Lectures on Energy

２０１１年３月 日に発 生した東日 本 大 震 災に伴 う
太 平 洋 沿 岸の原 子 力 発 電 所・火 力 発 電 所の停 止により ︑関 東 地 区では電 力 供 給 量が不 足し︑計 画 停 電が実 施されました︒
さらに翌２０１２年には︑新しい安 全 基 準の策 定のために︑ひつ ぱく
原 子 力 発 電 所の再 稼 働が困 難 となり ︑関 西 地 区 を 中 心に全 国 的に電 力 需 給が逼 迫し︑国 民の電 源や電 力 供 給に対 する関 心が非 常に高 ま り ました︒
エネルギー講 座 第６講では︑ま ず︑電 気の基 礎 知 識 を 学び︑
電 力 供 給システムの現 状 と今 後について考 えてみま す ︒
エネルギー講座 暮らしとエネルギー

第六講当麻 潔

大阪ガス㈱エネルギー・文化研究所研究員

電 気 を 作 り 届 けるしくみを 知る
大阪大学大学院教授

事 量 で あ る﹁電力量︵ ︶﹂となります︒水道に例えれば︑水道私たちの生活に電気はなくてはならないものです︒電気はエ設備の発電出力︵能力︶やピーク電力需要を表すのに用いられ︑﹁Ｗ﹂で︑容 器 に 溜 まった 水の 総 量 が﹁ ﹂で す︒﹁Ｗ﹂は︑発 電の蛇口から出る水の勢い︵単 位 時 間 あたりに流れる水の量︶がネルギーの一種で︑単位時間あたりの電気の仕事量が﹁電力﹂﹁ ﹂は︑月間︵年間︶電力使用量に用いられます︒

電気のしくみを知ろう

下田 吉之 監修

電 力 供 給システム

Supervised by Shimoda Yoshiyuki, text by Tohma Kiyoshi

11

Whです︒
﹁電力﹂を決めるのが︑電子が流れる量である﹁電流﹂と︑電子を流そうとする圧力である﹁電圧﹂です︒﹁電力︵Ｗ︶﹂は﹁電圧︵Ｖ︶﹂と﹁電流︵Ａ︶﹂の積で求められます︒﹁電 力︵Ｗ︶﹂に時間︵ｈ︶をかければ︑電 気 が 実 際 に 行 っ た 仕

私 た ち が 日 常 生 活 で 使 っ て い る 電 気 に は︑
﹁直 流︵ＤＣWh︶﹂と﹁交 流︵ＡＣ︶﹂が あ
Direct Current
Alternating Current
ります︒﹁直流﹂とは︑常に一定方向に流れる電流のことであり︑CEL July 201359Wh

す︒直流で動くパソコンなどの電化製品は︑アダプターを使っ圧︶が周期的に変化する電流のことで︑家庭用の電源は交流で極に移動します︒﹁交流﹂とは︑電流の流れの方向と大きさ︵電と下部に調整池を作り︑発電に用いて下部池に貯まった水を需大規模なダムに大量の水を貯める﹁貯水池式﹂︑発電所の上部の流れをせき止め︑水を貯める調整池を利用した﹁調整池式﹂︑します︒河川の流れをそのまま利用した﹁流れ込み式﹂︑河川力を利用して水車を回し︑水車と直結した発電機で電気を起こ﹁水力発電﹂は︑水が高いところから低いところに流れ落ちる力﹂﹁太陽熱﹂﹁バイオマス﹂﹁水力﹂﹁地熱﹂などがあります︒

