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AC対DC：交流と直流――どちらが優れているのか？
2024年11月16日
以下の場合、電流（電荷）は一方向のみに流れます。 DC（直流）. しかし、 AC（交流） 電荷の方向は周期的に変化する。電流だけでなく、電流の流れの変化によって電圧も逆転する。
交流（AC）対直流（DC）をめぐる論争は、現在「電流戦争」と呼ばれる、1890年代後半に電力業界の2大巨頭が巻き込まれた争いを象徴するものです。 直流派の代表格であるトーマス・エジソンは、テスラの発明を脅威と捉え、交流の信用を傷つけるために、アメリカ国民を誤った情報で惑わす手段に訴えた。この新技術によってロイヤリティ収入を失うことを恐れたエジソンは、交流の致命的な危険性を示すため、象を感電死させるという手段にまで及んだ。
しかし、それにもかかわらず、テスラは安価で高効率なエネルギーで米国に電力を供給するという夢を叶えることを諦めなかった。今でも、そびえ立つ送電塔の間に、ギターの弦のように長く太い電線がぴんと張られているのが見られる。 交流（AC）は王座を奪い、1世紀にわたって家庭やオフィス、ビルを支配し続けてきたが、現在では直流（DC）が徐々に復活の兆しを見せている。なぜ交流はこれほどまでに成功したのだろうか？そして、なぜ直流が復活しつつあるのだろうか？これらの問いを別の言い方に置き換えてみよう。
なぜ交流は直流よりも優れているのでしょうか？
交流とは、電子が周期的に進行方向を前後に切り替える電流の一種です。これは、1832年にマイケル・ファラデーがダイナモ発電機を解説した際に考案した原理に基づいています。直流は高く評価されていましたが、長距離の送電が非常に困難であるという大きな問題を抱えていました。 送電線では電力が損失するため、追加の回路を用いて電力を回復させる必要がありました。さらに、直流電圧を昇圧または降圧する際にも、複雑な回路が必要とされました。
交流は、長距離にわたって容易に送電できるだけでなく、変圧器を用いて電圧を高くしたり低くしたりすることも容易でした。 変圧器とは、本質的に、交流電圧の大きさを「昇圧」または「降圧」する、巻き上げられた導線のことである。このように電圧を変換できるということは、都市間だけでなく、全国規模でも、はるかに効率的に電力を送電できるようになったことを意味した。テスラの夢は、徐々に現実のものとなりつつあった。
長距離にわたって電力を送電できる能力は、交流（AC）が直流（DC）に対して持つ最も重要な利点であり、この点から、19世紀には住宅やビルで直流電源の使用が廃止された。 1893年、シカゴ万国博覧会の電力供給業者としてゼネラル・エレクトリック社が選定されたが、直流（DC）方式を採用した場合、その費用は法外な$554,000に上ると見込まれていた。 しかし、ジョージ・ウェスティングハウスが介入し、テスラの交流（AC）を用いてわずか$399,000で博覧会の電力供給を行うと約束した。 3年後、交流の利便性に惹かれたナイアガラ・フォールズ電力会社は、ナイアガラの滝から発電を行い、ニューヨーク州バッファロー全域を照らす権利をウェスティングハウスに授与した。こうして交流は直流を完全に駆逐した。そして、数十年後、トランジスタが誕生した。
なぜ直流（DC）は交流（AC）よりも優れているのですか？
交流とは異なり、直流にはスイッチングが発生しません。周期はなく、電流は一定の電圧下で一方向にのみ流れます。すでに述べたように、直流は熱として電力が損失されやすいという特性がありますが、エジソンはこの特性を活用して最初の電球を点灯させました。 こうした欠点があるにもかかわらず、半導体時代の到来により、直流は再び脚光を浴びることになりました。直流は主に電子機器、とりわけ「オン」と「オフ」の2つの状態でのみ機能する小型機器の電源として使用されています。これには、電池、LED、コンピュータ技術の「ニューロン」とも言えるトランジスタ、そしてその他あらゆる半導体デバイスが含まれます。
