回生エネルギーとは？仕組みと種類を徹底解説！

回生エネルギーとは？仕組みと種類を徹底解説！

回生エネルギーとは何か？

従来の機械式ブレーキでは、走行中の車両がもつ運動エネルギーや、エレベーターのかごがもつ位置エネルギーは、摩擦熱として大気中に捨てられていました。

回生ブレーキは、ブレーキ時に電動機（モーター）を発電機として作動させることで、このエネルギーの一部を電気として回収し、再利用できるようにする技術です。回収された電力は、架線に戻して他の電車に使われたり、車両に搭載された蓄電池やキャパシタに蓄えられたりします。

化石燃料の消費削減やCO₂排出量の抑制にもつながるため、省エネ・環境技術として注目されています。

回生エネルギーの種類

鉄道車両の回生エネルギーは、電車が減速する際にモーターを発電機として働かせ、生じた電力を架線に戻す仕組みです。戻された電力は、近くを走行する他の電車の力行（加速）に利用されます。架線に戻せない余剰電力を蓄える地上蓄電装置を備えた路線もあります。

電気自動車（EV）・ハイブリッド車（HV）の回生エネルギーは、減速時にモーターを発電機として用い、得られた電力を車載の駆動用バッテリーに充電する仕組みです。

エレベーターの回生エネルギーは、かごの昇降時に生じる位置エネルギーを電気として回収する方式で、回収した電力は同じビル内の照明や空調などに利用されます。

このほか、フォークリフトやクレーンなどの産業機械でも、巻き下げや減速時の運動エネルギーを電気として回収する回生システムが導入されています。

回生エネルギーの仕組み

回生エネルギーの基本的な仕組みは、電動機（モーター）と発電機が原理的に同じ構造であることを利用しています。電動機に電気を流すと回転して力を生み出しますが、逆に外から軸を回すと電気が発生します。この性質を活かし、加速時にはモーターとして働く装置を、減速時には発電機として働かせるのが回生ブレーキです。

鉄道車両を例にとると、ブレーキ操作が行われると、車輪につながったモーターが発電機として作動し、車両の運動エネルギーを電気エネルギーに変換します。この電気はインバーターなどのパワーエレクトロニクス機器で電圧や周波数を調整され、架線に戻されたり、蓄電装置に蓄えられたりします。

電気自動車では、回収した電気をリチウムイオン電池などの駆動用バッテリーに充電し、再加速時の動力として再利用します。なお、回生ブレーキはモーターの回転を利用するため停止間際の極低速では発電できず、最終的な停止や強い制動には機械式ブレーキを併用します。この協調制御によって、安全性とエネルギー効率の両立が図られています。

回生エネルギーの利用例

回生エネルギーのメリット・デメリット

1つ目は、省エネルギー効果が高いことです。従来は摩擦熱として捨てられていた運動エネルギーを電気として回収できるため、鉄道や自動車の消費エネルギーを大幅に削減できます。

2つ目は、CO₂排出量の削減につながることです。消費電力や燃料の使用量が減ることで、発電や燃焼に伴う温室効果ガスの排出を抑えることができ、地球温暖化対策にも貢献します。

3つ目は、ブレーキ部品の摩耗を抑えられることです。回生ブレーキが制動力の一部を担うため、機械式ブレーキの使用頻度が下がり、ブレーキパッドなどの消耗が抑えられ、メンテナンスコストの削減にもつながります。

1つ目は、システムが複雑でコストが高いことです。インバーターや蓄電装置、制御システムなどが必要となり、車両や設備の導入コストが上昇します。

2つ目は、回収した電力をうまく使い切れない場合があることです。鉄道では、近くに加速中の電車がいないと架線に戻した電力を消費できず、せっかく回収したエネルギーを捨てざるを得ない（回生失効）ケースがあります。これを防ぐために、地上蓄電装置の整備が進められています。

3つ目は、低速域では十分な制動力が得られないことです。停止間際の極低速ではほとんど発電できないため、最終的な停止には機械式ブレーキとの併用が必要となります。