使って行う発電です︒再生可能エネルギーには︑﹁太陽光﹂﹁風﹁交流﹂は︑電流︵電圧︶を縦軸︑時間を横軸で表すと︑グラ

要の少ない夜間の電力で上部池に汲み上げ︑需要の多い昼間に各 発 電 方 式 の 比 較 を３Ｅ︵エ ネ ル ギ ー・セ キ ュ リ テ ィ︑環境

発 電 方 式 で あ り︑燃 料 を 輸 入

発 電 時 に COを
発 生 し な い︑
2
純国産エネルギーを用いての再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー 発 電 は︑性
排2 出量︑経済性︶＋Ｓ︵ 安全性︶の観点から行い︑ Table 1COにまとめました︒また︑政府が試算した発電コストも参考に記載しました︒期待される
再生可能エネルギー発電する必要がなく︑持続可能性の観点からも︑導入促進が必要です︒
ところが︑わが国の再生可能エネルギーの導入率は︑２０１１年・４％︑イギリスは２・８％︵いずれ度の発電電力量ベースで１・４％︵﹁エネルギー白書２０１２﹂︶であり︑一方︑ドイツは−もＥＮＴＳＯ Ｅ 欧 州 送 電 会 社 協 会 に よ る ２ ０ １ １ 年 デ ータ︶となっており︵いずれも水力を除く︶︑海外と比較しても極めて低い状況にあります︒そこで︑再生可能エネルギーの導入促進のため︑２０１２年７月に﹁再生可能エネルギーの固定価格買取制度﹂がスタートしました︒
再生可能エネルギーといえば︑﹁太陽光発電﹂や﹁風力発電﹂をイメージする人が多いのですが︑日本は有数の火山国であるため﹁地熱発電﹂のポテンシャルも大きく︑また︑建築廃材や家畜の排泄物などの廃棄物系から森林などの木質系まで多様なバイオマスを活用した﹁バイオマス発電﹂も有用な再生可能エネルギー発電です︒

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CEL July 2013

乾電池や自動車のバッテリーのように︑プラス極からマイナスフがサインカーブという波形︵プラスの山とマイナスの山をひて︑交流から直流に変換しています︒

ヘ ル ツ︶﹂

とつの波形とした繰り返し波形︶を描きます︒１秒間に繰り返
さ れ る 電 流︵電 圧︶の 変 化 の 回 数 を﹁周 波 数︵㎐再度発電を行う﹁揚水式﹂があります︒揚水式発電は︑昼間といと い がわといいます︒日本では︑静岡県の富士川から新潟県の糸魚川あ夜間の需要の凸凹をならして︑発電所の稼働率を向上させるたを輸入した明治時代に︑関東ではドイツ製の ㎐用︑関西ではアメリカ製の ㎐用を採用したためです︒周波数を全国統一すけられるのでしょうか︒

電気はどのように作られ︑届私たちが家庭で使っているるには︑莫大な費用と時間がかかるため︑現在でもそのままになっています︒

電力供給システム
多様な発電方式
電気は︑遠く離れた発電所で作られ︑高い電圧で発電所から送り出され︑送電線↓変電所↓配電線↓引込線を経て︑家庭に届けられています︵ Chart︶
1︒
発電の方式には︑﹁火力発電﹂﹁原子力発電﹂および﹁再 生 可能エネルギー発電︵水力発電を含む︶﹂があります︒﹁火力発電﹂は︑化石燃料を燃やしたときに発生する熱エネルギー︵高温高圧の水蒸気︶でタービン発電機を回して電気を起こします︒発電に使用される化石燃料としては︑﹁石炭﹂﹁石油﹂﹁原子力発電﹂は︑原子炉の中でウランを核分裂させ︑できた﹁天然ガス︵ＬＮＧ 液化天然ガス︶﹂があります︒
中性子の速度を下げて核分裂を連続させ︑そのとき発生する熱で高温高圧の蒸気を作り︑タービンを回して電気を起こします︒

めの蓄電池の役割を果たしています︒

たりを境に︑東日本では ㎐︑西日本では ㎐が用いられてい6050ます︒２つの周波数の電気が用いられた経緯は︑初めて発電機

50﹁再生可能エネルギー発電﹂は︑化石燃料以外のエネルギー源

260のうち︑永続的に利用することができる再生可能エネルギーを

151

Table 1 発電方式の比較表

さまざまな発電方式とそのメリット、デメリット方式

原子力メリットデメリット

発電コスト（円/kWh）●発電時CO 2を排出しない●ウラン資源が広く分布し、供給安定性は高い●社会的受容性に問題●放射性廃棄物の処理処分方法が確立していない¥8.9〜●資源量が広くまた多くあり、供給安定性は高い●他の化石燃料と比較して、低価格で安定している●化石燃料のなかでCO 2の排出が最も多い（CO 2排出量：石炭＞石油＞天然ガス）●需要変化への対応に優れている●燃料貯蔵が容易である●CO 2の排出が多い●中東への依存度が高く、供給安定性に懸念がある●燃料価格が高い¥25.1〜28.0●高効率で需要変化への対応に優れる●燃料の調達先が分散しており、長期契約が中心であるため、比較的供給安定性は高い●CO 2を排出する（化石燃料のなかでは最も少ない）●燃料および輸送費が高い●インフラ整備が必要¥10.9〜11.4●発電時CO 2を排出しない●資源の制約がない●戸建住宅に容易に設置可能●天候や時間帯により出力が変動し、発電が不安定

