Blowin’ in the Wind～風に吹かれて 風力発電 徹底解説2BY ALLEN HUANG

風力タービンが捕捉できるのは、風力の一部に限られます。ベッツ限界として知られる理論上の最大値は、風力の59.3%となります。実際の風力発電は、さまざまな空力や機械の損失のため、より低い効率で稼働しており、通常、洋上では27～44%、陸上では30～35%となっています。

現代の風力発電は、通常、3枚のブレードを備えた水平軸機械です。ブレードは、ローターを回転させる揚力を生成するために翼型を採用しています。負荷と騒音を最小限に抑えながら電力出力を最大化するためには、ブレードの形状と材料を慎重に設計することが求められます。

風力は無限の資源となりますが、断続的であるため、従来の化石燃料発電所や原子力発電所のように安定した電力を提供することができません。この課題に対処するには、強風時に発生する余剰電力をバッテリーに蓄える必要があります。リチウムイオン電池やフロー電池などのバッテリーは、余剰エネルギーを化学エネルギーとして蓄えます。このエネルギー貯蔵方法は、風力発電の変動を平滑化し、自然環境に左右されず、安定した電力供給を確保するのに役立ちます。

再生可能エネルギーで発電した電力の有効活用を図るため、バッテリーは重要な役割を果たします。現在、バッテリーには以下の種類があります。

これらの電池は、余剰電力を貯蔵し、風力エネルギーの変動性に対処しており、不可欠な要素ですが、いくつかの課題があります。電池は高価であり、リチウムイオン電池などの高度な技術には多額の投資が必要ですが、その市場価格は徐々に下がっています。また、電池には寿命があり、一定回数の充電と放電を繰り返すと性能が低下するため、最終的には交換が必要になります。

エネルギー密度とは、特定のシステムまたは材料に単位体積または単位質量あたりに貯蔵できるエネルギーの量を指します。エネルギー密度が高いほど、より小さなスペースまたはより軽いスペースに多くのエネルギーを貯蔵できることになります。しかし、バッテリーのエネルギー密度は向上しても、他の貯蔵方法と比較するとまだ不十分な場合があり、大規模な用途での活用が制限されます。バッテリーの密度を高めることは可能ですが、コスト増と短寿命という問題を引き起こします。また、大規模な使用に適した他のエネルギー貯蔵方法があります。これらの方法には、水を丘の上の貯水池に汲み上げてエネルギーを貯蔵し、必要に応じて放出して発電する揚水式水力発電や、地下の洞窟で空気を圧縮してエネルギーを貯蔵し、放出してタービンを駆動する圧縮空気エネルギー貯蔵などがあります。

風力発電でも、原材料の採掘やリサイクルなどを通して、バッテリーの製造と廃棄により地球環境に悪影響を与えています。

バッテリーの性能は温度管理に大きく影響し、極端な条件では効率と寿命が低下する可能性があります。さらに、バッテリーの充電または放電速度は、電力網の急速な需要に必ずしも対応できない可能性があり、大規模なシステムにはかなりの物理的スペースが必要となり、これらの課題に対処する必要があります。

米国エネルギー情報局（EIA）によると、米国の風力発電の大半は、国土中央部に集中しています。2023年に風力発電で最も多くの電力を生産した5つの州は、テキサス州、アイオワ州、オクラホマ州、カンザス州、イリノイ州で、これらの州を合わせると、2023年の米国の風力発電量全体の約59％を占めています。

また、米国では、平均的な家庭は、年間約10,600kWhの電力を消費していますが、5州の風力発電量の合計が約2,500億kWhであることを考えると、5州の風力発電だけで、米国内の全世帯の18％に相当する約2,360万世帯に1年間分の電力を供給できることになります。

風力発電の急成長は米国に限った話ではありません。GWECの2024年報告書によると、陸上風力と洋上風力の両方合わせて、全世界で2022年から2023年にかけて前年比50％増となっています。陸上風力発電は、105.8GWが追加され、増加分が初めて100GWを超えました。一方、洋上風力は10.8GWの新規設置で2番目に高い年となりました。2023年末までに、世界の累計風力発電容量は約1,021GW（陸上風力：約945GW、洋上風力：約76GW）に達し、前年比13％増となっています。

そして、市場規模拡大の要因の一つに技術の進歩があげられます。現在の風力発電は、風力発電そのものが大型化することで、効率的な運用が可能となり、これにより以前と比べ、エネルギー出力が増し、建設や運用のコストも低下しています。2021年、洋上風力タービンの平均ローター直径は160メートルに達し、2010年から43％増加しています。また、世界最大の風力タービンであるGoldwind社のGWH252-16MWは、1つのタービンによる1日に生成する電力量が更新されました。中国福建省の沖合に位置するこの巨大なタービンの直径は252メートル、強風の場合、このタービン1基で1日あたり380MWh以上の発電を可能とします。これは、17万世帯への電力供給量に相当します。

そして、風力発電の導入増は、製造・建設費用の低下に大きく貢献しています。多くの国が再生可能エネルギー導入に野心的な目標を設定する中、風力発電は重要な役割を果たすことが期待され、国際再生可能エネルギー機関(IRENA)によると、風力エネルギーは2050年までに世界の電力需要の35%を供給できる可能性があるとしています。