ディーゼル発電機

ディーゼル発電機（ディーゼルgensetとも呼ばれる、）は、電気エネルギーを生成するために、ディーゼルエンジンと発電機（多くの場合交流発電機）を組み合わせたものである。 これはエンジン発電機の特定の一例である。ディーゼルエンジンは通常、ディーゼル燃料で作動するように設計されているが、他の液体燃料や天然ガス（CNG）に適応させたタイプも存在する。

ディーゼル発電機は、電力網に接続されていない場所や、電力網が故障した際の非常用電源として使用されるほか、ピークカット（ピークロッピング）、系統サポート、電力網への送電（売電）などのより複雑な用途にも使用される。

低負荷運転や電力不足を最小限に抑えるためには、ディーゼル発電機のサイズ選定が極めて重要である。サイズ選定は、現代の電子機器の特性、特に非線形負荷によって複雑化している。出力が50 MW程度以上の場合、ガスタービンエンジンの方が、ディーゼルエンジンの集合体よりも全負荷時の効率が高く、はるかにコンパクトで、資本コストも同等である。しかし、定期的な部分負荷運転を行う場合は、この出力レベルであっても、ディーゼルエンジンの集合体の方が優れた効率を持つため、ガスタービンよりも好まれることがある。

 ディーゼル発電機セット 

ディーゼルエンジン、発電機、および様々な補助装置（ベース、キャノピー、防音装置、制御システム、遮断器、ウォータージャケットヒーター、始動システムなど）をパッケージ化した組み合わせは、「発電機セット」「発電機セット」または「ジェンセット（genset）」と呼ばれる。

セットのサイズは、住宅、小規模店舗、事務所向けで8〜30 kW（単相では8〜30 kVA）、オフィスビル、工場、その他の産業施設向けの大規模な産業用発電機では8 kW（11 kVA）から最大2,000 kW（三相2,500 kVA）に及ぶ。2,000 kWのセットは、燃料タンク、制御装置、配電設備、および独立した発電所や系統電力の待機用バックアップとして作動するために必要なすべての設備とともに、40フィートのISOコンテナに収めることができる。これらのユニットはパワーモジュールと呼ばれ、重量が以上の大型3軸トレーラーに載せられたジェンセットである。

これらのモジュールを組み合わせることで小規模な発電所が構成される（1セクションあたり1〜20ユニットが使用される）。これらのセクションを組み合わせて、数百のパワーモジュールを構成することも可能である。これほど大規模な場合、パワーモジュール（エンジンと発電機）は別々にトレーラーで現場に持ち込まれ、大型ケーブルと制御ケーブルで接続され、完全に同期された発電所を形成する。
また、自動始動用や商用電源並列運転用の制御パネル、固定式または移動式の防音キャノピー、換気装置、燃料供給システム、排気システムなど、特定のニーズに合わせてカスタマイズするための多くのオプションが存在する。

ディーゼル発電機は非常用電源としてだけでなく、ピーク時や大型発電機が不足している時期に電力網に電力を供給するという二次的な機能を持つこともある。イギリスでは、このプログラムはナショナル・グリッドによって運営されており、と呼ばれている。

商船（貨物船など）でもディーゼル発電機が頻繁に採用されており、照明やファンなどの補助電力を供給するだけでなく、間接的に主推進力としても使用されることがある。電気推進を利用することで、発電機を便利な場所に配置でき、より多くの貨物を積載することが可能になる。船舶用の電気駆動装置は第一次世界大戦前に開発された。第二次世界大戦中に建造された多くの軍艦で電気駆動が指定されたのは、電気機器の製造能力に比べ、大型の減速歯車の製造能力が不足していたためである。
このようなディーゼル・エレクトリック方式の構成は、鉄道の機関車など、一部の非常に大型の陸上車両でも使用されている。

 発電機サイズ 
発電機セットは、供給対象となる、その負荷の特性（kW、kVA、var、高調波、サージ電流（例：モーター始動電流）、非線形負荷など）に基づいて選定される。また、想定される用途（非常用、主電源、常用電源など）や、環境条件（標高、気温、排ガス規制など）も考慮しなければならない。

