電化

電化とは、電気で動力を得るプロセスであり、多くの場合、以前の電源からの切り替えによってそのような電力を導入することを意味します。技術史と経済発展の文脈において、電化とは発電システムと配電システムの構築を指します。持続可能なエネルギーの文脈において、電化とは、再生可能エネルギーへのエネルギー移行と最終用途の電気への切り替えに対応するために、分散型エネルギー資源（エネルギー貯蔵など）を備えたスーパーグリッドとスマートグリッドの構築を指します。[ 1 ] [ 2 ]

経済の特定分野の電化は、特に文脈から外れては、工場電化、家庭電化、農村電化、鉄道電化などの修飾語で呼ばれる。持続可能エネルギーの文脈では、輸送電化（電気自動車を指す）や暖房電化（太陽光発電で駆動するヒートポンプを指す）[ 3 ]などの用語が使用される。また、石炭やコークス加熱からの製錬、溶解、分離、精製、または化学プロセスから電気アーク炉、電気誘導加熱または抵抗加熱、電気分解または電解分離などの何らかの電気プロセスへの変更[ 4 ]にも適用される場合がある。

電化のメリット

電化は、米国工学アカデミーによって「20世紀最大の工学的成果」と呼ばれており、[ 5 ]豊かな国でも貧しい国でも、現在も続いています。[ 6 ] [ 7 ]

電気照明の利点

電気照明は非常に魅力的です。石油やガスのランプよりもはるかに明るく、すすも出ません。初期の電気は今日に比べて非常に高価でしたが、石油やガスの照明よりもはるかに安価で便利でした。電気照明は石油やガスよりもはるかに安全であったため、一部の企業は保険料の節約で電気料金を支払うことができました。[ 8 ]

電力以前

1851年、チャールズ・バベッジは次のように述べました

高度な技術を持つ労働者（エンジニア）にとって最も重要な発明の一つは、おそらく半人分から二頭分の馬力程度の小型動力で、いつでも始動・停止でき、管理に時間もかからず、初期費用も日々の費用もそれほどかからないものである。[ 9 ]

1881年の脱穀機。

蒸気機関を効率的に稼働させるには、数百馬力の出力が必要でした。蒸気機関とボイラーには、運転員とメンテナンスも必要でした。こうした理由から、商用蒸気機関の最小出力は約2馬力でした。これは多くの小規模な工場にとって需要を上回っていました。また、小型の蒸気機関とボイラーの価格は約7,000ドルでしたが、0.5馬力しか出せない古い盲馬は20ドル以下でした。[ 10 ] 馬を動力源とする機械の価格は300ドル以下でした。[ 11 ]

多くの動力要件は馬の動力よりも低かった。木工旋盤などの作業機械は、1人または2人で操作するクランクで駆動されることが多かった。家庭用ミシンは足踏み式であったが、工場のミシンはラインシャフトから蒸気動力を得ていた。バターを撹拌するために改造されたトレッドミルなどの機械では、犬が使用されることもあった。[ 12 ]

19世紀後半には、特別に設計された発電所が小規模な商店にスペースを貸し出しており、これらの建物は蒸気機関から送電線を通してテナントに電力を供給していました。[ 12 ]

中央発電所の発電が小型蒸気機関よりも効率的であり、またラインシャフトとベルトの摩擦損失が大きかったため、電気モーターは小型蒸気機関よりも数倍効率的でした。[ 13 ] [ 12 ]

電気モーターは人力や動物力よりも効率的でした。動物飼料を動力源とする発電の変換効率は4～5%ですが、石炭火力発電の場合は30%を超えます。[ 14 ] [ 15 ]

電化の経済的影響

電化と経済成長は高い相関関係にある。[ 16 ]経済学では、発電効率は技術進歩と相関関係にあることが示されている。[ 14 ] [ 16 ]

アメリカ合衆国では、1870年から1880年にかけて、1人当たり0.55馬力の電力が供給されていました。1950年には1人当たり5馬力となり、年間2.8%の増加となりましたが、1930年から1950年にかけては1.5%に減少しました。[ 17 ] 1900年から1940年にかけての工場と家庭の電化の時代は、生産性と経済成長が著しく高まった時期でした。

電化と電力網に関する研究のほとんどは、ヨーロッパとアメリカの工業中核国に焦点を当てていた。その他の地域では、有線電気は植民地支配の回路を通じて供給されることが多かった。一部の歴史家や社会学者は、植民地政治と電力網の発達の相互作用を考察した。インドでは、ラオ[ 18 ]は、技術地理学的考慮ではなく、言語に基づく地域政治が2つの異なる電力網の創設につながったことを示した。植民地時代のジンバブエ（ローデシア）では、チコウェロ[ 19 ]は、電化は人種に基づいており、白人入植者コミュニティに役立ったが、アフリカ人は排除されたことを示した。そして委任統治領パレスチナでは、シャミール[ 20 ]は、イギリスがシオニスト所有の企業に電力利権を与えたことで、アラブ人とユダヤ人の経済格差が深まったと主張した。

