エネルギー変換効率
有効な出力エネルギーは常に入力エネルギーよりも低くなります。
発電所の効率、世界全体、2008年

エネルギー変換効率（η）は、エネルギー変換機械の有効出力と入力（エネルギー換算）の比である。入力と有効出力は、化学エネルギー、電力、機械仕事、光（放射線）、熱のいずれかである。結果として得られる値η（イータ）は0から1の範囲となる。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

概要

エネルギー変換効率は、出力の有用性に依存します。例えば、熱力学サイクルからの出力が仕事である場合、燃料の燃焼によって発生する熱の全部または一部が廃熱として廃棄される可能性があります。エネルギー変換器はエネルギー変換の一例です。例えば、電球はエネルギー変換器のカテゴリに該当します。 定義には有用性の概念が含まれていますが、効率は専門用語または物理学用語とみなされます。目標またはミッション指向の用語には、有効性や効力などがあります。 η＝PoあなたtP私n{\displaystyle \eta ={\frac {P_{\mathrm {out} }}{P_{\mathrm {in} }}}}

一般的に、エネルギー変換効率は0から1.0、つまり0%から100%の間の無次元数です。効率が100%を超えることは不可能であり、永久機関の実現に繋がります。

ただし、冷蔵庫、ヒートポンプ、および熱を変換するのではなく移動するその他のデバイスでは、1.0 を超える可能性のある他の有効性の尺度が使用されています。これは効率ではなく、成績係数、またはCOPと呼ばれます。これは、必要な仕事 (エネルギー) に対する、提供される有用な加熱または冷却の比率です。COP が高いほど、効率が高く、エネルギー (電力) 消費量が少なくなり、したがって運用コストが低くなります。COP は通常 1 を超えますが、特にヒートポンプの場合は、単に仕事を熱に変換するのではなく (効率が 100% であれば COP は 1 になります)、熱源から必要な場所に追加の熱を送り込むためです。ほとんどのエアコンの COP は 2.3 ～ 3.5 です。[ 4 ]

熱機関や発電所の効率について議論する際には、HHV（総発熱量など）かLCV（正味発熱量）か、そして総出力（発電機端子）か正味出力（発電所フェンス）かを明確に示す必要があります。これらは別物ですが、どちらも明記する必要があります。そうしないと、混乱が絶え間なく生じます。

関連するより具体的な用語としては、

  • 電気効率、消費電力あたりの有効電力出力。
  • 機械効率、つまり、機械的エネルギーの 1 つの形態 (例: 水の位置エネルギー) が機械的エネルギー (仕事) に変換される。
  • 熱効率または燃料効率、消費された燃料などの入力エネルギーあたりの有用な熱および/または仕事出力。
  • 「総合効率」とは、例えばコージェネレーションの場合、消費燃料エネルギーあたりの有効電力および熱出力を指します。熱効率と同じです。
  • 発光効率、放出された電磁放射のうち人間の視覚に利用可能な部分。

化学変換効率

特定の温度における特定の化学変化のギブスエネルギー変化は、その変化を起こすために必要な理論上の最小エネルギー量（反応物と生成物間のギブスエネルギー変化が正の場合）または、その変化から得られる理論上の最大エネルギー量（反応物と生成物間のギブスエネルギー変化が負の場合）である。化学変化を伴うプロセスのエネルギー効率は、これらの理論上の最小値または最大値を基準にして表されることがある。特定の温度における化学変化のエンタルピー変化とギブスエネルギー変化の差は、その温度を維持するために必要な入熱量または除熱量（冷却量）を示す。[ 5 ]

燃料電池は電気分解の逆の現象と考えることができます。例えば、25℃の温度で動作し、気体水素と気体酸素を入力として液体水を出力とする理想的な燃料電池は、理論上、生成される水1グラムモル（18.0154グラム）あたり最大237.129 kJ（0.06587 kWh）の電気エネルギーを生成できます。また、その温度を維持するためには、生成される水1グラムモルあたり48.701 kJ（0.01353 kWh）の熱エネルギーをセルから除去する必要があります。[ 6 ]

25℃の温度で作動する理想的な電気分解ユニットは、液体の水を入力として、ガス状の水素とガス状の酸素を生成物として、消費される水1グラムモル（18.0154グラム）あたり237.129 kJ（0.06587 kWh）の理論的最小入力電気エネルギーを必要とし、その温度を維持するために、消費される水1グラムモルあたり48.701 kJ（0.01353 kWh）の熱エネルギーをユニットに加える必要がある。[ 6 ]セル電圧1.24 Vで作動する。

