ベウハトゥフ発電所 (ポーランド 、ベウハトゥフ) ドイツ、グレーフェンブロイヒ のフリマースドルフ発電所 石炭火力発電所の図 石炭火力発電のシェア 石炭火力 発電 所は、石炭 を燃焼させて発電 する火力発電所 です。世界には約2,500の石炭火力発電所があり、[ 1 ] 平均で1基あたり1ギガワットの 発電能力 があります。[ 2 ] [ a ] 石炭火力発電所は世界の電力 の約3分の1を発電していますが、[ 3 ] 主に大気汚染が原因で、多く の病気やエネルギー生産量あたりの早期死亡を引き起こしています。[4] 世界 の設備 容量は 2000 年 から 2023年にかけて倍増し、2023年には2%増加します 。 [ 7 ]
石炭火力発電所は化石燃料発電所 の一種です。石炭は通常、粉砕され、 微粉炭ボイラー で燃焼されます。炉の熱によってボイラー水は蒸気 に変換され、その蒸気はタービンを回転させて 発電機 を回転させます。このようにして、石炭に蓄えられた化学エネルギーは、熱エネルギー 、機械エネルギー 、そして最終的に電気エネルギー へと順次変換されます。
石炭火力発電所は気候変動の最大の原因 であり、[ 8 ] 年間約 120 億トンの二酸化炭素 を排出しており、[ 2 ] これは世界の温室効果ガス排出量 の約 5 分の 1に相当します。[ 9 ] 中国は世界の石炭火力発電の半分以上を占めています。[ 10 ] 稼働中の石炭火力発電所の総数は 2020 年に減少し始めましたが、[ 11 ] [ 12 ]欧州 [ 13 ] および南北アメリカ大陸[ 14 ] での閉鎖により、[ 14 ]アジア、特に中国と東南アジアでは建設が続いています。[ 15 ] [ 16 ] 石炭の生産と使用に伴う健康および環境コストが 電気料金に十分に反映されていないため、一部の発電所の収益性は外部 性 によって維持されています 。[ 17 ] [ 18 [ 19 ] これは、世界で最も石炭火力発電所の成長率が高い地域の一つである東南アジアにおいて特に大きなリスクである。[ 20 ]
国連事務総長は、 OECD 諸国に対して2030年までに、その他の国々に対しては2040年までに石炭火力発電を段階的に廃止する よう求めている。[ 21 ]
歴史 ロンドンのホルボーン・ビアダクト発電所は 、1882年に開設された世界初の公共蒸気駆動石炭火力発電所である。最初の石炭火力発電所は19世紀後半に建設され、レシプロエンジンを用いて 直流電力 を発電していました。20世紀初頭には蒸気タービンの 登場により、はるかに大規模な発電所が建設され、交流電力が より広い地域に供給されるようになりました。
石炭の輸送と配送 ベルデューン発電所は カナダ 最大の石炭火力発電所である。石炭は、高速道路のトラック、鉄道 、はしけ 、石炭 船、または石炭スラリーパイプライン によって輸送されます。発電所は鉱山に隣接して建設される場合もあります。特に、長距離輸送に適さない褐炭などの石炭を採掘している鉱山では、 ベルトコンベア や大型のディーゼル電気 駆動トラック で石炭を受け取ることがあります。[ 22 ] 「ユニットトレイン」と呼ばれる大型の石炭列車は、全長2kmにも及び、1両あたり約100トンの石炭を積んだ130~140両の車両で構成され、総積載量は10,000トンを超えます。[ 23 ] 大型プラントは、フル稼働時には、この規模の石炭輸送を毎日少なくとも1回必要とします。特に、電力消費量が多い「ピークシーズン」(地域の気候によって異なる)には、1日に3~5両もの列車がプラントに到着することがあります。
現代のアンローダーは回転式ダンプ装置を採用しており、これにより底部ダンプカーにおける石炭の凍結の問題を解消しています。アンローダーには、列車全体を牽引して各車両を石炭ホッパー上に配置するための列車ポジショナーアームが備えられています。ダンパーは各車両をプラットフォームに固定し、プラットフォーム上で車両を上下に回転させて石炭を投棄します。旋回式連結器により、車両が連結されたままの状態で全ての作業を行うことができます。ユニットトレイン1両の荷降ろしには約3時間かかります。[ 24 ]