現在の電化の範囲

2017年現在、各国の電力供給を受けている人口の割合を示す世界地図。 [ 21 ]
  80%～100%
  60%～80%
  40%～60%
  20%～40%
  0～20%

都市や住宅の電化は19世紀後半から始まっているが、2017年には約8億4000万人（主にアフリカ）が電力網にアクセスできず、2010年の12億人から減少している。[ 22 ]

1970年代と1980年代には電化が大きく進み、1970年には世界人口の49％が電化されていたのに対し、1990年には76％にまで増加しました。 [ 23 ] [ 24 ] 2010年代初頭には、世界人口の81～83％が電力を利用できるようになっています。[ 25 ]

持続可能なエネルギーのための電化

電化輸送と再生可能エネルギーは、再生可能エネルギーへの移行に向けた投資の重要な部分である。[ 26 ] [ 27 ]

クリーンエネルギーは、主に再生可能エネルギーや原子力などの電力の形で生成されます。これらのエネルギー源への移行には、世界のエネルギーシステムを持続可能にするために、輸送や暖房などの最終用途を電化する必要があります。

米国とカナダでは、農村部のプロパン暖房[ 28 ]や都市部の天然ガス暖房[ 29 ]を補うために太陽光発電(PV) デバイスで電力を供給すれば、ヒートポンプ(HP) の使用は経済的になり得る。2023年の研究[ 30 ]では、(1) 住宅用天然ガスベースの暖房システムと系統電力、(2) 電気負荷に対応するために PV を備えた住宅用天然ガスベースの暖房システム、(3) 系統電力を備えた住宅用 HP システム、(4) 住宅用 HP+PV システムについて調査した。典型的なインフレ条件下では、天然ガスと可逆的な空気源ヒートポンプのライフサイクルコストはほぼ同じであることが判明し、これが米国で高インフレ期に初めてヒートポンプの販売台数がガス炉の販売台数を上回った理由を部分的に説明している。[ 31 ]この研究[ 30 ]は、「このようなプロシューマー向け技術の実質内部収益率は長期預金の20倍であり、これは太陽光発電とヒートポンプ技術が、炭素排出量を大幅に削減しながら、比較的安全な投資手段よりもプロシューマーに付加価値を提供していることを示している」と結論付けている。このアプローチは、ヒートポンプ+太陽熱暖房システムに熱電池を統合することで改善できる。[ 32 ] [ 33 ]

輸送の電化

持続可能な形で電気を生産することは、液体燃料を持続可能な形で生産することよりも容易です。したがって、電気自動車の導入は、輸送をより持続可能なものにする方法の1つです。[ 34 ]水素自動車は、長距離トラックなど、まだ広く電化されていない大型車両にとって選択肢となる可能性があります。[ 35 ]電気自動車技術は道路輸送では比較的成熟していますが、電気船舶と航空はまだ開発の初期段階にあるため、持続可能な液体燃料はこれらの分野でより大きな役割を果たす可能性があります。[ 36 ]

暖房の電化

世界人口の大部分は、自宅に十分な冷房設備を設置する余裕がありません。電化と追加の電力需要を必要とするエアコンに加え、持続可能な方法で冷房のニーズを満たすためには、パッシブな建築設計と都市計画が必要となります。[ 37 ]同様に、発展途上国と先進国の多くの世帯は燃料貧困に苦しみ、十分な暖房設備を確保できていません。[ 38 ]既存の暖房方法は、しばしば汚染を引き起こしています。

暖房における重要な持続可能な解決策は電化（ヒートポンプ、または効率の低い電気ヒーター）です。IEAは、ヒートポンプは現在、世界的に空間と水の暖房需要のわずか5％を賄っているが、90％以上を賄える可能性があると推定しています。[ 39 ]地中熱ヒートポンプの使用は、暖房と冷房に関連する年間総エネルギー負荷を削減するだけでなく、夏季の極端なピーク電力供給要件を解消することで電力需要曲線を平坦化します。[ 40 ]しかし、ヒートポンプと抵抗加熱だけでは、産業用熱の電化には不十分です。これは、いくつかのプロセスでこれらのタイプの機器では達成できないより高い温度が必要になるためです。たとえば、蒸気分解によるエチレンの製造には、900℃もの高温が必要です。したがって、大幅に新しいプロセスが必要になります。それでも、電力熱変換は化学産業の電化の第一歩になると期待されており、2025年までに大規模に導入されると予想されています。 [ 41 ]

アメリカのいくつかの都市では、新築住宅へのガス接続を禁止し始めており、州法が可決され、電化を義務付けるか、地域の要件を禁止するかが検討されている。[ 42 ]イギリス政府は、気候目標を達成するために住宅暖房の電化を実験している。[ 43 ]調理台用のセラミック加熱や誘導加熱、産業用途（例えばスチームクラッカー）は、天然ガスからの移行に使用できる技術の例である。[ 44 ]

