水力発電は古くから日本で利用されており、馴染みのある発電方法ではないでしょうか？そして近年は、カーボンニュートラルを実現する手段としても注目されています。
この記事では、水力発電の仕組みや種類、メリット・デメリットなどを解説していきます。改めて水力発電について詳しく知りたい方、企業や自治体での導入を検討している方は、ぜひ参考にしてください。
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水力発電とは
水力発電とは、水が高い場所から低い場所に流れる際のエネルギーを利用した発電方法です。日本では古くから水力発電を利用していますが、近年クリーンな再生可能エネルギーとして再注目されています。
水力発電は、高い場所から低い場所への落差が大きいほど大きなエネルギーを生み出します。そのため、急斜面の山間部などに建設されることが多く、山が多い日本には適した発電方法とされています。
水力発電の仕組み・発電方法
水力発電は、高い位置に貯めた水を低い位置に落とすことで水車（タービン）を回し、水車につながっている発電機を回転させることで電気を生み出す仕組みです。発電機は火力発電や風力発電と同様に、電磁誘導を利用して回転力から電気エネルギーを得ています。
水の落差をつける方法はいくつかありますが、高いところにある水の位置エネルギーを電気エネルギーに変換する仕組みはどれも同じです。
水力発電の種類
水力発電にはいくつかの種類があり、主に以下2つの分類方法があります。
- 構造物による分類
- 運用方式による分類
それぞれの分類ごとに、水力発電の種類を見ていきましょう。
構造物による分類
構造物によって分類すると、水力発電には以下の3種類があります。
- ダム式
- 水路式
- ダム水路式
ダム式とは、ダムから水が流れる落差を利用して発電する方式です。安定した電力供給が可能であり、発電量を調節できます。
水路式とは、まず川の上流に水をせき止めるための小さな堤を造ります。そこから水を取り込み、適当な落差が得られるところまで導いて発電する方式です。環境への負担が少なく、小規模の発電に適しています。
ダム水路式とは、ダム式と水路式を組み合わせた方式であり、ダムで貯めた水を引き込んで落差を得られる場所で電気を作ります。より効率的に発電できるのがメリットです。
運用方式による分類
運用方式によって分類すると、水力発電には次の4つの方式があります。
- 流れ込み式
- 調整池式
- 貯水池式
- 揚水式
流れ込み式とは、河川の水をそのまま引き込んで利用する方法です。発電量を調整することは難しいですが、建設コストを抑えられるメリットがあります。
調整池式とは、調整池に貯水しておき、短期間の電力需要に応じて発電する方法です。発電量をある程度調整できるため、ピーク時の電力需要に対応できます。
貯水池式とは、長期間の電力供給に対応するために、貯水池に水を溜めて発電する方法です。例えば、梅雨の時期に貯水しておき、電力供給が高まる真夏に放出するなどの利用方法があります。
揚水式とは、低地の貯水池から高地の貯水池へ水をポンプで送り、需要が高い時に水を放出して発電する方法です。初期費用は高いですが、効率的な運用ができます。
水力発電が注目されている理由
水力発電が注目されている大きな理由は、世界全体でカーボンニュートラルを目指しており、再生可能エネルギーの普及率を高めなけれならないからです。
日本では2050年カーボンニュートラルを掲げて、温室効果ガスの削減に取り組んでいます。その中でも重要な取り組みが、再生可能エネルギーを主たる電力源とすることです。
再生可能エネルギーには、太陽光発電や風力発電などがあります。水力発電は再生可能エネルギーの中でももっとも発電効率が高い発電方法であり、さらなる普及が目指されています。
実際に、2021年8月に公表された第6次エネルギー基本計画（素案2）では、水力発電は以下のように評価されています。
「純国産で、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つ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」
日本の水力発電の現状
資源エネルギー庁の資料を参考にすると、2020年度の日本における電力需要に対する水力発電の供給割合は7.8%でした。これは、再生可能エネルギー源の中で太陽光発電の7.9%に次いで二番目に高い割合です。そして2030年までには、水力発電の供給割合を11%ほどまで引き上げる目標を掲げています。
さらに水力発電の供給割合を高めるために水力発電を増やしていきたいところですが、大規模水力はすでに多くの場所で開発が進められています。また、初期費用が高く、ダムの建設は自然環境への影響が大きいなどの課題もある状況です。
