風力発電 (Wind Power) ヨーロッパではかなり普及している風力発電の長所と短所を紹介します。 英語版のウイキペディアの邦訳(IOJ 事務局)と日本版のウイキペディアの比較をしてみました。 ２００８年８月３日 掲載 Wind power 風力発電 （英語版のウィキペディアより引用；内容が日本語版と結構、異なっています） From Wikipedia, the free encyclopedia http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_power より引用 上の写真のように三枚の羽根の風力タービンが、金属疲労を最小にすることが分かっているので一般的に使われている。 風力発電は、風力タービンを使って風が持つエネルギーを電力に変換している。 ２００７年末現在、全世界の風力発電量は９４．１ギガ・ワット gigawatts.[1] に上っている。 今のところ風力発電量は全世界の電気使用量[2]の大体１％程度だが、デンマークが１９％、スペインとポルトガルが９％、 ドイツとアイルランドが６％も風力発電で賄われている（２００７年のデータによる）。 世界的に見て風力発電は、２０００年から２００７年の間に五倍以上に増えている。[1] 風力の殆どが電気の形で発電される。大型風力発電所は送電網と連携している。個々の発電タービンは孤 立した場所で電力を供給することができる。風車においては風のエネルギーで揚水し、脱穀するなど直接、 機械エネルギーに変換して使われる。 風力エネルギーは実に豊富であり、再生が可能で、広範囲に分布して、清浄であり、化石燃料からの発電 での温室効果ガス排出量を置き換えて減少させることができる。風力発電を全体の電力使用必要量の一部を 担う限りは電力供給間欠性の問題は滅多に発生しないが、もし風力発電による電気使用量の割合が増えた場 合には、余分なその対策費用が掛ってくる。しかし非常に大きな間欠性あった場合でもこれらの費用はそれ 程多額なものではないと考えられている。[3] Contents 目 次 1 History 歴史 2 Wind energy 風力エネルギー 2.1 Distribution of wind speed 風速分布 2.2 Grid management 送電網管理 2.3 Capacity factor 発電能力の決定因子 3 Intermittency and penetration limits 間欠性と使用比率の限界 3.1 Penetration 発電量の間欠性 3.2 Predictability 発電量の予測性 4 Turbine placement タービンの配置 5 Utilization of wind power 風力発電の利用 6 Small scale wind power 小型風力発電 7 Economics and feasibility 経済性と実現性 7.1 Growth and cost trends 成長性とコストの動向 7.2 Theoretical potential 理論的な実現性 7.3 Direct costs 直接費用 7.4 External costs 間接費用 7.5 Incentives 優遇措置 8 Environmental effects 環境に及ぼす影響 8.1 CO2 emissions and pollution 二酸化炭素排出と公害 8.2 Net energy gain 正味のエネルギー効率 8.3 Ecological footprint 環境上の足跡 8.4 Climate change 気候の変動 8.5 Land use 用地問題 8.6 Impact on wildlife 野生動物への影響 8.6.1 Birds（鳥類） 8.6.2 Bats （コウモリ類） 8.6.3 Fish （魚類） 8.7 Offshore ocean noise 洋上風力発電の騒音 8.8 Safety 安全性（電波障害など） 8.9 Aesthetics 景観 8.10 Examples of opposition to wind power 風力発電に反対する事例 9 See also 関連項目 10 References 参考文献 11 Wind power projects 風力プロジェクト １．歴史 原始的な風車小屋で歴史的に見て初めてのものは、紀元後１世紀に風力を使った原形がある。