25℃の一定温度で追加の熱エネルギーを入力せずに動作する水電気分解ユニットの場合、反応エンタルピー（熱）に相当する速度、つまり消費される水1グラムモルあたり285.830 kJ（0.07940 kWh）の電気エネルギーを供給する必要があります。[ 6 ]セル電圧は1.48 Vで動作します。このセルの電気エネルギー入力は理論上の最小値の1.20倍であるため、理想的なセルと比較したエネルギー効率は0.83です。 

1.48 V より高い電圧、25 °C の温度で動作する水電気分解ユニットでは、一定の温度を維持するために熱エネルギーを除去する必要があり、エネルギー効率は 0.83 未満になります。

液体の水と気体水素および気体酸素の間の大きなエントロピー差は、反応のギブスエネルギーと反応のエンタルピー（熱）の間に大きな差が生じる原因となります。

燃料の発熱量と効率

欧州では、燃料の利用可能なエネルギー含有量は、通常、その燃料の低位発熱量（LHV）を用いて計算されます。低位発熱量の定義では、燃料の燃焼（酸化）時に生成される水蒸気は気体のままであり、凝縮して液体の水にならないため、その水の蒸発潜熱は利用できないと想定されています。LHVを用いることで、凝縮ボイラーは100%を超える「加熱効率」を達成できます（LHVの慣例を理解している限り、これは熱力学第一法則に違反しませんが、混乱を招く可能性があります）。これは、装置が燃料の低位発熱量の定義に含まれない蒸発熱の一部を回収するためです。米国およびその他の地域では、水蒸気の凝縮潜熱を含む高位発熱量（HHV）が用いられるため、熱力学的最大値である100%を超える効率は得られません。

壁コンセント効率、発光効率、効能

フラッシュチューブで使用した4種類のガスの絶対放射照度。キセノンは最も効率が高いガスですが、特定の波長の光ではクリプトンの方が効果的です。
人間の目の様々な波長に対する感度。各波長が1ワットの放射エネルギーに相当すると仮定すると、中心波長のみが683カンデラ（1ワットの光エネルギー）として認識され、これは683ルーメンに相当します。縦の線は、589（黄色）のナトリウム線と、一般的な532nm（緑）、671nm（赤）、473nm（青）、405nm（紫）のレーザーポインターを表しています。
壁のコンセントから蛍光灯の光出力までの間のエネルギー損失の段階を示すサンキーダイアグラム。最大の損失はストークスシフトによって発生します。

照明やレーザーなどの光学システムでは、エネルギー変換効率はしばしば壁コンセント効率と呼ばれます。壁コンセント効率は、ワット（ジュール/秒）単位の出力放射エネルギーを、ワット単位の総入力電気エネルギーに対して測定したものです。出力エネルギーは通常、絶対放射照度で測定され、壁コンセント効率は総入力エネルギーに対するパーセンテージで表され、その逆パーセンテージは損失を表します。

壁コンセント効率は、エネルギーの直接的な出力/入力変換（実行できる作業量）を表すのに対し、発光効率は、さまざまな波長に対する人間の目のさまざまな感度（空間をどれだけ明るくできるか）を考慮に入れるという点で、発光効率とは異なります。ワットを使用する代わりに、人間の知覚に比例する波長を生成する光源のパワーは、ルーメンで測定されます。人間の目は、555ナノメートル（緑がかった黄色）の波長に最も敏感ですが、この波長のどちら側でも感度は劇的に低下し、ガウスのパワー曲線に従い、スペクトルの赤と紫の端で感度がゼロになります。このため、目は通常、特定の光源から放射されるすべての波長を見ることはなく、可視スペクトル内のすべての波長も均等に見ることはありません。たとえば、放射エネルギーの点では白色光はすべての色が同じ割合で含まれているにもかかわらず（つまり、5 mW の緑色レーザーは 5 mW の赤色レーザーよりも明るく見えますが、赤色レーザーは白い背景に対してより目立ちます）、黄色と緑色は、目が白として認識する光の 50% 以上を占めます。したがって、光源の放射強度は光度よりもはるかに大きい場合があり、これは光源が目が利用できる以上のエネルギーを放射していることを意味します。同様に、ランプの壁プラグ効率は通常、光効率よりも大きくなります。光源が電気エネルギーを可視光の波長に変換する効率は、人間の目の感度に比例して、発光効率と呼ばれ、入力電気エネルギーのワットあたりのルーメン（lm/w）という単位で測定されます。

