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火力発電とは?仕組みやメリット・デメリットについて

でんきの基本

現代の日本において、最大の発電量を誇る火力発電。今回は、火力発電を基本から解説し、発電のしくみや燃料、メリットやデメリット、今後の展望についてもお話します。電力事情が変革期を迎えつつある今、知っていると明日使える(かもしれない!?)お話、水力発電とバイオマス発電に続く第3弾をお送りします。

今回は、火力発電についてお話していきます。

火力発電とは

まずは、火力発電とは何か、概要を見ておさらいしてみましょう。

歴史

火力を使って発電する方法、ひいてはその土台となった仕組みはいつ頃確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電所を設置します。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%は火力発電でまかなわれています。参照:2.2.3 二次エネルギーの動向 │ 資源エネルギー庁
日本(終戦まで)
日本国内では、エジソンが火力発電所を開設した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電所です。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「浅草火力発電所」が設置されました。この浅草火力発電所には、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電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電が補うといういわゆる「水主火従」の時代でした。参照:火力発電 (01-03-07-01) – ATOMICA –参照:集中発電所からの一括配電 浅草発電所
日本(戦後)
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、火力発電の技術が向上したこともあり、次第に火力発電所の建設が進むようになりました。昭和38年には火力発電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。火力発電表の出典:エネルギー白書2015 第2部 1章 国内エネルギー動向参照:火力発電 (01-03-07-01) – ATOMICA –

火力発電所の数

火力発電
富津火力発電所

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

平成28年現在では、電力事業に用いられるものとしては日本各地の合計で186の火力発電所があります。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、工場などで使う電気を作るための自家発電用の火力発電所も多数存在しています。参照:1-(1)発電所認可出力表

そもそもどうやって発電するの?―火力発電所の仕組み―

火力発電
蒸気機関車

発電の詳しい仕組みは後で説明するとして、まずはざっくりとしたお話です。

突然ですが、皆さんは蒸気機関車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機関車の姿は格好いいですよね。ところで、蒸気機関車はどのような仕組みで動くか、ご存知ですか?蒸気機関車はその名の通り、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。

なぜいきなり蒸気機関車の話をしたかというと、実は多くの火力発電も基本的な原理は同じだからです。火力発電所では、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。

火力発電のメリット・デメリット

さて、続いては火力発電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。

安定的に発電できる
なんと言っても火力発電の最大のメリットは、燃料があるかぎり安定的に発電できる点です。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。
エネルギー変換効率が良い
エネルギー変換効率とは、読んで字の如く、あるエネルギーを別のエネルギーに変える際の効率のことです。一般的な火力発電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、数ある発電方法の中では水力発電に次いで2番目に良い数字を示しています。
火力発電画像の出典:水力発電の仕組み(役割・特徴) [関西電力]
出力の調整が容易にできる
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。火力発電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電所
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、火力発電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:大気汚染防止対策[関西電力]

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減らす技術の開発が進んでいます。また、近年では、石炭とバイオマス燃料を混合して発電する、通称「木質バイオマス混焼発電」の導入も進んでいます。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謂「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:北陸電力 再生可能エネルギーの導入(再生可能エネルギーの導入)

燃料費がかさんでいる
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電です。原子力発電所を稼働できないしわ寄せが火力発電所に来ているのですが、火力発電の稼働が増加したことにより、その分燃料費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、燃料費の増加額は実に12.4兆円に達しています。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:電力需給検証小委員会報告書
「原発ゼロ」のしわ寄せで発電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、代わりに火力発電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:「老朽火力」トラブル相次ぐ 夏の電力供給は綱渡り 橘湾1号機停止 (1/3ページ) – SankeiBiz(サンケイビズ)

火力発電の種類と発電方法

次に、火力発電の種類と、種類別の発電方法を見ていきましょう。

汽力発電

燃料を燃やして、ボイラーで水を沸騰させて水蒸気を作り、その水蒸気でタービンを廻して発電する方法です。タービンとつながっている発電機を廻すことで発電する仕組みです。

火力発電

コンバインドサイクル発電

ガスタービンと蒸気タービンの2つを組み合わせて発電する方法です。「コンバインド(combined)」とは、「複数のものが組み合わさっている」という意味を表す英語です。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、さらにその排熱で水を沸騰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電するから「コンバインド」なんですね。

火力発電

ACC発電

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電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、従来の火力発電と比較すればかなり優れた数字を示します。

火力発電

MACC発電

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。MACC発電のガス燃焼温度は1500℃級。エネルギー変換効率は58.6%まで上昇しています。

火力発電

参照と4つの画像の出典:火力発電の種類|火力発電所|東京電力フュエル&パワー株式会社

内燃力発電

本土と電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「内燃力発電所」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:九州電力 内燃力発電について

コンバインドサイクルのガスタービン部分も内燃力発電の一種です。

火力発電に使われる燃料と特徴

火力発電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

火力発電全体の内、石炭火力発電の占める割合は26.3%です。

調達先
石炭の調達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、調達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:エネルギー白書2015 第2部 1章 国内エネルギー動向
燃料費
石炭の価格は1t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……1kLあたり84,658円、液化天然ガス価格……1kLあたり86,428円(いずれも平成25年)参照:燃料コスト増の影響及びその対策について
資源量
石炭は埋蔵量が豊富で、確認されているだけでも後100年以上は採掘が可能な量が眠っています。
参照:石炭関係|よくある質問とその答え|資源エネルギー庁
温室効果ガス
火力発電の燃料の内、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

火力発電全体の内、石油火力発電の占める割合は28.9%です。

調達先
石油は、その調達先の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:エネルギー白書2015 第2部 1章 国内エネルギー動向
資源量
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、最近では技術の発達で新たに油田が発見されたこともあり、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:化石燃料の枯渇
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電所を緊急稼働させ、電力不足を補いました。
石油火力発電所の新設は禁止
「石油が一番扱いやすいのなら、もっと石油火力発電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、石油火力発電所の新設やリプレースは禁止されています。
参照:高効率火力発電の導入推進について

液化天然ガス(LNG)

火力発電
液化天然ガスを積んだタンカー

火力発電全体の内、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?

