捨てた熱でもう一度発電！コンバインドサイクルの効率62%の正体

この記事で身につくこと

電験三種「電力」科目の汽力・新エネルギー分野で、近年の本命となっているのが コンバインドサイクル発電。 聞き慣れないカタカナと、見た瞬間に呪文に見える総合効率式 η ＝ ηg ＋ ηs(1 − ηg) で、多くの受験生がここで挫折します。 でも本質は、「ガスで1回発電して、その排熱でもう1回発電する」だけ。エネルギーの流れを絵で追えば、公式は勝手に出てきます。

本記事を読み終えたら、

• コンバインドサイクル発電の仕組みを 二段リレー として説明できる
• 総合効率式 η＝ηg+ηs(1−ηg) を 自力で導出 できる
• 汽力発電との違い・効率の差を、試験本番で即答できる

ようになります。

暗記フレーズ：ガスで発電、排熱で蒸気、二段で高効率！

燃料は1回、発電は2回

これがコンバインドサイクルの全て。 ガスタービンで一次発電 → その排熱（約500〜600℃）を捨てずに蒸気を作って二次発電。ブレイトンサイクル ＋ ランキンサイクルのリレー だと思えば、頭の中で絵が描けるようになります。

仕組み：1回の燃料で2回発電するリレー

コンバインドサイクル発電は、性格の違う2つのサイクルを 直列につなぐ ことで成り立っています。

段	サイクル	役割	効率記号
1段目	ブレイトンサイクル（ガスタービン）	燃焼ガスでタービンを回す 一次発電	ηg
2段目	ランキンサイクル（蒸気タービン）	1段目の排熱で蒸気を作り、再びタービンを回す 二次発電	ηs

エネルギーの流れを左から右に追うと、

1. 空気圧縮機（コンプレッサ） で空気を高圧に圧縮
2. 燃焼器 で燃料と混ぜて燃焼 → 約600℃の高温ガス
3. ガスタービン を回して一次発電（効率 ηg）
4. 排ガス（まだ約500〜600℃！）を 排熱回収ボイラ（HRSG） に送り、水を蒸気に変える
5. 蒸気タービン を回して二次発電（効率 ηs）
6. 復水器 で蒸気を水に戻し、再びボイラへ

ポイントは 4番のHRSG。ここでは 燃料を一切追加しません。捨てるはずだったガスタービンの排熱を「無料の熱源」として使い、まるごと蒸気発電に流用してしまう。これが効率を爆上げする最大のカラクリです。

💡 試験頻出ポイント：ガスタービンの 消費動力の大部分は、実は空気圧縮機（コンプレッサ）で使われています。「ガスタービン＝タービンが主役」と思い込んでいると引っかかる定番ネタです。

総合効率式の導出：呪文を絵で解きほぐす

ここからが本題。総合効率式 η ＝ ηg ＋ ηs(1 − ηg) を、エネルギーの流れの図 から導きます。

ステップ1：ガスタービン段のエネルギー

入力エネルギーを Pi（燃料の持つ熱量）とおきます。 ガスタービンの効率が ηg なので、

• 取り出せる電力：ηg × Pi
• 排熱として残る分：(1 − ηg) × Pi

普通の発電なら、右側の (1 − ηg)Pi は復水器で海に捨てて終了。これが従来型汽力発電の限界です。

ステップ2：排熱を蒸気タービンで再利用

コンバインドサイクルでは、この (1 − ηg)Pi を捨てずに蒸気タービンに流します。 蒸気タービンの効率を ηs とすれば、

• 追加で取り出せる電力：ηs × (1 − ηg) × Pi

つまり「残りカス」に ηs を掛けた分が、ボーナス発電として上乗せされる構図です。

ステップ3：合計して総合効率を出す

総合効率 η は、

η = （ガスタービン出力 ＋ 蒸気タービン出力）／ 入力エネルギー
  = ( ηg・Pi ＋ ηs(1 − ηg)・Pi ) ／ Pi
  = ηg ＋ ηs(1 − ηg)

Pi がきれいに約分されて、見慣れた公式に到着します。

η ＝ ηg ＋ ηs(1 − ηg)

意味づけはシンプルで、

• 第1項 ηg：ガスタービン単体の効率（一次発電）
• 第2項 ηs(1 − ηg)：使い切れなかった排熱から、蒸気タービンが拾い上げた分（二次発電）

最初は呪文に見えた式が、「一次発電 ＋ 排熱回収分」という 足し算 だったとわかれば、もう怖くありません。

ηg が上がったら、蒸気タービンの出番は減る？

「ガスタービン側の効率 ηg がどんどん良くなったら、蒸気タービンっていらなくならない？」 鋭い疑問ですが、答えは 「出番は減るが、必ず合計効率は単独より高くなる」 です。

• ηg が大きくなる → (1 − ηg) が小さくなる → 蒸気タービンの寄与 ηs(1 − ηg) は 減る
• ただし (1 − ηg) は 絶対にゼロにはならない（排熱が完全にゼロの熱機関は不可能）
• なので 必ず ηg より大きい η が得られる → 二段利用は常に有利

これが「二段リレーは正義」と言われる理由です。

従来型 vs コンバインド：効率20%以上の差

最後に、汽力発電とのスペック比較を表で押さえておきましょう。

項目	従来型（汽力発電）	コンバインドサイクル発電
段数	単段	複合・二段
熱源	燃料の燃焼のみ	燃料の燃焼 ＋ 排熱の再利用
総合効率	約 40%台	55〜62%
排熱の扱い	復水器で海へ捨てる	HRSG で徹底的に使い切る
起動・停止	遅い	速い（需要変動に強い）

効率差が 20ポイント以上 あるので、燃料代も CO₂ 排出量もまるごと下がる。さらに起動が速いため、需要が激しく変動する都市部近郊の発電所では GTCC（Gas Turbine Combined Cycle） として主力になっています。

まとめ

• コンバインドサイクル発電 = ブレイトン ＋ ランキンの二段リレー
• ガスタービン排熱（約500〜600℃）を HRSG で回収し、蒸気タービンで再発電
• 総合効率式：η ＝ ηg ＋ ηs(1 − ηg)（一次発電 ＋ 排熱回収分の足し算）
• 従来型 40%台 → コンバインド 55〜62% で、20%以上の効率アップ
• 試験頻出：消費動力の大部分は 空気圧縮機／排熱回収ボイラの正式名は HRSG

暗記フレーズ：ガスで発電、排熱で蒸気、二段で高効率！

この一言と、エネルギーの流れの絵さえ頭に入っていれば、コンバインドサイクル関連の問題はすべて怖くありません。