主要な発電機セットメーカーの多くは、現場の条件と接続される電気負荷特性を入力するだけで、複雑なサイズ計算を行うソフトウェアを提供している。

 発電所 – 電気的「アイランド（独立）」モード 
電力網に接続せずに運転される1台以上のディーゼル発電機は、で運転されていると言われる。発電機を並列運転させることで冗長性が確保され、部分負荷時でも効率を向上させることができる。発電所は、その時々のシステムの需要に応じて、発電機セットをオンラインにしたりオフラインにしたりする。孤立したコミュニティの主要電源を目的としたアイランド型発電所には、通常少なくとも3台のディーゼル発電機があり、そのうちの任意の2台で必要な負荷を賄えるように定格が定められている。最大20台のグループも珍しくない。

発電機は、プロセスを通じて電気的に接続される。同期には、発電機をシステムに接続する前に、電圧、周波数、位相を一致させることが含まれる。接続前に同期に失敗すると、大きな短絡電流が発生したり、発電機やに摩耗や損傷を与えたりする可能性がある。同期プロセスは、自動同期モジュールによって自動的に行うことも、指示を受けたオペレーターが手動で行うこともできる。自動同期装置は、発電機と母線の電圧から電圧、周波数、位相のパラメータを読み取り、エンジンのガバナやECM（エンジンコントロールモジュール）を介して速度を調節する。

負荷は、負荷分担（ロードシェアリング）を通じて並列運転中の発電機間で分配される。負荷分担は、発電機の周波数によって制御されるを使用して実現でき、残りの電源との間で負荷を移動させるためにエンジンの燃料制御を絶えず調整する。燃焼システムへの燃料供給量が増えるとディーゼル発電機の負荷が増加し、燃料供給量が減ると負荷が解放される。

 主要電力網のサポート 
停電時の電源としてのよく知られた役割に加えて、ディーゼル発電機セットは、以下の2つの異なる方法で世界中の主要電力網を日常的にサポートしている。

 系統サポート 
病院や浄水場で使用されるような非常用待機ディーゼル発電機は、二次的な機能として、様々な理由からアメリカや、最近までのイギリスにおいて、それぞれの国家グリッドをサポートするために広く利用されている。イギリスでは、短期的運用予備（）として知られる入札の価格はかなり変動しており、2012年以降、入札価格の下落に伴い、主にオンサイトのディーゼル機を使用する需要側参加のボリュームは減少している。ピーク負荷が約60 GWであるナショナル・グリッドをサポートするために、時には約0.5 GWのディーゼル発電機が使用されている。これらは200 kWから2 MWの範囲のセットである。これは通常、例えば従来の大型660 MWプラントが突然停止した場合や、予期せぬ電力需要の急増により通常の待機予備力が削られた場合などに発生する。

これは双方にとって有益である。ディーゼル機はすでに他の目的で購入されているが、信頼性を維持するために全負荷試験を行う必要がある。系統との並列運転は、これを行うのに便利な方法である。この運用方法は通常、発電機の運用とシステムオペレーターとのやり取りを管理するサードパーティのアグリゲーターによって請け負われる。

これらのディーゼル機は、場合によってはわずか2分で並列運転を開始でき、サイトへの影響はない（オフィスや工場をシャットダウンする必要はない）。これは、冷温状態から12時間かかるベースロード発電所よりもはるかに早く、数分かかるガスタービンよりも早い。ディーゼル燃料は非常に高価だが、この任務で使用されるのは年間数百時間に過ぎず、その可用性によって、効率の悪いベースロード発電所を継続的に部分負荷で運転する必要性を回避できる。使用されるディーゼル燃料は、どのみち試験で使用されるはずだった燃料である。

イギリスでは、ナショナル・グリッドは、国家需要のピークが予想される時間帯に年間約10〜40時間、バックアップディーゼルによる自律的な派遣を通じて、約2 GWの顧客需要削減を期待できる。ナショナル・グリッドはこれらのディーゼル機を制御しておらず、顧客が「トライアド（triad）」と呼ばれる送電網利用料（TNUoS）を回避するために稼働させる。これは国家需要ピークの3つの30分間における各サイトの消費量に対して課されるものである。国家需要ピークの3つの30分間（トライアド期間）がいつになるかは事前にはわからないため、顧客は年間で3時間よりもかなり多くの時間、ディーゼル機を稼働させなければならない。

