「発電方式って、結局どう違うの?」
「水力、火力、原子力...全部覚えないとダメ?」
「電験三種の電力科目で、どこが重要なの?」
こんな疑問を持っていませんか?
実は、電力科目で最初に押さえるべきは「発電方式の全体像」です。
この記事では、水力・火力・原子力・新エネルギーの4つの発電方式を、中学生でもわかるように比較しながら徹底解説します💡
読み終わる頃には、「なるほど!こういう違いがあるのか!」とスッキリ理解でき、試験でも自信を持って解答できるようになります✨
目次
⚡ なぜ「発電方式」を最初に学ぶべきなのか?
電験三種の電力科目は、「発電」「送電」「変電」「配電」の4つの分野で構成されています。
その中でも「発電」は全ての出発点です。
なぜなら、電気は「作る→送る→変える→配る」という流れで私たちの元に届くからです。
💡 発電方式を学ぶメリット
- 各発電方式の仕組みがイメージできる
- 試験で頻出の計算問題の土台になる
- 日本のエネルギー政策が理解できる
- 他の科目（理論・機械）とのつながりが見える
それでは、日本の電気を支える4つの柱を見ていきましょう!
💧 水力発電｜自然の力を使うクリーンエネルギー
水力発電の仕組み｜滝のエネルギーで発電する
水力発電は、高い所から落ちる水の力でタービンを回し、発電する方式です。
例えるなら、「水車小屋」と同じ原理です💧
昔の水車が川の流れで回っていたように、水力発電所ではダムに貯めた水を高い所から落とし、その勢いでタービン（巨大な水車）を回します。
📘 水力発電の基本公式（超重要!）
P = 9.8 × Q × H × η
P：出力（kW）
9.8：重力加速度（m/s²）
Q：水量（m³/s）
H：有効落差（m）
η：効率（水車効率×発電機効率）
👉 この公式はほぼ毎年出題されます!必ず暗記しましょう✨
水力発電の3つのタイプ
| タイプ | 仕組み | メリット | デメリット |
|---|---|---|---|
| ダム式 | ダムで水を貯めて発電 | 出力調整が自由、大容量 | 建設コスト大、環境影響 |
| 流れ込み式 | 川の自然な流れで発電 | 建設コスト小、環境負荷小 | 出力が不安定、小容量 |
| 揚水式 | 夜間に水を汲み上げ、昼間に発電 | 電力の需給調整に最適 | 揚水に電力を消費（効率70%程度） |
特に揚水式は、「電気の貯金箱」のような役割を果たします。
夜間の余った電力で水を上のダムに汲み上げ、電力が足りない昼間に落として発電する仕組みです🔄
水力発電のメリット・デメリット
✅ メリット
- CO2を出さないクリーンエネルギー
- 燃料費がゼロ（水は無料）
- 出力調整が早い（数分で最大出力）
- 半永久的に使える
❌ デメリット
- 建設コストが高い
- 降水量に左右される
- 適地が限られる（山が必要）
- 環境への影響（ダム建設）
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水力発電の計算問題では、理論科目の「電力の公式」が基礎になります。
🔥 火力発電｜日本の電力の主力
火力発電の仕組み｜燃料を燃やして蒸気を作る
火力発電は、石炭・石油・LNG（液化天然ガス）を燃やして蒸気を作り、その蒸気でタービンを回して発電する方式です。
例えるなら、「蒸気機関車」と同じ原理です🚂
昔の蒸気機関車が石炭を燃やして蒸気を作り、その力で走っていたように、火力発電所でも燃料を燃やして高温高圧の蒸気を作り、タービン（巨大な風車）を回します。
火力発電の5つのステップ
- ① 燃料投入：石炭・石油・LNGをボイラーに投入
- ② ボイラー（蒸気発生）：燃料を燃やして水を沸騰させ、高温高圧の蒸気を作る
- ③ 蒸気タービン：蒸気の力でタービンを高速回転させる
- ④ 発電機：タービンの回転で磁界を変化させ、電気を作る
- ⑤ 復水器：使い終わった蒸気を冷やして水に戻し、再びボイラーへ
👉 この「燃料→蒸気→タービン→発電機」の流れが試験でよく問われます!
火力発電の熱効率（計算問題頻出!）
火力発電では、「熱効率」の計算問題がほぼ毎年出題されます。
📘 熱効率の公式（超重要!）
η = (電気出力 ÷ 投入熱量) × 100 [%]
電気出力：発電所から送り出す電力（kW）
投入熱量：燃料が持つエネルギー（kW）
💡 例えるなら「車の燃費」と同じです!
ガソリン10リットルで100km走れる車と、50kmしか走れない車では、前者の方が「効率が良い」ですよね。火力発電も同じで、同じ燃料でどれだけ電気を作れるかを表すのが熱効率です🚗
火力発電の3つのタイプ
| タイプ | 仕組み | 熱効率 | 特徴 |
|---|---|---|---|
| 汽力発電 | 蒸気タービンのみ | 約40% | 最も一般的、石炭・石油を使用 |
| ガスタービン発電 | ガスで直接タービンを回す | 約30% | 起動が早い、LNGを使用 |
| コンバインドサイクル | ガス+蒸気のハイブリッド | 約60% | 最高効率、最新技術 |
特にコンバインドサイクルは、「一石二鳥」の発電方式です✨
まずLNGを燃やしてガスタービンを回し、その排熱で蒸気を作って蒸気タービンも回す。つまり1回の燃料で2回発電するため、効率が約60%と非常に高いのです!
