発電が生活や産業へ電気を届ける出発点として重要なのは、自然界や燃料がもつさまざまなエネルギーを、照明・家電・通信・工場設備などで使いやすい電気エネルギーへ変換する役割を担うからです。電気は発電所で「何もないところから生まれる」のではなく、水の流れ、風、燃料の化学エネルギー、核分裂で生じる熱、太陽光など、別の形のエネルギーから変換されます。
発電方法によって利用するエネルギー源や仕組みは異なりますが、多くの発電所では最終的に発電機を回して電気をつくります。一方、太陽光発電のように回転する発電機を使わず、半導体で光エネルギーを直接電気へ変換する方式もあります。こうした複数の方法を組み合わせることで、私たちは時間や場所によって変化する電力需要へ対応しています。
発電とはエネルギーの形を電気へ変換すること
発電の本質は、ある形のエネルギーを電気エネルギーへ変換することです。たとえば水力発電では、高い場所にある水の位置エネルギーや流れる水の運動エネルギーを利用して水車を回します。風力発電では風の運動エネルギーで風車を回します。火力発電では燃料を燃やして得た熱で蒸気や燃焼ガスをつくり、それによってタービンを回します。
原子力発電も、発電機を回すという点では火力発電と共通しています。違いは熱を得る方法で、燃料の燃焼ではなく核分裂によって生じる熱を利用します。その熱で蒸気をつくり、タービンと発電機を回します。
つまり「火力」「原子力」「水力」「風力」という名前は、発電機へ機械的な回転を与えるまでのエネルギー源や仕組みの違いを表しています。電気を取り出す最終段階では、電磁誘導を利用する発電機が広く使われています。
発電機はなぜ回転すると電気を生み出せるのか
多くの発電所で使われる発電機は、磁場と導線の相対的な運動によって起電力が生じる電磁誘導の原理を利用しています。磁石とコイルの位置関係を変えると、コイルを貫く磁束が変化し、その変化に応じて電圧が生じます。
弘前大学の電磁気学教材では、磁束の時間変化によって起電力が生じる電磁誘導が発電機の原理になることが説明されています。また北海道大学の科学リテラシー教材でも、磁石の間でコイルを回転させることで交流の起電力が生じ、発電所では水力や火力などでタービンを回して発電機を動かすことが示されています。
米国エネルギー情報局も、発電機を他の形のエネルギーを電気へ変換する装置と説明し、世界の多くの発電がタービンで発電機を回す方式に基づくとしています。水、蒸気、燃焼ガス、風など、タービンを回すものは異なっても、回転エネルギーを電気へ変換する部分には共通点があります。
火力発電では熱から回転をつくる
火力発電では、石炭、天然ガス、石油などの燃料がもつ化学エネルギーを利用します。燃料を燃焼させると熱が発生し、その熱を利用して蒸気をつくったり、高温の燃焼ガスで直接タービンを回したりします。
蒸気タービン方式では、燃料の化学エネルギーが熱エネルギーへ変わり、さらに蒸気の運動によってタービンの回転エネルギーへ変わります。最後に発電機がその回転を電気エネルギーへ変換します。
天然ガスを使うコンバインドサイクル発電では、まず高温の燃焼ガスでガスタービンを回し、その排熱で蒸気をつくってさらに蒸気タービンを回します。捨てられていた熱の一部を再利用することで、燃料からより多くの電気を取り出せるようにしています。
水力発電では水の位置と流れを利用する
水力発電では、高い場所にある水が低い場所へ移動するときのエネルギーを利用します。ダムや水路で水に高低差をつくり、流れ落ちる水で水車を回し、その回転で発電機を動かします。
この方式では燃料を燃やす必要がなく、水の流れが機械的な回転を直接つくります。水量や落差が発電量に大きく関係し、河川の状況や季節によって利用できる水量は変わります。
また、電力が余る時間帯に電気で水を高い場所へくみ上げ、需要が増えたときにその水を流して再び発電する揚水発電もあります。これは発電設備であると同時に、大規模なエネルギー貯蔵の役割も果たします。
風力発電では空気の運動を回転へ変える
風力発電では、風がブレードを押す力によってローターを回し、その回転を発電機へ伝えます。風の運動エネルギーを機械的な回転へ変え、さらに電気へ変換する仕組みです。
風は燃料を購入しなくても利用できますが、常に同じ強さで吹くわけではありません。風速が低ければ発電量は小さくなり、強すぎる風では設備を守るため停止することもあります。
そのため風力発電を大量に利用する場合は、発電量の変動を予測し、他の発電設備や蓄電設備、送電網と組み合わせて電力全体のバランスを取る必要があります。
太陽光発電は回転する発電機を使わない
太陽光発電は、火力や水力、風力とは発電の仕組みが異なります。太陽電池では半導体へ光が当たることで電荷が動ける状態が生まれ、内部の電界によって正負の電荷が分離されます。その結果、外部回路へ電流を取り出すことができます。
つまり太陽光発電では、光エネルギーを直接電気エネルギーへ変換しており、タービンや回転式の発電機は必要ありません。この点は、機械的な回転を経由する多くの大規模発電方式との重要な違いです。
ただし太陽光は昼夜や天候によって変化します。晴天の日中は多く発電できますが、夜は発電できず、雲が増えれば出力も変わります。発電方式そのものが違うだけでなく、電力系統へ与える時間変動の特徴も異なります。
発電しただけでは家庭や工場で使えない
発電所で電気をつくっても、それだけで家庭や工場に届くわけではありません。発電した電力は、変圧器で電圧を調整しながら送電線へ送り、変電所や配電線を経て需要家へ届けられます。
大量の電力を長距離輸送するときは、高い電圧で送ることで同じ電力に必要な電流を小さくし、送電線の抵抗による損失を抑えやすくします。その後、利用場所へ近づくにつれて電圧を段階的に下げ、家庭や工場で使える電圧へ変換します。
