発電

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電磁誘導を利用した発電の例。磁石を回転させることにより磁界が変化し、電位差が発生する。

発電(はつでん、テンプレート:Lang-en-short)とは、運動エネルギーなどを利用して、電気を発生させることをいう[1]

概説

発電とは、電力以外のエネルギー電力へ変換することである。発電の種類としては、例えば、水力発電風力発電太陽光発電地熱発電火力発電原子力発電などがある。

原理としては、機械エネルギー[2]運動エネルギー)を電磁誘導を用いて電力に変換するもの(発電機)だけでなく、化学変化のエネルギーを利用したもの(電池)、光起電力効果によるもの(太陽電池によるもの)、ゼーベック効果によるもの(熱電素子によるもの)、圧電素子によるもの、モノとモノをこすることによって生じる静電気を利用するものなどがある。

発電は、発電所で行われているだけでなく、家庭や企業などでもしばしば行われる(自家発電[注釈 1]。また、夜間に前照灯をつけて自転車で走る時は、乾電池式や充電式でなければ、人がペダルを踏む力でダイナモを動かして発電し、電球を点灯することも過去には多く、また、オートバイ自動車で走行する時は、オルタネーターで発電し、電装品等を働かせるために使用している。最近実用化されはじめた燃料電池車では燃料電池で発電し、電動機を動かし走る。

発電の種類

※ 構想・実験・研究段階であり、実用化に至っていないものもある。

発電機による発電

発電機電磁誘導によって運動エネルギーを電力に変換する装置である。具体的にはコイルに対して磁石を回転させることで電気を発生させる。動力を何から得るかによって以下のように様々な種類がある。

運動以外のエネルギーを電力に変換する発電

運動以外のエネルギーを電力に変換する発電には以下のようなものがある。

発電の原理

電磁誘導

発電機は前述のように電磁誘導により電力を生む。電磁誘導による発電は、磁力線を導体が横切ることによって起こる現象であり、得られる出力は以下のように表される。

e=vBlsinθ

e起電力 (V)、v速度 (m/s)、B磁束密度 (Wb/mテンプレート:Sup)、l は横切る導体の長さ (m)、θ は磁力線からの偏角 (rad) である。これは、磁力線を長さ l の導体が速度 v で横切ったときに導体に発生する起電力を求める式である。この式から、電磁誘導によって大きな起電力 e を得るためには、

  1. 磁界を強くする
  2. 速度を上げる
  3. 磁力面積を拡大する

ことが必要であるとわかる。

電気化学反応

電池のうち「化学電池」と呼ばれる種類の電池は電気化学反応により電力を生む。電気化学反応は、2 種以上の活物質の接触によって生じるもので、反応で生じた電極間の電圧を出力として取り出す。この出力は、単純には以下の式のように表される。

e=ΔGnF

e起電力 (V)、ΔG は反応におけるギブズエネルギー変化、n は反応電子価数、F はファラデー定数 (C/mol) である。これは、反応に関与する活物質の活量がすべて 1 で平衡状態にあるときの標準電極電位である。

光起電力効果

電池のうち「物理電池」、その中でも「光電池(太陽電池)」と呼ばれる種類の電池は光起電力効果により電力を生む。テンプレート:節スタブ

ゼーベック効果

電池のうち「物理電池」、その中でも「熱電池」と呼ばれる種類の電池はゼーベック効果により電力を生む。ゼーベック効果は、2種以上の物体の接触点の温度差によって生じるもので、反応によって生じた電極間の電圧を出力として取り出す。2 種の物体を用いた場合のこの出力は、単純には以下の式のように表される。

e=(SBSA)(T2T1)

e起電力 (V)、S AS B はそれぞれ物体 A, B のゼーベック係数T 1T 2 は 2 つの接点の温度 (K) である。

その他

  • 原子力電池のうち実用化されているものは、放射性崩壊により発生する熱をゼーベック効果により電気に変換するものなどで、上記を参照のこと。理論上は放射性崩壊によるエネルギーが直接電子を放出させる「熱イオン変換方式」もあるが実用化はされていない。

