水力発電のメリットとは？発電の仕組みや種類わかりやすく解説
水力発電は、水が高いところから低いところへ流れ落ちるときに生まれるエネルギーを、電気に変換する発電方法です。この記事では、水力発電の基本的な仕組み、構造物別・運用方法別の種類、メリット・デメリットについて詳しく解説します。
【目次】
水力発電ってなに？
まずは、水力発電の特徴や仕組みについて見ていきましょう。
水力発電とは
水力発電とは、水が高い場所から低い場所へと流れ落ちる際に生じる位置エネルギーを利用した発電方法です。
水の量が多く、落差が大きいほど、多くのエネルギーが生み出されます。そのため、地形的に山がちな日本では、古くからこの発電方式が活用されてきました。
近年、地球環境への配慮が世界的な課題となるなかで、水力発電は再生可能エネルギーの一つとして、その価値と役割があらためて注目されています。
水力発電の仕組み
水力発電は、まず高所に貯められた水を低い位置へと勢いよく落とすことから始まります。この高速・高圧な水の流れが水車を回転させ、水車に直結した発電機がその回転を電気エネルギーへと変換します。
生成された電気は、送電時に発生するロスを最小限に抑えるため、変圧器を介して大幅に電圧を引き上げてから送り出されます。
水力発電の種類
水力発電は、構造物のタイプや水の運用方法によっていくつかの種類に分類されます。
水力発電の種類
構造物別
構造物のタイプで分類すると、水力発電はおもに次の3種類に分けられます。
ダム式
この方式は、河川の上流に巨大なダムを築き、広大な貯水池を形成して大量の水を貯留します。
降水量の多い時期に水を蓄え、電力需要が高まるときや降水量が少ない時期に貯められた水を放流することで発電量を調整します。これにより、年間を通して安定した電力供給が可能です。
水路式
この方式では、河川の上流に水をせき止める小規模な堤を設置し、そこから水路を通じて水を離れた地点まで導きます。そして、十分な高低差が得られる場所で水を落下させ、その水圧で水車を回転させて発電します。
大規模な貯水池が不要かつ、発電後の水は元の河川に戻すため、周囲の自然環境への影響が比較的少ない方式です。
ダム水路式
この方式は、ダム式と水路式を組み合わせた発電方法です。上流に建設されたダムで水を貯留し、その水を水路でさらに大きな高低差が得られる場所まで運んでから落下させ、発電を行います。
水を貯める場所と実際に発電を行う場所を物理的に分けられるため、設計の自由度が高く、より効率的な発電が可能です。
運用方法別
使用する水の流れや貯水形態で分類すると、次の4種類に分けられます。
流れ込み式（自流式）
自然の河川の流れをそのまま利用する方式です。ダムを必要としないため、環境負荷が比較的小さいのが特徴です。
一方で、川の水量変動が発電量に直接影響するというデメリットもあります。
調整池式
河川の上流に調整池を設け、一時的に水を貯めることで、水量を一定に保ちながら発電を行う方式です。
調整池が比較的小さいため環境への影響は少ないですが、その分大きな水量変動には対応できない場合があります。
貯水池式
河川の上流に大規模な貯水池を設置し、大量の水を貯留する方式です。
季節を問わず安定した発電が可能ですが、大規模な土木工事が必要となるため、環境への影響や建設コストが大きくなるという側面があります。
揚水式
この方式では、発電所の上下にそれぞれ貯水池を設置し、電力需要が少ない時間帯に下部の貯水池から上部の貯水池へポンプで水を汲み上げます。そして、電力需要が高いピーク時に、上部の貯水池から下部の貯水池に水を落下させて発電します。
初期費用は高額ですが、電力需要の変動に対して柔軟に対応できる点が魅力です。
水力発電のメリット
水力発電には、環境負荷の低さや運用コストの安さなど、多くのメリットがあります。おもなメリットは以下のとおりです。
温室効果ガスを排出しない
水力発電は、石油や石炭、天然ガスといった化石燃料を燃焼させるプロセスをともなわないため、発電時に二酸化炭素などの温室効果ガスをほとんど排出しません。
地球温暖化の抑制に貢献する、環境に優しいクリーンエネルギーです。
再生可能エネルギーである
再生可能エネルギーとは、限られた資源である化石燃料とは異なり、一度利用しても比較的短い期間で再び生成され、資源が枯渇することなく繰り返し利用できるエネルギーのことです。
太陽光や水力、風力、地熱、バイオマスなどがありますが、なかでも水力発電は特に高いエネルギー変換効率を誇ります。
エネルギー変換効率が極めて高い