[4] 最 初に実用化された風車はシスタン現在のアフガニスタンに７世紀頃に建てられたとされている。これ は長方形の羽根を付けた長い垂直状の駆動軸を持つ垂直タイプの車軸であった。[5] 葦の畳か布地で覆 われた６枚から１２枚の帆を付けた風車トウモロコシを挽き、水を汲み上げ、製粉所やサトウキビ製 造に用いられた。[6] 水平タイプの車軸を付けた風車小屋は１１８０年代の初め頃に北西ヨーロッパに 小麦粉を挽くために広まった。今もオランダでそのタイプの風車小屋が多く残っている。[7] アメリカ合衆国での「揚水式・風車小屋」の発達が、たやすく利用できる水を別な方法で委ねられ ていた北アメリカの広い地域で農場や牧畜場を主流なものとしてきた。風車が井戸から水を汲み上げ て初期の蒸気機関車で使う水を供給することで世界中の鉄道網の拡大に貢献した。[8] 木製または鋼鉄製格子の搭の頂部に多くの羽根を持つ風力タービンの風景が、永い間、アメリカの 田園地帯に広がっていた。 現在の風力タービンは１９８０年代に発達し、デザインは今も未だ進化している。 ２．風力エネルギー 風そのものの源は何か、それは非常に複雑なものである。地球は赤道での受熱量より北極と南極での 受熱量は少なく不均等な太陽熱で暖められる。また乾燥した陸地は海洋と比較し暖まりやすく且つ冷え 易い。この異なる暖まり方が、地球表面から実質上の天井に相当する成層圏に達する地球の大気の対流 現象を引き起こす。これらの風の動きに貯め込まれたエネルギーの殆どが風速１６０キロ米/時間もの 風を続けて上空に引き起こすことになる。その結果、風力エネルギーは地球表面と大気を通過し、その 摩擦で生じた熱の拡散でもって変換される。 地球上には実用化できる風力エネルギーが７２テラ・ワット（テラ：１兆）の可能性があると概算さ れている。[9] 与えられた地点を通り過ぎて従うエネルギー全てが取り戻されることではない。 (Betz' law ベッツの法則を参照のこと)。 ２－１ 風速分布 コロラド州のリー・ランチ測候所で２００２年に観測された風速分布（上図の赤色）とエネルギー分布（青色） ヒストグラム（度数分布図）は測定値を示す。曲線は Rayleigh レイライ・モデル分布で同じ平均風速である。 エネルギーは直接風の中に直径が百米の円を通る Betz 限界値 １年間で円内を通過した全エネルギーは 15.4 ギガ・ワット・時間であった。 風は常に変動しており、ある固定した場所での平均値が、そこの風力でタービンを回すことが 出来る平均したエネルギー量を示すとはいえない。 特定した場所で風速の頻度（ヒストグラム） を評価するために、確率分布関数が観測値と良く合致することがある。異なった場所では、違っ た風速の分布が見られる。 レイライ Rayleigh モデルは、各地で測定した時間当たりの風速の実 際の分布に近似できる。 なぜならば大量の風力は大きな風速でもって作り出されるし、エネルギーの殆どが短時間の暴 風から来るものであるからだ。２００２年にリー・ランチ測候所でのデータが以下のことを物語 っている。利用できるエネルギーの半分は稼働時間の丁度１５％に達していた。その結論は、風 力エネルギーは火力発電所で出力されるような一定のものではなく、風力発電の利用は風力が弱 い時間帯には他の方法で風力発電をバックアップしてあげる必要があるということである。もっ と首尾一貫して風力発電をするには、暴風で発電した大量のエネルギーを保存して後で使うよう な貯蔵技術を利用しなければならない。 全世界での風力発電設備能力（１９９７年－２００７年実績）と 予想（２００８年－２０１３年）：指数曲線に乗っている データの出典： WWEA ２．２ 送電網管理 風力発電設備に度々使われる誘導発電機は実効電力を高めるために必要なものである。そこで変 電所は、力率を改善するために実効電力のキャパシタ・バンクを含む風力集電システムに用いて いる。異なったタイプの風力タービン発電機は、送電網が障害を受けている間、違った運転をし て、新規風力発電ファームのダイナミックな電動機械的な特性を持った広大な模型制作が、シス テムが上手く行かないときに予想できる安定的な運転を確実にするよう、送電システムを操作で きる者が必要になる。特に誘導発電機は障害を受けている間はシステムの電圧をサポートできな いし、異なった蒸気又は水力タービン駆動の同位相発電機（共振を電子制御して十分に対応した 力率改善キャパシタが送電網無しで誘導発電をサポートできる）をサポート出来ない。