私達の日常生活では電気が必要です、電気無くして生活をしている人はいないでしょう。
ただしこの電気に関しては普通の家庭では得られず、それを発生させるには別のエネルギーを変換させる過程が必要になってきます。
このエネルギーを電気エネルギーに変えてくれる場所のことを発電所と言いますが、日本では現在8割以上の電力を火力発電に依存しています。
ご存知のように東日本大震災の福島原発事故があって原発反対の動きが加速、これからは原発は衰退の一途をたどると予想されます。太陽光や風力と言った再生可能エネルギーでは日本の全電力を賄いきれないため、ますます火力発電の依存度が高くなりそうです。
その火力発電では近年コンバインドサイクル発電（略してGTCC）という発電方式が注目を浴びて多くの発電所で導入されています。
この発電方式については、『そこまで言って委員会NP』という番組に出演している旧皇族の竹田恒泰さんが過去に次世代の火力発電であるGTCC発電をフルに活用すれば原発はいらないとまで断言しているほどで、非常に高い効率で電気エネルギーを算出できるというのが特徴です。
このGTCC発電の長所や短所などをいろいろと紹介していこうと思います、ぜひご覧ください！
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従来の火力発電の発電方式とは？
コンバインドサイクル発電について解説する前に、従来の火力発電がどのような仕組みで電気を生み出しているのか、基礎的な部分から解説していきます。
まず火力発電と言うのは燃料を燃焼させることによって得られる熱エネルギーを利用した発電方式のことです。燃料として主に石油、石炭、液化天然ガス（LNG）などが使用されます。
火力発電の発電方法としては主に以下の3つがあります。
- 汽力発電
- 内燃力発電
- ガスタービン発電
この内最も一般的な発電方法が汽力発電で、これはボイラの水を蒸発させて発生した水蒸気の力でタービンを高速で回転させて発電を行う方法です。
多くの火力発電で用いられているほか、原子力発電や地熱、太陽熱発電でも行われています。単純に熱源が異なるだけで発電の仕組みそのものは全く一緒です。
汽力発電のエネルギー変換効率は低い？
現在日本で最大の規模を誇る火力発電ですが、残念ながら熱エネルギーを全て電気エネルギーに変換してくれるほど万能ではありません。
最初に投入したエネルギーの内どれだけ電気エネルギーとして回収できるのか？その指標となるのは熱効率と呼ばれるものですが、この熱効率は従来の火力発電所だとだいたい40％前後だとされています。
熱効率があまり高くない理由は汽力発電の熱サイクルに関係しています。
汽力発電では最終的に熱エネルギーを電気エネルギーに変換させるわけですが、その工程は主に4つに分類されます。
- 給水ポンプにより給水が加圧されボイラに送られる（断熱圧縮）
- 給水がボイラで加熱され水蒸気になる（等圧受熱）
- 水蒸気が蒸気タービンに送られてタービンが回転する（断熱膨張）
- 水蒸気が復水器で放熱されて温度が下がり水に戻る（等圧放熱）
この4つの工程で示される熱サイクルのことを特にランキンサイクルと呼びます、汽力発電の基本的な熱サイクルですが、実は4番目の水蒸気が復水器で放熱される工程では熱が外部に捨てられているのです。
この時に生じる熱損失をなくすことは理論上不可能ですが、この損失をできる限り減らすというのが火力発電においては最大の課題となっています。
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GTCC発電ってどんな発電？
さて本題のGTCC発電について解説していきます。
まずGTCCというのは、Gass Turbine Combined Cycleの略です。これは内燃力発電の排熱で汽力発電を行う複合発電のことをコンバインドサイクル発電（Combined Cycle発電、略してCC発電）と言いますが、内燃機関として主にガスタービン(Gass Turbine)が使われているので、この2つの言葉を組み合わせたということになります。
先ほど火力発電の主な発電方法としては主に汽力発電が用いられていると説明しましたが、ガスタービン発電による方法も存在します。
ガスタービン発電は圧縮した空気の中で灯油、軽油、LNGなどの燃料を燃焼させ、燃焼により発生する高温・高圧の燃焼ガスでタービンを回転させて発電を行う方式です。
しかしこの方法は、設備が簡単で建設費が安いというメリットがある一方、熱効率が低い、騒音が大きい、高価な耐熱材料で作らなければいけないといったデメリットがあってあまり普及は進んでいません。
GTCC発電では汽力とガスタービンの2つの発電方法を組み合わせています。これらを組み合わせることでお互いの弱点をカバーしてより高い熱効率を実現させているのが特徴です。
実は現在新しく作られている大規模な火力発電所では、コンバインドサイクル発電が主流になってきています。最新鋭の発電所では60％の熱効率を誇るものもあるそうですが、ここまで高くなる理由はガスタービン発電に使われた燃焼ガスの排気の熱もボイラの水の蒸発に利用していることにあります。
これまで捨てられていた排気の熱も利用することで二重に発電を行えるというのがGTCC発電の強みです。
またこれ以外にも、
- 起動、停止に要する時間が短い
- 冷却水の量が少なくて済む。故に温排水の量も少ない
といったメリットがあります。
効率の高いGTCC発電が普及すれば今よりも高い発電量が実現しやすくなるので、確かに原発はいらないかもしれません。しかし化石燃料は埋蔵量に限りがあること、特に石油に関しては政情が不安定な中東の国々に依存している現状があるのでまだまだ課題が多いのも事実です。
（ただし近年ではアメリカのシェールガス、ロシアの天然ガス、尖閣諸島沖の海底油田にも注目が集まってきています。）
日本のメタンハイドレートの埋蔵量は多すぎ？ 商業生産実現の目途は？
まとめ
いかがでしたでしょうか？次世代の火力発電方式として増えてきたGTCC発電、少しでも興味が湧けたら幸いです。
もちろん化石燃料自体が埋蔵量に限りがあるためどこかで再生可能エネルギーにシフトせざるを得なくなるかもしれませんが、当分の間はやはり火力依存にならざるを得ないのが現状ですね。
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