水力発电とは？仕组みやメリット?デメリットを解説
この记事の目次
今回は水力発电についてお話します。水力発电ってどういう仕組なの？メリットは？などを解説しますよ！
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- 更新日
- 2024年11月11日
水力発电とは
水力発电は水の力で発電するので、発电时に颁辞2(二酸化炭素)を排出しない発电方法として知られています。まずは、水力発电の概要から見ていきましょう。
そもそもどうやって発电するの？
简単に言ってしまうと「水の势いで水车を回して発电する」のが水力発电です。正確には、
- 高低差と水の位置エネルギーを利用して、
- 高いところから低いところへ水を落とす时の运动エネルギーで水车?タービンを回し、
- そこに直结している発电机で発电する
という仕组みです。
参照?画像の出典:
水力発电の歴史
水车を使って蕎麦を挽く等、水の力を生活に活かすという考えは昔からありましたが、水力発电はいつ生まれたものなのでしょうか？
世界
水力発电を発明したのは、1840年イギリスのウィリアム?アームストロングと言われています。その後世界各地に水力発电が広まりました。2013年時点では、世界の電力のうち16.6％は水力発电によって賄われていて、特にノルウェーでは、国内のエネルギー源の96％が水力発电によるものです。参照:
日本(终戦まで)
水力资源の豊富な日本では、明治25年に日本最初の水力発电所が京都府に完成しました。それ以降、各地に水力発电所が作られるようになります。東京近辺では、明治40年に山梨県内に駒橋発電所が設けられ東京への長距離送電の草分け的存在となったほか、大正4年には福島県の猪苗代湖に造られた猪苗代水力発电所から東京への送電が開始されました。猪苗代からの送電距離は226kmにのぼり、これは当時の世界第3位の長さでした。戦前は水力発电所の出力が火力発電所の出力を上回る、いわゆる「水主火従」の时代だったんです。参照:参照:山川 新版日本史小辞典日本における水力発电所の起源は、記録が不正確なことから諸説あります。
日本(戦后)
戦後復興が進むにつれ、電力需要は逼迫するようになりました。水力発电用のダムの建設自体は進みますが、それ以上に火力発電所の建設が進み、昭和38年には火力発電所の出力が水力発电所の出力を初めて上回りました。時代は「火主水従」の时代に突入し、今日の日本では、一般电気事業用における発受電電力量のうち、一般的な水力発电によるものは全体の7.6％となっています(下表参照)。
出典:
水力発电所の数
日本の電力の10％弱をまかなう水力発电所。今の日本にはどれくらいの数があるのでしょうか。
令和5年时点で、日本各地には既開発のもので合計1,973カ所もの水力発电所があります。平成15年で1,843カ所、平成25年には1,946カ所と、若干増加していることが分かります。実は意外と多い水力発电所。ただし、定期点検や工事等で運用を停止しているものもあり、全ての水力発电所が稼働しているわけではありません。
参照:
水力発电の种类と运用方法
「水力発电」と一口に言っても、実は分類分けしてみるといろいろな種類があることがわかります。以下で見ていきましょう。
构造物での分类
水が落下するエネルギーを使って电気を起こす水力発电。そこで重要なポイントのひとつとなるのは、水面から水车までの「落差」です。この落差をどのように作っているかで切り分けたのが、構造物による分類方法です。
ダム式
なお、ダムからまさに滝のように水が噴き出している映像を思い浮かべるかもしれませんが、実際に発電するための水はパイプの中を通って、ダムの下にある発電所の水车を回しています。噴き出す水は貯水量の調整や観光用などの放水なんですよ。
构造的には、ダムの水が减ると水面からの落差が変わってしまうので、エネルギーも小さくなってしまうという特徴があります。
水路式
ダム水路式
ダム水路式では水を贮める场所と水を落とす场所を别々にすることで、水量を调整しやすいダム式のメリットを活かしつつ、大きな落差を得やすいのが特徴です。
画像の出典:
运用方法での分类
水力発电の場合、どのように水の流れをコントロールするかという「運用」の方法や目的でも分類が決まります。ダムや水路といった落差を得る仕組みと運用方法の組み合わせで、発電所の特徴が決まってきます。
流れ込み式
