発電方法の種類と仕組み、メリット・デメリットを総まとめ｜省エネのためのエネルギーの選び方

私たちの生活に欠かせない電気。
電気は、さまざまな方法で発電されて、私たちのもとに届けられています。例えば、火力発電、水力発電、原子力発電、太陽光発電、風力発電などが挙げられます。また最近では、環境への配慮や持続可能なエネルギー源であることも重要になってきています。
この記事では、さまざまな発電方法の種類や仕組み、また、そのメリットやデメリットについて詳しくまとめていきます。

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1.発電方法の種類と仕組み

発電方法にはいくつかの種類があり、それぞれ異なるエネルギー源や技術を用いて電力を生成します。代表的な発電方法としては火力発電、水力発電、原子力発電、太陽光発電、風力発電があります。

日本の発電実績を見てみると、約76％が火力発電に依存しています。
次いで、水力発電、原子力発電、そして新エネルギーと続いています。

代表的な発電方法について、それぞれその仕組みを解説していきます。

 

出典：資源エネルギー庁　2024年3月　統計表一覧　発電実績より作成

2.火力発電とその種類

もっとも割合の多い火力発電は、どのような仕組みの発電方法なのでしょうか。

火力発電の基本的な仕組みは、石炭、天然ガス、石油などの化石燃料をボイラーで燃焼させ、水を蒸気に変えてタービンを回し、その熱エネルギーで発電をしています。

火力発電にも、いくつかの種類があります。

2.1.汽力（きりょく）発電

上記にご紹介した、基本的な仕組みは、この汽力発電で、蒸気でタービンを回して電気を作る発電方法です。この方法で発電している発電所が主流です。

2.2.ガスタービン発電

蒸気でタービンを回すのではなく、燃焼したときに出るガスでタービンを回して電気を作る発電方法です。
主に天然ガスや灯油などの燃料で使われます。

2.3.コンバインドサイクル発電

汽力発電とガスタービン発電を組み合わせた発電方法が、コンバインドサイクル発電です。
まず、燃料を燃やしてガスを発生させ、ガスタービンを回して発電をさせます。
ガスタービンを回し終えた排ガスでも十分に余熱があるため、この余熱を使って水を沸騰させ、蒸気タービンによる発電をおこないます。

この方法なら、同じ量の燃料でも通常の火力発電より多くの電力を作ることができます。つまり、同じ量の発電量でも、二酸化炭素発生量が少なくなる方法です。

3.火力発電のメリットとデメリット

3.1.火力発電のメリット

火力発電の最大のメリットは安定した電力供給を容易におこなえる点です。
また、燃焼する燃料の量を調整することで、需要に応じた発電量の増減が可能な点もメリットといえるでしょう。

さらに、水力発電や風力発電、原子力発電などと比較すると、狭い土地でも発電所が建設でき、コストが低く工期が短いという点もメリットです。

3.2.火力発電のデメリット

一方、火力発電のデメリットは、燃焼過程で大量の二酸化炭素や有害物質を排出することが挙げられます。地球温暖化や大気汚染の一因となるため、環境への負荷が大きい点が問題です。

また、火力発電の原料となる化石燃料は、日本国内で賄うことはできないため、ほとんどを海外からの輸入に依存しています。そのため、国際情勢の変化によって、日本のエネルギー事情にも大きな影響を与えてしまうことはデメリットの一つでしょう。

日本の化石燃料輸入先（2022年）

出典：資源エネルギー庁（日本のエネルギー）

日本では、2030年度までに、2013年度比で46％の温室効果ガス排出削減目標を掲げています。2021年、温対会議・気候サミットにて「脱炭素化をリードする」の掛け声とともに、当時の菅総理が表明しました。しかし、火力発電の依存度が現在のままであれば、その目標を達成することは難しいでしょう。

資源エネルギー庁　諸外国における脱炭素化の動向

近年では、燃焼効率の上昇や排出ガスの浄化装置の導入が進んでいますが、安定的な電気の供給というメリットと、二酸化炭素の排出という大きなデメリットの間で、まだ根本的な解決には至っていないのが現状です。