コンピュータやタブレット、そして常に「クラウド」と接続されている携帯端末への依存が高まる中、直流電源が再び注目を集めています。 クラウドとは、基本的にはコンピュータ、正式にはサーバーと呼ばれるもので、ユーザーの貴重なデータを保存するために遠隔地の建物に設置されています。現在、FacebookやGoogleのような企業は、増え続けるユーザーのためにデータを保存するサーバーを収容するため、建物全体をサーバー室として活用しています。 こうしたデバイスにおいて、交流（AC）を直流（DC）と同様に制御することは、複雑な回路を必要とするため、かなり困難です。しかし、最も重要な点は、交流は、たとえごくわずかな時間であってもエネルギーを損失してしまうことであり、常に大量の電力を必要とするサーバーにとっては、これは許容できないことです。
サーバールームは通常、空調が完備されており、コンピュータサーバーの連続稼働のために専用に設けられています。（画像出典：Flickr）
さらに、電気工学を学ぶ者なら誰でも知っているように、交流送電で生じる損失は、表皮効果や容量結合によって直流送電で生じる損失を上回る可能性があります。これらは、電線が表面を流れるエネルギーが、その下にある物体に吸収されてしまう現象です。 これらの抵抗により送電速度が低下し、結果として効率が低下する。実際、その周辺に散逸する損失こそが、無線電力伝送メカニズムの基盤となっている。交流はエネルギーの一部を放射するが、電線を適切な方法で巻くことで、そのエネルギーを特定の領域に集束させることができる。
直流が復活するもう一つの理由――そしてこれが最も重要と思われる――は、環境に優しい電子機器との互換性にある。すべての太陽電池は半導体基板を基盤としているため、いずれも直流電力を発生させるか、あるいは直流電力で動作する。再生可能エネルギーのために、直流が復活せざるを得なくなるかもしれない。 もちろん、交流（AC）を採用することも可能ですが、その場合はインバーターを用いて直流から交流へ、そして再び直流へと変換するという煩雑な工程が必要となり、その過程で5-20%のエネルギーが熱として失われてしまいます。 実際、広大な敷地を占めるデータセンターではこうした変換装置が使用されているが、それらは膨大なエネルギーを消費するだけでなく、発生した熱を冷却するためのシステムにかかる追加コストも生じ、財務状況をさらに悪化させている。
では、ACとDCのどちらが優れているのでしょうか？
現在では、送電網を介して直流を長距離伝送する技術が存在するにもかかわらず、我々は依然として交流を使い続けている。 交流は抵抗を克服するために高電圧に昇圧され、電力がいずれのユーザーに届く際には、降圧され、整流されて、例えばコンピュータの電源として利用されます。しかし、これらの技術は再生可能エネルギー技術と同様に、莫大なコストがかかるだけでなく、その効率についても疑問が残るかもしれません。確かに直流は安定した出力を提供しますが、より高い効率が実現されるのです。 その後 損失をなくす。
ACの場合に比べて損失は少ないかもしれませんが、昇圧・降圧の要因が影響してきます。 交流電圧の変調や伝送の簡便さは依然として他に類を見ないものであり、それが交流が依然として好まれる理由である。どちらの電源もそれぞれの点で優れているため、どちらが優れているかを判断するには、争点となる基準、つまり「比較の土俵」次第となる。その判断は、本質的に電力の用途に依存する。
現在では、この2つは連携して機能しています。交流電流は、まるであなたの家に続く空白の日記の行のように、頭上の電線を通って流れています。そして、その交流電圧は、 整流器、 充電器に付属しているアダプターのように、電球やランプ、その他の家電製品といった家庭用機器に電力を供給するためのものです。「電流戦争」はかつてほど劇的なものではなくなったかもしれませんが、今でもひそかに続いています。