各国の電源構成

テンプレート:See also

電源構成とは発電に用いるエネルギー源や発電方法の組み合わせのことである。エネルギーミックスともいう[3]。2015年の全世界の総発電量は24,255TWhであった。これは地球が太陽から 1 年間に受けるエネルギー 1,525,284,000TWh の 0.001 % に相当する。電力源の内訳の66.3%は化石燃料、23.1%は再生可能エネルギー、10.6% は原子力による。化石燃料の大半は石炭と天然ガスであり、石油による発電量は総発電量の4.1%である。再生可能エネルギーは水力が16.0%あり大半を占める。水力以外の再生可能エネルギーは全体の7.1%であり石油を超えている。しかし資源量全体では風力よりも太陽光、太陽熱の方が遥かに大きい(「再生可能エネルギー」項目参照)。また太陽光発電による発電量は総発電量の1%であった。数値はIEA/OECDより[4] これらの燃料の中には電力以外に熱源、動力源として消費されるものもあるがここでは電力源のみを考慮している。

発電所のエネルギーフロー
世界の発電量の推移

全世界で2015年に火力、原子力、水力、コージェネレーション・プラント、その他の発電所で消費された総エネルギーは石油換算トンで1,737Mtoe。これは全世界の一次エネルギー供給量(TPES)13,647Mtoeの12.7%であった。 生産された電力はグロスで 1,735,579 ktoe 相当の電力 (20,185 TWh) であった。発電効率は 39 %。残りの 61 % の一部 ( 3 %) はコージェネレーションの熱源として利用されたが大半は排出された。また 289,681 ktoe 相当の電力(発電量の 17 %)は発電所での内部消費と送電ロスで消費され、最終的に消費者へは 1,446,285 ktoe 相当の電力 (16,430TWh) が供給された。これは発電およびコージェネレーションに投入されたエネルギーの 33 % であった。Key World Energy Statistics 2017 - IEA

世界の総電力の電力源 2015年
- 石炭 石油 ガス 原子力 水力 風力 太陽光 再生可能エネルギー全体 合計
電力 (TWh/年) 9,538 990 5,543 2,571 3,978 838 247 5,534 24,176
割合 39.4% 4.0% 22.9% 10.6% 16.4% 3.4% 1.0 22.8 100%

2008年の主要国の電源構成

以下の表にリストした 30 ヶ国は人口がトップ 20 位か、国内総生産 (GDP) が 20 位以内の国と、参考にサウジアラビアを含めた。テンプレート:Small

これら 30 ヶ国の合計は対全世界比、人口で 77 %、GDP で 84 %、消費電力で 83 % であり、各指標の 30 ヶ国の平均値は全世界の平均値と近似している。