二重に送 る機械 Doubly-fed machines、若しくはタービン発電機と集電システムとの間の固体変換器を持 った風力タービンは、一般的には送電網の相互連絡のために、より好ましい特性を持っている。 送電システムを操作する者は、送電網へ相互連絡するための要求事項を特定するために送電網の 規定を用いて風力発電ファームの開発者に供給する。これは力率、周波数の一定化、システムが 障害を受けている間、風力発電ファームのタービンのダイナミックな運転を含む。[10] [11] ２．３ 発電能力の決定因子 風速は一定でないので、風力発電ファームの年間の発電量は、１年間の総時間に発電機の公称 能力の率を掛け合わせた合計と同程度であるということは無い。実際の１年間の発電効率とこの 理論的最大値との割合を容量因数 capacity factor と呼ぶ。 典型的な容量因数は２０－４０％であ り、立地条件の良い所ではこの範囲の上限値になる。[12][13] 例えば、容量因数が３５％の１メガ・ ワットのタービンは１年間に 8,760 メガ・ワット－時間(1x24x365)の発電をするばかりでなく、 0.35x24x365 = 3,066 メガ・ワット－時間、平均して０．３５メガ・ワットになる。ある発電所に 利用できるオンライン・データと容量因数は年間の出力から計算されうる。[14][15] 違った燃料による発電所の容量因子は風が持つ固有な特性によって限定される。他のタイプの 発電の容量因子は修理のための停止時間の少量によって燃料コストに殆ど依存する。原子力発電 は低い増額の燃料コストが掛かり、そしてフルに出力して容量因数が９０％になる。[16] 高い燃料 コストを伴う発電設備は電力負荷に従って戻り減速される。天然ガスを燃料として使うガス発電 設備は操業するのに非常に多くの費用が掛かり、ピーク電力需要時にのみ運転されるべきである。 ガス燃料の発電設備は、コストが相対的に高いため、年間当たりの容量因数は５－２５％になる。 スタンフォード大学が２００７年の応用気象学と応用気候学ジャーナルに研究報告を発表した。 １０以上の風力発電ファームをつなぐと、最小の判定基準が風速とタービンの高さに合致してい る限りは、基本的電力負荷に用いられ、あてになる総発電量の３３－４７％を可能にする。[17] ３．間欠性と使用比率の限度 風力で発電された電気量は、時間変動、日間変動、季節間変動を起こす。年間で見てもまた変動があ るがそれ程に重要なことではない。なぜなら瞬間の発電と電力消費とは安定した送電網を維持するよう に均衡をとって行かねばならなく、この変動は一つの送電網系統の中へ大量の風力発電の電気量を合体 するために実体のある挑戦を与えることになる。間欠性と風力発電の非－急なる送電性の特性が、規準 化、操業中に電気を貯蔵する益々の増加、そして（風力発電の使用率向上）のエネルギー需要量の管理、 電力負荷の発散、又は電気の貯蔵を必要とし、これらがコストを引き上げている。風力発電の使用比率 が低い場合に、電力負荷揺動や暴風による大容量発電での事故への許容範囲が風力発電の変動に対して の規準化が出来るように発電容量を確保することが要求される。 揚水貯蔵型水力発電又は送電網用エネルギー貯蔵型の他の発電は、風速が大きい期間に発電したエネ ルギーを貯め込むことが出来、また必要時には放出もできる。[18] 貯め込んだエネルギーは経済的に価 値のある風力エネルギーを増やす。なぜなら電気の需要がピークに達した時点で高いコストのエネルギ ーと置き換えることが可能であるからである。この鞘取引から得られる秘めた収入は差引勘定が出来、 且つ貯蔵エネルギーを減らすことができる。つまり貯蔵コストは風力エネルギーに２５％も上乗せ出来 る。 最大瞬間風速は電力の需要量のピーク時とは符号しないかも知れない。カルフォニア州とテキサス州 で、例えば真夏日に、風速は低くて、エアコンの使用で非常に高い電気需要があった。しかし英国では、 冬季の電気需要は夏に比べて大きく、風速は同じである。[19][20][21] 太陽光発電は風力発電と補足的であ る傾向がある。 [who?][22][23] 風が殆どない日の多くは太陽が照り、一方、曇の日は風が強い。 [citation needed] ある実地プロジェクトがマサチューセッツ・マリティム・アカデミーで実証した。太陽光発電、風力発 電、バイオ・ガス発電、水力発電をつないだ発電所が１００％再生可能エネルギーを供給できる方法で あることを提案している。