エネルギーレジリエンス

ハイブリッド電力システム

電気は「粘着性」のあるエネルギー形態であり、生産された大陸や島嶼に留まる傾向があります。また、複数の供給源から供給できるため、ある供給源が不足しても、再生可能エネルギーを含む他の供給源から電力を生産することができます。その結果、長期的には比較的回復力のあるエネルギー輸送手段となります。[ 45 ]短期的には、電気は消費と同時に供給する必要があるため、現地で輸送・貯蔵できる燃料と比較して、やや不安定です。しかし、これは系統エネルギー貯蔵と分散型発電によって緩和できます。

変動エネルギー源の管理

太陽光、風力、その他の再生可能エネルギー源からのエネルギーは、位置エネルギーに変換され、電池や高所の貯水池などの装置に蓄えられます。蓄えられた位置エネルギーは、後に電力に変換され、元のエネルギー源が利用できない場合でも、電力網に供給されます。

太陽光と風力は変動性のある再生可能エネルギー源であり、天候や時間帯によって断続的に電力を供給します。[ 46 ] [ 47 ]ほとんどの電力網は石炭火力発電所などの非断続的なエネルギー源用に構築されました。[ 48 ]より多くの太陽光と風力エネルギーが電力網に統合されるにつれて、電力供給が需要に一致するようにエネルギーシステムに変更を加える必要があります。[ 49 ] 2019年には、これらのエネルギー源が世界の電力の8.5％を生成し、そのシェアは急速に成長しています。[ 50 ]

電力システムの柔軟性を高める方法は様々です。多くの場所で、風力発電と太陽光発電は日ごと、季節ごとに補完的です。太陽エネルギーの発電量が少ない夜間や冬には風が多くなります。[ 49 ]長距離送電線で地理的に離れた地域を結ぶことで、変動性をさらに相殺することができます。[ 51 ]エネルギー需要は、エネルギー需要管理とスマートグリッドの利用を通じて時間的にシフトすることができ、変動性の高いエネルギー生産が最も高い時間帯に合わせることができます。貯蔵を利用すれば、余剰生産されたエネルギーを必要に応じて放出することができます。[ 49 ]風力発電と太陽光発電の追加容量を構築することで、悪天候でも十分な電力を生産できるようになります。一方、最適な天候のときにはエネルギー生産を削減しなければならない場合があります。最終的なミスマッチは、水力発電、バイオエネルギー、天然ガスなどのディスパッチ可能なエネルギー源を使用することでカバーできる可能性があります。[ 52 ]

エネルギー貯蔵

キャプション参照
熱エネルギーを貯蔵するための塩タンクの建設

エネルギー貯蔵は、間欠的な再生可能エネルギーの障壁を克服するのに役立ち、したがって持続可能なエネルギーシステムの重要な側面です。[ 53 ]最も一般的に使用されている貯蔵方法は揚水式水力発電ですが、これは高低差が大きく水にアクセスできる場所を必要とします。[ 53 ]バッテリー、特にリチウムイオンバッテリーも広く導入されています。[ 54 ]これらにはコバルトが含まれており、その大部分は政情不安なコンゴで採掘されています。地理的に多様な調達を行うことで、サプライチェーンの安定性を確保し、ダウンサイクルやリサイクルによって環境への影響を軽減することができます。[ 55 ] [ 56 ]バッテリーは通常、短期間で電気を貯蔵しますが、数シーズンにわたって十分な容量を持つ技術の研究が進行中です。[ 49 ]数か月間使用できる容量を持つ揚水式水力貯蔵とパワー・ツー・ガスは、いくつかの場所で実装されています。[ 57 ] [ 58 ]

2018年現在、熱エネルギー貯蔵は化石燃料の燃焼ほど簡便ではありません。初期費用の高さが導入の障壁となっています。季節的な熱エネルギー貯蔵には大容量が必要であり、一部の高緯度地域では家庭用暖房として導入されています。[ 59 ]

電化の歴史

電気の最も初期の商業的利用は、電気メッキと電信でした。[ 60 ]

マグネト、ダイナモ、発電機の開発

最初の発電機であるファラデーディスク。馬蹄形の磁石(A)がディスク(D)に磁場を発生させました。ディスクを回転させると、中心から縁に向かって放射状に電流が誘導されました。電流はスライドバネ接点mから外部回路へ流れ出し、軸を通ってディスクの中心に戻ります。

1831年から1832年にかけて、マイケル・ファラデーは電磁発電機の動作原理を発見しました。後にファラデーの法則と呼ばれるこの原理は、磁界中を移動する電線など、変化する磁束を受ける導体に発生する起電力に基づいています。ファラデーは、馬蹄形磁石の極間で回転する銅の円盤を用いた、ファラデーディスクと呼ばれる最初の電磁発電機を製作しました。ファラデーの最初の電磁発電機は、小さな直流電圧を発生させました。