二酸化炭素削減に向けた、カーボンフリーについては下記を御覧ください。

カーボンフリーとは？

4.水力発電とその種類

水力発電は、川やダムなどの水の流れを利用して発電機を回す方法です。
ダムに貯めた水を高い位置から低い位置に流す際の重力エネルギーを利用します。再生可能エネルギーの一つとして、二酸化炭素の排出が少なく、環境に優しい点が特徴です。また、一度設置すると長期間にわたって安定した電力を供給できることから、信頼性も高い発電方法です。
水力発電には、発電所の形式、および水の運用方式にいくつかの種類があります。

まず、発電所の形式について説明します。

4.1.発電所の種類　水路式

河川の上流に取水堰（しゅすいせき）を作って水を取り入れ、長い水路の中で落差を得られるところまで水を導き発電する方式です。
本来の河川の流れよりも緩やかな勾配の水路を作り、発電所で急勾配させ、その流水の勢いで水車を回転させて発電させます。発電後の水は、もとの河川に戻します。
水量は、川の水量に左右されます。

4.2.発電所の種類　ダム式

河川などにダムを築き、人造湖を作ります。貯水された水を放出し、その落差を利用して発電する方法です。発電量に応じて、水の量を調整することが可能です。

4.3.発電所の種類　ダム水路式

ダム式と水路式を組み合わせた発電方法です。
ダムで水を貯めて、それを下流に導き発電させます。ダム式同様、水量の調整が可能です。

続いて、水の運用方式について説明します。

4.4.水の運用方式　流れ込み式

主に、水路式で使われている運用方式です。
河川を流れる水を発電所に引き込み発電しています。ダムを必要としないため、コストは抑えられますが、水を貯められないため、水量のコントロールができません。

4.5.水の運用方式　貯水池式

主にダム式、ダム水路式で使われている運用方式です。
電力需要の変動に対応するため、貯水池に水を貯める方式です。梅雨時期や台風などの時期に貯水をし、水が足りない時期に放流するなどして、発電量の調整が可能です。

4.6.水の運用方式　調整池式

貯水池式は長期間の需要変動への対応として活用されていますが、調整池式は短期間の需要変動への対応に使われています。夜間や週末など、比較的電力消費が少ないときに貯水をして、日中に発電するなどの調整がおこなわれています。

4.7.水の運用方式　揚水式

発電所の上流と下流に、それぞれダムを設置し、ダム同士での水をやり取りすることで発電させます。需要が少ないときには、下流から上流に水を汲み上げておき、需要が高まってきた際にその水を利用して発電量を増やします。

5.水力発電のメリットとデメリット

5.1.水力発電のメリット

水力発電は、日本において非常に重要な発電方法になっています。発電効率が80～90％程と高く、渇水のリスク以外においては、安定的に電力の供給が可能な点は大きなメリットでしょう。また、需要に合わせて供給量を増減できる仕組みも整っており、変動への対応もスムーズにおこなえます。

また、何より温室効果ガスの排出がゼロのため、再生可能エネルギー（再エネ）として注目されています。

一度設置すれば、長期間にわたり安定した電力を供給できるため、信頼性が高い発電方法です。

5.2.水力発電のデメリット

デメリットとして、ダム建設による環境破壊が挙げられます。ダムの底に沈んでしまった村や、ダムがあるため魚が上流に進めなくなったり、逆に下へ降りられなくなってしまったり、ということもあるため、生態系への影響が懸念されています。

他にも、ダムが決壊するリスクはデメリットの一つでしょう。万一、決壊した場合は、下流域に洪水が起きるなど甚大な被害が考えられます。

最近では、すでに大規模な水力発電がほとんど開発されており、建設コストもかかるため大規模な発電所の新設は難しいと言われています。そのため、現在ではマイクロ水力発電の設置が進められています。

6.原子力発電とその種類

原子力発電の基本的な原理は、火力発電と同じです。
火力発電でボイラーにあたる部分が原子炉となり、ウランなどの核燃料を使って核分裂反応を起こし、その際に発生する熱エネルギーでタービンを回して発電します。

