構造物での分類

水が落下するエネルギーを使って電気を起こす水力発電。そこで重要なポイントのひとつとなるのは、水面から水車までの「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

水力発電といえばダムのイメージが強いですよね。ダムを造り河川の流れを止め、そのダムの真下に発電所を設けることで落差を作り発電する方法です。中禅寺湖と華厳ノ滝のような地形を人工的に作って、滝の位置に水車を置いています。
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車を回しています。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。
構造的には、ダムの水が減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

河川に取水堰（しゅすいぜき）を設けて水を取り入れ、本来の川の流れよりもゆるい勾配の水路を通して水を導き、十分な落差が取れるところで元の川に戻して発電する方法です。構造的には、得られる落差が地形に沿ったものとなるので、水の持っている位置エネルギーが水量に影響されないという特徴があります。

ダム水路式

水路式とダム式の利点を組合わせたもので、ダムによってせき止められた水を、水路によって落差のあるところまで導いて発電する方法です。ダム自体で大きな落差を作ろうとすると、高い堤体を作らなければならないため、地形とコストの問題が生じます。
ダム水路式では水を貯める場所と水を落とす場所を別々にすることで、水量を調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:中部電力｜発電方法の種類 – 水力発電のしくみ

運用方法での分類

水力発電の場合、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、そのまま発電に利用する方法です。川の水量に左右され、発電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、比較的小規模なものが多くなります。そのぶん構造的には安価で、環境への負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電は多くがこの「流れ込み式」に分類されます。

調整池式（堰・小規模なダム）

川の水の量に対して比較的規模の小さい池を作って、電力消費の少ない時間帯に水を貯めておき、昼間等、電力消費の大きいピークの時間帯に水を多く流すことで発電量を増やす運用方法です。1日〜1週間程度の間の変動に合わせた程度の貯水量に抑えているので、環境への影響は小さくなります。

貯水池式（ダム）

渇水期や電力消費の多い夏・冬に十分な水量を確保するため、豊水期や電力消費の少ない時期にダムへ大量の水を貯めておく運用方法です。季節間の消費量の調整に対応するため、巨大な設備になることが多く、周辺の環境などへの影響は大きくなります。

貯水池式も主にピークの時間帯に水を多く流して発電量を増やします。

このほか特殊な水力発電所として「揚水式発電所」があります。

揚水式（ダム）

発電所の上流と下流の両方にダムを設け、2つのダムの間で水を落とすことで発電する方法です。24時間のうち、電力の需要量はピーク時とそうでない時ではかなりの差があります。特に原子力発電は継続的に運転する方が効率的なため、需要によって出力を調整することは稀ですが、そうすると、夜間等の電力需要の低い時間帯には余剰電力が発生してしまいます。この余った電力を利用して、夜間のうちに下方のダムから水を電動ポンプでくみ上げて上方のダムに貯めておき、電力需要の大きいピーク時間帯に発電する仕組みです。

画像の出典:中部電力｜発電方法の種類 – 水力発電のしくみ

揚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電気を蓄えておけることがメリットになります。揚水式は他の発電所を補助する役割であり、一般的な水力発電とは切り分けて扱われることが多いです。

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。水力発電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電方法です。

発電や管理のコストが安い

水力発電は、他の発電方法と比較して、発電や管理・維持にかかるコストが安くなります。原子力発電や火力発電では、有償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、設備の管理・維持にかかるコストも他の発電方法と比べると安価です。参照:水力発電および世界のエネルギーの将来

エネルギー変換効率が高い

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、水力発電は、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電気へ変えられるので、変換効率は80%と極めて優れています。太陽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:水力発電の仕組み（役割・特徴） [関西電力]

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、最近では太陽光や風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。発電に使った水のエネルギーは、蒸発して雨として再び降る、という自然の循環によって再生されるのです。

デメリット

メリットもあればデメリットもあります。

降水量によって発電量が左右される

水で発電する水力発電は、降水量によって発電量が左右されることがあります。極端に降水量が少ない場合、発電ができなくなる恐れもあります。参照:ダム水不足で水力発電停止　大分、北川ダム：日本経済新聞

ダムの新造には費用がかかる

水力発電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設費用がかかり、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電ですが、初期費用は必ずしも安いものではありません。

ダムは環境や生態系に影響を及ぼす

ダムの建設によって周辺の環境や河川の生態系に影響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減った……という事例なども報告されています。参照:独立行政法人　土木研究所　自然共生研究センター
また、ダムの建設に際しては山奥まで大量の資材・機材を搬入するための道路等も建設されるため、影響を受ける面積が広い点が指摘できます。

マイクロ水力発電とは

一般的には、「マイクロ水力発電」あるいは「小水力発電」とは出力1000kW以下の水力発電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電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:小水力発電とは｜全国小水力利用推進協議会

メリット

マイクロ水力発電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電可能

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電できるという点です。従来の水力発電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、マイクロ水力発電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。

環境への負荷が小さい

マイクロ水力発電ならば、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。従来の水力発電と同じく、温室効果ガスの排出もありません。

電力の地場消費ができる

今までのように、都会から遠く離れた地方の発電所から長距離をかけて送電するという発電形式ではなく、「地域の小川などで発電してその周辺の電力をまかなう」というような地域密着型の発電が可能になり、自分たちで使う電力は自分たちで作ることができます。また、長距離送電の際の電力ロスという問題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、マイクロ水力発電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？

水利権の問題

デメリットとして挙げられるもののひとつは「水利権」の問題です。水の利用は下流の治水や水利用に影響することもあり、河川や用水路に発電機を設置するには、管理者に届け出をしなければならないのですが、この手続きが極めて煩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電であっても、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、マイクロ水力発電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:小水力発電の現状・意義と 普及のための制度面での課題｜科学技術・学術政策研究所

費用対効果の問題

水力発電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。

導入例

マイクロ水力発電は、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、発生した電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:都留市役所　 家中川小水力市民発電所

農業用水の利用例

栃木県北部の那須野ヶ原には、この地域一帯に農業用水を供給する「那須疎水」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、マイクロ水力発電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電所と合わせて1500kW分を発電しています。参照:自然エネルギー　那須野ヶ原発電所

上水道施設の利用例

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。発生した電気は、浄水場内で自家消費されたり、東京電力に売電されたりしています。
参照・画像の出典:さいたま市／小水力発電を行っています。
また、山形市の松原浄水場では、停電時でも自家発電できる発電機が設置されていて、災害時に浄水場の外部電源が完全に喪失しても水道水の供給が続けられるようになっています。参照:松原浄水場小水力発電施設｜山形市上下水道部水道施設に発電機能を設置する際の手続きに関しても記されています。

下水道施設の利用例

群馬県伊勢崎市の伊勢崎浄化センターでは、処理された下水を河川に放流する際の高低差を利用し、放流口に発電機を設け発電しています。およそ400kWh前後の発電実績があります。処理場内で下水処理水を用いて発電する際は、一般には水利許可の申請が必要ない場合が多く、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:伊勢崎浄化センター|伊勢崎市参照:主な施策：利用-小水力発電と水利使用手続-国土交通省水管理・国土保全局