1832年頃、イポリット・ピクシーは馬蹄形巻線を用いてマグネトーを改良しました。この巻線は導体コイルを追加することでより多くの電流を発生させましたが、交流電流でした。アンドレ＝マリー・アンペールは、ピクシーのマグネトーからの電流をロッキングスイッチを用いて直流電流に変換する方法を提案しました。後に、セグメント整流子が直流電流を生成するために使用されました。[ 61 ]

1838年から1840年頃、ウィリアム・フォザギル・クックとチャールズ・ホイートストンは電信機を開発しました。1840年、ホイートストンは電信機の電源として自ら開発したマグネト発電機を使用していました。ホイートストンとクックは永久磁石の代わりに電池駆動の電磁石を使用することで発電に重要な改良を加え、1845年に特許を取得しました。[ 62 ]自励磁磁場ダイナモは、電磁石への電源供給に電池を必要としなくなりました。このタイプのダイナモは1866年に複数の人々によって開発されました。

最初の実用的な発電機であるグラム発電機は、ZTグラム社によって製造され、1870年代に多数販売されました。イギリスの技術者であるR.E.B.クロンプトンは、発電機の空冷性能を向上させる改良を行い、その他の機械的な改良も行いました。負荷に対してより安定した電圧を供給する複巻線は、発電機の動作特性を改善しました。[ 63 ]

19世紀における発電技術の進歩により、発電効率と信頼性は飛躍的に向上しました。初期のマグネト発電機は、機械エネルギーのわずか数パーセントしか電気に変換できませんでした。19世紀末には、最高効率は90%を超えました。

電灯

アーク灯

1878年、オペラ通り沿いのパリ万博でヤブロチコフが素晴らしいアーク灯を披露したことで、ガス公益事業株の急落が引き起こされました

ハンフリー・デービー卿は、炭素電極を用いて電気でアーク光を発生できることを発見し、1802年に炭素アークランプを発明しました。しかし、実用的な発電手段が開発されるまで、広く利用されることはありませんでした。

カーボンアークランプは、2つのカーボン電極を接触させることで点火し、その後、狭い隙間まで離すことで点火します。カーボンは燃え尽きてしまうため、隙間は常に調整する必要がありました。アークを制御するために、いくつかの機構が開発されました。一般的な方法は、重力によってカーボン電極に電流を供給し、一対の電磁石で隙間を維持するというものでした。電磁石の1つはアーク始動後に上部のカーボン電極を後退させ、もう1つは重力供給のブレーキを制御します。[ 12 ]

当時のアークランプは4,000カンデラという非常に強い光出力を持ち、大量の熱を放出し、火災の危険性もあったため、住宅の照明には適していませんでした。[ 61 ]

1850年代、ウィリアム・ペトリーとウィリアム・ステイトが発明したアークランプによって、これらの問題の多くは解決されました。このアークランプは磁電発電機を使用し、2本の炭素棒の間隔を自動制御する機構を備えていました。このアークランプの光はロンドンのナショナル・ギャラリーの照明に使用され、当時としては画期的なものでした。大型のマグネト発電機で駆動するこのアークランプや類似の設計は、1850年代半ばにイギリスの灯台に初めて設置されましたが、この技術には電力制限がありました。[ 64 ]

最初の成功したアークランプ（ヤブロチコフ・キャンドル）は、ロシア人技師パベル・ヤブロチコフによってグラム発電機を用いて開発されました。その利点は、従来のもののように機械式レギュレータを必要としないことでした。1878年のパリ万博で初めて展示され、グラムによって大々的に宣伝されました。[ 65 ]アークランプは1878年に、オペラ通り、テアトル・フランセ広場、そしてオペラ広場周辺の半マイルにわたって設置されました。[ 66 ]

REB・クロンプトンは1878年、ヤブロチコフ・キャンドルよりもはるかに明るく安定した光を生み出す、より洗練された設計を開発しました。1878年、彼はクロンプトン商会を設立し、クロンプトンランプの製造、販売、設置を開始しました。彼の会社は、世界初の電気工学会社の一つでした。

白熱電球

様々な形態の白熱電球には多くの発明家がいましたが、初期の電球で最も成功したのは、高真空に密封された炭素フィラメントを使用したものでした。これらは1878年にイギリスでジョセフ・スワン、1879年にアメリカでトーマス・エジソンによって発明されました。エジソンの電球はスワンのものよりも成功しました。エジソンはより細いフィラメントを使用したため、抵抗が高くなり、電流の伝導量が大幅に減少したためです。エジソンは1880年に炭素フィラメント電球の商業生産を開始しました。スワンの電球は1881年に商業生産を開始しました。[ 67 ]

