理科

エネルギーと科学（ 3 ）さまざまな発電方法

資源の埋蔵地域が中東にかたよっている

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

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

資本費

30

燃料費 13.7

12.3

1060

58.9

57.9

16.9

40

10.1〜 11.0

19.8

20
LNG

火力
設備利用率 70％
稼働年数

発電時に二酸化炭素を排出しない

石炭火力

石油 原子力 一般 小水力 風力 地熱 太陽光 太陽光
火力（メガソーラー）（住宅）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

※1
※2

火力

原子力※1

水力

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

風力2010年までの原子力の利用率は、70％程度

大規模
太陽光

12.0
家庭用
太陽光※2

地熱

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

トピックス（天然ガスを冷却して液体にしたもの）
発電燃料燃焼474

合が低すぎるので、これを 3〜5% 程度になるよう濃200
794312398

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

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）1cm※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。

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。

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

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

太陽光発電は、光を受けると電気エネルギーを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➡

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

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

・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

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）

安定供給

・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

関連する
ページ

○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。

各発電方法にはそれぞれ特徴がある。エネルギー資源に乏しい日本では、資源を確保しつつ、環境負荷をできるだけ抑え、経済的、長期的に安定供給できる発電方法の組み合わせが求められている。
火力発電

原子力発電

燃料に天然ガス、石炭、石油を利用。
火力発電の燃料は燃焼と同時に全量が燃え尽き、絶えず補給が必要であるために大量の燃料が必要である。

燃料にウランを利用。ウラン燃料は、化石燃料にくらべるとエネルギー密度が極めて大きいため、少ない量の燃料で大きなエネルギーを得ることができる。

燃料の増減により出力の調節が容易であるため、電気がたくさん使われる時間帯、あまり使われない時間帯で発電量を調節することができる。

原子炉の安全確保、燃料の健全性確保や温度の急激な変化を伴う運転制限をしているため、一定の出力で運転を続ける必要がある。

蒸気の温度・圧力を高くすることによって、発電効率を高めることができる。従来型の火力発電の発電効率は 40 〜50％、最新型では約 60％である。

原子炉冷却水（蒸気）の最高温度を制限しているため、発電効率は約 35％と火力発電にくらべて低い。

炭素を多く含む化石燃料の燃焼によって、二酸化炭素が排出される（燃料によって排出係数は異なる）。燃料によっては硫黄酸化物や窒素酸化物や煤じんを発生するため、除去する必要がある。

使用済燃料などから放射性廃棄物が発生するため、それらを安全に取扱い、また処理・処分する必要がある。

燃料を海外からの輸入に頼っているため、燃料の安定確保の取り組みが必要である。とりわけ石油は地政学的リスクの高い中東地域への依存度が高い。

東京電力福島第一原子力発電所の事故の教訓を踏まえ、一層の安全対策の高度化が課題である。また、使用済み燃料。の最終処分問題の進展も課題である（59ページ参照）（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）」

発電効率・設備利用率➡発電方法は、電磁誘導による発電機を使う方法と半導体などの電池を使う方法に大きく分けることができる。
➡火力発電で使われている燃料は、石炭、石油、天然ガスなどで、いずれも化石燃料である。
➡原子力発電の燃料はウランである。
➡それぞれの発電方法で、二酸化炭素排出量は異なる。
➡水力発電、風力発電、地熱発電、太陽光発電は、有限なエネルギー資源を必要としない。
➡揚水式水力発電は蓄電池と同じ働きをする。

出力の調整➡主な発電方法のしくみと長所・短所を知り、共通点、相違点を考える。

学習の➡それぞれの発電方法はどのようなエネルギー変換をして電気を作っているのか考える。
ねらい ➡それぞれの発電方法はエネルギー源によって環境負荷が異なることを理解する。

学習のポイント・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

ペレット

11
水力41
太陽光電極
（−）

◆各発電方法の特徴

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

376

石炭
火力

〈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

39

ラン 235 が 0.7% の割合でふくまれている。天然ウ

599695

電気エネルギーる。天然のウラン鉱石にはウラン 238 が 99.3% とウ

設備・運用

864

08.42.40経済性

738

400

➡

風『風力発電のしくみ－中学』
NHK for School

資源が枯渇することのない国産エネルギーであるするように制御されています。

環境保全

LNG：液化天然ガス

600

運動エネルギー・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

943

800

経済性

電源

0

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

80

・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に電気として貯まっているのでしょうか？

動画へ GO !

