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水力発電の仕組みや特徴とは?メリットや日本の事例も解説!

発電方法には、様々な種類がありその一つが水力発電です。

水力発電と聞くと、大きなダムをイメージする人も多いでしょう。
実は、水力発電の仕組みはダムだけではありません。
水力発電の方法は、いくつものパターンがあります。

また、日本では水力発電が主流ではないため、水力発電について詳しく知らない人も多いのではないでしょうか。
今回は、水力発電の仕組みや特徴を解説するとともに、日本での事例についても触れていきます。

水力発電とは

水力発電とは

水力発電とは、その名の通り、水の力を使って電気を起こす方法です。
化石燃料を燃やす発電と比べて、二酸化炭素を排出しない発電方法なので、SDGsの観点からも注目されています。

まずは、水力発電の仕組みやメリットから紐解いていきましょう。

水力発電の仕組み

水力発電において欠かせないのが水の勢いです。

水力発電では、基本的に高低差を利用して水を勢いよく落とし、その力で水車(タービン)を回すことで水車に直結している発電機を動かして電気を起こします。
火力や風力、原子力といった発電方法も同じように発電機を動かす発電方法です。

太陽光発電に限っては、発電機を用いません。
その代わり太陽光パネルを使って発電しています。

水力発電のメリット

水力発電のメリットとして、特筆すべきは自然の力を利用した発電方法という点でしょう。
火力発電のように化石燃料を使わないため、CO2を排出することがありません。

また、太陽光発電や風力発電とは異なり、基本的に天候に左右されることなく発電できる点も大きなメリットです。

構造物によって異なる水力発電の種類

構造物によって異なる水力発電の種類

水力発電と一括りにしても、その種類は様々です。

例えば、水力発電をするための構造物で考えてみても3つのパターンに分けられます。
「ダム式」「水路式」「ダム水路式」が主なパターンです。

続いては、それぞれの特徴を解説します。

構造別水力発電①:ダム式

河川の中でも、両岸に岩がそびえ立つようなロケーションで成り立つのがダム式の水力発電です。
その一部をせき止めて人工的に湖を作り、その真下に発電所を設けて、貯めた水を落として発電させます。
ダムの水位が上がれば上がるほど、発電量も上がるのが特徴です。

大きな発電量が期待できるダム式ですが、ダムを建設するためにはロケーションが限られるため、どこでも作れるわけではありません。
また、コストがかかる点もデメリットといえるでしょう。

構造別水力発電②:水路式

水路を使って河川の水を高低差のある場所へ導き、水を落として発電する方法を水路式といいます。
発電させるのに使った水は、再び元の川に戻すのが特徴です。

小さな取水堰(しゅすいぜき)を作るだけで発電ができるため、ダム式よりもコストがかかりません。
ただし、ダムのように水を貯めて落とすわけではないため、発電量は劣ります。

構造別水力発電③:ダム水路式

ダム式と水路式を組み合わせた方法をダム水路式といいます。
ダムを作って水を貯め、水路を使うことで高低差のある場所まで導き、水を落とす力を利用して発電させる方法です。

ダム式のように大きな堤防を作る必要がなく、コストも下がります。
その上、建設場所もダム式ほど限定されないため、多くの場所で活用可能です。

また、水路式よりも水の勢いが得られるため、発電量も期待できます。

発電方法による水力発電の種類

発電方法による水力発電の種類

構造物だけではなく、発電方法の角度からも水力発電の種類は分けられます。
主に「自流式」「調整池式」「貯水池式」「揚水式」が挙げられるでしょう。

続いては、発電方法による水力発電の種類をそれぞれ解説します。

発電方式別水力発電①:自流式

川の流れを使って発電する方法を自流式、または流れ込み式といいます。
自然の流れをそのまま利用するため、建設コストが少なく、環境への負担もかかりにくいのがメリットです。

ただし、川の水量は時期によって異なるため、発電量が不安定といったデメリットがあります。

発電方式別水力発電②:調整池式

いわゆる小規模ダムと呼ばれる方式です。
川に調整池を作って、一日〜一週間程度の発電を賄うことができる発電揚水を貯めます。
電力消費が大きくなるタイミングで、調整池の水を流すと発電量が調節されるという仕組みです。

自流式と比べて、効率的に発電ができる上に、天候に左右されにくく電力需要の変化にも柔軟に対応できます。
加えて、大きなダムを作ることを考えるとコストもかからず、環境への配慮もできる点がメリットです。

発電方式別水力発電③:貯水池式

一般的にイメージするダムが貯水池式です。
河川にダムを作って流れをせき止め、梅雨時期や大雨といった満水期にしっかりと水を蓄えます。
夏場や冬場の消費電力が高まったタイミングで、蓄えた水を放水して発電する方法です。

大きな発電量が期待できる方法ですが、施設が巨大になるため、環境破壊やダムを建設するエリアが水没するといったデメリットがあります。
そのため、地域住民の理解が欠かせません。