ゲーツヘッドのロー・フェルにあるスワンの家は、世界で初めて実際に使える電球が設置された建物です。ニューカッスルのリット・アンド・フィル図書館は、電灯で照らされた最初の公共の部屋でした[ 68 ] [ 69 ] 。また、サヴォイ劇場は、完全に電気で照らされた世界初の公共建築物でした[ 70 ] 。

中央発電所と独立システム

電力網のシンプル化 - 北米

公共電力を供給した最初の中央発電所は、 1881年秋に英国サリー州ゴダルミングに設置されたと考えられています。このシステムは、町がガス会社との料金設定で合意に至らなかったため、町議会が電気の使用を決定したことを受けて提案されました。このシステムにより、水力発電によって大通りのアーク灯といくつかの脇道の白熱灯が点灯しました。1882年までに8～10世帯が接続され、合計57個の照明が設置されました。このシステムは商業的に成功せず、町はガス供給に戻りました。[ 71 ]

最初の大規模な中央配電所は、1882年にロンドンのホルボーン・ビアダクトに開設されました。 [ 72 ]旧式のガス灯に代わる1,000個の白熱電球を備えたこの駅は、中央郵便局の事務所や有名なシティ・テンプル教会を含むホルボーン・サーカスを明るく照らしました。供給電圧は110ボルトの直流でしたが、銅線での電力損失により、需要家への供給電圧は100ボルトになりました。

数週間のうちに、議会委員会は、個人、企業、地方自治体があらゆる公共または私的な目的で電気を供給するためのライセンスを与える画期的な1882年電気照明法の可決を勧告した。

アメリカで最初の大規模中央発電所は、1882年9月に操業を開始したニューヨークのエジソン・パールストリート発電所であった。この発電所には200馬力のエジソン製発電機が6基設置され、それぞれ独立した蒸気機関で駆動されていた。ビジネス・商業地区に位置し、400個のランプを備えた85の顧客に110ボルトの直流電力を供給していた。1884年までにパールストリート発電所は508の顧客に10,164個のランプを供給していた。[ 73 ]

1880年代半ばまでに、英国のクロンプトン社やスワン電灯会社、米国のトムソン・ヒューストン電力会社やウェスティングハウス、ドイツのシーメンスなど、他の電力会社も中央発電所を設立し、電力を配給するようになりました。1890年までに1,000の中央発電所が稼働していました。[ 12 ] 1902年の国勢調査では3,620の中央発電所が記載されています。1925年までに、電力の半分は中央発電所によって供給されていました。[ 74 ]

負荷係数と独立システム

初期の電力会社が直面した最大の問題の一つは、時間ごとに変動する需要でした。照明が実質的に唯一の電気使用であった当時、需要は就業時間前の最初の数時間と、需要がピークを迎える夕方の時間帯に高くなっていました。[ 75 ]その結果、初期の電力会社のほとんどは昼間のサービスを提供しておらず、1897年には3分の2の会社が昼間のサービスを提供していませんでした。[ 76 ]

中央発電所の平均負荷とピーク負荷の比率は負荷率と呼ばれます。[ 75 ]電力会社が収益性を高め料金を下げるためには、負荷率を高める必要がありました。最終的にこれが実現されたのは、電動機負荷でした。[ 75 ]電動機は日中に多く使用され、多くの電動機が連続運転されます。電気路面電車は負荷分散に最適でした。多くの電気鉄道は自家発電を行うだけでなく、電力販売や配電システムの運用も行っていました。[ 8 ]

20世紀に入ると、乗車率は上昇し、パールストリート駅では1884年の19.3%から1908年には29.4%に増加しました。1929年までに、世界中の乗車率は主にモーターの負荷により50%を超えました。[ 77 ]

中央発電所からの電力供給が普及する以前は、多くの工場、大規模ホテル、アパート、オフィスビルが自家発電を行っていました。排気蒸気を建物や工業プロセスの熱源として利用できたため、これは経済的に魅力的であることがよくありました。これは今日ではコジェネレーションまたは熱電併給（CHP）と呼ばれています。電力価格が下落するにつれて、ほとんどの自家発電は経済的に不利になりました。20世紀初頭まで、独立型発電システムは中央発電所を大幅に上回っていました。[ 12 ]パルプ・製紙、化学、精製など、蒸気と電力の両方を大量に使用する多くの産業では、コジェネレーションは現在でも一般的に行われています。自家発電の継続的な使用はマイクロジェネレーションと呼ばれています。

直流電気モーター

機械を回転させることができる最初の整流子付き直流電動機は、1832年にイギリスの科学者ウィリアム・スタージョンによって発明されました。 [ 78 ]マイケル・ファラデーが実証した電動機に対するこの電動機の決定的な進歩は、整流子の採用でした。これにより、スタージョンの電動機は連続的な回転運動を可能にする最初の電動機となりました。[ 79 ]