燃料のエネルギー密度が非常に高いので、少量の燃料で大量の電力を生み出せるのが特長です。
原子力発電は、蒸気を発生させる原子炉の仕組みによって2種類に分けられます。

6.1.沸騰水型原子炉（BWR）

原子炉の中で蒸気を発生させる方式が、沸騰水型原子炉です。上記でご紹介した発電方法です。蒸気は、放射性物質を含む水からつくられており、タービンや復水器にも放射線管理が必要です。

6.2.加圧水型原子炉（PWR）

炉心を通る水が格納容器内のみを循環している点が沸騰水型原子炉と異なります。炉心を通る水は、加圧機によって圧力が高められ、300度を超えても蒸気にはなりません。蒸気発生器内の熱交換プロセスで熱せられてはじめて蒸気が発生します。そのため、タービンや復水器は放射性物質を含みません。安全性は高まりますが、格納容器は沸騰水型原子炉の5倍ほど大型になります。

出典：資源エネルギー庁　エネルギー白書2020

7.原子力発電のメリットとデメリット

7.1.原子力発電のメリット

原子力発電は、大量の電力を安定的に生成することが可能な上、二酸化炭素の排出が少ないというメリットがあります。また、少量の燃料で多量の電力が得られ、燃料の輸送や保管が効率的におこなえる点も大きなメリットです。
また、原料となるウランは、石油や石炭と比べても世界の広い地域に分布しているため、世界情勢に変化があっても、火力発電ほど原料調達の影響は少ないだろうと言われています。

環境負荷が少ないため、2011年までは火力発電の代替エネルギーとして活用されていました。

7.2.原子力発電のデメリット

しかし、2011年の東日本大震災のあとには、原子力発電の割合が大きく減少しました。

発電電力量の推移

資源エネルギー庁　二次エネルギーの動向

電子力発電の大きなデメリットは、事故の危険性、放射性廃棄物の処理問題などが挙げられるでしょう。
原子力事故が発生した場合の影響は甚大であり、事故のリスクをゼロにはできない点が大きな懸念とされています。

東日本大震災の後、ドイツは即座に原子力発電の縮小を表明するなど、世界にも大きな影響を与えました。
その一方、二酸化炭素を排出しない電源として、フランス・アメリカ・中国などの国々は引き続き利用する方針を示しています。

各国の電源構成の比較

資源エネルギー庁　電力システムを取り巻く環境

8.太陽光発電

太陽光発電は、太陽光パネル（太陽電池モジュール）を用いて太陽の光を直接電力に変換する技術で、シリコン半導体に光が当たると電気が発生する現象を利用しています。

太陽光の発電方法は、マイナスを帯びやすいN型シリコン半導体（表面）とプラスを帯びやすいP型シリコン半導体（裏面）を重ね合わせ、それぞれの電極をつなぐことで電気が流れる仕組みです。発電させる方法自体は、乾電池と同じ原理です。

太陽光を利用するため、燃料が不要で、二酸化炭素などの温室効果ガスを排出しないクリーンエネルギーとして注目されています。また、設置場所も自由で、家庭の屋根や広大な土地に設置可能です。その取り組みやすさもあり、個人で太陽光パネルを自宅に設置して自家発電している方も増加しています。

一方で、天候に左右されやすいというデメリットがあり、夜間や曇りの日には発電量が減少します。近年では、効率の高い太陽電池パネルの開発が進み、蓄電技術の向上と合わせて、より安定した電力供給が期待されています。

太陽光発電等による余剰電力を、長期間固定価格で買い取る「余剰電力買取制度」やそれに続く「FIT制度」により家庭や企業での導入が進んだ太陽光発電ですが、2019年11月以降に固定価格での買取期間満了を迎える設備が出てきたことにより、蓄電池の設置による自家消費か、新たに売電できる事業者との間で相対・自由契約で余剰電力を売電するかを選択することになりました。
また、2017年4月に施行された改正FIT法で、一部の特例を覗いて、住宅用から産業用までほとんどの太陽光発電設備の保守点検・維持管理の実施が義務化されたことから、適切なメンテナンスが安定的な設備の運用に必須となりました。
多くの太陽光発電設備の設置や保安・保守点検に実績を有するエスコでは、お客様のニーズに合致したメンテナンスメニューを提供可能です。