川の流れをせき止めることなく、そのまま発电に利用する方法です。川の水量に左右され、発电量はほとんどコントロールできないことと、大きなエネルギーを取り出しにくいため、比较的小规模なものが多くなります。そのぶん构造的には安価で、环境への负荷も小さく済みます。
川の流れは一日の中で一定しているため、電力需要のうちのベース部分をまかなうことに使われます。後ほど説明するマイクロ水力発电は多くがこの「流れ込み式」に分類されます。
调整池式（堰?小规模なダム）
川の水の量に対して比较的规模の小さい池を作って、电力消费の少ない时间帯に水を贮めておき、昼间等、电力消费の大きいピークの时间帯に水を多く流すことで発电量を増やす运用方法です。1日?1週间程度の间の変动に合わせた程度の贮水量に抑えているので、环境への影响は小さくなります。
贮水池式（ダム）
渇水期や电力消费の多い夏?冬に十分な水量を确保するため、豊水期や电力消费の少ない时期にダムへ大量の水を贮めておく运用方法です。季节间の消费量の调整に対応するため、巨大な设备になることが多く、周辺の环境などへの影响は大きくなります。
贮水池式も主にピークの时间帯に水を多く流して発电量を増やします。
このほか特殊な水力発电所として「扬水式発電所」があります。
扬水式（ダム）
画像の出典:
扬水式ではくみ上げと発電の2回にわたってエネルギーのロスがあるため効率がよい発電方式とは言えませんが、蓄電技術の発展を待たずとも、水の位置エネルギーという形で大量の电気を蓄えておけることがメリットになります。扬水式は他の発電所を補助する役割であり、一般的な水力発电とは切り分けて扱われることが多いです。
水力発电のメリット?デメリット
水力発电のメリットとデメリットにはどんなものがあるのでしょうか。
メリット
まずはメリットを挙げてみましょう。
温室効果ガスを排出しない
やはり最大のメリットはこれでしょう。水力発电では化石燃料を燃やす必要はないので、もちろん発電時に二酸化炭素などの温室効果ガスを排出することはありません。非常にクリーンな発电方法です。
発电や管理のコストが安い
水力発电は、他の発電方法と比較して、発电や管理?维持にかかるコストが安くなります。原子力発电や火力発电では、有偿のウラン燃料や化石燃料が必要ですが、水はなんといってもタダ。また、设备の管理?维持にかかるコストも他の発电方法と比べると安価です。参照:
エネルギー変换効率が高い
エネルギー変換効率とは、読んで字の如く、あるエネルギーを別のエネルギーに変える際の効率のことです。原子力発電や火力発電は、核分裂を起こしたり燃料を燃やしたりして得られる熱エネルギーで水を沸騰させ、それによってできる水蒸気の運動エネルギーでタービンを回して発電するという方法で、この際に発生した熱の中には廃熱となって発電にうまく使われないものもあります。それに対し、水力発电は、水の持つ位置エネルギー、運動エネルギーを最小限のロスで电気へ変えられるので、変换効率は80%と极めて优れています。?太阳光等他の再生可能エネルギーと比べても高効率であることと、重量が重い水を使うため、エネルギーの密度が高いこともポイントです。
参照?画像の出典:
再生可能エネルギーである
「再生可能エネルギー」というと、最近では太阳光や风力ばかりがピックアップされがちですが、水力も再生可能エネルギーのひとつです。発电に使った水のエネルギーは、蒸発して雨として再び降る、という自然の循环によって再生されるのです。
起伏が多い日本に向いている
日本の地形は、山が多く起伏に富んでいます。高低差を利用して発電する水力発电にはもってこいの地形です。
电力需要の増减に対応して発电できる
貯水式や扬水式の水力発电の場合、電力需要に応じて発电量を変化させたり発电を止めたりすることが容易にできる、という特徴があります。水を流せばその分発电机が回るという単纯なしくみのため、必要なエネルギーをすばやく取り出せるのです。
デメリット
メリットもあればデメリットもあります。
降水量によって発电量が左右される
水で発電する水力発电は、降水量によって発电量が左右されることがあります。极端に降水量が少ない场合、発电ができなくなる恐れもあります。参照:
ダムの新造には费用がかかる
水力発电で大規模に発電するには、ダム式での発電が必要となります。新たにダムを造るとなると建设费用がかかり、公共事業に厳しい目が向けられている昨今ではなかなか難しいものがあります。発電自体はローコストで行える水力発电ですが、初期費用は必ずしも安いものではありません。
ダムは环境や生态系に影响を及ぼす