課題

運転維持費

29.4

23.3〜
27.1

追加的安全 事故リスク
対策費
対応費●設備利用率（2013年度）（％）➡

電気エネルギー

発電機

環境負荷

20

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

30.6〜
43.4
CO2対策費40

熱エネルギー

安定供給●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●発電方式別発電単価（2014年モデルプラント）

➡

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

コラム➡

接、電気エネルギーに変換して発電する。

・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

原子力発電（単位：g-CO2 /kWh）

1000（円／kWh）

燃料

核エネルギーがよいことから、洋上風力発電が注目されている。

科 ❸ エネルギーと科学●原子力発電の特徴

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

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）：原子炉の中の水られた高温・高圧の熱水を原子炉の減少していることや陸上とくらべ洋上の方が風況

理・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

水

高温水

外にある蒸気発生器に送り、熱水と電気エネルギー

風可変ピッチ科 ❸ エネルギーと科学

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）

発電機
蒸気発生器

ブレード
増速機

理

石油

石炭制御棒

蒸気類がある。

別の水を用いて蒸気を発生させる。

火力発電

➡

・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

安定供給

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。

電流

電気エネルギー

運動エネルギー

還元井へ

➡

➡

還元井

運動エネルギー

位置エネルギー

3,000m の深さ︶

38 ●火力発電の特徴➡

熱エネルギーろ原子炉（PWR）

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。

電気エネルギー

地熱貯留層

太陽光発電のしくみ

水を流して発電する

冷却塔

復水器
空気
冷却水

マグマ溜まり電気エネルギー

発電機（モーター）

揚水式発電機理 科 ❸ エネルギーと科学

冷却水
（海水）

煙脱硝装置、電気式集じん装置を設置し、➡

加圧水型（軽水）を使っていることが特徴で、放水路

化物、ばいじんなどは、排煙脱硫装置、排化学エネルギー

水制御棒「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

電気

せいぎょ

炉は減速材と冷却材にふつうの水発電機⬅

発電機

温水を回して発電する。最近は、陸上における適地が発電所

一般水力
タービン

復水器

ビンを回して発電する。

水運動エネルギー➡

タービン

自然に吹く風の力を利用し、ブレード（羽根）運動エネルギー

電気が足りない時（発電中）

電気を使って水をくみ上げる

運動エネルギー

風力発電のしくみ

水力発電

タービン

加圧器

で高温高圧の蒸気を作り、ター原子炉

イプの原子炉が使われている。軽水
蒸気

燃料

燃料タンク

（石炭・石油・天然ガスなど）

復水器

理 科 ❸ エネルギーと科学

石炭、石油、天然ガスなどの⬅

電気の流れ

給水口

モーター
（発電機）

蒸気
燃料ろ

日本では「軽水炉」とよばれるタ

脱臭装置

調整池

発電所

蒸気ろを回して発電する。

タービン

排煙

だっしゅう

脱硫装置

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

電気の流れ

➡

蒸気生産井

排煙

だつりゅう

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●水力発電の特徴する熱で蒸気を作り、タービン

蒸気

ボイラー

安定供給

位置
エネルギー

原子炉
（BWR）

原子力発電のしくみ
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。

化石燃料を燃やして得られる熱調整池

電気があまっている時（揚水中）電）なども開発されている。

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。

◎その他の教科：・技術分野…エネルギー変換の技術

沸騰水型

火力発電のしくみ

揚水式水力発電のしくみ

給水口

水などの熱水を利用した発電方法（バイナリー発

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『風力発電のしくみ−中学』
NHK for School

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・化学的水︵1,000〜

動画へ GO !

◆発電のしくみ水車『発電のしくみ（火力発電と原子力発電）』九州電力

水水水車を回して発電する。

科 ❸ エネルギーと科学科 ❸ エネルギーと科学

動画へ GO !

