令和6年度第三種電気主任技術者下期試験　電力科目 問152 解説 問15(b) 問15

1日に発生する二酸化炭素の重量は、1時間あたりの重油消費量から算出した1日あたりの炭素消費量に対し、炭素と二酸化炭素の原子量比を乗じることで、約15.0×10^3 tと求められます。

発電端効率と燃料消費の関係

火力発電所における発電端効率とは、投入した燃料の持つエネルギーのうち、どれだけが電気エネルギーとして取り出せたかを示す指標です。出力1000 MW（10^6 kW）の発電所において、1時間あたりの投入熱量 $H_{in}$ [kJ/h] は、発電端効率 $\eta$ と出力 $P$ [kW] を用いて以下の関係で表されます。

$H_{in} = \frac{P \times 3600}{\eta}$

ここで3600を乗じているのは、単位を [kW]（kJ/s）から [kJ/h] へ変換するためです。投入熱量は重油消費量 $W$ [kg/h] と重油発熱量 $q$ [kJ/kg] の積（$W \times q$）に等しいため、これを利用して単位時間あたりの燃料消費量を逆算できます。

燃焼による二酸化炭素の生成

化学反応において、燃料中の成分が空気中の酸素と結びつく際、質量保存の法則が成り立ちます。炭素（原子量12）が酸素（原子量16）と完全燃焼して二酸化炭素（分子量12 + 16×2 = 44）になる際、炭素1質量単位から生成される二酸化炭素の質量単位は、比率にして $44/12$ 倍となります。燃料中の炭素含有率を $c$ とすると、燃料重量 $W_{fuel}$ に含まれる炭素から発生する二酸化炭素の重量 $W_{CO2}$ は次の式で定義されます。

$W_{CO2} = W_{fuel} \times c \times \frac{44}{12}$

二酸化炭素発生量の算出ステップ

1. 1時間あたりの燃料消費量 $W$ [t/h] を算出します。出力 $1000 \times 10^3$ kW、効率 $0.41$、発熱量 $44000$ kJ/kg を用いると、$W = \frac{1000 \times 10^3 \times 3600}{0.41 \times 44000} \approx 199.6$ t/h となります。
2. 1日（24時間）あたりの総消費量を求めます。$199.6 \times 24 \approx 4790$ t です。
3. 燃料に含まれる炭素重量を特定します。炭素含有率が85%であるため、$4790 \times 0.85 \approx 4071.5$ t となります。
4. 燃焼による二酸化炭素重量に換算します。炭素の原子量12に対して二酸化炭素の分子量が44であるため、$4071.5 \times (44 / 12) \approx 14928$ t となり、選択肢から $15.0 \times 10^3$ t を導き出します。

発電所の出力と効率から求めた燃料の総量に、炭素の含有率と化学変化の倍率を重ねてみると、煙突から排出される二酸化炭素の質量が見えてきます。

参考リンク

• 火力発電の熱効率と燃料消費量の計算
• Pythonで火力発電のCO2排出量をシミュレーションしてみた
• 物質量と化学反応式（原子量と分子量）