【考察】「雷1発分のエネルギー」でどれくらいの電力がまかなえるのか？

地球に優しいエネルギー？

[QuizKnock，ねとらぼ]

　太陽光とか、地熱とか、人類は発電に使えるエネルギーを常に探してきた。再生可能エネルギーで全ての電力をまかなえるようになるのはまだまだ先だろうが、科学はそれに向けて少しずつ進んでいる。

　ところで、自然界には誰もが目にしたことがある強力な電気がある。そう、雷だ。

　え、それなら雷を集めて送電線に流せばええんちゃうの？

雷はなぜ落ちる？

　雷については数多くの研究がなされているが、実はその発生原理について完全には解明されていないらしい。

　定説としては、まず雲の中にある氷の粒が帯電する。これが雷雲で、これが発達して電圧が大きくなると（※）「雷が落ちる」わけだ。

※電気を通さない「絶縁体」でも高い電圧をかけると電気を通す。空気も絶縁体なので、非常に大きい電圧が生じると雲から地面への電気の通り道ができ、落雷が起きる。

　雷が具体的にどの程度強い電気なのかについても諸説あり、とりうる幅も広い。それらの中間あたりのキリの良い数字をとってくると、電圧が1億V（ボルト）、電流が10万A（アンペア）。ピカチュウもびっくりの電撃だ。

　雷は一瞬で落ちるので、その時間を0.01秒としよう。この雷を集めるにはどうすればいい？

雷の集め方を考えよう

　雷をキャパシターで集めることにしよう。キャパシター（コンデンサーともいう）とは、2枚の金属の間に絶縁体を挟んで電気を保持できるようにしたもの。

雷を集める様子のイメージ。キャパシターに雷が落ちると、絶縁体を挟む2枚の金属板が帯電する

　キャパシターが保持できる電気量（電荷）は電圧に比例し、その比例定数は静電容量と呼ばれキャパシターによって変わるが、電気量と電圧が分かれば必要な静電容量が分かる。計算してみよう。

　電圧は先ほど述べた通り1億V。電気量は電流×時間で求められて、1万C（クーロン）。これから求められる静電容量は1万÷1億で0.0001F（ファラド）＝100μF（マイクロファラド）。

　F（ファラド）は静電容量を表す単位。キャパシターに詳しくないとピンとこない単位だが、これくらいの静電容量をもつキャパシターはそれほど珍しくない。なんだ、雷集められんじゃん。

　ところが上の計算では実は重大なことを見逃していて、そもそも1億Vに耐えられるキャパシターなど存在しないのである。キャパシターの耐電圧はせいぜい数百kVで、変電器で電圧を下げるなどしなければキャパシターのほうが破壊されてしまう。

それをいったん置いといて計算を進めよう

　それでは、仮にキャパシターの問題が解決したとして、雷を集めるとどれだけの電力になるのか。

　1億Vの電圧で10万Aの電圧を0.01秒流したとき、発生するエネルギーはその掛け算で100GWs（ギガワット秒）＝28MWh（メガワット時間）。1世帯が1日で使うエネルギーは約12.7kWh（キロワット時間）（※）だから、雷1発分のエネルギーは2200世帯分の電力1日分に相当するということになる。

※資源エネルギー庁のデータ（2009年の年間消費エネルギーから算出）。

　これは、発電に使うにはとても少ない。雷は毎日落ちる訳ではないし、運良く落雷してもその地域一帯を1日照らせるかすら怪しい。

　しかも、この計算は落雷中に雷の威力が全く落ちないと仮定している。実際は空気を通る過程で熱が発生するため、さらにかなりのエネルギーが失われていると思っていい。