フランク・J・スプレーグは1884年、負荷変動時の一定速度維持とブラシからの火花発生の低減という問題を解決し、直流モーターを改良しました。スプレーグはこのモーターをエジソン社を通じて販売しました。[ 80 ]直流モーターは速度制御が容易なため、電気街路鉄道、工作機械、その他速度制御が求められる産業用途など、様々な用途に適していました。[ 12 ]

製造は蒸気機関と水力を利用したラインシャフトとベルト駆動から電気モーターに移行しました。[ 8 ] [ 13 ]

交流

最初の発電所は直流を供給していましたが、すぐに交流の配電が最も好まれる選択肢となりました。交流の主な利点は、高電圧に変換して送電損失を減らすことができ、交流モーターを一定速度で簡単に運転できることでした

交流技術は、1830年から1831年にかけてファラデーが磁場の変化によって回路に電流を誘導できることを発見したことに端を発する。[ 81 ]

交流モーターの三相回転磁界。3つの極はそれぞれ別々の電線に接続されています。各電線には120度位相の異なる電流が流れます。矢印は磁力のベクトルを示しています。三相電流は商業および産業で使用されています。

回転磁場を最初に考案したのはウォルター・ベイリーで、彼は1879年6月28日にロンドン物理学会で、電池で動く整流子付きの多相モーターの実用的デモンストレーションを行った。 [ 82 ]ベイリーの装置とほぼ同じものを、フランスの電気技師マルセル・デプレが1880年に発表し、回転磁場の原理とそれを生み出す2相交流電流システムの原理を明らかにした論文を発表した。[ 83 ] 1886年、イギリスの技師エリヒュー・トムソンが誘導反発原理と彼のワットメーターを拡張して交流モーターを製作した。[ 84 ]

この技術が大規模な発電・送電用に商業的に開発されたのは1880年代のことでした。1882年、シーメンス社に勤務していたイギリスの発明家で電気技師のセバスチャン・デ・フェランティは、著名な物理学者であるケルビン卿と共同で、初期の変圧器を含む交流電力技術の先駆者となりました。[ 85 ]

リュシアン・ゴラールとジョン・ディクソン・ギブスが開発した電力変圧器は、 1881年にロンドンで実演され、ウェスティングハウス社の関心を集めました。彼らは1884年にトリノでもこの発明を展示し、電気照明システムに採用されました。彼らの設計の多くは、英国の電力供給に関する特殊な法律に適合していました。

セバスチャン・ジアーニ・デ・フェランティは1882年にロンドンに店を開き、様々な電気機器の設計を手がけ、この事業に参入しました。フェランティは早くから交流配電の成功を信じ、英国でこのシステムの専門家として数少ない一人でした。ケルビン卿の助力を得て、フェランティは1882年に世界初の交流発電機と変圧器を開発しました。 [ 86 ]イギリスの物理学者ジョン・ホプキンソンは、配電用の3線式（三相）システムを発明し、 1882年に特許を取得しました。 [ 87 ]

イタリアの発明家ガリレオ・フェラリスは、 1885年に多相交流誘導モーターを発明した。そのアイデアは、位相がずれているが同期した2つの電流を使用して2つの磁場を発生させ、スイッチングや可動部品を必要とせずに、組み合わせて回転磁場を生成できるというものである。他の発明家としては、アメリカの技術者チャールズ・S・ブラッドリーとニコラ・テスラ、ドイツの技術者フリードリヒ・アウグスト・ハーゼルワンダーがいた。[ 88 ]彼らは、多相電流によって生成される回転磁場を使用することで、交流モーターの起動に関する問題を克服することができた。[ 89 ]ミハイル・ドリヴォ・ドブロボルスキーは、1890年に最初の3相誘導モーターを発表した。これはヨーロッパと米国で使用されるプロトタイプとなった、はるかに高性能な設計であった。[ 90 ] 1895年までに、GEとウェスティングハウスの両社が交流モーターを市場に投入した。[ 91 ]単相電流では、コンデンサまたはコイル（インダクタンスを生成）をモーター内部の回路の一部に使用して回転磁界を発生させることができます。[ 92 ]別々に配線された極を持つ多速ACモーターは古くから存在しており、最も一般的なのは2速モーターです。これらのモーターの速度は、極のセットのオン/オフを切り替えることで変更されます。これは、大型モーターの場合は専用のモータースターター、小馬力モーターの場合は単純な多速スイッチによって行われます。

交流発電所

最初の交流発電所は、イギリスの電気技師セバスチャン・デ・フェランティによって建設されました。1887年、ロンドン電力供給会社はデプトフォードの発電所の設計をフェランティに依頼しました。彼は建物、発電所、配電システムの設計を担当しました。発電所は、かつて東インド会社が使用していたデプトフォード・クリーク河口の西側、ストウエイジに建設されました。前例のない規模で建設され、高圧（10,000V）交流電流の使用を先導したこの発電所は、800キロワットの電力を発電し、ロンドン中心部に電力を供給しました。1891年に完成したこの発電所は、真に近代的な発電所として初めて、高圧交流電力を供給し、その後、変圧器によって各通りの消費者向けに「降圧」されました。この基本システムは、今日でも世界中で使用されています。