発電方式別水力発電④:揚水式

水力発電所の上下にダムを建設し、日中の電力消費が大きい時間帯に、上側にあるダムから下側のダムへ水を落として発電し、夜間の電力消費が落ちた時間帯に下から上へと電動ポンプを使って水をくみ上げて移動させておく方式です。

他の発電方式と比べるとエネルギーロスが大きい点がデメリットですが、上側のダムに水が溜まっていれば、いつでも発電が行えます。
巨大な蓄電池といっても過言ではありません。

水力発電の世界における現状

水力発電の世界における現状

水力発電が発電量のうち最も多く占める国はノルウェーです。
ノルウェーにはフィヨルドと呼ばれる深い渓谷があり、膨大な量の水が高低差のある渓谷を使って発電します。
実際、ノルウェーにおける水力発電の割合は、95%を超えているほどです。

ノルウェーのある北欧では、再生可能エネルギーに注力しています。
また、不安定になりがちな自然エネルギーによる発電を安定的に供給するために、「ノルドプール」という共同の電力市場を1992年から開始しました。
北欧諸国を送電線で結び、足りない電力をお互いにサポートし合うという仕組みです。
電気の売り買いも可能であり、国際的な電力取引市場となっています。

ノルドプールにおける電力は、ノルウェーのような水力発電のほか、火力・風力など様々です。
中でもノルウェーの水力発電が占める割合は半数を超えるといわれています。

参照元:
「ノルウェーのエネルギー事情」|在ノルウェー日本国大使館
電力競争市場の基本構造|独立行政法人経済産業研究所

日本の水力発電

日本の水力発電

北欧やカナダ、ブラジルのように大きな河川がない日本では、水力発電はメインの発電方法ではありません。
しかし、日本でも水力発電は行われています。

日本における水力発電について紐解いていきましょう。

日本にある大型水力発電所

日本における水力発電用のダムは、基本的に大量の水が確保しやすい山間地に建設されています。

日本で最も大きい貯水池式の水浴発電所は、新潟県にある奥只見ダムです。
最大出力は56万Kwあり、最大貯水量は6億100万㎥で、東京ドーム約485杯分といわれています。
いかに大きいダムかがわかるでしょう。

しかし、日本の地形上、奥只見ダムのような大規模水力発電を作るための候補地はすでになく、建設可能とされる地点への建設は完了しています。

参照元:日本ダム協会

日本における水力発電の分布

日本には、大小規模を問わず、1,000箇所を超える水力発電所が存在しています。
そのうち、長野・富山・岐阜・新潟などに偏って存在しており、東京や千葉、香川などではあまり存在していません。

水力発電は地形に大きく影響されるため、日本国内でも適したエリアとそうではないエリアにわかれます。

日本の水力発電比率

日本は水力資源が豊かな国であり、終戦までは水力発電が主流となっていました。
大正4年に作られた福島県の猪苗代水力発電は、東京への送電を行っており、猪苗代湖から実に226kmにものぼる送電距離で、当時の世界3位に当たる距離でした。

しかし、戦後復興に合わせて、電力需要は逼迫していきます。
水力発電に使うダムの建設も進みますが、火力発電所は水力発電所を凌ぐ勢いで建設され、昭和38年には火力発電が水力発電を上回りました。
いわゆる「火主水従」の時代です。

現在でもこの流れは続いており、水力発電は全体の3.5%程度となっています。

参照元:
第一節 エネルギー需給の概要|経済産業省資源エネルギー庁
日本の水力エネルギー量|経済産業省資源エネルギー庁

期待される小水力発電

発電量が1,000kw以下の水力発電を「小水力発電」といいます。
2008年4月に施行された新エネルギー法により、「新エネルギー」に認定されている発電方法です。
発電方法で分類すれば、自流式や水路式にあたり、河川の水を貯めるのではなく自然の流れをそのまま生かした発電方法となります。

日本では、大型や中型の水力発電が主流であったため、小水力発電の市場はほとんどありません。
SDGsが注目され、再生可能エネルギーにシフトしていく昨今、ようやく日の目を浴びた段階です。
とは言え、この先重宝される分野であり、近い将来、小水力市場も大きく延びるでしょう。

小水力発電は、従来のような電力会社主体の開発ではありません。
地方自治体やNPO、民間、個人といった多様な事業主が実施できるため、導入がしやすいといったメリットがあります。

また、昼夜・年間を問わず安定した発電ができるのも魅力でしょう。

まとめ

まとめ

世界に目を向けると、水力発電は多くの国で重宝されている発電方法です。
火力発電に比べて環境に優しく、日本人としても無視できない発電方法といえるでしょう。

日本でも、水力発電が主流となっていた時代がありました。
現在は化石燃料を使った発電がほとんどですが、再生可能エネルギーやCO2削減の観点から見ると、水力発電の重要さは再度注目するべきではないでしょうか。

また、小水力発電といった新たな発電方法も開発されており、自治体や企業、個人でも導入することができます。
流水があればどこでも発電できる上に、環境への負荷が小さいためうまく活用していきたいものです。

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