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太陽光発電設備のメンテナンスの必要性とは

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9.太陽光発電のメリットとデメリット

9.1.太陽光発電のメリット

太陽光発電は再生可能エネルギーとして、太陽光を直接電力に変換する技術で、設置後は燃料が不要であり、二酸化炭素を排出しないため、非常に環境に優しい点がメリットです。
また、屋根や広大な土地に簡単に設置できるので、多様な場所での利用が可能です。

また、資源エネルギー庁が、電源別に発電コストをまとめており、それによると2030年の発電コストは太陽光発電がもっとも安いと試算しています。これは、生産量の増加にともない、ソーラーパネルの世界の価格水準に追いつくといったケースを前提に試算されているためです。ただし、パワーコンディショナや架台などはそこまで低価格化は進んでいないため、実際の導入の際にはしっかり確認しましょう。

1kWhあたりの発電コスト

	2020年時点	2030年時点
火力発電（石炭）	12.5円	13.6～22.4円
火力発電（LNG)	10.7円	10.7～14.3円
火力発電（石油）	26.7円	24.9～27.6円
風力発電（陸上）	19.8円	9.8～17.2円
風力発電（洋上）	30.0円	25.9円
原子力発電	11.5円～	11.7円
太陽光発電（事業用）	12.9円	8.2～11.8円
小水力発電	25.3円	25.2円
中水力発電	10.9円	10.9円

資源エネルギー庁　電気をつくるには、どんなコストがかかる？

各電源の内訳は下記のとおりです。
電源によって、その構成は大きく異なります。

2020年の電源別発電コスト試算結果の構成

2030年の電源別発電コスト試算結果の構成

資源エネルギー庁　電気をつくるには、どんなコストがかかる？

※2030年のコストは、国際機関が発表する将来の燃料費の見通し、設備の稼働年数や設備利用率、太陽光発電の導入量などが、試算の前提です。前提が変われば、結果も大きく変わります

9.3.太陽光発電のデメリット

一方、太陽光発電は、発電量が天候や日照条件に大きく依存するため、安定した電力供給が難しい点がデメリットです。特に夜間や曇りの日には発電ができないため、蓄電技術の向上が求められています。
また、発電効率も約20％ほどと低く、無駄が生じやすい点もデメリットといえるでしょう。

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10.風力発電とその種類

風力発電は、風の力を利用して風車を回し、そのエネルギーを電気エネルギーにして発電させる仕組みです。発電効率を上げるために、風車の方向が常に風上を向くように回転する仕組みになっています。逆にあまりにも風速が大きすぎる場合、回転速度が上がりすぎるため、安全上、回転を停止させます。

風車は大規模な設備が主体で、強風地域や海上など風の強い場所に設置されることが多いです。
風車の形状により大きく2種類に分けられます。

10.1.水平軸風車

回転軸が地面に平行に設置されているタイプが水平軸風車と呼ばれています。
さらに、プロペラ型、オランダ型、セイルウィング型、多翼型など形状によって細かく分かれています。
正面から風を受けないと回らないものの、常に風上に向かうように設計されています。

10.2.垂直軸風車

垂直軸風車は、回転軸が地面に垂直に設置されているタイプです。
さまざまな方向から風が吹いても回る仕組みになっているものの、発電効率は水平軸風車の方がいいとされています。
こちらも羽根の形状によって、クロスフロー型、サボニウス型、ダリウス型、ジャイロミル型などに分かれています。

さらに、設置場所により「陸上風力発電」、「洋上風力発電」があります。
小さなものは、「マイクロ風力発電」と呼ばれています。

11.風力発電のメリットとデメリット

11.1.風力発電のメリット

風力発電は風の力を利用する発電方法のため、燃料が不要である点が最大のメリットです。
また、再生可能エネルギーとして、二酸化炭素を出さない、環境に優しい点も風力発電のメリットとして挙げられるでしょう。
太陽光発電とは異なり、夜間でも発電可能です。大規模な風力発電施設であれば、発電コストも抑えられます。