Nuclear石炭¥10.3〜10.6

化石エネルギー

Coal

石油
Petroleum

天然ガス
（LNG）

（利用率50％）Natural Gas

太陽光¥9.9〜20.0
（住宅用）

Solar

水力

●発電時CO 2を排出しない●需要変化への対応に用いられる（揚水発電）●大規模な新規開発が困難●渇水時に発電が困難¥19.1〜22.0

再生可能エネルギー

（小水力）

Water

風力

●発電時CO 2を排出しない●資源の制約がない●風況により出力が変化し、発電が不安定●電線、景観や低周波騒音の問題等立地場所が限定される

Wind

地熱

●天候に左右されず、供給安定性に優れる●世界有数の火山国であり、ポテンシャルは大きい●適応地の多くが国立公園内にあり、また、温泉泉源の枯渇懸念が温泉組合にあり、建設に制約●資源回収システムが未整備

バイオマス●過去数十年の大気のCO 2を生物が光合成したものであり、トータルでCO 2フリー
●安定した出力が得られる¥8.8〜17.3（陸上）¥9.2〜11.6

Geothermal

Biomass※1：メリット、デメリットは、CELでの整理

Lectures on Energy

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CEL July 2013

※2：発電コストは、
エネルギー・環境会議「コスト等検証委員会報告書（2011年12月19日）」
より

Number06¥17.4〜32.2（木質専焼）

Chart 1 日本の電力供給システム発電された電力が家庭に届くまで発電

Electric Power Supply System

送電

おもな発電の方式には、水力、火力、原子力発電がある

電気は、供給時の電圧が高い順に、各需要家へと届けられる

燃料

特別高圧

高圧

低圧

石炭
LNG

石油

大工場
大工場
中工場

Plant

Plant

154,000V〜66,000V

22,000V

小工場

集合住宅
FactoryWorkshop

6,600V

200V

火力発電所

5,00

Apartment

0V
V

27

住宅

100V
/200

燃料

154,000V

275,000V

66,000V

ウラン
一次変電所

送電ネットワーク

154,000V〜66,000V

中間変電所

6,600V

100V/200V

配電用変電所

柱上変圧器

6,600V

100V/200V

House

10

超高圧変電所

22,000V/20V

原子力発電所

00
V

27

5,00

0V

22,000V

Power Grid

水力発電所
水力発電所

三大発電
The Three Major Power Systems

火力、原子力、水力による発電量の合計が総発電量のほぼ 95 ％以上を占めるため、これらは「三大発電」と総称されている。太陽光、地熱、風力などの再生可能エネルギーによる発電は、2011 年度段階で、まだ総発電量の 1.4％しかない。

発電所を出て、末端の配電用変電所までの過程を「送電」、配電用変電所から需要家までの過程を「配電」という。超高圧変電所から、配電用変電所、最後は柱上変圧器（いわゆる電信柱）まで、徐々に供給される電圧が下がっていく。

Apartment
集合住宅

House
Buliding
Buliding
ビルディング

Railway

住宅

ビルディング
鉄道変電所

大規模発電所で作られた電気は、さまざまな送配電設備を経て需要家に届けられる。
こうした供給システムは大規模集中型と呼ばれる
Lectures on Energy

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CEL July 2013

電線に電気を通す際に、電気抵抗によって電気エネルギーの一部が熱となって空中に放散されることを送電ロスという。発電所から需要家までの距離は長いので、送電ロスを少なくするために、発電所からはいったん電圧を高くして送電され、何カ所かの変電所を経て電圧を下げながら需要家に届けられる、という工夫がなされている。

Number06
CEL July 2013

62

所かの変電所を経て︑電圧が下げられ︑配電用変電所で一般家電気は貯蔵することができないため︑安定した電気を供給すで も 朝︑昼︑夜 で 大 き く 変 化 し︑季 節 に よ っ て も 異 な り ま す

従来型の︑需要家から遠い沿岸部に建設された大規模発電所
か ら 送 配 電 線 を 経 て 需 要 家 に 電 気 を 届 け る﹁大 規 模 集 中 型 電源﹂に対して︑需要家近辺に分散して設置した太陽光発電︑燃64

CEL July 2013

地球温暖化対策としても有効であり︑今後の導入促進が期待

ら︑﹁配電線﹂を通じて︑電柱に設置されている﹁柱上変圧器﹂

庭に電気を供給するため６６００Ｖまで下げられます︒そこか
わが国の電源構成を見てみで１００Ｖまたは２００Ｖにまで下げられ︑一般家庭に届けられています︒

ますと︑１９６３年度に火力発電の出力が水力発電を上回るためには︑変動する需要︵消費量︶に対して︑供給︵発電量︶電気の需要と供給のバランス

原子力︑ＬＮＧが石油代替電源として積極的に開発され︑電源量が確保できなかったためです︒通常︑故障による停止や景気電力会社は︑周波数の偏差が０・１〜０・３㎐以下になるよ