より短い列車では、「エアダンプ」を備えた車両が使用される場合があります。これは、機関車の空気圧と各車両に取り付けられた「ホットシュー」を利用するものです。この「ホットシュー」が荷降ろし架台で「ホットレール」に接触すると、エアダンプ装置に電流が流れ、車両下部の扉が開き、架台の開口部から石炭が排出されます。このような列車の荷降ろしには、1時間から1時間半かかります。古い荷降ろし装置では、手動で操作する下部ダンプ車両と、石炭を排出するための「シェーカー」が取り付けられている場合があります。
石炭を積載する貨物船(コリア船)は41,000トン(40,000ロングトン)の石炭を積載し、荷揚げには数日かかる。石炭船の中には、自社の燃料油を荷揚げするための搬送設備を保有している船もあれば、工場の設備を利用する船もある。河川や湖などの穏やかな水域での石炭輸送には、平底船がよく用いられる。バージは通常動力を持たず、 タグボート や曳船 によって移動させなければならない。[ 25 ]
プラントは、始動時や補助的な用途で燃料油を使用する場合もあります。燃料油は、パイプライン、タンカー、タンク車、またはトラックでプラントに輸送されます。燃料 油 は、 最大14,000立方メートル(90,000バレル)の垂直円筒形鋼製タンクに貯蔵されます。より重い No.5「バンカー」燃料とNo.6燃料は、寒冷地ではポンプで送り出す前に蒸気加熱されるのが一般的です。[ 26 ]
手術 石炭火力発電所の構成要素 火力発電所 の一種である石炭火力発電所は、石炭に蓄えられた化学エネルギーを、熱エネルギー 、機械エネルギー 、そして最終的に電気エネルギー へと順次変換します。石炭は通常、粉砕され、 微粉炭ボイラー で燃焼されます。燃焼した微粉炭の熱によってボイラー水は蒸気 に変換され、その蒸気でタービンが 回転し、発電機を 駆動します。他の燃料を燃焼する火力発電所と比較して、石炭火力発電所は、石炭特有の燃料処理と灰処理を必要とします。
約200MW を超えるユニットでは 、強制通風機、誘引通風機、空気予熱器、フライアッシュコレクターを二重に設置することで、主要機器の冗長性が確保されています。約60MWのユニットでは、ユニットごとにボイラーを2基設置する場合もあります。最大規模の石炭火力発電所100基 の規模は、3,000MWから6,700MWの範囲です。
石炭処理 石炭は、粗炭を5cm(2インチ)未満の大きさに粉砕することで、使用準備を整えます。その後、石炭はベルトコンベア によって貯蔵ヤードから工場内の貯蔵サイロへと、最大毎時4,000トンの速度で輸送されます。
微粉炭を燃焼させる発電所では、サイロから石炭が粉砕機 (石炭ミル)に送られます。粉砕機は5cmほどの大きな石炭を粉砕し、タルカムパウダー 程度の硬さになるまで粉砕、選別した後、一次燃焼空気と混合します。一次燃焼空気は石炭をボイラー炉に送り込み、余分な水分を除去するために石炭を予熱します。500MWの発電 所にはこのような粉砕機が6台設置されており、そのうち5台は全負荷時に毎時250トンの石炭を炉に供給できます。
粉砕された石炭を燃焼しないプラントでは、5 cm の大きな破片がサイロに直接投入され、そこから石炭が移動格子に落とされる機械式ディストリビューター、または大きな燃料を効率的に燃焼できる特殊なタイプの燃焼器であるサイクロンバーナー に供給されます。
ボイラー運転 亜炭 (褐炭)用に設計されたプラントは、ドイツ、ビクトリア州、オーストラリア 、ノースダコタ州 など、様々な場所で使用されています。亜炭は黒炭よりもはるかに若い石炭です。黒炭よりもエネルギー密度が低く、同等の熱出力を得るにははるかに大きな炉が必要です。このような石炭は最大70%の水分と灰分 を含む場合があり、炉の温度が低くなるため、より大きな誘引通風ファンが必要になります。燃焼システムも黒炭とは異なり、通常は炉の出口レベルから高温ガスを引き出し、ファン式ミルで入ってくる石炭と混合します。ファン式ミルは、粉砕された石炭と高温ガスの混合物をボイラーに噴射します。