電源構成の内訳(TWh/年 2008年度)
国名 化石燃料 原子力 順位 再生可能 バイオマス 他 合計 順位
石炭 石油 ガス 小計 順位 水力 地熱 太陽光 太陽熱 風力 潮汐 小計 順位  バイオ
マス
 廃棄物  その他  小計  順位
全世界 8,263 1,111 4,301 13,675 - 2,731 - 3,288 65 12 0.9 219 0.5 3,584 - 198 69 4 271 - 20,261 -
41% 5.5% 21% 67% - 13% - 16% 0.3% テンプレート:Small テンプレート:Small 1.1% テンプレート:Small 18% - 1.0% 0.3% 0.02% 1.3% - 100% -
テンプレート:Flag 2,733 23 31 2,788 2 68 8 585 - 0.2 - 13 - 598 1 2.4 - - 2.4 14 3,457 2
テンプレート:Flag 569 34 82 685 6 15 12 114 - 0.02 - 14 - 128 6 2.0 - - 2.0 16 830 5
テンプレート:Flag 2,133 58 911 3,101 1 838 1 282 17 1.6 0.88 56 - 357 4 50 22 0.8 73 1 4,369 1
テンプレート:Small 61 43 25 130 19 - - 12 8.3 - - - - 20 17 - - - - - 149 20
テンプレート:Flag 13 18 29 59 23 14 13 370 - - - 0.6 - 370 3 20 - 0.2 20 4 463 9
テンプレート:Flag 0.1 32 30 62 22 1.6 16 28 - - - - - 28 14 - - - - - 92 24
テンプレート:Small 0.6 1.7 31 33 27 - - 1.5 - - - - - 1.5 29 - - - - - 35 27
テンプレート:Small - 3.1 12 15 28 - - 5.7 - - - - - 5.7 25 - - - - - 21 28
テンプレート:Flag 197 16 495 708 4 163 4 167 0.5 - - テンプレート:Small - 167 5 テンプレート:Small 2.5 - 2.5 13 1,040 4
テンプレート:Flag 288 139 283 711 3 258 3 83 2.8 2.3 - 2.6 - 91 7 15 7.3 - 22 3 1,082 3
テンプレート:Flag 21 49 131 202 13 9.8 14 39 7.1 テンプレート:Small - 0.3 - 47 12 0.8 - - 0.8 17 259 14
テンプレート:Flag 16 4.9 20 40 26 - - 9.8 11 テンプレート:Small - 0.1 - 21 16 - - - - - 61 26
テンプレート:Flag 15 1.6 30 47 25 - - 26 - - - - - 26 15 - - - - - 73 25
テンプレート:Flag - 0.5 - 0.5 29 - - 3.3 テンプレート:Small - - - - 3.3 28 - - - - - 3.8 30
テンプレート:Flag - 26 90 115 20 - - 15 - - - 0.9 - 16 20 - - - - - 131 22
テンプレート:Flag 291 9.2 88 388 6 148 6 27 0.02 4.4 - 41 - 72 9 20 9.4 - 29 2 637 7
テンプレート:Flag 58 7.5 99 164 16 - - 33 0.2 - - 0.85 - 34 13 0.1 0.1 - 0.2 19 198 19
テンプレート:Small - テンプレート:Small テンプレート:Small テンプレート:Small 30 - - 7.5 - - - - - 7.5 22 - - - - - 7.5 29
テンプレート:Flag 0.4 36 173 209 11 - - 5.0 - - - 0.2 - 5.2 26 - - - - - 215 17
テンプレート:Flag 32 1.7 102 135 18 - - 7.1 テンプレート:Small テンプレート:Small - - - 7.1 23 4.8 - - 4.8 10 147 21
テンプレート:Flag 27 5.8 22 55 24 439 2 68 - テンプレート:Small - 5.7 0.5 75 8 2.1 3.8 - 5.9 9 575 8
テンプレート:Flag 127 6.1 177 310 7 52 10 9.3 - テンプレート:Small - 7.1 - 16 18 8.1 2.9 - 11 5 389 11
テンプレート:Flag 49 31 173 253 9 - - 47 5.5 0.2 - 4.9 - 58 11 4.4 3.3 0.9 8.6 6 319 12
テンプレート:Flag 192 15 81 288 8 151 5 5.6 - 0.3 - 0.4 - 6.3 24 0.5 0.2 0.1 0.7 18 446 10
テンプレート:Flag 50 18 122 190 14 59 9 26 - 2.6 テンプレート:Small 32 - 61 10 2.5 1.6 0.3 4.3 11 314 13
テンプレート:Flag 112 9.8 41 162 17 94 7 383 - テンプレート:Small - 3.8 テンプレート:Small 386 2 8.3 0.2 - 8.5 7 651 6
テンプレート:Small - 116 88 204 12 - - - - - - - - - - - - - - - 204 18
テンプレート:Flag 125 14 46 186 15 41 11 7.8 - テンプレート:Small - 0.6 - 8.4 21 0.5 3.0 - 3.5 12 238 16
テンプレート:Small 198 2.8 39 239 10 - - 12 - 0.2 テンプレート:Small 3.9 - 16 19 2.2 - - 2.2 15 257 15
テンプレート:Flag 27 2.1 63 92 21 4.2 15 0.1 - テンプレート:Small - 4.3 - 4.4 27 3.7 2.9 0.1 6.8 8 108 23
国名 石炭 石油 ガス 小計 順位 原子力 順位 水力 地熱 太陽光 太陽熱 風力 潮汐 小計 順位  バイオ
マス
 廃棄物  その他  小計  順位 合計 順位

2020年の主要国の電源構成

以下の表にリストした 30 ヶ国は人口がトップ 20 位か、国内総生産 (GDP) が 20 位以内の国と、参考にサウジアラビアを含めた[5][6]テンプレート:Small