イギリスにおいて信頼性が高く運用可能な待機発電の総容量は約20 GWと推定されており、そのほぼすべてがディーゼルエンジン駆動である。これはイギリスのシステムピークの約29%に相当するが、同時に発電されるのはごくわずかな割合に過ぎない。ほとんどのプラントは、大規模オフィスビル、病院、スーパーマーケット、および空港などの継続的な電力が重要な各種施設のためのものである。そのため、そのほとんどは都市部、特に都市中心部や商業中心部にある。プラントの約10%が1 MWを超え、約50%が200 kW〜1 MWの範囲、残りの40%が200 kW未満であると推定されている。増加傾向にあるものの、ピークカットに定期的に使用されているのはごくわずかで、大多数は待機発電専用であると考えられている。この段落の情報は、政府報告書「Overcoming Barriers To Scheduling Embedded Generation to Support Distribution Networks」のセクション6.9をソースとしている。

イギリスでは、風力発電所などの再生可能エネルギー源からの変動する出力をバランスさせるために、ディーゼル発電機の集合体（「ディーゼルファーム」として知られる）の使用が増加している。

フランスでもイギリスのSTORと同様のシステムが運用されている。これはEJPとして知られており、グリッドが逼迫した際、特別な料金設定によって少なくとも5 GWのディーゼル発電機セットを動員できる。この場合、ディーゼルの主な機能は電力をグリッドに供給することである。

電力網と同期した通常運転時、発電所は5%ので制御される。これは、全負荷時の速度が100%で、無負荷時の速度が105%であることを意味する。これは、発電所のハンチングや脱調を防ぎ、電力網を安定して運用するために必要である。通常、速度の変化は軽微である。出力の調整は、遠心のバネ圧を上げてドループカーブをゆっくり持ち上げることで行われる。一般に、これはすべての発電所の基本的なシステム要件である。なぜなら、新旧のプラントは、外部通信に頼ることなく、周波数の瞬間的な変化に対して互換性のある応答をしなければならないからである。Speed Droop and Power Generation. Application Note 01302. 2. Woodward. Speed

 発電コスト 

 一般的な運転コスト 
電力用途において、燃料消費はディーゼルプラントの所有および運転コストの大部分を占めるが、待機用発電機においては資本コストが主な懸念事項となる。比消費量は様々だが、現代のディーゼルプラントは、最適に近い65〜70%の負荷において、1リットルあたり少なくとも3 kWh（約30%の燃料効率）を生成する。

 発電機のサイズ選定と定格 

 定格 
発電機は、予想される必要な電力を損傷なく確実に供給しなければならない。これを実現するために、メーカーは特定の発電機セットモデルに対して1つ以上の定格を設定している。非常用発電機として運転される特定のモデルは、年間数時間しか運転する必要がない場合があるが、主電源（プライム）発電機として運転される同じモデルは、継続的に運転しなければならない。運転中、非常用発電機は、予想される短い運転時間に耐えうる規定の過負荷（例：10%）で運転されることがある。同じモデルの発電機でも、連続運転用よりも非常用の方が高い定格が設定される。メーカーは、国際的に合意された定義に基づいて各セットに定格を付与する。

これらの標準的な定格定義は、メーカー間の有効な比較を可能にし、メーカーによる誤った定格設定を防ぎ、設計者を導くために設計されている。

発電機定格の定義

待機定格（Standby Rating）： 通常の電力遮断期間中の非常用電力供給に適用される。この定格において持続的な過負荷能力はない（ISO3046、AS2789、DIN6271、BS5514のFuel Stop Powerに相当）。公称定格。
一般的な用途：病院、オフィス、工場などの非常用発電設備。電力網には接続されない。

主電源定格（Prime (Unlimited Running Time) Rating）： 建設現場用電源として使用すべきではない。負荷が変動する状態で無制限の時間、出力を利用できる。一般的なピーク需要は、主電源定格ekWの100%であり、非常用として12時間のうち最大1時間は10%の過負荷能力がある。 10%の過負荷能力は限られた時間のみ利用可能である（ISO8528のPrime Power、およびISO3046、AS2789、DIN6271、BS5514のOverload Powerに相当）。この定格はすべての発電機セットモデルに適用されるわけではない。
一般的な用途：遠隔地の鉱山や建設現場、移動遊園地、フェスティバルなど、発電機が唯一の電源である場合。

