様々な発電方法
電気はどのように作られるのでしょうか。各発電方法の原理・長所・短所を学びます。
基本知識
主な発電方法:
① 火力発電: 化石燃料(石炭・石油・天然ガス)を燃焼 → 蒸気 → タービン → 発電機。CO₂排出・燃料枯渇の問題あり
② 水力発電: 水の位置エネルギー → 運動エネルギー → タービン → 発電機。CO₂排出なし、環境改変の問題あり
③ 原子力発電: 核分裂の熱エネルギー → 蒸気 → タービン → 発電機。CO₂排出少、核廃棄物・安全性の問題あり
④ 太陽光発電: 光電効果で光 → 電気。再生可能、天候依存
⑤ 風力発電: 風の運動エネルギー → タービン → 発電機。再生可能、設置場所・騒音の問題あり
⑥ 燃料電池: 水素と酸素の化学反応 → 電気。CO₂排出なし(水素製造法に依存)
火力発電（燃料燃焼の熱でタービンを回す。CO₂排出が課題）
原子力発電（核分裂の熱でタービンを回す。放射性廃棄物が課題）
太陽光発電（光電効果により太陽光を直接電気に変換）
再生可能エネルギー（太陽光・風力・水力・地熱など枯渇しないエネルギー）
燃料電池（水素の酸化反応を利用した電池。排出物は水のみ）
揚水発電（余剰電力で水を高所に汲み上げ、需要時に落として発電）
深掘り (背景・意義)
多くの発電方式(火力・水力・原子力・地熱・潮力)は本質的にタービンを回して発電機を動かすという点で同じです。電磁誘導(ファラデーの法則)を利用して機械的エネルギー→電気エネルギーに変換します。太陽光発電だけが光電効果で直接変換するため構造が根本的に異なります。
日本のエネルギー自給率は約 13%(2022年、IEA)と非常に低く、エネルギー安全保障が課題です。2011年の東日本大震災後に原子力発電所が停止し火力依存度が高まりました。再生可能エネルギーの普及が急務です。
スマートグリッド: 太陽光・風力の不安定な再生可能エネルギーと蓄電池・需要制御を組み合わせて安定的に電力を供給するシステム。AI による需給予測も活用されています。
- 多くの発電: タービン → 電磁誘導
- 太陽光のみ: 光電効果で直接変換
- 再生可能: 太陽光・風力・水力・地熱
- 火力: CO₂排出・化石燃料枯渇
- 原子力: CO₂少・放射性廃棄物
- 燃料電池: H₂ + O₂ → H₂O + 電気
- 揚水発電は電気の「貯蔵」機能
注意点 (混同しやすい)
① 原子力は CO₂を直接排出しないが、建設・廃炉・燃料精製にはエネルギーが必要。② 太陽光発電の原理は光電効果であり、熱を使わない。③ 燃料電池は「電池」という名前だが、充電式ではなく水素を供給し続ける。④ 再生可能エネルギーは「無限」ではなく「枯渇しない速度で供給される」という意味。
練習
- 太陽光発電の変換原理を答えなさい。
- 水力発電と火力発電に共通する発電の最終段階のしくみを答えなさい。
- 燃料電池の排出物を答えなさい。