の火力発电の発电量: 平成26年度には、日本国内の火力発电所で合計約608亿办奥丑発电されました。これを全ての电源での割合に直すと、実に90.4%となります。参照:
東日本大震災前後での発电量の変化: 東日本大震災での福島第1原子力発電所事故の影響で、国内の原子力発電所の再稼働が難しい状況となっているのは前述の通りです。平成22年と平成26年での火力発电の発电量の変化を見てみると、石油火力28％、天然ガス火力43%、石炭火力12%の増加となっていて、合計すると4年间で83%の増加となっています。参照:

今后の展望

今后も火力発电は最重要の電源であり続ける可能性は極めて高く、その分温室効果ガスの削减と発电効率の上昇という2つの课题に対処していかなければならない、と言えそうです。

以下に火力発电の今后の展望を考えてみましょう。

エネルギー基本计画での方向性

「エネルギー基本计画」では、火力発电の各燃料について次のように方向性が定められています。

石炭

老朽火力発电所のリプレースや新増設による利用可能な最新技術の導入を促進することに加え、発電効率を大きく向上させることで発电量当たりの温室効果ガス排出量を抜本的に下げるための技術（ＩＧＣＣなど）等の開発をさらに進める。こうした高効率化技術等を国内のみならず海外でも導入を推進していくことにより、地球全体で環境負荷の低減と両立した形で利用していく必要がある。

温室効果ガスの排出量が多い石炭は、やはり地球温暖化対策が必須となります。と同時に、老朽化した発電所を建て替える等「ベースロード電源」として今后も十分に活用していけるようた対応が求められます。

天然ガス

我が国は、現時点では、国際的には高い価格でＬＮＧを調達しており、電源としての過度な依存を避けつつ、供給源多角化などによりコストの低減を進めることが重要である。また、地球温暖化対策の観点からも、コージェネレーションなど地域における電源の分散化や水素源としての利用など、利用形態の多様化により、産業分野などにおける天然ガスシフトを着実に促進し、コンバインドサイクル火力発电など天然ガスの高度利用を進めるとともに、緊急時における強靱性の向上などの体制整備を進める必要がある。

上では言及しませんでしたが、近年は価格が下落しているとはいえ、天然ガスの価格は比较的高いと言われています。今后のさらなる価格下落を期待しつつ、コンバインドサイクルの技术改良等で発电効率をより上げ、相対的にコストを下げる努力が必要と言えます。

石油

供给源多角化、产油国协力、备蓄等の危机管理の强化や、原油の有効利用、运输用燃料の多様化、调整电源としての石油火力の活用等を进めることが不可欠である。また、灾害时には、エネルギー供给の「最后の砦」になるため、供给网の一层の强靱化を推进することに加え、内需减少とアジア全域での供给増强が同时に进む中、平时を含めた全国供给网を维持するため、石油产业の経営基盘の强化に向けた取组などが必要である。

出典:

石油火力はその利便性や災害時の機動性から、なくてはならない存在です。既に述べたように、石油火力発电所の新設は禁止されていますので、既存の発電所を修繕し続ける必要があります。

原子力発电との兼ね合い

先に述べたように、原子力発電の代替として火力発电が利用されることで、莫大な燃料费が流出しています。だからと言って燃料の輸入を止めるわけにもいかず、やむを得ない側面もありますが、原子力発電所の本格的な再稼働は見込めず、安定的な代替電源を火力発电に頼らざるを得ないなか、なかなか厳しい燃料费状況は今后も続きそうです。

再生可能エネルギーとの兼ね合い

「再生可能エネルギーが普及すれば、火力発电を段階的に減らすことができる……」と考える方もいらっしゃるかもしれませんが、一概にはそうとも言えません。

太陽光や風力など、再生可能エネルギーのうち発电量が天候によって左右されるものが普及すれば、実はより一层ベースロード电源の重要性が増すのです。発電が不安定でいつ停電するかわからないような電源は、やはり安定的に発电できる電源のバックアップが必要です。再生可能エネルギーの技術も十分には発達していない中で、火力発电を代替できるとは言えません。