LNG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:LNGとは

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別物ですね。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積が600分の1にまで小さくなり、運びやすくなります。ちなみに液化天然ガスの発熱量は13000kcal/kgと高い値です。参照:中部電力|LNG – 電力用語解説

調達先
液化天然ガスの調達先は、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:エネルギー白書2015 第2部 1章 国内エネルギー動向
資源量
天然ガスは、確認されているだけであと約60年分の埋蔵量があるとみられます。参照:天然ガスの埋蔵量|世界の天然ガス市場|日本ガス協会

火力発電の現状と今後の課題

最後に、日本国内における火力発電の現状と今後の展望について考えましょう。

発電量

まずは現状での発電量について。

平成26年度の火力発電の発電量
平成26年度には、日本国内の火力発電所で合計約608億kWh発電されました。これを全ての電源での割合に直すと、実に90.4%となります。参照:2-(1)発電実績(総括)
東日本大震災前後での発電量の変化
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年での火力発電の発電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年間で83%の増加となっています。参照:第1部 エネルギーを巡る状況と主な対策 第3章 エネルギーコストへの対応

今後の展望

続いて、火力発電の今後の展望について考えます。

エネルギー基本計画での方向性
エネルギー基本計画」では、火力発電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

老朽火力発電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電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」として今後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電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較的高いと言われています。今後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術改良等で発電効率をより上げ、相対的にコストを下げる努力が必要と言えます。

石油

供給源多角化、産油国協力、備蓄等の危機管理の強化や、原油の有効利用、運輸用燃料の多様化、調整電源としての石油火力の活用等を進めることが不可欠である。また、災害時には、エネルギー供給の「最後の砦」になるため、供給網の一層の強靱化を推進することに加え、内需減少とアジア全域での供給増強が同時に進む中、平時を含めた全国供給網を維持するため、石油産業の経営基盤の強化に向けた取組などが必要である。

出典:エネルギー基本計画

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、石油火力発電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。

原子力発電との兼ね合い
先に述べたように、原子力発電の代替として火力発電が利用されることで、莫大な燃料費が流出しています。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電に頼らざるを得ないなか、なかなか厳しい燃料費状況は今後も続きそうです。
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、火力発電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電量が天候によって左右されるものが普及すれば、実はより一層ベースロード電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、やはり安定的に発電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、火力発電を代替できるとは言えません。

以上の点を言い換えると、今後も火力発電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減と発電効率の上昇という2つの課題に対処していかなければならない、と言えそうです。

まとめ

今回は、 火力発電 について見てまいりました。

火力発電の歴史

  1. 世界……1882年、エジソンがニューヨークに世界初の火力発電所を設置する
  2. 日本(戦前)……明治20年、東京・日本橋茅場町に日本初の火力発電所「第2電燈局」が設けられる
  3. 日本(戦後)……昭和38年に火力発電の出力が水力発電のそれを上回る

火力発電所の数

  • 日本国内には合計186の火力発電所がある

火力発電のメリット

  1. 安定的に発電できる
  2. エネルギー変換効率が高い
  3. 出力の調整が容易にできる
  4. 最近の火力発電所は環境に配慮している

火力発電のデメリット

  1. 温室効果ガスを排出する(近年では技術改良や木質バイオマス混焼発電の推進等で改善の動きもある)
  2. 燃料費がかさんでいる
  3. 原発ゼロのしわ寄せで火力発電所の点検が十分にできない

火力発電の種類と発電方法

  1. 汽力発電……燃料を燃やして水を沸騰させ、水蒸気でタービンを廻す
  2. コンバインドサイクル発電……ガスを燃やしてタービンを廻し、その排熱で水を沸騰させ蒸気タービンも廻す
  3. ACC発電……コンバインド発電の改良型
  4. MACC発電……ACC発電をさらに改良させた型
  5. 内燃力発電……ディーゼルエンジンで発電する(離島の発電所や非常用電源向け)

火力発電に使われる燃料

  1. 石炭……火力発電全体の26.3%
  2. 石油……火力発電全体の28.9%
  3. 液化天然ガス(LNG)……火力発電全体の44.8%

火力発電の現状と今後の展望

  1. 平成26年度の火力発電における発電量は608億kWh、電力全体の90.4%
  2. 東日本大震災の前後では、平成22年から26年までの4年間で83%増加
  3. 原子力発電所を本格的に再稼働できなければ今後も代替電源としての重要性は増す
  4. 再生可能エネルギーが普及すれば、安定的に発電できるベースロード電源としても役割は大きい
  5. 「温室効果ガスの削減」「発電効率の上昇」という2つの課題と付き合っていく必要がある
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