発電は電力供給の出発点ですが、送電、変電、配電と組み合わさって初めて日常生活で使える電気になります。発電設備と送配電設備は別々の役割を持ちながら、一つの電力システムとして連動しています。
なぜ発電量と使用量を合わせる必要があるのか
電力系統では、発電される電力と使われる電力のバランスを保つことが重要です。需要が増えたのに発電量が不足したり、逆に需要より大幅に多く発電したりすると、電力系統の周波数や電圧の安定に影響します。
そのため電力会社や系統運用者は、時間帯や季節、天候などによって変化する需要を予測し、それに応じて発電設備の出力を調整します。太陽光や風力のように自然条件で発電量が変わる電源が増えると、天候予測や蓄電、需要側の調整なども重要になります。
電気は大量に貯めにくいという特徴があるため、発電は「必要なだけ作ればよい」という単純なものではありません。必要な瞬間に必要な電力を供給できるよう、複数の電源や蓄電設備を組み合わせることが安定供給につながります。
発電方法を一つに絞らないのはなぜか
発電方法にはそれぞれ長所と制約があります。燃料を使う発電は燃料の調達や価格、二酸化炭素排出などを考える必要があります。水力は地形や水量に左右されます。太陽光や風力は燃料を必要としませんが、天候によって出力が変動します。
資源エネルギー庁は、日本の電力供給について、安全性を大前提に、安定供給、経済効率、環境への適合を考えながら、さまざまな発電方法を組み合わせる「エネルギーミックス」が重要だと説明しています。
一つの発電方式だけですべての条件を満たすのは難しいため、複数の方式を組み合わせて弱点を補い合います。どの組み合わせが適切かは、資源の入手性、技術、コスト、環境負荷、設備の寿命、社会的な条件などによって変化します。
発電所では電圧と周波数も管理する
発電では、単に電気が流れればよいわけではありません。交流電力を電力系統へ供給する発電機では、系統に合わせた電圧や周波数で電力を送り出す必要があります。
同期発電機を電力系統へ接続するときは、回転速度や電圧、位相などを適切に合わせます。多数の発電所が同じ送電網へ電力を送り込むため、それぞれが無関係に動くのではなく、系統全体として協調して運転されます。
日本では地域によって50Hzと60Hzの系統があります。機器や送電設備は、それぞれの周波数条件を前提に設計されます。発電所は電力の量だけでなく、電気の品質を支える役割も持っています。
小さな発電も身近な技術を支えている
発電は巨大な発電所だけで行われるものではありません。自転車のライト用発電機、携帯用の手回し発電機、住宅の太陽光発電、非常用発電機など、小規模な発電設備も身近にあります。
手回し発電機では、人がハンドルへ加えた機械的なエネルギーを発電機が電気へ変えます。自転車の発電機も、車輪の回転を利用して電気をつくります。規模は小さくても、磁場と導体の相対運動によって起電力を得る基本原理は大規模な発電機と共通しています。
住宅用太陽光発電では、屋根へ届く光を直接電気へ変えます。発電場所と消費場所を近づければ、発電した電力をその場で使うこともできます。このような分散型電源が増えると、従来の大規模発電所から一方向に電力を送るだけでなく、地域の中で発電と消費が行われる構成も増えていきます。
発電効率が重要なのはなぜか
エネルギー変換では、入力したエネルギーをすべて目的の電気へ変えられるわけではありません。発電設備では、熱、摩擦、電気抵抗などによって一部のエネルギーが利用しにくい形へ移ります。
そのため同じ量の燃料や自然エネルギーからどれだけ電気を取り出せるかという効率が重要です。火力発電ではタービンや熱交換の改善、太陽光発電では太陽電池の変換効率、発電機では電気抵抗や磁気損失の低減などが研究されます。
効率が高まれば、同じ発電量を得るために必要な燃料や設備を減らせる場合があります。しかし発電方式の評価は効率だけで決まるものではありません。設備費、運転性、環境影響、資源、立地、出力の安定性なども合わせて考える必要があります。
発電は電気を使う社会の入口になる
私たちがスイッチを押して照明をつけたり、スマートフォンを充電したり、工場で機械を動かしたりできるのは、その前段階で何らかのエネルギーが電気へ変換されているからです。発電は、自然界や燃料がもつエネルギーと、社会で使われる電気との橋渡しをしています。
多くの発電方式では、熱や水、風でタービンを回し、電磁誘導を利用する発電機で電気を取り出します。一方、太陽光発電のように光から直接電気を取り出す方式もあります。それぞれの方法には得意な条件と制約があります。
発電が重要なのは、単に電気を「つくる」からだけではありません。需要に合わせて必要な量を供給し、送電網へ安定した電力を送り、異なるエネルギー源を社会で使いやすい共通の形である電気へ変換するからです。発電の仕組みを理解すると、電流・電圧・抵抗といった回路の基礎が、社会全体の電力供給へどうつながっているかが見えてきます。
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参考資料
- 資源エネルギー庁「スマホを動かす電気ってどこからきているんだろう？」
- 弘前大学「電磁誘導」
- U.S. Energy Information Administration「How electricity is generated」
- 北海道大学オープンコースウェア「ゼロからはじめる科学力養成講座1」
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