理科

エネルギーと科学

動画へ GO !

（ 3 ）さまざまな発電方法『発電のしくみ（火力発電と原子力発電）
』九州電力

◎理 科：
・電流とその利用（電流、電流と磁界）・化学変化とイオン（化学変化と電池）
・運動とエネルギー（力学的エネルギー）
・科学技術と人間（エネルギーと物質、自然環境の保全と科学技術の利用）◆発電のしくみ沸騰水型

火力発電のしくみ

排煙（軽水）を使っていることが特徴で、「沸騰水型」と「加圧水型」の 2 種

燃焼により発生する硫黄酸化物、窒素酸

放水路

化物、ばいじんなどは、排煙脱硫装置、排冷却水（海水）

煙脱硝装置、電気式集じん装置を設置し、化学エネルギー➡

➡

熱エネルギー

運動エネルギー➡

電気エネルギー

石油

石炭

主成分は炭素（C）、ほかに酸素、水素、微量の硫黄、窒素を含む

天然ガス
（LNG）

・主成分は炭化水素（CH2）、ほかに少量の硫黄、主成分はメタン（CH4）、ほかにエタン、酸素、窒素などさまざまな物質を含む
プロパン、ブタンなどを含む
・発電燃料となる重油は炭素数が多い

資源の埋蔵地域が中東にかたよっている

二酸化炭素の排出量は天然ガスよりは多い
が石炭より少ない

火力発電の中では二酸化炭素排出量が比較的少ない

経済性

他の化石燃料にくらべ安い

・石油価格の変動が大きい
・他の化石燃料にくらべ高い

石炭よりは高いが石油より安い

安全性

燃料の輸送中や保管中に燃料が流出したり、火災が発生したりしないよう適切な管理が必要である

外にある蒸気発生器に送り、熱水と●原子力発電の特徴

30.6〜
43.4
CO2対策費40
資本費30201012.3（％）

80

60

58.9

57.9

16.9

40

10.1〜 11.0

19.8

200

LNG

火力設備利用率 70％
稼働年数

設備利用率：発電所が 1 年間フルパワーで運転したと仮定したときに得られる電力量に対し、実際に発電した電力量の割合

24.2

21.6

政策経費

燃料費 13.7

29.4

23.3〜
27.1

追加的安全 事故リスク
対策費
対応費
運転維持費

発電単価：資本費＋運転維持費＋燃料費＋社会的費用の合計を発電電力量で割った金額●設備利用率（2013年度）

経済性

少ない量の燃料で大きなエネルギーを得られるため、発電コストが安い

安全性・放射性物質を扱うため、徹底した安全確保、厳重な放射線管理が必要である
・放射性廃棄物の適切な処理・処分が必要である

石炭 石油 原子力 一般 小水力 風力 地熱 太陽光 太陽光（メガソーラー）（住宅）
火力 火力
水力
（陸上）
70％ 30・10％ 70％ 45％ 60％ 20％ 83％ 14％ 12％

40年 40年 40年 40年 40年 40年 20年 40年 20年 20年（出所）総合資源エネルギー調査会 基本政策分科会 長期エネルギー需給見通し小委員会を基に作成
発電コスト検証ワーキンググループ報告（平成27年5月）

21.9
8.4

2.40※1
※2

火力

原子力※1

水力

風力大規模太陽光

家庭用太陽光※2

地熱

2010年までの原子力の利用率は、70％程度
家庭用太陽光の設備利用率は総合資源エネルギー調査会発電コスト検証ワーキンググループ調べ（2014年） （出所）「電気事業便覧（平成26年度）」を基に作成

発電燃料燃焼合が低すぎるので、これを 3〜5% 程度になるよう濃376
200

石炭火力

98

原子力発電の燃料はウラン鉱石を加工したものであ度を高めている（これを「ウランの濃縮」という）。

476

123

ウラン燃料とは？

ランのままでは原子力の燃料としてウラン 235 の割

47443

電気エネルギーラン 235 が 0.7% の割合でふくまれている。天然ウ

599

79

➡

る。天然のウラン鉱石にはウラン 238 が 99.3% とウ

設備・運用

864

012.0

トピックス

（天然ガスを冷却して液体にしたもの）

695

運動エネルギー

発電時に二酸化炭素を排出しない

LNG：液化天然ガス

600

➡

環境保全

738

400

熱エネルギー

安定供給

943

800

➡

・ウラン燃料は少量で大きなエネルギーを得られるので、頻繁に輸入する必要がない（放射性物質であることから厳重な管理が必要）
・資源の埋蔵地域が世界に広く分布している・燃料をリサイクルできるため準国産エネルギーといえる●発電方法別の二酸化炭素排出量
1kWh 当たりの二酸化炭素排出量（円／kWh）