発 電 所 で 作 ら れ た 電 気 は︑うにコントロールしています︒電気の使用状況は︑一日のなか需要家までさまざまな電力設︵ Chart︶2︒常に︑電気の使用状況に合わせて発電所の発電量をコントロールする必要があり︑各電力会社の﹁中央給電指令万Ｖと非常に高い電ですが︑電圧を変えることが難しく︑変圧器で簡単に電圧を変発電所から﹁送電線﹂を通じて高圧で送られた電気は︑何カ06

Numberされます︒

バランスのとれた
電源構成
り︑その後︑石炭火力から石油火力への転換が行われ︑大容量・高効率の石油火力発電が増の多様化が進められました︒その結果︑わが国の電源構成は︑を時々刻々と一致させる必要があります︒これを﹁同時同量﹂加しました︒１９７ ３ 年度の第一次オイルショックを契機に︑他国と比較して︑原子力︑化石燃料︵石炭︑石油︑ＬＮＧ︶︑水この需要と供給のバランスが崩れると︑周波数や電圧等︑電といいます︒
気の品質に影響します︒需要に対して供給が多いと︑周波数が力のバランスがとれた構成となっていました︒
一日の電源構成は︑運転特性︑経済性等を考えて︑多様な電の東日本大震災直後︑東の変化︑猛暑に備えて︑夏季のピーク需要に対して８〜 ％程所および火力発電所が停止し︑需要に対応するだけの電力供給

京電力は管内で計画停電を実施しましたが︑これも原子力発電上昇し︑少ないと下降します︒３・

源を組み合わせ︑各電源を︑﹁ピーク﹂﹁ミドル﹂﹁ベース﹂の供の東日本大震災に伴う東京電力の福島第一原子力発電給力に振り分けています︒
３・

Ｇ火力発電は︑近年コンバインドサイクル︵ガスタービンの排なると思われます︒

備を経て届けられます︒電線

東日本大震災時のように発電所所﹂が発電所に指令を出し調整しています︒
同時同量を行うため︑３・が停止した場合も想定し︑異なる周波数間も含めた︑全国規模より︑電気エネルギーの一部が熱となって空中に放散されます︒
これを送電ロスといいます︒通常︑発電所から需要家までの距の融通による︑電力安定供給体制の強化が必要とされています︒

万５０００〜

少ない電流でも送電ロスを少なく送ることが可能になります︒
そのため︑一般的には︑50圧 で 送 電 さ れ ま す︒送 電 ロ ス は︑
﹁直 流 送 電﹂の 方 が 少 な い の27えられる﹁交流送電﹂が主流となっています︒

大規模集中型から分散型へ離が長いため︑発電所から電気を高い電圧で送電することで︑

11

電気は送配電線を通じ て家庭まで届きま す

10に電気を通すと︑電気抵抗に％以上の発電効率を実現しており︑今後の火力発電の主流に40度余裕を持って供給を準備する必要があると言われています︒％ と最も多くなっています︒
ＬＮ

11熱を利用してさらに蒸気タービンを回して発電する方式︶で︑ＬＮＧ火力発電の構成比が所の事故以降︑原子力発電所の停止が相次ぎ︑２０１１年度は︑

11

Lectures on Energy

3504東日本大震災に伴う原子力発電所の停止による料電池︑コージェネレーション等の電源を﹁分散型電源﹂とい一方︑出力が不安定な太陽光発電や風力発電等が大量に電力ギー総合効率が高まります︒
系統に接続された場合︑周波数の乱れや余剰電力の発生︑配電います︒３・
計画停電や︑全国的な電力需給の逼迫から︑この分散型電源の今後︑大規模集中型と分散型の連携による︑電力の安定供給網の特定地点での電圧上昇等の問題が生じる懸念もあります︒

分散型電源は︑防災対応等の緊急時に既存の電力会社の電力流れ込み式水力・地熱それぞれの電源には、コスト構造に特徴がある。24時間、需要に応じた量を安定供給し、かつ発電コスト全体が最も安価になるように、各電源を組み合わせて運 転 パターンを決定している。