電源構成の内訳(100万kW 2020)
化石燃料

子 力

再生可能 バイオマス・

廃棄物

合計 順位

化石燃料

水力 地熱 太陽光 風力 潮力・

波力

小計

全世界 4588.2 - 779.8 - 1287.1 30.3 249.9 469.4 2.4 2039 - 181.7 - 7571.3 -
60.6% - 10.3% - 17% 0.4% 3.3% 6.2% 0% - - 2.4% - - -
テンプレート:Flag 1463.8 1 106.5 2 394.8 - 77.6 137.5 - 609.9 1 35.5 1 2217.9 1
テンプレート:Flag 326.7 4 12.1 11 46.3 - 18.2 19.9 - 84.4 6 10.0 6 432.8 3
テンプレート:Flag 684.8 2 222.9 1 80.0 4.6 36.6 94.9 - 216.1 2 19.4 3 1143.3 2
テンプレート:Small 56.8 13 - - 4.7 3.9 - 0.1 - 8.8 19 3.5 11 69.1 19
テンプレート:Flag 22.0 23 3.3 15 12.7 - 0.4 1.1 - 14.3 17 0.3 22 39.9 24
テンプレート:Flag 23.0 22 4.5 13 128.3 - 3.3 17.9 - 149.6 3 17.9 4 195.0 7
テンプレート:Small 9.1 27 - - 2.5 - 0.02 - - 2.6 28 0.01 26 11.7 28
テンプレート:Small 18.2 25 - - 0.1 - 0.1 - - 0.3 29 - - 18.5 27
テンプレート:Flag 164.2 5 58.1 4 52.8 - 0.6 - - 53.4 8 0.8 20 276.5 5
テンプレート:Flag 70.7 10 3.4 14 7.1 1.4 4.1 6.1 - 18.7 15 0.7 21 93.4 15
テンプレート:Flag 256.2 4 16.7 10 34.9 1.0 30.7 3.5 - 70.1 7 5.6 8 348.7 4
テンプレート:Flag - 30 - - 4.7 - 0.005 0.2 - 4.8 25 0.01 25 4.9 29
テンプレート:Flag 21.6 24 - - 2.2 3.1 0.4 0.3 - 6.0 24 0.3 23 27.9 25
テンプレート:Flag 53.1 15 - - 4.6 - 0.6 1.5 - 6.7 23 0.1 24 59.8 21
テンプレート:Flag 46.2 16 - - 16.5 - 1.6 0.3 - 18.3 16 0.9 19 65.3 20
テンプレート:Small 0.003 29 - - 2.9 - 0.003 - - 2.9 27 0.009 27 2.9 30
テンプレート:Flag 54.4 14 - - 25.5 3.3 3.7 8.1 0.4 41.0 11 1.5 16 96.8 14
テンプレート:Flag 100.5 6 27.6 6 11.2 - 22.8 59.3 0.5 93.8 5 25.8 2 248.3 6
テンプレート:Flag 71.5 9 1.5 16 7.3 - 0.08 0.2 - 7.6 22 - - 80.6 17
テンプレート:Flag 44.3 17 - - 1.4 - 1.5 0.9 - 3.8 26 5.1 9 53.1 22
テンプレート:Flag 42.8 18 17.2 9 2.9 - 4.9 28.5 - 36.3 12 17.0 5 113.2 13
テンプレート:Flag 11.1 26 94.8 3 16.2 - 3.5 10.1 0.3 30.1 13 2.8 13 138.6 9
テンプレート:Flag 67.9 11 - - 21.3 2.7 11.2 8.4 0.2 43.7 10 9.8 7 121.4 11
テンプレート:Flag 25.3 21 22.5 8 93.2 - 1.0 8.7 - 103.0 4 2.5 14 153.3 8
テンプレート:Flag 88.0 7 37.6 5 1.8 - 4.5 0.8 1.0 8.0 21 2.3 15 135.8 10
テンプレート:Small 62.2 12 - - 5.1 - 7.1 6.9 - 19.1 14 1.2 17 82.5 16
テンプレート:Flag 37.5 19 25.4 7 15.2 - 9.4 25.6 - 50.2 9 3.0 12 115.8 12
テンプレート:Flag 29.6 20 1.4 17 - - 3.0 5.7 - 8.6 20 3.7 10 43.4 23
テンプレート:Flag 0.2 28 7.8 12 12.9 - 0.9 0.05 - 13.8 18 1.1 18 22.9 26
テンプレート:Small 76.7 8 - - - - 0.2 - - 0.2 30 - - 76.8 18

化石燃料

子 力

水力 地熱 太陽光 風力 潮力・

波力

小計

バイオマス・

廃棄物

合計 順位

発電する生物

生物の中には、発電器官を有する種が存在し、他の生物に対する攻撃、物体の探知、コミュニケーション等に電気を利用している。そういった能力を持つ種の殆どは魚類である[7]テンプレート:See also

強発電魚
100V以上の電圧を生む発電魚。
弱発電魚
5V前後の電圧を生む発電魚。
発電菌

脚注

テンプレート:脚注ヘルプ

注釈

テンプレート:Notelist

出典

テンプレート:Reflist

関連項目

外部リンク

テンプレート:発電の種類 テンプレート:電気電力

テンプレート:Normdaten

  1. テンプレート:Cite web
  2. ブリタニカ国際大百科事典「発電機」に「機械エネルギー」とある。
  3. テンプレート:Cite web
  4. IEA/OECD IEA Statistics/Electricity and Heat by country
  5. テンプレート:Cite web
  6. テンプレート:Cite web
  7. 世界の電気魚
  8. ブラックゴースト・熱帯魚カタログ


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