核エネルギー

原子力発電（単位：g-CO2 /kWh）

1000●発電方式別発電単価（2014年モデルプラント）

燃料られた高温・高圧の熱水を原子炉の資源の埋蔵地域にかたよりが小さい

火力発電の中では二酸化炭素排出量が多い

冷却水（海水）を沸騰させ、蒸気を発生させる。

発電時に二酸化炭素を排出する

環境保全

水
放水路

沸騰水型（BWR）：原子炉の中の水エネルギー資源の量に限りがある
資源の埋蔵地域が世界に広く分布している水

高温水

別の水を用いて蒸気を発生させる。

火力発電

制御棒類がある。

加圧水型（PWR）：原子炉の中で作大気中への排出量を低減させている。

38 ●火力発電の特徴

ろ原子炉（PWR）

3820（PWR）
26 19（BWR）13

石油 LNG＊ LNG＊ 太陽光 風力 原子力 地熱
火力 火力 火力（複合）

ペレット

111cm

水力※発電燃料の燃焼に加え、原料の採掘から発電設備等の建設・燃料輸送などに消費される全てのエネルギーを対象として二酸化炭素排出量を算出。
※原子力については、1 回だけのリサイクルを前提として、高レベル放射性廃棄物処分・発電所設備廃棄・廃炉などを含めて二酸化炭素排出量を算出。
（出所）電力中央研究所「日本の発電技術のライフサイクル CO2 排出量評価（2016 年 7 月）」

ウラン235（3〜5％）1cm

ウラン238（95〜97％）

ペレット 1 個で BWR

では 1 家庭の約 8 か月分、PWR では 6 〜7か月分の電気を作ることができる。

科 ❸ エネルギーと科学

炉は減速材と冷却材にふつうの水

発電機

発電機
蒸気発生器

理

で高温高圧の蒸気を作り、ター加圧水型

復水器

水（石炭・石油・天然ガスなど）発電機

制御棒

イプの原子炉が使われている。軽水
蒸気

燃料

燃料タンク

水せいぎょ

日本では「軽水炉」とよばれるタ脱臭装置

復水器

科 ❸ エネルギーと科学

化石燃料を燃やして得られる熱タービン

加圧器

理石炭、石油、天然ガスなどのビンを回して発電する。

だっしゅう

脱硫装置

タービンを回して発電する。

タービン

排煙

だつりゅう

原子炉

する熱で蒸気を作り、タービン

蒸気

ボイラー

蒸気
燃料

ろ

ウランが核分裂した時に発生性質を応用した太陽電池や燃料電池を使う方法がある。

蒸気ろ

原子炉
（BWR）

原子力発電のしくみ

電気を作るしくみには、電磁誘導の原理を応用した発電機を使う方法と、半導体などの物理・化学的安定供給◎その他の教科：・技術分野…エネルギー変換の技術

39

理科

エネルギーと科学〈流れこみ式〉

マグマの熱を受けた熱水・蒸気を取り出し、そダム

熱エネルギー位置
運動
電気エネルギー ➡ エネルギー ➡ エネルギー

上の池へ水をくみ上げる。逆に発電量より使用量が多く見込まれる電気があまっている時
（揚水中）

⬅

⬅

電気エネルギー

位置エネルギー➡

電気エネルギー●水力発電の特徴

減少していることや陸上とくらべ洋上の方が風況がよいことから、洋上風力発電が注目されている。

揚水式・資源が枯渇することのない国産エネルギーである〈ダム式〉必要なときにすぐ発電できる（ダムに貯まっている水の量によっては発電できないこともある）〈流れ込み式〉河川に流れる水をそのまま利用するので発電量を自由に変えられないが、1 日を通してほぼ一定の発電をおこなえる

・電気を水の位置エネルギーのかたちで蓄えておく「蓄電池」の働きがある
・起動・停止が短時間でできるため、電気が不足したときに、緊急に発電できる

環境保全

・発電時に二酸化炭素を排出しない・ダムを建設するときに環境を破壊する恐れがある

・発電時に二酸化炭素を排出しない・ダムを建設するときに環境を破壊する恐れがある

経済性〈ダム式〉流れ込み式に比べてダムの建設に費用がかかる〈流れ込み式〉ダムを必要としないので建設費用をおさえられる・燃料を使わないので発電コストが安い

・ダムの建設に費用がかかる・揚水時に必要な電気の量が 10 とすると、7くらいの電気しか発電できない

安全性

放水時の水難事故への注意喚起が必要である。台風や豪雨による決壊のリスクがある

コラム

電気エネルギー

動画へ GO !

