火力発電とは？仕組みやメリット・デメリットやゼロエミッション化について解説

火力発電で使われる主な燃料には、「石炭」「LNG（液化天然ガス）」「石油」があります。それぞれの特徴は以下のとおりです。

日本の火力発電の中心は石炭火力発電ですが、石炭火力発電は最もCO2排出量が多く、環境への影響が課題として指摘されています。

なお、主な燃料は3種類ありますが、どの燃料も限りある資源のため、いずれは枯渇すると考えられています。

火力発電は、電気を生み出す仕組みの違いによって主に3つの種類に分けられます。

それぞれの発電方式の仕組みを紹介します。
 

汽力発電は、火力発電の最も代表的な発電方式です。ボイラーで燃料を燃やすことによって生じる蒸気のエネルギーを利用してタービンを回し、電気を生み出します。

ガスタービン発電は、蒸気のエネルギーでタービンを回す汽力発電とは違い、LNGや灯油などの燃料を燃やした時に生じる燃焼ガスでタービンを回し、電気を生み出す仕組みです。主に電力ピーク時の足りない分を補う役割を担っています。

汽力発電やガスタービン発電の弱点は、発電後の蒸気や燃焼ガスの持つ熱を有効活用できないことです。

その点、汽力発電やガスタービン発電を組み合わせた発電方式のコンバインドサイクル発電では、発電後の熱を有効活用して電力を生み出します。

例えば、ガスタービン発電の仕組みで電力を生み出した後、排ガスの熱を利用して蒸気を発生させることで、汽力発電による電気を生み出します。

このような仕組みによって、捨てられる熱を有効活用することで効率良く電力を作れることから、CO2排出の抑制も期待されています。

日本の主力の発電方法として火力発電が利用されている理由は、メリットが多いからです。火力発電の主なメリットは、以下のとおりです。

• 安定した電力供給ができる
  
• 発電量を調整しやすい
  
• 発電効率が高い

それぞれ解説します。
 

水力発電や太陽光発電、風力発電などの発電方法では自然の力を利用するため、電力供給が安定しない傾向があります。

例えば、太陽光のエネルギーを利用する太陽光発電では、天候が悪くなると生み出す電力が少なくなります。太陽光発電システム単独では電気を貯めておくことができないため、その都度発電が必要です。

その点、火力発電は、燃料を供給すれば安定して電気を生むことができるため、自然の変化に左右されづらく、再生エネルギー由来の発電方法より安定した電力供給ができるメリットがあります。

また、火力発電の燃料はひとつに限られないため、一部の燃料供給が少なくなった場合に他でカバーしやすいことも、火力発電が利用される理由です。

電力消費量は一定ではなく、季節や時間帯によって変動します。火力発電は、供給する燃料の量を変えることで発電量を調整できるため、必要な電力量に応じて柔軟に対応可能です。

また、風力発電や太陽光発電などの再生エネルギー由来の電力は、供給が不安定になることも多く、需要と供給のバランスが崩れることがあります。このような時でも、火力発電を利用すれば電力供給のバランスを調整できます。

発電効率は元のエネルギーによって異なります。発電方法のなかで最も高いのは水力発電ですが、火力発電はエネルギーの発電効率が40～50％程度と2番目に高い方法です。

再生エネルギー由来の発電方法ごとの発電効率は、以下のとおりです※。

特に日本の石炭火力発電の発電効率は世界最高水準となっており、効率的に電力を生み出すことが可能です。

※出典：能代市「自然エネルギーの発電効率を比較してみた」

安定的で継続的な電力の供給には火力発電が重要な役割を担っていますが、火力発電には課題もあります。以下では、火力発電が抱える主な課題を紹介します。

• CO2（二酸化炭素）の排出量が多い
  
• 燃料の大部分を輸入に頼っている
  
  

火力発電は、燃料燃焼時にCO2を排出するため、他の発電方法より圧倒的にCO2排出量が高いです。

2050年カーボンニュートラル実現に向けた様々な取り組みが実施されているなか、温室効果ガスの筆頭ともされるCO2の排出量が多いことは大きな課題となっています。

日本は、火力発電の燃料となる化石燃料の多くを海外から輸入しています。日本の化石燃料依存率は83.2％となっており、再生エネルギー由来の発電方法による電力供給量も低い状態です※。

また、2020年度のエネルギー自給率は11.3％と、他のOECD諸国と比べても低い水準です。

化石燃料の可採年数は、石炭が約140年、LNGが約60年、石油が約45年といわれています。化石燃料は有限であるため、埋蔵量が減少し、将来的に輸入できなくなることがあるかもしれません。

