発電

発電（はつでん、テンプレート:Lang-en-short）は、電力以外のエネルギーを電力へ変換すること。

自然界では積乱雲中での発電により雷が発生するほか、地球そのものも巨大な発電機であるとされ、発電された電流によって地磁気が維持されているという^[1]。また、動物に発電するものがいくつかある。人工的なものでは電磁誘導の原理を用いた発電機によるものと、それ以外の方法で電気を得る方法がいくつかある。可動部分を持たず、エネルギーを直接変換して直流を得る装置は、特に電池と呼ばれる。

発電を行う施設を発電所という。日常的な生活の中では、主にここから供給される電気を利用している。それ以外の施設において、発電所によらず発電施設を持つ場合、自家発電（じかはつでん）という。

発電の種類

発電機による発電

発電機は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。

火力発電：燃料の持つ化学エネルギーを燃焼により熱に変換し、さらに運動エネルギーに変換する発電。熱を得る方法、熱から運動を得る方法によりさらに細分される。
- 汽力発電：熱により水蒸気を作り、蒸気タービンを回す発電。広義には蒸気タービンを用いる発電を総称していう。
- 内燃力発電：気体の膨張により内燃機関を回す発電。
- コンバインドサイクル発電：内燃力発電の排熱で汽力発電を行う発電。
- 廃棄物発電：廃棄物をエネルギー源として行う。
原子力発電：核反応により熱エネルギーを得る発電。運動エネルギーへの変換は、通常は蒸気タービンを用いる。
核融合発電：原子核の融合によってエネルギーを得る発電。
水力発電：水の位置エネルギー及び運動エネルギーによる発電。
- 揚水発電：汲み上げた水を利用する。
- マイクロ水力発電：小規模な水力発電。建設費や運用費が安い。
地熱発電：地熱により熱エネルギーを得る発電。
太陽熱発電：太陽光の熱エネルギーによる発電。太陽光を直接電気に変える太陽光発電とは別。
風力発電：風の運動エネルギーによる発電。
- 陸上風力発電：タービンを陸上に設置する。
- 洋上風力発電：タービンを洋上に設置する。
- 浮体式洋上風力発電：タービンを深度のある洋上に浮かせて設置する。
- 凧型風力発電(KiteGen)：凧（カイト）によって高高度の風を利用する。
波力発電：波の運動エネルギーによる発電。
海流発電：海流の運動エネルギーによる発電。潮流発電ともいう。
潮力発電：潮の干満の位置エネルギーによる発電。潮汐発電ともいう。
炉頂圧発電：高炉の高圧ガスでタービンを回す発電。
冷熱発電：液化天然ガス (LNG) の冷熱を利用し、中間熱媒体を液化、循環させる方法と、気化した高圧ガスで直接タービンを動かす方法がある。主に LNG の受け入れ基地などで用いられる。
海洋温度差発電：海面の温水と深海の冷水の温度差を利用する発電。
人力発電：人間を動力源とする発電。燃料や電池の補給が難しい局面で重宝される。

別のエネルギーを直接電力に変換する発電

電力以外のエネルギーを直接電力に変換する発電には以下のようなものがある。

燃料電池発電：燃料の化学エネルギーを直接電力に変換する発電。部分出力でも発電効率が良い。
太陽光発電：太陽光エネルギーを太陽電池で直接電力に変換する発電。自然エネルギーなので燃料の購入の必要がない。
宇宙太陽光発電：宇宙空間で太陽光発電を行い、それによって得た電力を地上に送る。
MHD発電：ファラデーの法則に基づきプラズマなどを用いて発電する。
熱電発電：温泉水と河川水などの温度差を利用して熱電変換素子により発電する。
振動発電：圧電素子と振動板を組み合わせることにより、音や振動のエネルギーを電気エネルギーに変換する発電。

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。

<math>e=-vBl\sin\theta\,</math>

e は起電力 (V)、v は速度 (m/s)、B は磁束密度 (Wb/m²)、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、

磁界を強くする
速度を上げる
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。

<math>e=\frac{-\Delta G}{n{\mathrm F}}</math>

e は起電力 (V)、ΔG は反応におけるギブズエネルギー変化、n は反応電子の価数、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stub

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。

<math>e = (S_\mathrm{B} - S_\mathrm{A}) \cdot (T_2 - T_1)</math>

e は起電力 (V)、S _A と S _B はそれぞれ物体 A, B のゼーベック係数、T ₁ と T 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。

静電気に関連する静電誘導、誘電分極、焦電効果、圧電効果などもあるが、起電力の保持時間が極端に短いため専らセンサやスイッチ等の素子として用いられ、発電を目的として用いられることはほとんどない。雷はその過大な電圧と瞬時性から電力源としての利用は疑問視されている。ただ、比較的低電圧の大気電位をコンデンサ（キャパシタ）と併せて電力源として利用する大気電流発電は研究が行われている。

各国の電力源

テンプレート:See also

2008年の全世界の総発電量は 20,260,838 GWh（= 2.0260838 × 10¹³ kWh。約 20,261 TWh）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 1,525,284,000 TWh の 0.001 % に相当する。

電力源の内訳は 67 % は化石燃料、18 % は再生可能エネルギー、13 % 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 5.5 % である。再生可能エネルギーの内訳は水力 92 %、風力 6 %、地熱 1.8 %、太陽光発電 0.3 % であり水力が大半を占める。水力以外の再生可能エネルギーによるものでは風力75%、地熱22.5%で太陽光、太陽熱は僅かである。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 0.06 % であった。数値はIEA/OECDより^[2] 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。

ファイル:Ene Flow Pow Plt uni.jpg

発電所のエネルギーフロー

ファイル:Annual electricity net generation in the world ja.svg

世界の発電量の推移

全世界で2008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 (ktoe) で 4,398,768 ktoe であった。これは全世界の一次エネルギー供給量(TPES)の36%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。IEA 2008 Energy Balance for Worldより

世界の総電力の電力源　2008年
-	石炭	石油	ガス	原子力	水力	その他	合計
電力 (TWｈ/年)	8,263	1,111	4,301	2,731	3,288	568	20,261
割合	41%	5%	21%	13%	16%	3%	100%

2008年の主要国の電力源

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。

電力源の内訳（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
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
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	-
率	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

発電する生物

生物は細胞膜の性質として膜電位を持つため、すべての生物はわずかながら電気を作っている。しかし一部にはそれを方向をそろえて作り出すことで、より高い電圧を生み出すものがある。

テンプレート:節stub

脚注

テンプレート:脚注ヘルプテンプレート:Reflist

発電

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