風41
太陽光発生する半導体を利用した発電方式で、この半導体を太陽電池という。太陽の光のエネルギーを直光エネルギー

➡

電極（−）
反射防止膜

N型シリコン
半導体

PN接合面
P型シリコン半導体

電気エネルギー

電極（＋）●再生可能エネルギーの特徴
地熱発電

風力発電

太陽光発電

資源が枯渇することのない国産エネルギーである

電気は貯められる？

家に届くガスや水道は、それぞれガス会社のタンクや浄水場にそのままの形で貯まっています。では、電気はどこかに電気として貯まっているのでしょうか？

発電機『風力発電のしくみ－中学』
NHK for School

太陽光発電は、光を受けると電気エネルギーを水力発電

安定供給

➡

接、電気エネルギーに変換して発電する。
一般水力

風
可変ピッチ

太陽光発電のしくみ

水を流して発電する➡

増速機を回して発電する。最近は、陸上における適地が発電所

運動
エネルギー

ブレード

自然に吹く風の力を利用し、ブレード（羽根）発電機（モーター）

電気が足りない時（発電中）

電気を使って水をくみ上げる

増速機…ゆっくりとしたブレードの回転を発電機が必要とする回転速度に高める役割をする。

風力発電のしくみ

運動エネルギー

給水口

発電所

運動エネルギー

電気の流れ

マグマ溜まり電気エネルギー

電流

位置エネルギー

調整池

モーター（発電機）➡

電気は少量であれば電池などに貯められますが、電気の形で貯まっていま

安定供給

・火山のおおい日本には豊富な熱資源がある
・昼夜を通して発電でき、天候にも左右されない

・風の向きや強さで発電出力が大きく変化するため、供給量が安定しない
・出力の変動に対応するため蓄電池との併用が期待されている・発電量が天候に左右されるため、供給量が安定しない
・出力の変動に対応するため蓄電池や電気自動車との併用が期待されている

発電時に二酸化炭素を排出しない

環境保全

高温の地熱を得られる場所が国立・国定公園内や、温泉地の周辺などに多く、景観を損なわないよう配慮が必要である

・騒音や低周波振動が発生する
・風車のブレードに鳥が巻きこまれてしまうことがある

太陽光パネルの反射光が周辺環境に影響をあたえる場合がある

経済性

建設計画から運転開始まで時間がかかる

たくさん発電するためには多くの風車を建てる土地が必要である

たくさん発電するためには広大な面積が必
要である

安全性

蒸気の中には火山性ガス（硫化水素など）が含まれるので、周辺環境への影響を及ぼさないよう対策が必要である。

自然災害によって発電設備がこわれ周辺地域へ被害を及ぼさないよう保守点検が必要である

自然災害によって発電パネルがこわれ周辺地域へ被害を及ぼさないよう保守点検が必要である（58 ページ参照）

せん。化学物質や高低差などの別のエネルギーとして貯めていて、電気に戻して利用しています。このため電気は消費者が使う分だけ発電されています（同時同量と呼びます）。誰かが電気のスイッチを入れた瞬間、その分だけ多く発電するように制御されています。

関連する
ページ

科 ❸ エネルギーと科学科 ❸ エネルギーと科学発電量が使用量を大きく上回ったとき、下の池から電気を使って電気の流れ運動エネルギー

位置
運動
電気エネルギー ➡ エネルギー ➡ エネルギー

とき、上の池から下の池へ水を流して発電する。
調整池

➡

地熱貯留層

理

理

40

揚水式水力発電のしくみ

給水口電）なども開発されている。

冷却塔

還元井へ水車を回して発電する。

水などの熱水を利用した発電方法（バイナリー発発電機

復水器
空気
冷却水

還元井

ら低いところへ流れる水の力で水3,000m の深さ︶

水
水

水車

水車

れを利用し、水が高いところかタービン

温水生産井の蒸気でタービンを回して発電する。また、温泉川︵1,000〜ダムなどにためた水や川の流蒸気
熱水

水力発電のしくみ

気水分離器

地熱発電のしくみ

発電機

発電機

蒸気と熱水

〈ダム式〉

○持続可能な社会をめざして･･･････････････････････････ P.11
○地球環境問題への取り組み････････････････････ P.18 〜 19
○未来のエネルギーミックスを考えよう ････････ P.60 〜 61

調べてみようバイオマス発電や波力発電、潮力発電などについて調べてみよう。