（ 3 ）さまざまな発電方法の蒸気でタービンを回して発電する。また、温泉川

ら低いところへ流れる水の力で◎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）

マグマの熱を受けた熱水・蒸気を取り出し、そダムれを利用し、水が高いところか

気水分離器

地熱発電のしくみ

発電機

ダムなどにためた水や川の流40エネルギーと科学〈流れこみ式〉〈ダム式〉

水車『発電のしくみ（火力発電と原子力発電）』九州電力

技 術 分 野 …エネルギー変換の技術

科

エネルギーと科学
発電機

理

38

理

科

水力発電のしくみ理

その他の教科理

熱水科

動画へ GO !

蒸気と熱水

理・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）

39

理

科

エネルギーと科学

水力発電
電源

比較的短期間に再生が可能で、資源が枯渇する恐れのない再生可能エネル
ギーである。

余剰電力を使用してくみ上げた水の流れを利用。
※河川を流れる水もあわせて利用する混合揚水式水力発電もある。

地熱発電
マグマの熱を利用。

◆中小水力発電バイオマス（生物起源）エネルギーとは、動植物

日本は地形が急峻で、また雨量に富んでいるため、落差と流量に恵まれている。水力発電は重要な純国源として利用可能なものをいう。特に植物由来のバ産エネルギーとして利用が進められてきた。近年はマグマの熱は天候・昼夜の区別なく利用することができるので、24 時間発電することができる。

イオマスはその生育過程で大気中の二酸化炭素を吸「中小水力発電」の建設が活発化している。

収しながら成長するため、これらを燃焼させたとし中小水力は出力が概ね10,000kW 〜30,000kWても追加的な二酸化炭素は排出されないことから、以下の発電設備をいう。河川の流水を利用する以外熱源が主に国立公園特別保護地区・特別地域内にあり、場所の確保が難しい。
地下熱源調査から運転開始まで 9 〜

利用方法は直接燃焼のほか、エタノール発酵などのされている。

生物化学的変換、炭化などの熱化学的変換による燃料化などがある。
バイオマスの分類
木質系

農業･畜産･水産系

建築廃材系

林地残材
製材廃材

（稲わら、トウモロコシ残さ、もみ殻、麦わら、バガス）

農業残さ

建築廃材

家畜排泄物
（鶏ふん）

13 年掛かる。

食品産業系

生活系

湿潤系

食品加工廃棄物
水産加工残さ

下水汚泥
し尿
厨芥ごみ

家畜排泄物
牛豚ふん尿

◆海洋エネルギーとは海に囲まれている日本は海洋エネルギーが豊富で太陽光発電
比較的短期間に再生が可能で、資源が枯渇する恐れのない再生可能エネルギーである。

比較的短期間に再生が可能で、資源が枯渇する恐れのない再生可能エネルギーである。

物理的変換

熱化学的変換（乾燥系）

生物化学的変換（含水系）
エタノール発酵

好気性発酵

嫌気性発酵

熱分解

ガス化

○潮流発電：潮流や海流の運動エネルギーを利用し肥料

メタン・水素

液体燃料

合成ガス化

天候や日照条件などにより出力が不安定であるため、大量に導入されると電力系統のコントロールに影響を与えることが懸念されている。そのため、蓄電池との組み合わせなどによる出力安定化などの対応が求められている。また、風力発電は、適地が限られているため大量導入には、新たな送電線の設置が必要である。

ンを回す発電方法

バイオマス

電気・熱

天候や日照条件などにより出力が不安定であるため、大量に導入されると電力系統のコントロールに影響を与えることが懸念されている。そのため、蓄電池との組み合わせなどによる出力安定化などの対応が求められている。