灰の処分 灰はしばしば灰貯留池に貯蔵されます。大気汚染対策( 湿式スクラバー など)と灰貯留池を併用することで大気汚染物質の量は減少しますが、この構造物は周辺環境に深刻な健康リスクをもたらします。[ 27 ] 電力会社は、特に米国ではライナーなしで灰貯留池を建設することが多く、そのため灰に含まれる化学物質が 地下水 や表層水に浸出する可能性があります。[ 28 ]
1990年代以降、米国の電力会社は多くの新規発電所に乾燥灰処理システムを導入してきました。乾燥灰は通常、ライナーと地下水監視システムを備えた埋立地に処分されます。[ 29 ] 乾燥灰は、コンクリート、道路建設用の構造充填材、グラウトなどの製品にリサイクルすることもできます。[ 30 ]
フライアッシュ収集 フライアッシュ は、炉の出口、誘引通風機の前段に設置された電気集塵機または布製バグフィルター(場合によっては両方)によって、排ガスから捕捉・除去されます。フライアッシュは、集塵機またはバグフィルターの下にある集塵ホッパーから定期的に除去されます。通常、フライアッシュは空気輸送によって貯蔵サイロに輸送され、敷地内の灰池 に貯蔵されるか、トラックまたは貨車で埋立地 に輸送されます。
ボトムアッシュの収集と処分 炉底には、ボトムアッシュ を収集するためのホッパーがあります。このホッパーには水が満たされており、炉から落下する灰とクリンカーを急冷します。クリンカーを 粉砕し、粉砕されたクリンカーとボトムアッシュを敷地内の灰置き場または敷地外の埋立地に搬送する設備も備えています。都市ごみ燃焼ボイラーから排出される灰は、灰抜き機で排出されます。
柔軟性 石炭火力発電所のアニメーション 効果的なエネルギー政策 、法律 、そして電力市場は 、系統の柔軟性にとって不可欠です。[ 31 ] 一部の石炭火力発電所の柔軟性は向上可能ですが、一般的に、ほとんどのガス火力発電所よりも ディスパッチ可能な発電量が 少なくなります。柔軟性の重要な側面は、最低負荷が低いことです。[ 32 ] しかし、石炭火力発電所の柔軟性向上には、蓄電池を備えた 再生可能エネルギー 源を導入するよりもコストがかかる場合があります。[ 33 ]
石炭火力発電 石炭は世界の電力の30%以上を発電している 2020年現在、燃焼される石炭の3分の2は発電に使用されています。[ 12 ] 2020年には石炭が34%で最大の電源でした。[ 34 ] 2020年の世界の石炭火力発電の半分以上は中国で発生し、[ 34 ] 中国、インド、インドネシアでは石炭が電力の約60%を供給しました。[ 3 ]
2020年には世界全体で2,059GWの石炭火力発電所が稼働しており、そのうち50GWが新規に稼働開始、25GWが建設中(主に中国)、38GWが廃止された(主に米国とEU)。[ 35 ]
2023年までに世界の石炭火力発電容量は2,130GWに増加したが、これは主に中国での47.4GWの追加によるものである。[ 36 ] : 7–64
2021年の国連気候変動枠組条約第26回締約国会議 (COP26)では、世界石炭火力からクリーン電力へ の移行に関する声明を通じて、一部の国が石炭火力からの脱却を約束しましたが、特にインドネシアやベトナムなどの発展途上国では依然として大きな課題が残っています。[ 37 ]
効率 石炭火力発電所には、効率の高い順に、亜臨界、超臨界 、超々臨界、コージェネレーション (熱電併給またはCHPとも呼ばれる)の4つの主要なタイプがあります。 [ 38 ] 亜臨界は最も効率の低いタイプですが、最近の技術革新により、古い亜臨界発電所を改造することで、超臨界発電所の効率と同等か、それを上回ることも可能になっています。[ 39 ]
統合ガス化複合サイクル設計 石炭ガス化複合発電(IGCC)は、高圧ガス化炉を用いて石炭(またはその他の炭素系燃料)を加圧合成ガス(合成ガス)に変換する石炭火力発電技術です。ガス化プロセスにより 複合サイクル発電機 の使用が可能になり、一般的に高い効率が得られます。また、IGCCは発電前に合成ガスから特定の汚染物質を除去することも可能にします。しかし、この技術は従来の石炭火力発電所よりも高価です。