米国では、ジョージ・ウェスティングハウスが、ゴーラールとギブスが開発した電力変圧器に興味を持ち、20:1 の昇圧および降圧を備えた送電システムを使用して、AC 照明システムの開発を開始しました。1890 年にウェスティングハウスとスタンレーは、コロラド州の鉱山まで数マイル電力を送るシステムを構築しました。ナイアガラ発電プロジェクトからニューヨーク州バッファローへの送電には、AC を使用することが決定されました。1890 年にベンダーから提出された提案には、DC および圧縮空気システムが含まれていました。DC と圧縮空気の組み合わせのシステムは、スケジュールの後半まで検討されていました。ナイアガラのコミッショナーであるウィリアム・トムソン(ケルビン卿) の抗議にもかかわらず、ウェスティングハウスとゼネラル・エレクトリックの両社から提案されていた AC システムを構築することが決定されました。1893 年 10 月、ウェスティングハウスは、5,000 馬力、250 rpm、25 Hz、2 相発電機の最初の 3 台を供給する契約を獲得しました。[ 93 ]水力発電所は1895年に稼働を開始し、[ 94 ]当時としては最大のものであった。[ 95 ]

1890年代までには、単相および多相交流が急速に導入され始めました。[ 96 ]米国では1902年までに発電能力の61％が交流となり、1917年には95％に増加しました。[ 97 ]ほとんどの用途で交流が優位であったにもかかわらず、既存のいくつかの直流システムは、交流が新しいシステムの標準となった後も数十年間稼働し続けました。

蒸気タービン

燃料の熱エネルギーを機械的な仕事に変換する蒸気原動機の効率は、蒸気中央発電所の経済的な運用において重要な要素でした。初期のプロジェクトでは、比較的低速で動作する往復蒸気エンジンが使用されていました。蒸気タービンの導入は、中央発電所の運用の経済性を根本的に変えました。蒸気タービンは、往復エンジンよりも大きな定格で製造でき、一般に効率が優れていました。蒸気タービンの速度は、各回転中に周期的に変動しませんでした。これにより、交流発電機の並列動作が可能になり、牽引および産業用途の直流を生成する回転変換器の安定性が向上しました。蒸気タービンは往復エンジンよりも高速で動作し、シリンダー内のピストンの許容速度によって制限されませんでした。これにより、2極または4極のみの交流発電機との互換性が高くなり、エンジンと発電機の間にギアボックスやベルト式増速機は不要になりました。中央発電所のサービスに必要な非常に大きな定格で、低速エンジンと高速発電機の間にベルト駆動を提供するのはコストがかかり、最終的には不可能でした。

現代の蒸気タービンは1884年にイギリスの技師サー・チャールズ・パーソンズによって発明されました。彼の最初のモデルは7.5kW（10馬力）の電気を生成する発電機に接続されていました。 [ 98 ]パーソンズの蒸気タービンの発明により、安価で豊富な電力が可能になりました。パーソンズのタービンは1894年までにイギリスの中央発電所に広く導入されました。ターボ発電機を使用して発電した世界初の電力供給会社は、1894年に設立されたパーソンズ自身の電力供給会社であるニューカッスル・アンド・ディストリクト・エレクトリック・ライティング・カンパニーでした。 [ 99 ]パーソンズの生涯で、ユニットの発電能力は約10,000倍に拡大されました。[ 100 ]

1899年製パーソンズ蒸気タービンは発電機に直接接続されています

アメリカで最初のタービンは1895年にニューヨークのエジソン社で作られた2台のデ・レバルタービンだった。アメリカで最初のパーソンズタービンはピッツバーグ近郊のウェスティングハウス・エアブレーキ社で作られた。[ 101 ]

蒸気タービンは、レシプロエンジンに比べて資本コストと運用面で優位性がありました。蒸気エンジンからの凝縮水は油で汚染されており再利用できませんでしたが、タービンからの凝縮水はクリーンで、通常は再利用できます。蒸気タービンは、同等の定格のレシプロ蒸気エンジンに比べて、サイズと重量がほんの一部でした。蒸気タービンは、ほとんど摩耗することなく何年も運転できます。レシプロ蒸気エンジンは、高度なメンテナンスを必要としました。蒸気タービンは、これまで製造されたどの蒸気エンジンよりもはるかに大きな容量で製造できるため、重要な規模の経済性をもたらします。

蒸気タービンは、より高圧・高温の蒸気で作動するように設計することが可能でした。熱力学の基本原理は、エンジンに流入する蒸気の温度が高いほど効率が高くなるというものです。蒸気タービンの導入は、温度と圧力の一連の改善を促しました。その結果、変換効率が向上し、電力価格が低下しました。[ 102 ]