常用負荷（連続）定格（Base Load (Continuous) Rating）： 無制限の時間、フル出力定格までの一定負荷に対して継続的に電力を供給する場合に適用される。この定格において持続的な過負荷能力はない。定格については正規代理店に相談すること（ISO8528、ISO3046、AS2789、DIN6271、BS5514のContinuous Powerに相当）。この定格はすべての発電機セットモデルに適用されるわけではない。
一般的な用途：不変の連続負荷で作動する発電機、または商用電源と並列運転し、年間8,760時間、許容最大レベルで継続的に電力を供給する場合。これは、年間200時間程度しか発生しないとしても、ピークカットや系統サポートに使用されるセットにも適用される。

例として、あるセットにおいて待機定格が1,000 kWであれば、主電源定格は850 kW、常用定格は800 kWとなる可能性がある。ただし、これらの定格はメーカーによって異なるため、メーカーのデータシートから取得する必要がある。

多くの場合、1つのセットにこれら3つの定格すべてが銘板に刻印されているが、待機定格のみ、あるいは主電源定格のみの場合もある。

 サイズ選定 
しかし、通常、セットのサイズを決定するのは定格そのものではなく、接続される最大負荷の大きさと許容される最大電圧降下である。セットでモーターを始動させる必要がある場合、セットの容量は、通常最初に始動させる最大のモーターの少なくとも3倍必要になる。これは、選択されたセットの定格付近で運転される可能性が低いことを意味する。

多くの発電機セットメーカーは、任意の負荷の組み合わせに対して適切なセットの選択を可能にするソフトウェアプログラムを提供している。サイズ選定は、現場の条件と、発電機セットによって電力が供給される器具、装置、デバイスの種類に基づいている。

 燃料 
ディーゼル燃料はディーゼルエンジンにちなんで命名されたものであり、その逆ではない。ディーゼルエンジンは単なる圧縮着火エンジンであり、構成や場所に応じて様々な燃料で作動できる。天然ガス網の接続が利用可能な場所では、ほとんどの停電時でも天然ガス網の圧力が維持されるため、天然ガスが頻繁に使用される。これは、吸気とともに天然ガスを導入し、点火のために少量のディーゼル燃料を使用することで実現される。100%ディーゼル燃料運転への切り替えは瞬時に行うことができる。

より田舎の状況や負荷率の低いプラントでは、原油から精製された軽油が一般的な燃料である。重油よりも凍結しにくい特性がある。運転時間はタンクのサイズによって制限される。ディーゼルエンジンは、天然ガス、アルコール、ガソリン、木炭ガスから、軽油、さらには室温ではラードのようで燃料ラインを流れるように加熱が必要な安価な残留燃料（重油）に至るまで、石油蒸留物の全範囲で作動可能である。

大型エンジン（約3 MWeから30 MWe）では、精製プロセスの最後に得られる重油（本質的にはタール）を使用することもある。燃料を流動させるために加熱し続ける必要があり、燃料の過熱による火災リスクを軽減するというわずかな複雑さが加わるため、これらの燃料は、多くの場合無人で運用される小規模な発電所では好まれない。

その他の可能な燃料には、バイオディーゼル、植物油、動物性脂肪、グリセリン、石炭スラリーなどがある。これらは注意して使用する必要がある。その組成により、エンジンを適切に調整しなければエンジンの寿命に悪影響を及ぼすためである。例えば、石炭スラリーを使用するエンジンは、高密度の燃料を瞬時に噴射できるように、より大きなインジェクターに改造されることが多い。獣脂、植物油、パラフィンワックスなどの他の高粘度燃料は、燃料を予熱して粘度を標準的な軽油の範囲まで下げれば、標準的な燃料インジェクターで使用できる。ルドルフ・ディーゼルが1900年のパリ万国博覧会のために設計・製作したエンジンは、現代のエンジンの多くが使用する石油製品ではなく、ピーナッツオイルを燃料としていた。

 参考文献 

 関連項目 

 英国送電網のコスト計算: cost per kWh of transmission
 バックアップコストの計算: :en:spark spread を参照
 気動車
 :en:Energy use and conservation in the United Kingdom
 エンジン発電機
 発電機
 :en:Head-end power
 :en:Load management
 電動発電機
 :en:Single-phase generator
 :en:Standby generator
 :en:Stationary engine
 三相交流
 :en:Wet stacking

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