[24] スコットランド研究の２００６年度エネルギー報告書によれば、風力発 電は一つでもってエネルギーの供給は不可能であり、多様な電気エネルギー源を推奨すると云っている。 [25] デンマークの報告書がデンマークの風力発電ネットワークは２００２年の１年間の観測データでは ５４日が風力発電が出来なかったと述べている。[26] 風力発電主唱者らは、この弱い風速の期間は、非 常事態に備えて準備をしておいた既存の発電設備を再稼動すれば何も問題は無い。その既存設備の遊ん でいる期間の維持コストは、ランニングコストの殆どが燃料費だけなので、実際にそれ程掛らないと言 及している。 ３．１ 発電量の間欠性 風力エネルギーの「penetration 使用率」は風力発電されるエネルギーと利用しうる総発 電容量との比率でもって表される。一般的には風力の使用率の「最大」レベルはありえない。 特殊な電力送電網に対しての限界値は、既存の発電設備、価格メカニズム、貯蔵の容量又は 需要量管理やその他の因子などに依る。相互に連結した電力網が、発電容量と送電容量の保 存で発電設備故障に対して許容できることを既に含んでいる。つまり保存した容量が風力発 電により変化する発電量を規準化するようにまた働くのである。総電力エネルギーの消費量 の２０％が極小の故障で合体することが出来るという研究事例がある。[27] これらの研究は風 力発電ファームを地理学的に分散配置した、幾らか急に送られてくるエネルギーがあり、又 は貯蔵能力を持った水力発電を持ち、消費電力管理がなされ、必要時には大きな電力送電網 での送電への相互接続ができる場所でのものであった。このレベルを越えると、技術的な限 界は殆どなくなり、経済的な掛り合いがもっと重要になってくる。 現在、送電網システムで５％以上の風力発電の使用率は殆どない；デンマーク（１８％以 上）、スペインとポルトガル（９％以上）、ドイツとアイルランド（６％）。デンマークの 送電網がヨーロッパの電力送電網に重々しく相互に接続されていて、デンマークは風力発電 量の約半分をノルウェーに輸出送電して送電網管理問題を解決している。電力の輸出送電と 発電との相互関係は強いものである。[28] ミネソタ州から委託された研究では、２５％の使用率があり、電力統合問題は管理できる もので、キロ・ワット－時間当たり０．５セント（０．００４５米国ドル）以下の増加コス トであると報告している。[29] しかし、アイルランド電力会社の、国の送電網 ESB が研究結果を２００４年に出して以下 の結論を得ている。「地熱発電所の上にある風力発電所の逆効果が風力発電の使用率が上昇 すると増してくる。風力発電所の操業は影響を及ぼさないようにし、随意性を増している」 そして彼らは、再生可能エネルギーの目標値が２００１年に EU にて設定した「増加する発電 電力量のコストは１５％以内」に合致していると結論付けた。[30] ３．２ 発電量の予測性 発電量の変動に関連していうならば、風力発電出力の短時間（時間又は日間）予測の問題 がある。他の発電源と同じく、風力発電は計画性を持たねばならない。この風力というエネ ルギー源の特性は本質的に変動を持ち合わせていることである。風力発電量の予測方法を利 用しているが、風力発電設備の出力の予測性は短時間操業においては低い。 ４．タービンの配置 風力タービンの設置場所の良い選び方は風力発電が経済性を持つかどうかが重要になる。風を有効利 用は別にして、送電線網の設置可能性、発電エネルギー値、設置場所の取得費用、用地利用の対価、建 設と操業時の環境側面など他の重要な要因を含んでいる。洋上発電用地は、毎年の高負荷因子に関して 発電コストを低減しているが、それを抱えた高い建設費用を差引勘定しなければならない。風力発電フ ァームの設計者は、当該の風力発電ファームの設計の諸問題の影響度を評価するために専門化した風力 エネルギー・ソフトウェアーを用いている。 ５．