○波力発電：波の運動エネルギーを利用してタービ

主なエネルギー利用形態

まき︑ペレット︑ＲＤＦ等

課題

モーター音やブレードの風切り音により、騒音・低周波震動が発生し、健康被害を訴える人もいる。また、バードストライク（鳥が衝突する事故）も問題になっている。

る。

産業食用油

（出所）資源エネルギー庁「新エネルギー導入ガイド企業のためのAtoZ バイオマス導入」

直接燃焼

環境負荷

太陽光モジュールの中にはカドミウムやセレンなど有害物質が含まれている製品もあるため、廃棄時には適正な処理が必要である。

要としない再生可能エネルギーとして期待されてい東京大学生産技術研究所

発電効率・設備利用率

昼間でも曇天時は晴天時の半分以下の発電しかできないため、 風力発電は風の運動エネルギーの最大 30 〜 40 ％程度を電事業用太陽光発電の年間平均設備利用率は約 14％である。
気エネルギーに変換できる。日本における平均的な設備利用率は陸上で約 20％である（洋上は 30％程度が見込まれる）。

糖、でんぷん、甘藷、菜種、パーム油（やし）写真協力

風がないと発電できない。また、風の向きや強さで発電量が変化するため、発電量の変動が大きく、需要に応じた調節もできない。

黒液、廃材、セルロース（古紙）

久慈波力発電所︵岩手県久慈市︶

出力の調整

夜間に発電できない。また、太陽光の強さによって発電量が変化するため、発電量の変動が大きく、需要に応じた調節ができない。

風の力を利用。

その他

電源

太陽の光を利用。

ある。現在はいずれも実証試験段階だが、燃料を必

製紙工場系

風力発電

※RDF：Refuse Derived Fuelの略で、廃棄物（ごみ）から生成された固形燃料（出所）資源エネルギー庁「新エネルギー導入ガイド企業のためのAtoZ バイオマス導入」

タービンを回す発電方法○温度差発電：表層の温かい海水（表層水）と深海の冷たい海水（深層水）との温度差を利用する発電方法

科 ❸ エネルギーと科学

揚水発電は原子力発電のバックアップとして開発され夜間の余剰電力で揚水をおこなっていた。近年は太陽光発電による余剰電力で昼間に水をくみ上げているが、発電量以上に揚水に電力を消費するためロスが多く、利用には工夫が要る。

できる地点が多く残されており、今後も開発が期待理

大規模な水力発電に適した地点はほとんど開発済であり、環境保護の観点からも、新たな開発は難しい。
近年は既にあるダムを利用したり、川の流れをそのまま利用したりする小中水力発電の開発が進められている。

形態などから、廃棄物系と未利用系に大別される。

有田川町役場

地熱の蒸気中には、有毒な火山性ガスが含まれているため、大気排出に際して、しっかりと拡散する必要がある。

すでに開発ずみの大規模水力に比べて、まだ開発写真協力

ダムや発電所を建設する際に周囲の自然環境を破壊する恐れがある。また、ダムで水を堰き止めることにより、生態系に影響を及ぼすこともある。

バイオマスエネルギーは原料の性状や取り扱いの乾燥系

課題

ダムや発電所を建設する際に周囲の自然環境を破壊する恐れがある。また、ダムで水を堰き止めることにより、生態系に影響を及ぼすこともある。

「カーボンニュートラル」なエネルギーとされている。 にも、農業用水や上下水道を利用する場合もある。

有田川町営二川小水力発電所︵和歌山県有田郡︶

一年を通じて一定量を発電できるため、水力の発電効率は 80 〜 90％であるが、 水をくみ上げるために利用した電力の渇水期などの関係で、年間平均設備利7 割くらいしか発電することができな 設備利用率が約 83 ％と高いが、蒸気用率は 40 〜 50％になる。
いため約 3 割のエネルギーロスがある。 の圧力、温度が火力発電より低いため、蒸気量に対する発電量は低い。

環境負荷科 ❸ エネルギーと科学

発電効率・設備利用率に由来する有機物 ( 化石資源を除く）で、エネルギー貯水池に水がたまっている限り、必要なときにすぐに発電できる。
水路の弁を開放すれば数分で安定した全出力の発電状態になる。

必要なときにすぐに発電できる。水路の弁を開放すれば数分で安定した全出力の発電状態になる。ただし長時間の供給はできない。

◆バイオマスエネルギーとは比較的短期間に再生が可能で、資源が枯渇する恐れのない再生可能エネルギーである。

出力の調整

理

40

河川の水の流れを利用。

揚水式水力発電41