ダムの建设によって周辺の环境や河川の生态系に影响が出ると言われています。広い地域を水没させてしまうことだけでなく、例えば、砂がダムでせき止められて下流では少なくなり、それによって砂の中で生活する生物の数が减った……という事例なども报告されています。参照:
また、ダムの建设に际しては山奥まで大量の资材?机材を搬入するための道路等も建设されるため、影响を受ける面积が広い点が指摘できます。
マイクロ水力発电
さて、ここまでは一般的な水力発电についてお話してきましたが、ここからは最近注目を集めつつある「マイクロ水力発电」についてご绍介します。
マイクロ水力発电とは
一般的には、「マイクロ水力発电」あるいは「小水力発电」とは出力1000kW以下の水力発电を指すものとされています。これは「新エネルギーの利用等の促進に関する特別措置法施行令」で1000kW以下の出力で発電する水力発电を新エネルギーと定義していることが根拠とされています。
参照:
メリット
マイクロ水力発电のメリットを見ていきましょう。
流水があればどこでも発电可能
最大のメリットは、とにかく水の流れさえあればどこでも発电できるという点です。従来の水力発电のように大規模に発電するにはそれなりの水が必要ですが、マイクロ水力発电は規模が小さいぶん、必要とする水の量も少なくて済みます。ちょっとした小川や農業用水、極端に言えば側溝程度の水の流れでも十分発電できてしまうのです。
环境への负荷が小さい
マイクロ水力発电ならば、新たにダムを造る必要がなく、また川の流れをせき止める必要もないので、環境への負荷を最小限に抑えられます。従来の水力発电と同じく、温室効果ガスの排出もありません。
电力の地场消费ができる
今までのように、都会から远く离れた地方の発电所から长距离をかけて送电するという発电形式ではなく、「地域の小川などで発电してその周辺の电力をまかなう」というような地域密着型の発电が可能になり、自分たちで使う电力は自分たちで作ることができます。また、长距离送电の际の电力ロスという问题も抑えられると言われています。
デメリット
ここまで読むと、マイクロ水力発电が素晴らしくみえていきますが、デメリットはあるでしょうか？
水利権の问题
デメリットとして挙げられるもののひとつは「水利権」の问题です。水の利用は下流の治水や水利用に影响することもあり、河川や用水路に発电机を设置するには、管理者に届け出をしなければならないのですが、この手続きが极めて烦雑と言われています。また、関係する法律の制定や改正が追いついていないため、たとえマイクロ水力発电であっても、大規模なダムを造って発電するのと同じ手続きを取らなければなりません。近年の規制緩和で、マイクロ水力発电に関する規制も緩みつつありますが、全国的に普及するにはまだまだ厳しいハードルがある、というのが現状です。
参照:
费用対効果の问题
水力発电には異物によるつまりの防止や、魚道の確保、護岸の整備、堆積する砂の排出など、発電設備の規模が小さくても必要な設備?メンテナンスの費用があるため、小規模化した場合にはこうした負担の影響が大きくなることが指摘できます。
导入例
マイクロ水力発电は、既に複数の自治体で導入されています。
河川の利用例
山梨県都留市では、市内を流れる家中川の水流を利用し、3基の発電機で発電を行っています。合計出力は約56kWで、発生した电気は市役所で消費されるほか、余剰電力については売電を行っています。
参照:
农业用水の利用例
栃木県北部の那须野ヶ原には、この地域一帯に农业用水を供给する「那须疎水」等の農業用水路があります。この用水路上に発電機を設置して、マイクロ水力発电事業が行われています。最大の発電量は那須野ヶ原発電所の340kWで、そのほかのマイクロ水力発电所と合わせて1500kW分を発電しています。参照:
上水道施设の利用例
埼玉県さいたま市では、市内にある浄水場のうち5カ所に発電機を設けています。そのうちのひとつでは貯水池からの高低差を、その他の浄水場では県営浄水場から受水する際の水圧を利用して発電しています。発生した电気は、浄水场内で自家消费されたり、东京电力に売电されたりしています。
参照?画像の出典:
また、山形市の松原浄水场では、停电时でも自家発电できる発电机が设置されていて、灾害时に浄水场の外部电源が完全に丧失しても水道水の供给が続けられるようになっています。参照:水道施设に発电机能を设置する际の手続きに関しても记されています。
下水道施设の利用例
