冷知識ブラインドボックス第26回
電圧の話：なぜ220Vと110Vの違いがあるのか？
家庭のコンセントに110Vのものと220Vのものがあるのはなぜか。その裏には、電流をめぐる商戦がありました。
みなさんこんにちは、冷知識ブラインドボックスへようこそ。海外に行ったときに、こんな経験はありませんか。多くの国では110Vが使われているので、ドライヤーのような三つ口の家電を使うには、電源変換器が必要になります。でも、スマホの充電器のような二つ口のプラグなら、変換器は必要ありません。現代人の一日は、電気がなければ一歩も進めないほどです。
今回は、電気の物語について話してみましょう。なぜ家庭用の電圧に220Vと110Vの違いがあるのか。その裏では、かつて技術をめぐる戦争が繰り広げられていました。そして、ニュースでよく耳にする超高圧送電とは、いったいどういうものなのかについてもお話しします。
物語を始める前に、電圧と電流の基本的な概念を簡単におさらいしましょう。電圧と電流の関係は、水道管のシステムにたとえるとわかりやすいです。電圧は水圧、電流は水の流れの速さ、そして電気抵抗は水道管の中にある邪魔物のようなものです。ホースの片方の端を指でつまむと、そこに圧力がかかったのと同じことになり、水の流れは速くなります。電圧が大きいほど、電流も速くなるのです。電気が通っている環境で作業するときには、絶縁手袋をはめます。この手袋の電気抵抗は非常に大きく、電流を遮断して、保護の層を作るのです。
電圧の基本単位はボルトで、英語では V と表記します。電流の単位はアンペアで、A と表記します。電気抵抗の単位はオームです。
これまで、アップルの充電器は充電が遅いとよくからかわれてきました。その理由は、長いあいだ5V/1Aの規格を使っていたため、充電が遅かったからです。電気自動車を充電するときにも、似たような経験があるかもしれません。充電スタンドの電圧が足りないと、充電の速度も遅くなります。
世界で最初に採用された電圧は、110Vでした。
1882年、エジソンはニューヨークに世界初の直流送電網を作り、110Vで400個の電灯をともしました。なぜ110Vを選んだのでしょうか。
理由は主に三つありました。一つ目は材料の制約です。電流は電線を通して送られるため、大量の銅が必要になります。
当時、銅線は非常に高価でした。電圧が低すぎる（たとえば50V）と、より太い銅線が必要になります。電圧が高すぎる（たとえば200V）と、電球がすぐに切れてしまいます。110Vは、当時の炭素フィラメント電球が耐えられる限界の電圧だったのです。
初期のスマホ充電器が5V/1Aしかなかったのと同じです。急速充電が技術的にできなかったわけではなく、当時のバッテリーやチップがそれに耐えられなかったのです。
二つ目は安全性です。初期の絶縁材料は信頼性が低いものでした。110Vでの感電死亡率は約3%でしたが、200Vになると15%にまで跳ね上がりました。子ども向けのおもちゃに3V電池が使われているのと同じで、単に技術の問題というより、安全の問題が大きいのです。
三つ目は送電距離です。直流は電圧を上げることができず、当時は変圧器もありませんでした。つまり、発電所で作られた電気は、110Vのような比較的低い電圧のまま、直接ユーザーへ送らなければなりませんでした。これは、発電所と利用者との距離が制限されることを意味していました。一般に1.6キロメートルを超えることはできませんでした。その結果、電力を供給できる範囲は比較的狭いものでした。
山の頂上にある泉にたとえれば、その水を飲めるのは近くに住む村人だけです。それより遠い場所には水の流れが届かず、人が自分で汲みに来なければなりません。だからこそ、当時の発電所の供給半径は、市街地から1.6キロメートルを超えることができなかったのです。110Vは、ニューヨーク・マンハッタンの富裕層地区に電気を供給するのにちょうど足りる程度でした。
このように見ると、110Vの直流は実はそれほど良い解決策ではありませんでした。あまりにも多くの制約があったのです。そこへ、もう一人の発明家、ニコラ・テスラが登場しました。1888年、彼は交流送電システムを発明したのです。変圧器を使えば、交流は1万ボルト以上に簡単に昇圧して送電でき、利用する地点で降圧すればよいのです。これは、現在の私たちの電力システムが採用している方式です。
