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近年、持続可能なエネルギーとして太陽光をはじめとした再生可能エネルギーが大きく期待されています。
自然の豊かな日本は自然のエネルギーを利用する機会に恵まれており、また、国の政策的な後押しもあることから、今後の日本は再生可能エネルギーを積極的に活用したエネルギー社会に進むことと思われます。
また、原子力に代わる安心して利用出来る発電方法を模索していかなくてはならない私たちとしては、再生可能エネルギーには期待せざるをえません。
今回の記事では、再生可能エネルギーの中でも太陽光や風力等と同様に大きく期待が持たれている水力発電について、その基本原理をご紹介したいと思います。また、合わせて今後の水力発電の可能性についてもご紹介します。
水力発電の基本原理はとてもシンプルで、水が高いところから低いところへ落ちる際の流水のエネルギー(水力)を、電気エネルギーに変換するものになります。
具体的には、水の流れで水車を回し、水車と直結した発電機により電気が生み出されるという仕組みです。水車という回転エネルギーを活用することは古来より行われてきた方法で、世界で最初の水力発電は１８７８年にイギリスのアームストロングが自宅にて部屋の照明をつけるために行なったとされています。長い歴史によって技術的にも確立された安定のエネルギー源と言えます。
水力発電の設備には、川の流れをそのまま活用するものから、調整池に一時的に貯めもの等様々なタイプがあります。具体的に見ていくと、
特にダムのような貯める方式の調整池式や貯水池式の場合は水流を自由に調整できることから発電量をコントロールすることが可能になります。また、発電開始までの時間も短いという特徴もあります。そのため、電力需要が高まった時でも柔軟かつ迅速に対応することができ、水力発電は実用性の高い発電方式と言えるでしょう。
水力発電で得られる電力は、水が流れ落ちる高さ、流水量、発電機の種類によって異なります。
一般に、水流の落差や水流量が大きいほどエネルギーが多く得られます。発電機の種類は100〜1,200回転/分のものがあり、回転数によって発電量が変わってきます。
具体的には、2012年時点で、日本国内に設置されている水力発電設備(揚水式以外)は、2,076万kWと言われています。もちろん、すべての設備が常時発電するわけではありませんが、設備利用率約40%を加味しても、2012年時点の水力発電の発電量は約755億kWhとなります。
これは、一般家庭の2,000万世帯を超える電力消費量に該当し、水力発電は電力の供給源として頼もしいものと言えます。
(発電量等データの参考値：SBエナジー株式会社運営サイト「みるみるわかるEnergy 」より)
また、水力発電は原理がシンプルであるため発電効率に優れます。水の流れという運動エネルギーがそのまま発電機に伝わりことから、電気エネルギーが発生するまでにエネルギーロスが少ないからです。
水力発電の発電効率は、具体的には80%から90%ほどと言われており、現在の太陽光発電の発電効率が15%前後、火力発電の発電効率が40〜50%ほどであることを考えれば、水力発電は極めて優れた効率性であると言えます。
昔は、水力発電主な電力発電元でしたが、現在では火力発電と原子力発電にとって変わられました。日本の経済が成長すればするほど電力の供給が必要となり、安定して大きな電力を発電できる発電方法が主力になるのは当然のことでしょう。ただ、2011年の東北大震災以降、再生可能エネルギーに注目が集まっています。水力発電もそのうちの一つであり、今後より注目が高まって行く可能性があります。
再生可能エネルギーとは、日本の法律で「エネルギー源として永続的に利用することができると認められるもの」と定義が決められています。永久的にという言葉が示すように、燃料として限りのある化石燃料とは正反対の言葉です。
再生可能エネルギーとして認められているものとして、太陽光、地熱、水力、風力などがあげられます。どれも、自然界の力を利用し、どれだけ使用しても永久的になくならず、地球温暖化の原因となる二酸化炭素などを排出しないエネルギーです。
東日本大震災の際に、原子力発電所が津波で止まり、その安全性を含めて大問題となりました。火力発電についても、永久的に頼ることができないエネルギーであり、震災以降日本人の意識は再生可能エネルギーに向きました。
日本の電力自給率を見ると、日本がバブル経済に入る前の1960年代は50%以上もあった電力自給率が2012年には10%を切っています。これは、石油による発電が増えたことが原因です。石油はそのほとんどを海外からの輸入に頼っています。今後、石油は有限のエネルギーであるため、今後枯渇することは確実です。日本はなおさら輸入に頼っているため、大変えとなるエネルギー源を確保することが急務というわけです。
太陽光・風力などの自然エネルギーを導入していく流れは日本の中でできてきています。太陽光にいたっては、新築で建てる家には必ずと言っていいほど、太陽光を設置するようになってきましたし、大規模ソーラーパネルをいたるところで見るようになりました。それでも、まだまだ火力発電に頼っているのが現状です。その原因となっているのが、莫大な建設費です。太陽光に限って言えば、日照時間は地方や季節によってばらつきがあり、安定供給がまだ保証されていません。これは、風力発電についても同じことが言えます。そのため、莫大な建設費を回収するためには、長い年月が必要です。
水力発電は、再生可能エネルギーの中でも比較的安定的に電力を供給できると言われています。太陽光や風力は、毎日ばらつきがありますが、水力発電はダムに貯めた水で発電をおこないます。今日はあった水が明日なくなるということはダムが壊れない限りないため、水力発電は安定的に電力が発電できるのです。
近年では、工場の排水を利用して、電力を発電する小規模水力発電が注目を集めています。大規模な電力を発電することはできませんが、工場やオフィスなどであれば十分な電力の供給が可能です。今後、太陽光発電や風力発電と合わせて、併用していけば、お互いのデメリットをカバーしながら、再生可能エネルギーだけで日本の電力をまかなえる日が来るかもしれません。
水力発電をおこなうためには、ダムの建設が必要ですが、そのためには森林を伐採し土地を作らなければいけません。大規模なダムになればなるほど、環境破壊に繋がります。また、建設にかかる費用を回収できるだけの予測も立てにくいため、今のところ新しいダムの建設は予定されていません。今後の水力発電は、山の中に作る大規模なものではなく、身近な排水などを使った小規模の水力発電がトレンドになるでしょう。
いかがでしたでしょうか？
水力発電の基本原理はとてもシンプルで、たとえば自転車のペダルを回すことで電灯が点くことと同様に、水流による水車の回転で電気エネルギーが生まれることになります。
自然の川の水流を活用することができますし、また、人工的に貯めることで水流量を調整し、変化しやすい電力需要に柔軟に対応することができます。
このように、水力発電はシンプルな原理であるため、活用しやすい再生可能エネルギーと言えるでしょう。
なお、雨量によって発電量が変動することも考えられますが、他のタイプのエネルギー源と組み合わせることで、様々な天候に対応した安定した電力供給が実現するのではないでしょうか。化石燃料に頼った社会ではなく、持続的に存続できる社会となるためにも、再生可能エネルギーの注目度は今後も高まって行くでしょう。これからのエネルギーに注目です。
(参考)
・中部電力株式会社公式ウェブサイト | 水力発電の基本原理
http://www.chuden.co.jp
・電気事業連合会公式ウェブサイト | 電気事業について | 発電のしくみ > 水力発電
http://www.fepc.or.jp
・SBエナジー株式会社運営サイト「みるみるわかるEnergy | STUDY | 水力発電のしくみ」
http://www.sbenergy.jp
2017/09/15
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