あるエネルギーを別のエネルギーに変換する際の効率を示すのが、エネルギー変換効率です。水力発電は、この変換効率が約80%と高いのが特徴です。
火力発電の約30～40％、原子力発電の約33％、太陽光発電の約10％、風力発電の約25％、地熱発電の約8％と比較すると、その数値は圧倒的といえるでしょう。
発電コストが安い
水力発電は、自然資源の水を動力源にするため、化石燃料のように燃料を購入する必要がありません。そのため、発電にかかるコストが安い点も、水力発電の大きな強みです。
「小水力発電」で少ない水でも発電できる
近年注目されている「小水力発電」は大規模なダムを必要とせず、河川や農業用水路に流れる比較的小さな水の流れをそのまま利用することで、少ない水量での発電を可能にします。
大がかりな土木工事が不要なため環境への負荷が少なく、地域の農業用水路なども活用できるため、地方自治体やNPO法人、民間企業、個人など、幅広い事業主体が導入しやすいのが特徴です。
水力発電のデメリット
多くのメリットがある水力発電ですが、いくつか課題もあります。おもなものは、以下のとおりです。
降水量によって発電量が左右される
水力発電は、降水量が少ない時期が続くと川の水位が下がり、結果として発電量が落ち込むことがあります。
ダムがあればある程度水を貯めておくことができますが、降水量が少ない状態が長期間続くと対応しきれない場合があります。
ダムの新造には費用がかかる
ダムの建設には非常に大きな費用が発生します。中小規模の水力発電では約100万円/kWを超えることもあり、例えば太陽光発電の約20万円／1kWと比較すると高額です。また、プロジェクトの規模が大きくなるほどその費用は増加します。
ただし、水力発電には発電効率の良さや発電コストの安さといったメリットもあるため、長期的な費用対効果を総合的に判断することが大切です。
環境や生態系に影響をおよぼす
水力発電所の建設と運用は、周囲の生態系に負の影響をおよぼす可能性があります。
例えば、ダムの建設では川の流れを大きく変えることになるため、魚の遡上を妨げたり、下流の水量減少により生態系のバランスを崩したりする恐れがあります。
水力発電所の建設を計画する際は、「環境影響評価」を事前に実施し、自然への影響を最小限に抑える対策を講じることが重要です。
水力発電の今後
日本における水力発電は、今後どのような道を歩むのでしょうか。これからの展望や、家庭における環境への配慮について見ていきましょう。
水力発電の未来展望
日本政府は、2050年までに「カーボンニュートラル（二酸化炭素の排出量と吸収量とが差し引きゼロの状態になること）」を目指しており、そのなかで水力発電が目標達成の鍵として注目を集めています。
しかし、水力発電を活用したカーボンニュートラルの実現には課題もあります。具体的には、発電効率の向上や環境保護、地域社会との共生などが必要です。
発電効率のさらなる向上を図るためには、既存ダムの運用をAIなどのデジタル技術で最適化するとともに、未利用ダムの積極的な活用を検討する必要があります。
また、生物多様性や生態系を守るために自然への影響を事前に調査し、地域社会の理解を得て共生を図らなくてはなりません。
技術革新や環境保護、地域との共生を軸に進めることで、水力発電は持続可能な社会の実現において、ますます重要な存在となるでしょう。
環境に配慮した電力利用を
水力発電をはじめとした再生可能エネルギーは、発電時に温室効果ガスをほとんど排出しないという点で環境保全に大きく貢献しています。家庭での電力利用においても、環境に配慮した選択肢が存在することをご存じでしょうか。
エネワンでんきの「実質再エネプラン」なら、再生可能エネルギーを実質100％利用した電気の調達を実現できます。このプランでは、一般家庭で年間約1.6tもの二酸化炭素排出量を削減できる計算となり、家庭で手軽に環境に優しい電力利用が可能になります。
再エネのなかで最も優しい水力発電
水力発電は、温室効果ガスの排出が極めて少なく、環境に優しい発電方法です。特に、従来の方式よりも少ない水量で発電でき、大がかりな土木工事が不要な「小水力発電」は、環境負荷の小さい発電方法として近年注目を集めています。
また、ご家庭で環境に配慮した電力を利用したいとお考えの方は、エネワンでんきの「実質再エネプラン」をぜひご検討ください。
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エネワンでんき編集部
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