二酸化炭素排出量 エネルギー源別の温室効果ガス。石炭は温室効果ガスを最も多く排出するエネルギー源です。 石炭は主に炭素であるため、石炭火力発電所は 炭素強度 が高い。平均して、石炭火力発電所は他のエネルギー源と比較して、発電量当たりの温室効果ガス排出量がはるかに多い( エネルギー源のライフサイクル温室効果ガス排出量 も参照)。2018年には、発電のために燃焼された石炭は、燃料燃焼による総排出量34 Gt [41] のうち10 Gt CO2以上を排出した( 2018年 の 総 温室 効果 ガス 排出量は55 Gt CO2 e [ 42 ] ) 。
緩和
段階的に廃止 一部の石炭火力発電所の廃止と並行して、他の石炭火力発電所の増設は続いているが、2010年代以降、年間の増設量は減少している。
[ 45 ] 2015年から2020年にかけて、石炭火力発電は絶対的にはほとんど減少しなかったものの、その市場シェアの一部は風力と太陽光に奪われた。[ 34 ] 2020年に石炭火力発電が増加したのは中国のみで、世界全体では4%減少した。[ 34 ] しかし、2021年に中国は2025年まで石炭火力発電を制限し、その後段階的に廃止すると宣言した。[ 46 ] 国連事務総長 は、OECD諸国は2030年までに、世界のその他の地域は2040年までに石炭火力発電を停止すべきであり、さもなければ パリ協定 の目標である地球温暖化を1.5℃に抑えることは極めて困難になると述べている。[ 21 ] エコノミスト誌 の2024年の分析では、段階的廃止の資金調達はカーボンオフセット よりも安価であると結論付けている。[ 2 ] しかし、アジアでは発電所が比較的新しいため、段階的に廃止することは財政的な課題となる可能性があります。[ 3 ] 中国では、発電所を閉鎖することによる副次的利益はその場所によって大きく異なります。[ 47 ] ベトナムは、2040年代またはその後できるだけ早くまでに、段階的に石炭火力発電を廃止することを完全に約束した、石炭に依存した急速な発展途上国のうちの数少ない国の一つです。[ 48 ]
アンモニア混焼 アンモニアは 水素密度が高く、取り扱いが容易です。ガスタービン発電における炭素フリー燃料として利用でき、燃料としてCO2排出量を大幅に削減するのに役立ちます。 [ 49 ]
日本では、大規模な商用石炭火力発電所で大量のアンモニアを混焼できる技術を開発するための最初の主要な4年間の試験プロジェクトが2021年6月に開始されました。[ 50 ] [ 51 ] しかし、低炭素の水素とアンモニアは、電力発電とは異なり、他にクリーンな選択肢がほとんどない持続可能な船舶 に求められています。[ 52 ]
変換 一部の発電所はガス、バイオマス 、廃棄物を燃焼するように転換されており[ 53 ] 、2023年には蓄熱 への転換が試験される予定である[ 54 ]。
炭素回収 中国では2020年に既存の石炭火力発電所の一部を炭素回収貯留装置 で改修することが検討されていたが[ 55 ] 、これは非常に費用がかかり[ 12 ] 、エネルギー出力を減少させ、一部の発電所では技術的に実現不可能である。[ 56 ]
汚染 石炭火力発電所の廃棄物 石炭火力発電所は、微粒子 (微小な大気汚染物質)の排出によって毎年何千人もの命を奪っています。微粒子は肺やその他の臓器に侵入し、喘息 、心臓病 、低出生体重 、がんなど 、様々な健康被害を引き起こします。米国だけでも、PM2.5(直径2.5μm以下の微粒子)と呼ばれるこのような微粒子は、 20年間で少なくとも46万人の死亡を引き起こしました。[ 57 ]
一部の国では、汚染は利用可能な最善の技術 によってある程度抑制されており、例えばEUでは[ 58 ] 、産業排出指令 を通じて行われている。米国では、石炭火力発電所は、水銀および大気有害物質基準 (MATS)規制[ 59 ] 、水質汚染 に関する排出ガイドライン [ 60 ] 、資源保全回収法 (RCRA)に基づく固形廃棄物規制など、いくつかの大気汚染規制によって国家レベルで管理されている。[ 61 ]