群马県伊势崎市の伊势崎浄化センターでは、処理された下水を河川に放流する际の高低差を利用し、放流口に発电机を设け発电しています。およそ400办奥丑前后の発电実绩があります。処理场内で下水処理水を用いて発电する际は、一般には水利许可の申请が必要ない场合が多く、実用化へのハードルは他の例よりは低いと言えます。参照:参照:
水力発电の现状と今后の展望
一般电気事業用における発受電電力量のうち水力発电によるものは、一般水力と揚水発電を合わせて7.6％となっています。政府の「エネルギー基本計画」では、水力発电と今後の位置づけに関しては次のように述べられています。
渇水の問題を除き、天候に左右されない優れた安定供給性を持ち、長期的に活用可能なエネルギー源である。また、地域共生型のエネルギー源としての役割を拡大していくことが期待される。このうち、一般水力（流れ込み式）については、運転コストが低く、ベースロード電源として、扬水式については、再生可能エネルギーの導入拡大に当たっても必要な調整電源として重要な役割が期待される。
一方で、２０３０年までという时间轴で大水力の新规开発は困难であることから、他目的で利用されているダム?导水等の未利用の水力エネルギーの新规开発、デジタル技术を活用した既存発电の有効利用や高経年化した既存设备のリプレースによる発电电力量の最适化?高効率化などを进めていくことが必要である。
出典:
このように、水力発电のメリットを踏まえたうえで、治水用のダムに対して発電機能を追加したり、古い水力発电所をリプレースして効率をアップするなどの形で水力発电全体の出力を上げていくとしています。
また、中小発電(＝マイクロ水力発电)について言及されている「高コスト構造」については、現段階では十分な技術革新が進んでいるとは必ずしも言えないことから、今後の革新で設備の導入?維持等にかかる費用が抑えられれば、マイクロ水力発电の導入がより進む可能性が高いとみられます。また、関係する法令が改正され規制緩和が進めば、よりマイクロ水力発电の重要性は高まると言えるでしょう。
いずれにせよ、昨今の
- 原子力発电所の新设が见込めず、既存の原子力発电所も今后は廃炉が进むと予想されること
- 火力発电は地球温暖化の原因とされる温室効果ガスを排出し、また化石燃料の输入により国富が流出するというデメリットがあること
- 天候まかせの太阳光発电や风力発电の普及が进めばより一层ベースロード电源の重要性が高まること
というエネルギー事情を鑑みると、マイクロ水力発电を含めた水力発电全般は、今後その価値が見直される可能性は十分ありそうです。
水力発电、まとめ！
今回は 水力発电 について歴史からメリット?デメリット、最近話題のマイクロ水力発电までをご紹介してきました。あらためてポイントだけを、まとめておきましょう。
- 水を高い所から低い所へと落とす時の運動エネルギーで水车を回して発電するのが水力発电
- 水力発电の発祥は1840年、イギリスのウィリアム?アームストロングと言われている
- 日本での最初の水力発电所は明治25年京都府、それ以降建設が続く
- 昭和38年には水力発电と火力発電の発電量が逆転する
- 平成25年現在、日本国内には1,946カ所の水力発电所がある
- 构造物での分类……水路式、ダム式、ダム水路式
- 発電方法での分類……流れ込み式、調整池式、貯水池式、扬水式
- 温室効果ガスを排出しない
- 発电や管理のコストが安い
- エネルギー変换効率が高い
- 再生可能エネルギーである
- 再生可能エネルギーの中では最も安定的に発电できる
- 起伏が多い日本に向いている
- 电力需要の増减に対応して発电できる
- 降水量によって発电量が左右される
- ダムの新造には费用が掛かる
- ダムは周辺の环境や生态系に影响を及ぼす
- 一般的には出力1000kW以下の水力発电を指す
- 流水があればどこでも発电が可能
- 环境への负荷が小さい
- 电力の地场消费ができる
- 手続きが烦雑
- コストが高い
- 今日の日本では一般电気事業用における発受電電力量のうち、水力発电によるものは、全体の7.6％
- 昨今のエネルギー事情を鑑みると、今後水力発电の価値は見直される余地がある
日本の経済発展を支え続けてきた水力発电。今後もマイクロ水力発电を含めて、我々の生活になくてはならない存在であることは間違いなさそうです。
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