11.2.風力発電のデメリット

しかし、風の強さや方向が発電量に直結するため、風の安定した地域でないと効率的な発電が期待できません。また、風車のブレードが生態系や景観に影響を与える可能性があり、この点がデメリットとされます。

12. その他の発電方法

その他にも、さまざまな発電方法があります。

12.1.バイオマス発電

環境に優しい再生可能エネルギーとして注目されているのがバイオマス発電です。
バイオマス発電には、「直接燃焼方式」、「熱分解ガス化方式」、「生物化学的ガス化方式」の3つの方式があります。

直接燃焼方式　…　廃材や植物、ゴミなどのバイオマス資源を燃焼させて熱エネルギーを生成する発電方式
熱分解ガス化方式　…　バイオマス資源を高温で分解し、ガスを生成させる発電方式
生物化学的ガス化方式　…　微生物や酵素を利用して有機廃棄物や汚泥などのバイオマス資源を分解し、メタンを主成分とするバイオガスを生成する発電方式

詳しくは、下記の記事をご覧ください。

バイオマス発電とは？仕組みとメリット・課題をわかりやすく解説

12.2.地熱発電

地熱発電は、地下深くの「地熱貯留層」からマグマの熱で温められた高温高圧の蒸気・熱水を取り出し、その力を利用してタービンを回すことで発電する方法です。

国が新エネルギーとして定義しているのは、地熱流体の温度が低く、十分な蒸気が得られ ない時などに、地熱流体で沸点の低い媒体（例：ペンタン、沸点36℃）を加熱し、媒体蒸気でタービンを回して発電する「バイナリー方式」のみです。この時、使われた蒸気・熱水は還元井を通して地下に戻されます。

資源エネルギー庁　地熱エネルギーの宝庫・東北エリアで見る、地熱発電の現場

12.3.水素発電

最近、新しいエネルギーとして特に注目されているのが水素です。
水素はさまざまな資源から作ることができ、エネルギーとして利用してもCO2を出しません。2017年には「水素基本戦略」として国家戦略が打ち出されました。

下記のカーボンフリーの記事に水素社会についての言及がありますのであわせてご覧ください。

水素社会の構築を目指す

12.4.床発電

特殊な発電方法として、「床発電」というものもあります。例えば通勤ラッシュや、サッカースタジアムなどたくさんの人が移動したりジャンプしたりするときの振動を発電に活かす、というものです。エネルギー効率の悪さが課題でしたが、研究開発が進められ、徐々に改良がされています。

13.再生可能エネルギーの割合

環境負荷の低減や資源の持続可能性を目指すためには、再生可能エネルギーはとても重要です。
現在では、風力、太陽光、水力、バイオマスなど、さまざまな再生可能エネルギー源の利用が進んでいます。

出典：資源エネルギー庁　「今後の再生可能エネルギー政策について」

2030年度では、再エネの割合を約36～38％程度見込んでおり、それを実現させるために政府や企業も再生可能エネルギーの導入を支援する政策や取り組みを強化し、持続可能な社会を実現しようとしています。

14. まとめ：省エネに役立つエネルギー選びは環境保護とコストが重要！

さまざまな発電方法と、そのメリット・デメリットについて説明をしてきました。
最適なエネルギーを選ぶ際に意識することは、環境保護とコスト削減の両立ではないでしょうか。

再生可能エネルギーを優先的に選択したくても、コストが原因で選べないということもあるかと思います。しかし、政府や自治体は積極的に省エネへの推進をおこなっており、さまざまな助成金・補助金が用意されています。

また、エネルギーミックスという考え方もおすすめです。
複数のエネルギー源を組み合わせることで、安定した電力供給を実現できます。例えば、太陽光発電と蓄電池の組み合わせ、さらに夜間や天候不良時にはバイオマスや水力発電を補完する形で活用することが挙げられます。
複数のエネルギー源を組み合わせることは、災害時などでのリスク軽減にも繋がります。

最後に、省エネ性能の高い技術を使った最新の省エネ製品を選ぶことも重要です。
効率の良い電化製品を使用することで、日常生活でのエネルギー消費量を削減することができます。

 

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