TANOKAGA! ~たのしい科学~

教科書では語られない科学ネタの紹介・解説を中心とした、学生向けのブログ

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ここは、私が「気になった科学ネタ」「自作した動画教材」などを紹介するブログです。

教科書には詳しく載っていない事柄で、かつ授業で使えるかもしれないネタを中心に記事にしようと思います。 視聴覚素材の利用や、わかりやすい解説で、中学生や高校生が理解できる記事を書いていきたいです。
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electriclight.jpg

火力発電の仕組みは単純で、まず化石燃料を燃やして、その際に発生する熱で水を沸かして、その水蒸気でタービンを回して、電磁誘導で発電します。
運動エネルギーを電気エネルギー変換するという意味では、火力発電,原子力発電,水力発電,風力発電は最終的にはすべて同じしくみで発電していることになります。

さて、この火力発電所のエネルギー変換効率は、日本全国の平均でおよそ40%です。
エネルギー変換効率とは、エネルギー形態(エネルギーの種類)が変わっていく過程で、どれくらいのエネルギーが残り、有効に利用できるかを示した割合のこと。
例えば、とある燃料が持つ化学エネルギーが10000であるとして、その燃料を燃やして得られた電気エネルギーが2000だったとするなら、そのエネルギー変換効率は20%であるという。

エネルギーが、その形態(種類)を自在に変化させることができるというのは、中学の理科で勉強するところ。
しかしほとんどの場合、エネルギーを全量思い通りに変換させることは不可能で、実際は変換の際に一部のエネルギーが外に逃げて行ってしまいます。(多くの場合、熱エネルギーの形態で逃げていく。電化製品を動かすと意味もなく発熱するのはこのせい。)

前述の発電で言うなら、発電設備から熱エネルギーが漏れていってしまったり、送電線の電気抵抗によっても熱エネルギーが逃げて行ってしまいます。
エネルギーというものは、エネルギー保存の法則によって総量は変化しないので、熱エネルギーとして逃げていった分、私たちの手元に届く電気エネルギーは減ってしまいます。

つまりエネルギー変換効率が高い発電所は、エネルギーの損失(ロス)が少ないので、より多くのエネルギーを活用できるということになりますね!
しかし前述のように、火力発電所のエネルギー変換効率は40%・・・つまり使用した燃料の半分以上のエネルギーが無駄に捨てられているわけです。
限りある資源を有効に利用するために、高効率な発電方法の開発は世界的な課題となっています。

その中で出てきた新型発電・コンバインドサイクル発電が今回のテーマ。
驚きのエネルギー変換効率&解説は以下から。
コンバインドサイクルという名前は聞いたことがないかも知れませんが、言い換えるならば「最新型天然ガス(LNG)火力発電」です。
え? 火力発電なの? と思ったかも知れません。ええ、確かに、コンバインドサイクル発電の中身は、天然ガスを燃料とした火力発電です。
しかしそのエネルギー変換効率は、従来の火力発電を亡き者にするかのような、最大60%!
なぜ火力発電のくせにこんなに効率が高いのでしょうか。

ポイントは、「無駄に捨てられる熱エネルギーも再利用する」ことです。

エネルギーを変換する際に熱エネルギーが逃げてしまうのはどうしようもないこと。だったらその熱エネルギーを再利用して、それも発電に使えないか、という考え方です。

具体的な仕組みは、まず、燃料の天然ガスを燃やして、その爆発ガスでガスタービンエンジンを回転させます。ガスタービンエンジンとは、航空機のジェットエンジンと同じものと考えて良いです。つまり乗り物用の強力なエンジンを回して、その回転運動で発電します。水蒸気でタービンを回す通常の火力発電と比べると、出だしがまず違いますね。
しかしコンバインドサイクル発電の神髄はここからです。ガスタービンエンジンから出た排ガスはまだ高温です。この高温のガスで水を沸かします。そしてその水蒸気で今度はタービンを回して、更に発電するのです。

つまり、一つの燃料から二回発電することで、より多くの電気を作り出す=エネルギー変換効率を高めるのです!

このように、本来は捨てられる熱エネルギーを再利用することは、燃料やエネルギーの無駄を省く、最もポピュラーな方法と言えるでしょう。
仕組みこそ違いますが、コージェネレーション(一つの燃料から電気と熱の二つのエネルギーを取り出す装置)というものもあり、これも捨てられる熱を再利用した装置です。

東京電力の川崎火力発電所は、コンバインドサイクル発電方式を取り入れた最新鋭の火力発電所の一つです。

既存の火力発電所がこのようなコンバインドサイクル発電所に建て替わっていけば、火力発電のエネルギー変換効率がぐんと上昇するかも知れませんね。
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