測定単位である効力（有効性）とは異なり、効率はパーセンテージで表される単位のない数値であり、入力単位と出力単位が同じタイプであることのみが必要です。したがって、光源の発光効率は、特定の波長における理論上の最大効力あたりの発光効率のパーセンテージです。光子が運ぶエネルギー量は、その波長によって決まります。ルーメンでは、このエネルギーは選択された波長に対する目の感度によって相殺されます。たとえば、緑色レーザー ポインターは、同じ出力の赤色ポインターの見かけの明るさの 30 倍以上になる場合があります。波長 555 nm では、1 ワットの放射エネルギーは 683 ルーメンに相当するため、この波長での単色光源の発光効率は 683 lm/w で、100% になります。理論上の最大効力は、555 nm の両側の波長では低下します。例えば、低圧ナトリウムランプは589 nmの単色光を発し、その発光効率は200 lm/wと、あらゆるランプの中で最も高い値です。この波長における理論上の最大効率は525 lm/wであるため、ランプの発光効率は38.1%となります。ランプは単色であるため、発光効率は壁コンセントの効率である40%未満とほぼ同等です。[ 7 ] [ 8 ]

白色光や複数のスペクトル線を混合して発光するランプの場合、発光効率の計算はより複雑になります。蛍光灯は低圧ナトリウムランプよりも電力変換効率が高いものの、発光効率は約100 lm/wとナトリウムランプの半分しかないため、蛍光灯の発光効率はナトリウムランプよりも低くなります。キセノンフラッシュチューブの電力変換効率は典型的には50～70%で、他のほとんどの照明器具の効率を上回っています。フラッシュチューブは大量の赤外線と紫外線を放射するため、出力エネルギーの一部しか目に利用されません。したがって、発光効率は通常約50 lm/wです。しかし、照明の用途はすべて人間の目が関与するわけではなく、可視波長に限定されるわけでもありません。レーザー励起の場合、効率は人間の目とは関係がないため、「発光」効率ではなく、レーザー媒質の吸収線に関連するため、単に「効率」と呼ばれます。クリプトン閃光管は、 Nd:YAGレーザーの励起によく選ばれますが、その電力変換効率は通常40%程度しかありません。クリプトンのスペクトル線はネオジム添加結晶の吸収線とよく一致するため、この用途におけるクリプトンの効率はキセノンよりもはるかに高く、同じ電気入力で最大2倍のレーザー出力を生み出すことができます。[ 9 ] [ 10 ]これらの用語はすべて、光源から放出されるエネルギーとルーメンの量を指し、照明器具や後続の出力光学系で発生する可能性のある損失は考慮しません。照明器具効率は、ランプ出力あたりの器具からの総ルーメン出力を指します。[ 11 ]

白熱電球などの一部の光源を除き、ほとんどの光源は「壁のコンセント」（電池、直接配線、その他の電源を含む電気入力点）から最終的な光出力までの間に複数のエネルギー変換段階があり、各段階で損失が生じます。低圧ナトリウムランプは、適切な電流と電圧を維持するために、まず電気安定器を用いて電気エネルギーを変換しますが、安定器でエネルギーの一部が失われます。同様に、蛍光ランプも安定器を用いて電気エネルギーを変換します（電子効率）。次に、電気は電気アークによって光エネルギーに変換されます（電極効率と放電効率）。次に、光は適切な波長のみを吸収する蛍光塗料に送られ、塗料での反射と透過により、これらの波長の一部が失われます（伝達効率）。塗料に吸収された光子の数は、蛍光として再放出される数と一致しません（量子効率）。最後に、ストークスシフト現象により、再放出された光子は吸収された光子よりも波長が長くなり（したがってエネルギーが低くなります）、蛍光効率も低くなります。レーザーも同様に、壁コンセントと出力開口部の間で多くの変換段階を経ます。したがって、「壁コンセント効率」または「エネルギー変換効率」という用語は、各段階での損失を差し引いたエネルギー変換装置の全体的な効率を表すために使用されますが、冷却ポンプなど、一部の装置の動作に必要な外部コンポーネントは除外される場合があります。[ 12 ] [ 13 ]