石炭火力発電所は、西バルカン諸国 、[ 62 ] インド、ロシア、南アフリカなどの規制が緩い国々で汚染を続けており、[ 63 ] 毎年10万人以上の早期死亡を引き起こしています。[ 5 ] [ 64 ] [ 65 ]
地域の大気汚染 粒子状物質 、二酸化硫黄 、窒素酸化物 による健康被害は主にアジアで発生しており、近代的な排ガス処理設備のない発電所で 褐炭 などの低品質の石炭を燃焼させることが原因であることが多い。[ 63 ] 大気汚染による早期死亡者数は1GW年あたり200人と推定されているが、スクラバーが使用されていない発電所周辺ではそれより多く、都市から遠い場合はそれより少なくなる可能性がある。[ 66 ] 石炭からの硫黄、硫酸塩、またはPM 2.5への曝露は、他のPM 2.5 成分または単位濃度あたりの他の発生源からのPM 2.5 よりも、相対的な罹患率または死亡率のリスクが高い可能性があることを示す証拠がある。[ 67 ]
水質汚染 ライニングされていない石炭灰 貯留池や埋立地から地下水に浸出する重金属 などの汚染物質は、数十年または数世紀にわたって水を汚染する可能性があります。 [ 68 ] 灰貯留池 から河川(またはその他の表層水域)に排出される汚染物質には、通常、ヒ素 、鉛 、水銀、セレン 、クロム 、カドミウム が含まれます。[ 60 ]
石炭火力発電所から排出される水銀は、雨となって地表や水域に戻り、バクテリアによってメチル水銀に変換される可能性があります。 [ 69 ] 生物濃縮 により、この水銀は魚類の体内で危険な高濃度に達する可能性があります。[ 70 ] 大気中の水銀の半分以上は石炭火力発電所から排出されています。[ 71 ]
石炭火力発電所は二酸化硫黄 と窒素 も排出します。[ 72 ] これらの排出物は酸性雨 を引き起こし、食物網の 再構築や魚類や無脊椎動物の 個体数の減少につながる可能性があります。[ 72 ] [ 73 ]
地域汚染の緩和 2018年時点で、石炭火力発電所が最も多い中国では、特に小型で効率の低い発電所が早期に廃止されれば、2020年代と2030年代に地域汚染がさらに減少すると予測されている。[ 74 ]
経済
補助金 石炭火力発電所は、高い稼働率を有し、出力の増減が比較的困難でコストもかかるため、ベースロード電源として利用される傾向がある。そのため、リアルタイムの エネルギー市場 では、立地限界価格の変動に対応できず、パフォーマンスが悪くなる。米国では、安価な天然ガスの登場により、特にこの傾向が顕著になっている。天然ガスは、送電網のベースロード電源の役割を代替するディスパッチ可能な発電所 の燃料として利用できる。[ 75 ]
2020年には石炭産業は180億米ドルの補助金を受けた。[ 3 ]
ファイナンス 石炭関連プロジェクトへの資金援助は、石炭採掘や石炭火力発電所を含む石炭関連プロジェクトに提供される。[ 76 ] 世界のエネルギー情勢を形作る上での石炭関連プロジェクトの役割と、環境・気候への影響は、石炭関連プロジェクトを懸念の対象としている。石炭関連プロジェクトへの資金援助が、特にパリ協定 をはじめとする国際的な気候変動目標と乖離していることが、注目を集めている。[ 77 ]
パリ協定は、地球温暖化を 2℃を大幅に下回る水準に抑え、理想的には1.5℃に抑えることを目指しています。これらの目標を達成するには、石炭関連活動の大幅な削減が不可欠です。[ 78 ]
石炭火力発電への資金提供と気候目標の不一致が、財務ベースの石炭排出量計算を含む研究によって明らかになっている。[ 77 ] 中国、日本、米国などの主要国は、海外の石炭火力発電インフラに財政支援を行っている。[ 76 ] [ 79 ] 最大の支援者は、一帯一路 (BRI)構想に基づく中国の銀行である。[ 80 ] [ 76 ] この支援は、長期的な気候および財政上の重大なリスクをもたらし、中国、米国、日本が署名しているパリ協定で定められた二酸化炭素排出量削減の目標を損なっている。関連する 二酸化炭素 排出量のかなりの部分は、2019年以降に発生すると予想されている。[ 77 ]
