自然エネルギーの発電効率を比較してみた
更新日：2023年12月17日
自然エネルギーの発電効率を検証してみる（写真はイメージです） 出典：iStock
太陽光・水力・風力・地熱。代表的な自然エネルギーの発電効率を比較した場合、一番効率が良いエネルギーはどのエネルギーとなるのか、ご存知でしょうか。今回の記事では、それぞれの自然エネルギーの発電効率を紹介します。
- この記事の著者
- エネルギーのまち能代 編集部
- 皆様は「洋上風力発電」をご存知でしょうか。秋田県能代(のしろ)市では、日本で初めての「大規模商業運転」が2022年から始まっています。
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もくじ
最大効率である発電効率１００％の実現は難しい
発電効率100％の実現難易度は高い（写真はイメージです） 出典：iStock
再生可能エネルギーを電力として利用するには、太陽光パネルや風車など、自然エネルギーを電気エネルギーに変換する設備が必要です。同じ設備コストの施設で発電が行われた場合、発電効率が良いエネルギーほど理想的であり、効率的なエネルギー源ということになります。
発電効率とは「投入したエネルギーが、どれだけ電気に変換されたかの割合」を指します。例えば投入したエネルギーを全て電気に変換できれば発電効率は100％です。
エネルギーが形態を変える際には、さまざまな種類へのエネルギーに分散されてしまうため、理論上100％の発電効率を達成することは難しく、電子機器や発電設備は、電気抵抗によってどうしてもロスは生じてしまいます。
例えば、PCやスマートフォンを利用しすぎると本体が熱くなることがないでしょうか？これはデバイスを長時間使用することにより、電気抵抗で熱エネルギーが発生している状態です。
結果として本体が熱をもってしまいますが、デバイスを熱くしたいわけではありません。エネルギーのロスがおきる。というのはこういう状態をさします。
太陽光発電の場合で言えば、パネルに当たった太陽光が全ての電気に変換されるわけではありません。太陽光には、紫外線、赤外線、可視光線など、さまざまな性質の光が含まれており、その全てを変換することはできません。発電の際にも熱エネルギー等が出てロスがでてしまいます。このような理由から、現在の技術では発電効率を100%とすることは難しいとされています。
徹底比較！自然エネルギーの発電効率
自然エネルギーの発電効率を比較してみる（写真はイメージです） 出典：iStock
それでは自然エネルギーの発電効率をその種類別に比較してみましょう。
自然エネルギーの発電効率：太陽光発電
太陽光発電の発電効率は20％程度（写真はイメージです） 出典：iStock
太陽電池における発電効率は、「太陽の光エネルギーをどのぐらい電気に変換したかを占める割合」を指します。季節や温度、パネルの角度や日差しの強さなど、複数のパラメータにより、出力も変換効率も変化していきます。世界の共通ルールで測定されています。
ソーラーパネルのカタログで、「変換効率●●％」という表記を目にしますが、これは、一定の条件のもとで測定した、世界共通の変換効率が使われています。
現在、一般的に住宅用・産業用として販売されている太陽電池は「シリコン系太陽電池」です。このシリコン系太陽電池のエネルギー変換効率は、気候条件や地域によっても若干発電量に違いはありますが発電効率20％程度が平均です。
人工衛星で使用される太陽光発電システムに「化合物太陽電池」という方式があり、発電効率を約40%まで上げることができます。しかしコストが高いため、一般的に使用するには経済的ではありません。今後の技術革新が期待されます。
自然エネルギーの発電効率：水力発電
水力発電の発電効率は80％程度（写真はイメージです） 出典：iStock
水力発電は、自然エネルギーの中でも非常に高いエネルギー変換効率を誇り、約80％のエネルギー発電効率です。太陽光や風力などの発電方法と違い、気象などの条件で発電量が変化しないことも大きなメリットです。
大規模水力発電はすでに多くの場所で開発が進められ、新たにダムを建設する場所を探すことは容易ではありません。ダムの建設に巨額の資金と長い時間を必要とするといったデメリットもあります。
今後は、川の流水を利用したり、比較的小さな用水路や上下水道を利用したりする、3万kW未満の中小水力発電が増えていくと予想されます。すでに開発済みの大規模水力に比べて、開発の余地が多く残されています。
自然エネルギーの発電効率：風力発電
風力発電の発電効率は40％程度（写真はイメージです） 出典：iStock
効率的に電気を変換できる風力発電は、日中しか発電できない太陽光発電と異なり、昼夜を問わず発電することができます。風力発電の発電効率は、平均的に40%程度といわれていますが、1920年にドイツのアルバート・ベッツによって提唱された運動量理論では、最大効率が59.3%であると計算されています。
デンマークでは発電量の半分が風力発電で占められ、中国でも大規模な導入拡大が進むなど世界的に注目を集める風力発電。欧州では、洋上風力発電で大規模発電を行うことで発電コストの低減化に成功しています。
風力発電の変換効率は研究開発も進んでいます。素材や工法などの進歩により、風力発電の変換効率はさらに良くなるとみられています。発電地が限られる水力発電と比較すると、適地が広がる日本では、今後高効率化が期待される風力発電は魅力的です。
自然エネルギーの発電効率：地熱発電
地熱発電の発電効率は8％程度（写真はイメージです） 出典：iStock
地下のマグマによって暖められた蒸気や熱水を汲み上げて、蒸気タービンを回して発電させるのが地熱発電です。火山の多い日本では、昔から地熱エネルギーは活用されてきました。発電効率はあまり高くありませんが、地球内部のマグマを利用するため、エネルギー源が枯渇する心配がなく、季節や時間帯を問わずに、安定した発電量が確保できます。
デメリットは地熱発電の発電設備に膨大なコストと調査が必要になることから、普及が進まないことです。地熱発電の適地が自然公園や温泉観光地である場合が多いため、周辺地域や住民との合意形成が難しいことが原因となっています。
自然エネルギー発電効率まとめ
発電効率だけで判断は出来ない（写真はイメージです）出典：iStock
発電効率はエネルギーによってさまざまですが、発電効率の高さだけでは「どのエネルギーがよいのか」を一概に決めることができません。自然エネルギーは地域特有の自然現象をエネルギーに変えて発電を行います。設備コストと発電効率のバランスを考えて発電効率はエネルギーによってさまざまですが、発電効率の高さだけでは「どのエネルギーがよいのか」を一概に決めることができません。
自然エネルギーは地域特有の自然現象をエネルギーに変えて発電を行います。設備コストと発電効率のバランスを考慮し、事業を進めていく必要があると考えます。