エネルギー変換効率の例

変換プロセス 変換タイプ エネルギー効率
発電
ガスタービン化学から電気へ 最大40%
ガスタービンと蒸気タービン（複合サイクル） 化学から熱+電気（コジェネレーション） 最大63.08% [ 14 ] 2017年12月、GEは最新の826MWの9HA.02発電所の発電効率が63.7%から64%に上昇したと発表した。これは積層造形技術と燃焼技術の進歩によるものだと同社は述べている。プレスリリースでは、2020年代初頭までに65%を達成する計画だと述べられている。[ 15 ]
水力タービン重力から電気へ 最大95％[ 16 ]（実質的に達成）
風力タービン運動から電気へ 最大50％（HAWT単独の場合、[ 17 ]最大25～40％のHAWTが近接している場合、最大35～40％のVAWTが単独の場合、最大41～47％のVAWT連続農場。[ 18 ]デンマークで10年以上経過したHAWT 3128基のうち、半分は減少が見られなかったが、残りの半分は年間1.2％の生産量減少が見られた。[ 19 ]理論上の限界= 16/27 = 59％）
太陽電池放射から電気へ 6～40%（技術によって異なるが、最も多いのは15～20%、x-Si技術の平均劣化率は0.5～0.6%/年[ 20 ]の範囲で、平均は0.8～0.9%/年の範囲である。ヘテロ界面技術（HIT）と微結晶シリコン（μc-Si）技術は、それほど多くはないが、約1%/年の劣化を示し、x-Siよりも薄膜製品に近い。[ 21 ]無限積層限界：86.8%集中[ 22 ] 68.7%非集中[ 23 ]）
燃料電池化学から熱+電気（コジェネレーション） 燃料電池のエネルギー効率は一般的に40～60％ですが、廃熱をコジェネレーションで回収すれば最大85％の効率が得られます。[ 24 ]
2008年時点の世界平均化石燃料発電所[ 25 ]化学から電気へ 総生産量39%、純生産量33%
電力貯蔵
リチウムイオン電池化学から電気/可逆へ 80～90％[ 26 ]
ニッケル水素電池化学から電気/可逆へ 66% [ 27 ]
鉛蓄電池化学から電気/可逆へ 50～95% [ 28 ]
揚水発電重力から電気/可逆的へ 70～85% [ 29 ]
エンジン/モーター
内燃機関化学から運動へ 10～50％[ 30 ]
電気モーター電気から運動へ 70 ～ 99.99% (> 200 W); 50 ～ 90% (10 ～ 200 W)。 30 ～ 60% (< 10 W)
ターボファン化学から運動へ 20～40％[ 31 ]
自然のプロセス
光合成放射線から化学へ 0.1%（平均）[ 32 ]～ 2%（最高）[ 33 ]原則として最大6% [ 34 ]（メイン「光合成効率」を参照）
筋化学から運動へ 14～27%
家電製品
家庭用冷蔵庫電気から熱へ ローエンドシステム ~ 20%; ハイエンドシステム ~ 40–50%
白熱電球電気から放射へ 壁コンセント効率約80% [ 35 ]発光効率0.7～5.1% [ 36 ]
発光ダイオード（LED） 電気から放射へ 4.2～53% [ 37 ]
蛍光灯電気から放射へ 8.0～15.6%、[ 36 ] 28% [ 38 ]
低圧ナトリウムランプ電気から放射へ 15.0～29.0%、[ 36 ] 40.5% [ 38 ]
メタルハライドランプ電気から放射へ 9.5～17.0%、[ 36 ] 24% [ 38 ]
スイッチング電源電気から電気へ 現在、実質的に96％まで
電気シャワー 電気から熱へ 90～95%（他の給湯システムと比較するには、発電のエネルギー効率を乗じてください）
電気ヒーター電気から熱へ 約 100% (基本的にすべてのエネルギーが熱に変換されます。他の暖房システムと比較するには、発電のエネルギー効率を掛けます)
その他
銃器化学から運動へ 約30%（.300ホーク弾）
水の電気分解電気から化学へ 50～70%（理論上の最大値は80～94%）

参照

参考文献

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