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エネルギー

風力エネルギー

人類は何千年もの間風のエネルギーを帆船という形で交通手段として利用してきました。実際に航海の始まりは文字の起源よりも長く、紀元前3100年頃に製作されたと見られているエジプト陶器の破片に帆の付いた船の描写が発見されています。

風力エネルギーは風車の技術を応用して、穀物を引いたり、水をくみ上げたり、木をのこぎりで切ったりと、様々な用途に利用されてきました。世界最古の風車は紀元後600年にペルシャ周辺で穀物を引くために発明されました。その後風車の技術は十字軍戦士によってヨーロッパに持ち込まれ、1100年代までには風車はヨーロッパ全体に広がり、さらに1400年までにはイギリスだけでおおよそ1万台の風車が存在していたといわれています。

19世紀の後半にかけて様々な原因が重なり、風車の数は減少し始めます。都会への人口の流入に伴う田舎の人口の激減、蒸気エネルギー、電気エネルギー、内燃機関の発明は風車に変わる代替エネルギーとして脚光を浴びました。結果、第一次世界大戦が終結するまでに稼動している風車の数は350に、そして第二次世界大戦が終結したときには50台にまで激減しました。現在、イギリスにおいて90の風車が残っていますが、実際に稼動しているのはそのうちのわずかに過ぎません。

風によって電力を発生させる技術は1860年代にモセス=ファーマー氏(Moses Farmer)によって開発されました。20世紀前半には風車による発電が始まりましたが、風力発電が実際に脚光を浴びたのは1970年代で石油危機が起こった際に風力が石油に代わる代替エネルギーとして人々の関心を受けました。

風エネルギーはきれいで、豊富に存在し、安全かつ再生可能エネルギーとしては安価なエネルギーです。風力発電産業はヨーロッパを中心として世界中に急速に広がっています。多くの環境学者は風力発電が既存の発電方法に変わる最も有力な再生可能な発電技術として注目しています。

風から電気を

取り込まれた風エネルギーはウインドタービンという装置を通じて電力に転換されます。タービンは縦軸型と横軸型の2種類に大別されます。

縦軸型ウインドタービン

縦軸型ウインドタービンは広く一般的に利用されているタイプで、通常、塔に巨大なプロペラが取り付けられているような形状をしています。以下がこのタイプのタービンに利用されている構成部分です。

  • 直径65メートルの3枚のブレードを持つローター
  • ローターと発電器とローターの背後に取り付けられた縦型ナセル内部に含まれる歯車とをつなぐ羽軸
  • 25メートルから80メートルに及ぶポール(その上部にローターとナセルが取り付けられる)

3枚のブレードは風向きに対して垂直に取り付けられます。ブレードの設計はブレードの上部により多くの風を集中させ、空気圧の低い状態を作り出し、空気を上に持ち上げる仕組みになっています。この繰り返しによってローターを回転させます。ローターの回転は羽軸に伝わり、羽軸の回転が発電機へと伝わり、電気を発生させます。

風を最大限に効率よく利用するためにローターはポールの最上部に取り付けられます。地面より高ければ高いほうがより安定した、強風を得ることができるからです。

横軸型ウインドタービン

このタイプのタービンは横型タービンをポール上部に取り付けるのが非常に困難なため、発電目的で利用されることがほとんどありません。そのため、横型タービンは発電効率が悪く、より地面に近い位置に設置される傾向にあります。1927年にフランスで特許を取得したダリウス型風車は横型ダービンで最も発電に用いられた発電機です。この発電機は縦型タービンと同じように、ブレードの回転が羽軸に伝わり羽軸が発電装置に繋がっています。

縦型と横型とどちらのタービンを利用するにも発電するためには最低限の風力が必要となります。タービンの種類によって最低必要風力は異なりますが、技術の発展と共に現在では最低限の風力で発電が可能になっています。逆に、風が強すぎれば電力を過大蓄積してしまい発電機を破損してしまいます。このような事故を避けるためにはタービンにリミッター(制御装置)を設置したり、風力が安全に発電できる以上の早さに達した際に発電機と歯車を一時的に隔離する装置を導入する工夫が必要になります。