火力発電のメリット・デメリット
✅ メリット
- 出力が安定（24時間発電可能）
- 大容量（1基で数十万kW）
- 立地の自由度が高い（海沿いが多い）
- 技術が確立されている
❌ デメリット
- CO2を排出（地球温暖化）
- 燃料費がかかる
- 資源の枯渇リスク
- 燃料の輸入依存（日本は99%輸入）
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電力科目の計算問題を攻略するための学習時間配分がわかります。
⚛️ 原子力発電｜核分裂のエネルギーを利用
原子力発電の仕組み｜ウランの核分裂で熱を作る
原子力発電は、ウラン燃料の核分裂で発生する熱を使って蒸気を作り、タービンを回して発電する方式です。
例えるなら、「巨大なカイロ」です⚛️
冬に使い捨てカイロが鉄の酸化熱で温まるように、原子力発電ではウランの核分裂で膨大な熱が発生します。その熱で水を沸騰させて蒸気を作る点は、火力発電と同じです。
原子力発電の2つのタイプ
| タイプ | 正式名称 | 仕組み | 日本での採用 |
|---|---|---|---|
| PWR | 加圧水型軽水炉 | 一次冷却水と二次冷却水を分離 | 関西・四国・九州電力など |
| BWR | 沸騰水型軽水炉 | 原子炉で直接蒸気を作る | 東京電力・東北電力など |
🔍 PWRとBWRの違い（試験によく出る!）
PWR（加圧水型）：原子炉の水は放射性だが、二次側の蒸気は非放射性。タービンが汚染されないメリット。
BWR（沸騰水型）：原子炉で直接蒸気を作るため構造がシンプル。ただしタービン側も放射性になる。
💡 例えるなら「二段階加熱」vs「直接加熱」
PWRは湯煎（二段階）、BWRは直火（直接）のイメージです🍳
原子力発電のメリット・デメリット
✅ メリット
- CO2を出さない
- 少量の燃料で大電力（ウラン1gで石油2トン相当）
- 24時間安定発電
- 燃料費が安い
❌ デメリット
- 事故リスク（放射能漏れ）
- 放射性廃棄物の処理問題
- 建設コストが非常に高い
- 廃炉に数十年かかる
🌱 新エネルギー（再生可能エネルギー）｜未来の主役
再生可能エネルギーとは？
再生可能エネルギーは、太陽光・風力・地熱・バイオマスなど、自然界に常に存在するエネルギーを使う発電方式です。
例えるなら、「畑の野菜」です🌾
石油や石炭は「掘ったら終わり」の資源ですが、太陽光や風力は毎日生まれ変わる資源。まるで畑の野菜のように、使っても減らないのが最大の特徴です✨
再生可能エネルギー4つのタイプ
| タイプ | 仕組み | メリット | デメリット |
|---|---|---|---|
| ☀️ 太陽光発電 | 太陽電池で光→電気に変換 | 設置場所を選ばない、メンテナンス少 | 夜間・雨天は発電不可、変換効率15-20% |
| 💨 風力発電 | 風でプロペラを回す | 夜間も発電可、CO2ゼロ | 風速に依存、騒音・鳥衝突問題 |
| 🌋 地熱発電 | 地下のマグマ熱で蒸気を作る | 24時間安定、天候に左右されない | 適地が限定（火山地帯）、温泉地との競合 |
| 🌱 バイオマス発電 | 木材・廃棄物を燃やす | CO2ニュートラル、廃棄物処理 | 燃料確保が課題、発電効率低め |
💡 再生可能エネルギーの課題
再生可能エネルギーの最大の課題は「出力の不安定さ」です。
太陽光は夜間・雨天で発電できず、風力は風が吹かないと止まってしまいます。
そのため、「蓄電池」や「揚水発電」との組み合わせが重要になります🔋
📊 4つの発電方式を一覧比較
| 項目 | 水力 | 火力 | 原子力 | 新エネ |
|---|---|---|---|---|
| エネルギー源 | 水の位置エネルギー | 化石燃料の燃焼熱 | 核分裂の熱 | 太陽光・風・地熱など |
| CO2排出 | なし | あり | なし | なし |
| 燃料費 | なし | 高い | 安い | なし |
| 出力安定性 | 高い（降水量次第） | 非常に高い | 非常に高い | 低い（天候依存） |
| 建設コスト | 高い | 中 | 非常に高い | 低〜中 |
| 日本での割合（2023年） | 約7% | 約70% | 約5% | 約18% |
📌 試験で問われるポイント
- 水力発電：出力計算（P=9.8QHη）、揚水式の仕組み
- 火力発電：熱効率計算、コンバインドサイクルの原理
- 原子力発電：PWRとBWRの違い、核燃料サイクル
- 新エネルギー：各発電方式の特徴、FIT制度
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✅ まとめ｜発電方式の全体像を押さえて得点源にする
この記事では、電験三種・電力科目の基礎となる「発電方式の全体像」を、水力・火力・原子力・新エネルギーの4つに分けて徹底解説しました。
📌 この記事のポイント
- 水力発電：水の位置エネルギーを利用。公式P=9.8QHηは超重要
- 火力発電：日本の主力（約70%）。熱効率計算が頻出
- 原子力発電：PWRとBWRの違いを押さえる
- 新エネルギー：太陽光・風力が急成長。出力不安定が課題
- 各発電方式のメリット・デメリットを理解する
発電方式の全体像を理解することで、電力科目の他の分野（送電・変電・配電）もスムーズに理解できるようになります💡
特に「水力発電の出力計算」と「火力発電の熱効率計算」は、ほぼ毎年出題される超重要ポイントです。
公式を丸暗記するだけでなく、「なぜその公式になるのか?」を理解しておくと、応用問題にも対応できます✨
次は、各発電方式の詳細な計算問題や送電・配電の仕組みを学んでいきましょう!
一歩ずつ着実に進めば、必ず合格できます🚀
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