そこで注目されているのが、一般河川や農業用水などの小さな流れを利用する小水力発電です。大規模発電と比べて初期費用を抑えられ、環境への負担が少ないメリットがあります。しかし、小水力発電を建設するには、河川の使用許可や水利権者の許諾が必要であり、手続きが煩雑であることが問題となっています。
参考：水力発電は安定供給性にすぐれた再生可能エネルギー｜資源エネルギー庁
水力発電の特徴・メリット
水力発電には、以下の特徴やメリットがあります。
- 温室効果ガスを排出しない
- 持続可能なエネルギーである
- エネルギーの変換効率が高い
- 発電コストを抑えられる
- 安定したエネルギー供給が可能である
それぞれ具体的に紹介していきます。
温室効果ガスを排出しない
水力発電は燃料を燃焼しないため、発電時に温室効果ガスを排出しません。そのため、水力発電をはじめとした再生可能エネルギーが主な電力源となり、化石燃料の割合が減少すれば、カーボンニュートラルの実現に大きく近づくでしょう。
持続可能なエネルギーである
水力発電のメリットとして、水があれば発電できる持続可能なエネルギーであることも挙げられます。
現在、日本は化石燃料の多くを海外から輸入しており、エネルギー依存度の高さが問題視されています。もし再生可能エネルギーの割合を増やせれば、海外への依存度を減らし、より安定したエネルギー供給体制を築くことができるでしょう。
エネルギーの変換効率が高い
水力発電は、他の発電方法と比べてエネルギーの変換効率が高いこともメリットです。各発電方法の変換効率は以下の通りであり、水力発電の変換効率は80%と非常に高いことがわかります。
| 発電方法 | 変換効率 |
|---|---|
| 水力発電 | 80% |
| 火力発電（LNG） | 55% |
| 風力発電 | 25% |
| 太陽光発電 | 15%~20% |
| 地熱発電 | 8% |
| バイオマス発電 | 1% |
変換効率が高いと、エネルギーの損失が少なく、効率的な発電ができます。
参考：再生可能エネルギーへの取組み 水力発電の概要｜関西電力
発電コストを抑えれらる
水力発電の管理・維持にかかるコストは比較的安く、燃料コストもかかりません。そのため、安価で電力供給ができるのも水力発電の特徴です。初期費用はかかりますが、長期にわたって運用できれば、初期費用を回収できるでしょう。
安定したエネルギー供給が可能である
水力発電は、安定したエネルギー供給が可能です。水があれば発電でき、水力発電の種類によっては発電量を調整できるからです。また、太陽光発電や風力発電と比べて、天候や季節に左右されにくい特性もあり、信頼性の高い電力源とされています。
水力発電の課題・デメリット
水力発電の課題やデメリットとしては、以下の4つが挙げられます。
- 初期費用が高い
- 発電量が雨量に影響される
- 周辺環境に影響を及ぼす可能性がある
- 建設の手続きが煩雑である
初期費用が高い
水力発電は他の発電方法と比べて、初期費用が高いです。ダムや発電設備、送電線などの建設には膨大な資金が必要であり、大規模になるほど高くなります。
具体的には、水力発電の初期費用は1kWあたり200万円前後とされています。一方で、資源エネルギー庁のデータによると、太陽光発電の初期費用は1kWあたり26.7万円です。
ただし、初期費用の高さだけに目を向けず、発電効率の高さやエネルギー供給の安定性などのメリットと天秤にかけて検討することが大切になります。
発電量が雨量に影響される
水力発電は天候や季節の影響は受けにくいですが、雨が降らなければ発電できません。そのため、雨が降らない日が続くと、電力を安定的に供給することが難しくなるでしょう。
周辺環境に影響を及ぼす可能性がある
水力発電は、河川の自然な流れを変えるため、水生生物の生態系に影響を与えることがあります。また、大規模なダムを建設したことで、周辺地域が水没して住民が移住を強いられることもあり、社会的な問題となっていることも事実です。
建設の手続きが煩雑である
水力発電所の建設には、環境影響評価や土地利用の許可、水利権の取得など、多くの法的手続きが必要です。これらの手続きには時間がかかり、かつ複雑であるため、水力発電が完成するまでには多くの時間がかかります。
対策として、長期にわたる調査などに対する補助金や支援事業などが実施されています。それらを利用すれば、初期費用を抑えながら、スムーズに開発ができるかもしれません。
GX検定監修者より
まとめ
この記事では、水力発電の仕組みや種類、メリット・デメリットなどを紹介しました。
水力発電は古くから利用されている発電方法ですが、近年はカーボンニュートラルを実現する発電方法として注目されています。水力発電の建設にはさまざまな課題がありますが、それらが解決されれば、さらに普及が進んでいくでしょう。
もし企業や自治体で再生可能エネルギーの導入を考えているのであれば、ぜひ前向きに水力発電を検討してみてはいかがでしょうか。\
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