いくつかのタービンが一箇所に集まり風力発電所を設けることは経済的にまた、実用的に有効であるため、各所で一般的に見ることができます。

発電費用の減少

ウインドタービンこれまでは非常に高価で、少量の電力しか生産できませんでした。そのため、風力発電が主要な発電現になることはありませんでした。しかし1980年以降の風力発電の発展と開発はタービンの費用を約85%減少させました。さらに、1キロワット時(Kwh)の発電にかかる費用を1980年の0.30米ドルから2001年には0.05米ドルにまで下げることに成功しました。この数字は風力発電が火力、天然ガス発電に匹敵するほどの低コスト(原子力に関しては風力発電が勝る低コスト)での発電を実現したことを意味しています。

風力市場

現在、世界中における風力発電の設備容量は2万4千メガワット(MW)(2001年12月31日現在)です。子このうち70%以上の電力はヨーロッパで発電されています。2001年までに過去5年間で風力発電の設備容量は毎年30%という驚異的なスピードで成長しています。

以下が2001年末までの5大風力発電国(風力発電の設備容量別(MW))です。

風力発電の設備容量(MW)*2001年12月31日現在
ドイツ8750
USA4261
スペイン3337
デンマーク2417
インド1407

現在、デンマークは国内総電力うちの15%を風力発電しています。デンマークにおいて風力発電は100万米ドルの市場で、ウインドタービンの輸出もさかんに行われています。デンマーク政府は過去にこの市場を発展させるために、この市場に対して租税誘因(tax incentives)や助成金制度を導入しました。

ドイツは国内総電力のうち3.5%を風力発電しています。この数字は小さく見えますが、ドイツの風力発電の設備容量は8750MWで、1万1500のウインドタービンを所有する世界一の風力発電国です。

連合王国(United Kingdom)は国内総電力のうちわずか0.37%の473.6MW の風力発電能力に留まっていますが、新たな13の風力発電施設の建設が沿岸に予定されています。これらが完成すれば、各発電施設が少なくとも1000MWの設備容量を持つといわれています。

アメリカ合衆国(USA)は2001年末現在で、風力発電が100万世帯への電力供給を可能にしています。

風力発電の利点

ウインドタービンは発電において、汚染物質や温室効果ガスを発生させません。タービンを設置する際に多少の汚染物質が排出されますが、非常に微量で火力発電が排出する汚染物質量と比較しても1%にも及びません。

例えば、アメリカ合衆国(USA)は風力発電が100万世帯への電力供給を可能にしています。これは680万トン分の二酸化炭素の排出を防いでいることになります。同様に、ヨーロッパ圏内では1千万世帯分の電力を風力発電が補っているので、2千400万トンの分の二酸化炭素の排出を防いでいることになります。

また、風力発電施設の建設は多くの雇用機会を生み出し、経済に恩恵をもたらします。例えば、ドイツにおいて風力産業は約3万5000人、デンマークでは1万2000人の雇用を支えています。また、風力発電は地代として地主に利益を与えます。

風力による発電はエネルギーの多様性を成長させ、化石燃料への依存度を低下させます。化石燃料の価格高騰や資源の枯渇問題が騒がれれるなかで、この風力技術はとくに発展途上国の間で大きな注目を集めています。

風力発電の欠点

風力発電において多くの環境学者や人々の間で問題視される点がいくつかあります。

  • ウインドタービンから発生する騒音による近隣住民との問題
  • 景勝地や未開発地に風力発電施設が建設されるために発生する景観問題
  • 風力発電施設は本来の発電施設に比べて、広大な土地を必要とするために起こる土地問題
  • ウインドタービンのブレード(プロペラ部)によって過去10年間に渡って何千もの野鳥(絶滅危惧品種を含む)が被害にあっている環境問題

これらの問題を踏まえて、デンマークはより巨大で発電効率の良いウインドタービンを開発しました。これによってウインドダービンの数を減らすことに成功しました。また、同国は世界で初めて沿岸の風力発電施設の建設に成功しました。沿岸に風力発電施設を建設する利点は多く、陸上の物と比べて沿岸での発電効率は60%向上するといわれています。

風力発電の将来

風力は現在、世界で最も成長しているエネルギー源です。風力発電の設備容量は今後数年は約20%の上昇を続けると予測されています。米国では風力発電における投資活動も盛んに行われております。ブラジルではすでに1000メガワット以上の設備容量を所有する20の施設の建設が決定しています。英国はでは沖合いに巨大な風力発電所の建設が決定しており、他のヨーロッパ諸国やインドも各国の風力発電の設備容量の本質的な増加に向けて風力発電施設の建設を進めています。

参考文献

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