重要性が高まっています︒

石炭調整池式・貯水池式水力

石油のための技術開発や仕組みが必要となってきます︒

揚水用電力に依存しない自立型としての活用の可能性があり︑需要地と近ガス（LNG）接して設置するため送電時のエネルギー損失を低減できる利点

CEL July 201365

揚水式発電火力発電所の稼働率を向上させるため、夜間に焚き増し、水力発電の揚水発電にあて、昼のピーク時や緊急用として使う

22 24h20181614121086420

中間時間帯
ピーク時間帯
中間時間帯
オフピーク時間帯

これからの電力システム

原子力11

また︑燃料電池やガスエンジン等のコージェネレーションに

３.11東日本大震災前のイメージ図

分散型電源と大規模集中型電源とをネットワーク化し︑電力需要があります︒

24時間供給量をコントロールする工夫

よる排熱を近接した需要地で有効利用することができ︑エネル

Chart 2 時間帯別 電源のベストミックス

トグリッド﹂が注目されています︒これは︑太陽光発電や風力システムとして期待されており︑京阪奈︑北九州︑横浜︑名古トコミュニティ﹂といいます︒今後の新たなエネルギー・社会エネルギー・社会システムが導入されたコミュニティを﹁スマーのライフスタイルの変革までも幅広く含むエリア単位の次世代発電等︑出力が自然条件に左右される再生可能エネルギーを大電気は私たちの生活には不可欠なエネルギーです︒電力をはめにはエネルギー・リテラシー︵エネルギーを賢く使うための66

CEL July 2013

を効率よく︵賢く︶マネジメントするシステムである﹁スマー

量 に 導 入 し つ つ︑安 定 的 な 電 力 供 給 を 確 保 す る た め︑バ ッ ク屋等で実証試験が行われています︒

じめとするエネルギーの選択には︑供給安定性︑環境性︑経済エネルギー・リテラシー向上のためにアップ電源や大容量蓄電池等の電力系統側の対策だけではなく︑情報通信技術︵ＩＣＴ︶を用いて需要側での対策も講じ︑効率的に需給バランスをとり︑電力の安定供給を実現する電力送配
さらに電力に加えて︑熱も併せたトータルのエネルギーをＩ性︑持続可能性等を考慮した合理的な判断が必要です︒そのた
基礎知識︶を身につけることと︑継続的なリテラシーの向上が06

NumberLectures on Energy

電網のことです︒

ネ ッ ト ワ ー ク ﹂と い い ま す︒再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー と 合 わ せ て

ＣＴを 用 い て 制 御 す る ネ ッ ト ワ ー ク を﹁ス マ ー ト エ ネ ル ギ ーコージェネレーションを地域全体で制御して︑発電の際に発生重 要 と な っ て き ま す︒こ の エ ネ ル ギ ー 講 座 が 読 者 の エ ネ ル

小笠原 潤一

電気事業の新しい姿が決まっていくことになります︒

電 力 会 社 や さ ま ざ ま な 関 連 サ ー ビ ス の 選 択 に よ り︑ビスなど︑新しい動きも見られます︒今後は皆さんの︑スマートグリッドや分散型電源︑省エネルギー・サー

０１６年度から開始予定︶を行うことになりました︒

離と全面自由化︵家庭も電力会社を自由に選択する制度で︑２が︑今回はより一歩踏み込んで電力会社の送配電部門の法的分らにこれまで大口需要家を中心に自由化が進められてきました

れ︑メガソーラーなどの太陽光発電の設置が進んでいます︒さ７月から再生可能エネルギー発電の固定価格買取制度が開始さ㈶日本エネルギー経済研究所
電力・石炭ユニット
電力グループマネージャー
研究主幹

ギー・リテラシーの向上に貢献できるものと確信しています︒

する排熱を電力と共に地域ネットワーク内で活用・最適化するげが行われる予定になっています︒また２０ １２年

北電力︑四国電力そして北海道電力でも同様に値上よび九州電力の電気料金値上げが行われ︑さらに東石燃料の購入費用が増加し︑東京電力︑関西電力お電が求められるようになるとともに︑電力会社の化んどの原子力発電所の停止が続いていることで夏場・冬場の節その位置づけの見直しも検討されています︒これに伴い︑ほとてきた原子力発電の安全性への懸念から︑安全審査を中心に︑立っています︒これまで電力供給において重要な役割を果たし電気事業は︑福島第一原子力発電所事故以降︑大きな岐路に岐路に立つ電気事業

Column

さらに︑電力と熱に加えて︑地域の交通システムや水︑市民能エネルギーの出力変動を平滑化する効果も期待できます︒

ものです︒また︑コージェネレーションの運用により︑再生可Ogasawara Jyunichi