風力発電の利用 更に知りたい人への情報: Category:Wind power by country 関連記事 Installed wind power capacity for prior years 設備化された風力発電の容量(MW)[31][32][33] ランク 国名 2005 2006 2007 1 ドイツ 18,415 20,622 22,247 2 アメリカ合衆国 9,149 11,603 16,818 3 スペイン 10,028 11,615 15,145 4 インド 4,430 6,270 8,000 5 中国 1,260 2,604 6,050 6 デンマーク 3,136 3,140 3,129 7 イタリア 1,718 2,123 2,726 8 フランス 757 1,567 2,454 9 英国 1,332 1,963 2,389 10 ポルトガル 1,022 1,716 2,150 11 カナダ 683 1,459 1,856 12 オランダ 1,219 1,560 1,747 13 日本 1,061 1,394 1,538 14 オーストリー 819 965 982 15 ギリシャ 573 746 871 16 オーストラリア 708 817 824 17 アイルランド 496 745 805 18 スウェーデン 510 572 788 19 ノルウェー 267 314 333 20 ニュージーランド 169 171 322 21 エジプト 145 230 310 22 ベルギー 167 193 287 23 台湾 104 188 282 24 ポーランド 83 153 276 25 ブラジル 29 237 247 26 韓国 98 173 191 27 トルコ 20 51 146 28 チェコ共和国 28 50 116 29 モロッコ 64 124 114 30 フィンランド 82 86 110 31 ウクライナ 77 86 89 32 メキシコ 3 88 87 33 コスタリカ 71 74 74 34 ブルガリア 6 36 70 35 Iran イラン 23 48 66 36 ハンガリー 18 61 65 ヨーロッパのその他 129 163 アメリカ大陸のその他 109 109 アジアのその他 38 38 アフリカと中近東のその他 31 31 オセアニアのその他 12 12 世界の総計(MW) 59,091 74,223 93,849 年間風力発電量(TWh) /電気使用量総量(TWh)[34][35][36] ランク 国名 2005 2006 2007 風力発電 全電力量 風力発電 全電力量 風力発電 全電力量 1 ドイツ 27.225 533.700 30.700 569.943 39.500 584.939[37] 2 アメリカ合衆国 4049.8 26.3[38] 4104.967 4179.908 3 スペイン 23.166 254.90 29.777 294.596 303.758 4 インド 661.64 5 中国 2474.7 2.70 2834.4 3255.9 6 デンマーク 6.614 34.30 7.432 44.24 37.276 7 フランス 547.8 2.323 550.063 545.289 8 英国 0.973 407.365 383.898 379.756 9 ポルトガル 35.0 4.74 48.876 世界総計(TWh) 16790[39] 現在の風力発電の産業化は、デンマークの製造会社クリアント、ヴェスタス、ノルドタンク、ボヌス 社の風力タービン製造から始まり１９７９からであった。これら初期の段階のタービンは現在の標準よ り小型で能力は２０－３０キロ・ワット程度だった。それ以来サイズも大きくなり風力タービンの製造 が世界中に広まった。 今日、数千もの風力タービンが稼動しており、合計した発電容量は７３,９０４ MW に上り、その内ヨ ーロッパが 65%を占めている。 (２００６年) 風力発電は２００４年末で急速に伸長したエネルギー 源である。[citation needed] ２０００年から２００６年の間で風力発電容量は４倍以上となった。世界の風 力発電所建設の８１％がアメリカ合衆国とヨーロッパで、その上位五カ国が占める割合は２００４年の ７１％から２００６年には６２％と新規導入が多少落ち込んできている。 ２００７年現在設備導入した発電容量の一番多い国はドイツであり、アメリカ合衆国、スペイン、イ ンド、中国が続いている。（上表参照のこと） ２０１０年までに、WWEA（世界風力エネルギー協会）が全世界の風力発電容量が１６０ギガ・ワ ットになるだろうと予測し[40] ２００６年末の７３．９ギガ・ワットから年率２１％の成長を見込んで いる。 デンマークでは、電力の風力発電量が五分の一近くと、世界で最も高い比率であり、且つ風力発電総 量としても世界で五番目である。デンマークは風力発電のタービンの製造と利用に関して傑出しており、 １９７０年代に、既に国が将来、風力発電の使用率を５０％にするとの約束をしている。