石炭火力発電への資金提供は、発電部門の世界的な脱炭素化にとって課題となっている。[ 79 ] 再生可能エネルギー 技術のコスト競争力が高まるにつれて、石炭プロジェクトの経済的実現可能性は低下し、過去の化石燃料 投資の魅力は低下している。[ 81 ] これらの懸念に対処し、気候目標と整合させるために、海外の石炭火力発電への資金提供に関するより厳格な政策を求める声が高まっている。[ 76 ] [ 77 ] 日本や米国を含む国々は、特定の石炭火力発電プロジェクトへの資金提供を許可したことで批判に直面している。石炭火力発電プロジェクトへの公的資金提供を完全に禁止するなど、政策を強化することで、各国の気候変動対策への取り組みと信頼性が向上するだろう。さらに、資金提供の詳細を開示する際の透明性の向上は、環境影響を評価する上で極めて重要である。[ 77 ]
容量係数 インドでは設備利用率は60%を下回っている。[ 82 ] 2020年の米国の石炭火力発電所の全体の設備利用率は 40%で、累積定格出力の半分弱で稼働していたことになる。[ 83 ]
座礁資産 パリ協定 で定められたように地球温暖化が2℃を大きく下回る水準に抑えられれば、2050年までに5000億米ドルを超える石炭火力発電所の座礁資産が予測されており、そのほとんどは中国で発生している。 [ 84 ] 2020年にシンクタンクのカーボントラッカーは、石炭火力発電所の39%がすでに新しい再生可能エネルギーや 蓄電池 よりも高価であり、2025年までに73%になると推定した。 [ 85 ] 2020年現在、中国の石炭火力発電会社の約半数が赤字に陥っており、旧式で小規模な発電所は「利益を上げる見込みがない」。[ 86 ] 2021年現在、インドは補助金を出すことで潜在的な座礁資産の稼働を維持している。[ 87 ] [ 88 ] [ 89 ]
政治 グリーンピースが ドイツ首相官邸 で石炭反対の抗議活動2021年5月、G7は 年内に石炭火力発電所への支援を終了することを約束した。[ 90 ] G7の石炭火力支援終了へのコミットメントは、G7の石炭火力発電容量が2015年の23%(443GW)から2023年には15%(310GW)に減少しており、より環境に優しい政策への転換を反映していることを考えると、意義深いものである。これは、石炭が依然としてエネルギー政策の中心となっている中国やインドとは対照的である。[ 36 ] : 11
2023年現在、20カ国グループ (G20)は世界の稼働中の石炭火力発電容量(1,968GW)の92%と建設前の容量(336GW)の88%を保有している。[ 36 ] : 11
中国の石炭に関するエネルギー政策と 中国の石炭は 、国内に多数の石炭火力発電所が存在することから、石炭火力発電所の将来を左右する最も重要な要因である。[ 91 ] ある分析によると、中央政府が稼働時間を保証し、高い卸電力価格を設定したため、地方当局は2010年代半ばに石炭火力発電に過剰投資した。[ 92 ]
民主主義国では、石炭火力発電への投資は環境クズネッツ曲線 に沿っている。[ 93 ] インドの石炭に関するエネルギー政策は 、インドの政治 における問題となっている。[ 94 ] [ 95 ]
抗議 21世紀には、ハンバッハの森 、アクベレンの森 、フォス・イ・フランなどの 露天掘り鉱山に対する抗議活動が頻繁に行われてきました。[ 96 ] [ 97 ]また、ケニア [ 98 ] や中国[ 99 ] などの新しい鉱山計画地でも抗議活動が行われました。
参照
注記 ^ 引用されている数字7120は実際にはユニットの数です。Global Energy Monitor の説明によると、発電所には複数のユニットがある場合があります。
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