ボイラーの出力密度は、強制燃焼空気の使用と圧縮空気を用いた粉砕石炭の供給によって向上した。また、石炭の取り扱いは機械化・自動化された。[ 103 ]

電力網

この白黒写真は、田園地帯にあるトレド、ポートクリントン、レイクサイド鉄道の線路脇で送電線を持ち上げている建設作業員を示しています。作業員たちは、線路沿いに物資や自らを運ぶために、貨車を乗り物として使っています。1920年頃に撮影されました
1920年、送電線を架設する建設作業員

長距離送電の実現により、異なる中央発電所を相互接続して負荷を均衡させ、負荷率を向上させることが可能になりました。20世紀初頭に電化が急速に進むにつれて、相互接続はますます望ましいものとなりました

メルツ＆マクレラン・コンサルティング・パートナーシップのチャールズ・メルツは、 1901年にニューカッスル・アポン・タインの近くにネプチューン・バンク発電所を建設し、 [ 104 ] 1912年までにはヨーロッパで最大の統合電力システムに発展させた。[ 105 ] 1905年に彼は議会に働きかけて国の電力供給産業におけるさまざまな電圧と周波数を統一しようとしたが、第一次世界大戦まで議会はこの考えを真剣に受け止めず、彼を問題に対処するための議会委員会の委員長に任命した。1916年にメルツは、稠密な配電網を作り産業に効率的に電力を供給することで、国土の小ささを有利に利用できると指摘した。彼の研究結果は1918年のウィリアムソン・レポートにつながり、さらに1919年の電力供給法案を作成した。この法案はイギリスの統合電力システムへの第一歩となった。

1926年のより重要な電力（供給）法は、ナショナル・グリッドの設立につながりました。[ 106 ]中央電力委員会は国の電力供給を標準化し、132キロボルト、50ヘルツで稼働する最初の同期交流グリッドを確立しました。これは1938年に全国システムであるナショナル・グリッドとして運用を開始しました。

アメリカ合衆国では、第一次世界大戦中の1918年夏の電力危機以降、供給の統合が国家目標となりました。1934年には公益事業持株会社法が制定され、電力会社はガス会社、水道会社、電話会社と同様に重要な公共財として認められ、その事業運営には明確な規制と規制監督が課されました。[ 107 ]

家庭用電化

ヨーロッパと北米の家庭の電化は20世紀初頭に大都市と電気鉄道が通っている地域で始まり、1930年頃にはアメリカで70%の家庭が電化されるまで急速に増加した。

ヨーロッパでは最初に農村地域が電化され、米国では1935年に設立された農村電力局が、サービスが不十分だった農村地域に電化をもたらしました。[ 108 ]

ソ連では、アメリカ合衆国と同様に、農村部の電化は都市部よりも遅かった。農村部における電化が普及したのはブレジネフ政権になってからであり、ソ連の農村電化運動は1970年代初頭までにほぼ完了した。[ 109 ]

中国では、軍閥時代の混乱、国共内戦、そして20世紀初頭の日本軍の侵攻により、大規模な電化は数十年にわたって遅れました。1949年に中華人民共和国が建国されて初めて、中国は広範な電化を推進する態勢を整えました。毛沢東時代には、都市部では電気が普及しましたが、農村部はほとんど無視されていました。[ 110 ] 1976年に毛沢東が死去した時点でも、中国の世帯の25%は依然として電力にアクセスできませんでした。[ 109 ]

1978年に中国の最高指導者となった鄧小平は、より広範な近代化政策の一環として、農村部の電化を推進しました。1990年代後半までに、地方部では電力が広く普及しました。[ 109 ]中国の最後の辺境の村々が電力網に接続されたのは2015年のことでした。[ 111 ]

世紀の変わり目までに無視できなくなった中国の劇的な経済発展は、他の新興経済国、特にインドにとって模範的な事例となった。[ 112 ] 2003年の電力法は、インド政府が初めて村落を含むすべての地域に電力を供給することを義務付けた。インドの発展途上地域の成長を加速させるため、2005年、選出されたばかりのシン政権は、独自の農村電化計画「ラジブ・ガンディー・グラミン・ヴィデュティカラン・ヨジャナ」（農村電力インフラおよび家庭電化計画）を開始した。[ 113 ]

電気料金の歴史的推移

中央発電所による発電は、小型発電機よりも効率的かつ低コストで電力を供給しました。また、単位電力あたりの資本コストと運用コストも中央発電所の方が安価でした。[ 13 ] 20世紀初頭の数十年間、蒸気タービンの導入と交流モーターの導入による負荷率の向上により、電力コストは劇的に低下しました。電力価格の低下に伴い、電力使用量は劇的に増加し、中央発電所は巨大化しました。これにより、大きな規模の経済がもたらされました。[ 114 ] 過去のコストについては、Ayres-Warr (2002) 図7を参照してください。[ 15 ]

こちらもご覧ください

参考文献

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一般的な参考文献と引用文献

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