そのような事態になった場合、電力の需要と供給のバランスが大きく崩れるため、複数の発電方法を組み合わせた多層的な電力供給構造の実現が求められています。

※2021年度のデータです。

※出典：経済産業省 資源エネルギー庁「7.再エネ」

世界では再生エネルギーやLNGを利用した火力発電への移行が進んでいます。

中国や韓国では、脱炭素化の取り組みと並行してエネルギー安定供給のための国家戦略に基づき、国営企業を中心にLNGの長期契約の締結を進めています。また、欧州でもLNG契約に向けて政府が積極的に関与している状況です。

このような世界の動きのなか、日本はLNGと石炭による発電が同程度となっており、世界からはやや遅れています。

石炭火力に関する主要各国の方針は、以下のとおりです。

上記のように、多くの国が石炭火力発電の全廃や新設禁止を目指しています。
 

火力発電は、日本の年間の発電電力量の約7割を占めており、主要な発電方法のひとつです。

戦後の日本では水力発電を中心としていましたが、高度経済成長期には電力需要の増加に伴い、石炭や石油を利用した火力発電が急増しました。その後、1970年代の石油危機や地球温暖化問題などの影響でLNG火力が増大した背景があります。

2011年には、東日本大震災によって停止した原子力発電の代わりに火力発電が注目され、火力発電による発電電力量は8割～9割とピークを迎えましたが※1、近年は、再生エネルギーの導入や原子力の再稼働などによって、火力発電による発電電力量は減少傾向です。

以下、年代別の推移をまとめました※2。

なお、日本では、ゼロエミッションに向けた取り組みが実施されており、多くの企業が 「ゼロエミ・チャレンジ企業」として、革新的環境イノベーション戦略の39テーマをもとに取り組みを進めています。

なかには「カーボンリサイクル・次世代火力発電等技術開発」のプロジェクトもあり、今後の技術発展が期待されています。

※1出典：経済産業省「今後の火力政策について」
※2出典：経済産業省「今後の火力政策について」より、グラフデータの一部を利用して記載しています。
※3水素・アンモニア等を含みます。

「ゼロエミッション」とは、1994年国連大学によって提唱された環境問題に関する考え方です。「エミッション＝排出、再利用」により「廃棄物の排出をゼロ」にすることを意味します。

日本では2050年までにカーボンニュートラルの実現を目指しています。エネルギーとカーボンニュートラルは密接な関係があるなか、日本ではエネルギー移行を行いながら、エネルギーの「安全性と安定供給、経済効率性、環境への適合（S+3E）」も追求していくことが基本方針です。

火力発電は、CO2を多く排出することが大きな課題ですが、「S+3E」の重要な役割を果たしており、エネルギーの供給力や調整力が高い火力発電を急激に減らすと、電力の安定供給ができなくなる可能性が考えられます。

こうした背景のなか、様々な企業によって火力発電をゼロエミッション化する技術の研究が進められています。

火力発電のゼロエミッション化に向けて研究されている技術は、以下のようなものがあります。

例えば、水素はCO2を排出しない究極のクリーンエネルギーといわれており、水素だけを燃料とする火力発電を開発できれば、発電時にCO2を排出せず、火力発電の調整力も維持できます。

さらにCCSやCCUSの技術と組み合わせることで、水素の製造時に排出されるCO2の削減も可能です。

水素エネルギーやアンモニア燃料、CCS・CCUSについて詳しく知りたい方は、以下の記事もご覧ください。

▶関連記事：水素エネルギーとは？メリット・デメリットと企業の活用事例から見る将来性を解説
▶関連記事：アンモニア燃料とは？メリット・デメリットや研究開発が進む利用方法を解説
▶関連記事：CCS・CCUSとは？違いやCO2排出量削減に向けた国内外の取り組みを紹介

2050年までのカーボンニュートラル実現に向けては、火力発電の脱炭素化（＝ゼロエミッション火力）技術がカギを握っています。

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火力発電は、日本の主力である発電方法です。供給力、調整力が高く、エネルギーの「S+3E」の大きな役割を果たしています。

一方で、CO2排出量が多いことが大きな課題となっており、課題解決のための新しい技術が日々研究されています。

この先の技術発展が期待される火力発電ですが、最新情報を学ぶためには様々な技術が結集する展示会への参加がおすすめです。

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