炭鉱から発電所まで：貨物輸送の連鎖の仕組み

乗客は駅までの道を自分で選べます。石炭は選べません。石炭は鉱脈ができた場所にあり、何百キロも離れた炉に届けなければなりません。その間には 輸送の連鎖：各リンクの出力が次のリンクの入力になる一連の流れで、鉄道はその流れを安定させる部分です。

発電所から始める

連鎖の規模は、最も遠い端、つまり最後の顧客が消費する量で決まります。電気出力1ギガワット（1 GW）の石炭火力発電所を例にします。その石炭量を求めるには3つの数字で十分です:

• 1日に供給されるエネルギー: 1 GW は毎秒 10⁹ ジュールです。1日は86,400秒なので、発電所は 86.4 × 10¹² J、つまり 86.4 テラジュールを供給します。
• 効率: 蒸気発電所は燃料の熱のおよそ35%から40%を電気に変換します。残りは温水と排ガスとして出ていきます。
• 石炭1キログラムあたりのエネルギー: 典型的な蒸気炭でおよそ 24 メガジュール（24 × 10⁶ J）。褐炭はこれよりはるかに低いため、これは普遍的な値ではなく例示のための値です。

効率40%では、燃料は1日に 86.4 ÷ 0.40 = 216 TJ を供給する必要があります。これを1キログラムあたり24 MJ で割ると900万キログラムになります: 1日9,000トン. At 35% the heat needed is 246.9 TJ, which is about 1日10,290トン. Midway, at 37.5%, it is 9,600 tonnes.

ここで列車と比べてみましょう。 ユニット・トレイン は、同一の貨車を連ねた編成で、1つの積込地点と1つの荷卸地点の間を、途中で分割や入換えをせずに1つの塊として走ります。100両の貨車を用意し、それぞれ約100トンの石炭を積むとします（例示のための概算値で、実際の貨車の大きさは国によって異なります）。合計は 100 × 100 = 10,000トンで、これは上の9,000〜10,290トンの範囲に収まります。1日に1本のユニット・トレインで、おおむね1GWの発電所に燃料を供給できます。

これがこの考え方全体の有用な検算です。仮に発電所が石炭を1回25〜30トンのトラックで運ぶとすると、毎日およそ330〜400便が必要になり、昼夜を問わず4分に1台のトラックが来ることになります。

この規模では鉄道が有利な理由

理由は転がり抵抗です。鋼鉄の車輪と鋼鉄のレールは、硬貨ほどの大きさの範囲でしか接触せず、どちらの面もほとんど潰れないため、変形によるエネルギー損失はわずかです。ゴムタイヤは道路上で絶えず変形します。転がり抵抗係数の代表値（例示で、荷重、速度、路面状態によって変わります）は次のとおりです:

• 鋼鉄車輪とレール: 約0.0015。つまり重量の0.15%の牽引力;
• 大型トラックのタイヤと良好な道路: 約0.007。つまり重量の0.7%。

1トンは約9,810ニュートンです。引くには、レールでは約15 N、道路では約69 Nが必要です。ニュートンメートルはジュールなので、1トンを1キロ運ぶのに、転がり損失だけで、レールでは約15 kJ、道路では約69 kJかかります。この4〜5対1の比率が、安定した流れで動く重い積荷にとって鉄道が安価である理由です。

この優位性は積荷の量によります。鉄道は何を運ぶかに関係なく建設、信号設備、保守が必要なので、多くのトンが使う場合にのみ元が取れます。小口で散在する荷物はトラックが有利です。1つの鉱山、1本の路線、1人の顧客が1日に数千トンを動かす場合は鉄道が有利です。そうした路線がどこを通るかの理由については、 鉄道が川に沿って走る理由.

連鎖には複数のリンクがある

石炭から電力への連鎖は最も単純で、両端と1本の鉄道があるだけです。多くの産業はもっと複雑で、多くの製品が異なる場所から始まる複数の原材料を必要とします。

1. 石炭から電力へ。 鉱山、鉄道、発電所。鉄道は1方向の単一の流れで、空の貨車が戻ってきます。
2. 鉄鉱石と石炭から鉄鋼へ。 高炉は鉄鉱石と、石炭由来の炭素燃料を投入し、投入物の重量は鋼1トンあたり1トンを超えます（工程によりますが、おおよそ2トン以上）。2つの鉱山が1つの製鉄所に供給することもあるため、製鉄所は合流地点であり、そこへの経路は両方を運ぶ必要があります。
3. 鉄鋼から製品へ。 鉄鋼はその後、完成品にする工場へ運ばれ、完成品はさらに町へ送られます。どの段階でもトン数は減っていく一方、1トンあたりの価値は上がります。

ここから2つのことが分かります。第一に、連鎖の重さは起点で最も大きいため、重い流れは鉱山の近くに、軽い流れは町の近くにあります。第二に、どこかで止まると連鎖全体に影響が及びます。鉄鉱石列車が到着しなければ炉が冷え、工場に鋼は届きません。発電所の石炭貯蔵は影響を和らげますが、それは数日間だけです。

重いユニット・トレインは停止にも長い距離が必要なので、 鉄道の信号が列車同士をどう離しているか によって、1本の単線が運べる本数が決まります。

検算できる部分

どの発電所でも同じ計算を繰り返せます。出力（ギガワット）に 86.4 TJ を掛けて1日の電気エネルギーを求め、その効率で割り、さらに燃料の1キログラムあたりのエネルギーで割ります。効率40%、石炭1キログラムあたり24 MJ の2 GW の発電所では、答えは1日18,000トン、つまりユニット・トレイン2本分です。