ウェスチングハウス社はこの技術を使い、シカゴ万国博覧会で交流により10万個の電灯をともしました。送電距離は驚くべき32キロメートルに達しました。
しかしエジソンは、交流を最大のライバルと見なしていました。結局のところ、一国の発電システムは、直流と交流のどちらか一方の方式しか生き残れません。エジソンは、直流の時代に稼いだお金のすべてを、この革新的な方式をつぶすために注ぎ込みたいと考えていました。人々の恐怖をあおるため、エジソンは公衆の前で交流を使って象を感電死させ、「交流は危険だ」という世論を作り出したのです。さらにはニューヨーク州に死刑の執行に交流を使うよう働きかけ、「電気椅子」という言葉もここから生まれました。
しかし、圧倒的な技術の優位性の前では、より効率の高い交流方式が最終的に勝利しました。結局のところ、誰が発電所の隣人になりたいと思うでしょうか。
直流と交流をめぐる物語については、『電力之戦（The Current War）』という映画があります。ここでもおすすめしておきます。
エジソンの110Vは消えてしまったわけではありません。歴史の遺産となった規格として、今もアメリカや日本などで使われています。もちろん、実際には120Vを使っている国もありますが、それでも110Vと呼ぶ習慣は残っています。
技術が成熟するにつれ、ヨーロッパ大陸の多くの国では220Vの設計が一般的になりました。これはソビエト連邦にも大きな影響を与えました。民国時代には、一部の租界でも110Vの設計が使われていましたが、中華人民共和国の建国後、「110Vを使うか、220Vを使うか」という選択を前に、技術者たちは次のように計算しました。
- 110Vで供給する場合、上海から北京までの送電線には87か所の変電所が必要になります。
- 220Vで供給する場合、変電所の数は直接半分に減り、銅の使用量は45%節約できます。
1956年、中国は正式に220Vを標準として定めました。この決定により、当時の電力網の建設コストは30%下がり、さらにのちの「西電東送」計画の布石にもなりました。
ソビエト連邦は中国に127Vを採用するよう提案しましたが、わが国の技術者たちは圧力に屈せず、国土の広さにより適した220Vを選びました。現在、中国は世界最長の超高圧送電網を持っています。その長さは4.8万キロメートルです。毎年、西部から送られる電力量は、三峡ダムの発電所10基分に相当します。
多くの家電が普及し、電気自動車も登場したことで、私たちの電力需要はますます増えています。では、どうすればよいのでしょうか。電力網の電圧を上げ続けるしかありません。こうして超高圧技術が発展しました。これにより、西部の広大なゴビや砂漠の太陽光や風力エネルギーを電気に変え、東部の沿岸部へ送ることができるようになりました。電圧が高いほど、送れる距離も長くなるのです。
中国は超高圧技術を重視してきたことで、超高圧技術の特許は世界の80%を占め、設備の国産化率は90%を超えています。そして最も直接的な恩恵は、中国の電気料金が世界でも比較的低い水準にあることです。OECD加盟35か国の住宅用電気料金の平均は1kWhあたり1.35元ですが、中国は0.54元です。イギリスは1kWhあたり2.67元、ドイツは1.96元、アメリカは0.83元です。
もちろん、どの国の電気料金も変動はあります。
ところで、数年前に「アースアワー」という活動があったのを覚えている方はいるでしょうか。一時間すべての照明を消して、電力の浪費を減らそうという取り組みでした。この種の活動は、今ではあまり推奨されなくなりました。発電所は止まることなく稼働しており、発電された電気のほとんどは使われるからです。電力のピーク時に、末端の需要が急に減ると、余った電気はかえって電力システムに負荷をかけてしまいます。そのため、こうした活動はあまり奨励されなくなったのです。
さて、今日の冷知識ブラインドボックスはここまでです。今日の話を聞いて、家のコンセントに書かれた数字について、少しでも理解が深まったでしょうか。
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