水力発電とは、その名の通り水の力を利用した発電方法で、二酸化炭素を排出しないクリーンな発電方法です。

国連加盟国の193カ国が、2016年から2030年の15年間で達成するために掲げたSDGs（持続可能な開発目標）の7番目の目標である「エネルギーをみんなに、クリーンに」という目標を達成するためにも、水力発電は大きな力を発揮するでしょう。

水力発電を含む再生可能エネルギーは、全世界で約20％を占めるようになりました。今後このような自然エネルギーが、世界のエネルギーに占める割合はさらに大きくなってくるものと思われます。

ここでは、自然エネルギーのひとつである水力発電の仕組みや、メリット・デメリットについて詳しく解説していきます。

水力発電の特徴

水力発電は、水が高所から低所へ流れる時に発生する位置エネルギーを利用し、その水の勢いで水流の中の発電用ポンプの水車を回転させ、発電機を動かして発電する発電方法です。

水力発電の仕組み

（出典：九州電力　水力発電の特徴と仕組み）

水力発電にはいくつかの種類があり、水の利用面、構造面、ダムの形式、水車の形式の4つの観点から分類されます。

それぞれの水力発電方法については後述で詳しく説明します。

日本の水力発電の普及率

（出典：再エネ | 日本のエネルギー 2022年度版 「エネルギーの今を知る10の質問」 ｜広報パンフレット｜資源エネルギー庁）

水力発電所は水系に建設され、発電所の建設後には少ない費用で維持が可能なことから、過去には発電設備の大半を占めていた時代もありました。

日本の一般水力発電所は、2022年度の時点で2,000か所以上あります。

既存の水力発電所と現在建設中の水力発電所を合計するとその総出力は1,884万kW（全体の3分の2）となります。

このような状況にある日本で水力発電で発電した電力が、全ての電力に占める割合は大規模水力を含めても2022年度の時点で7.8％となり日本の再生可能エネルギの40％程度を占めています。

世界の水力発電の普及率

水力発電が全発電方法に占める割合が最も高い国はノルウェーで96.6％、次いで2位がアイスランドの70.0％、3位はオーストリアの61.4％となっています。

この結果から、北欧での水力発電の普及率が非常に高いことが分かります。

北欧には水力発電所の建設に適した急峻な水系が多いことが水力発電が盛んな理由のひとつです。

それ以外にも、北欧の水力発電の普及率が高いのには理由があります。

それは、万が一渇水が起こって水力発電による発電量が著しく下がった場合でも、北欧四カ国で組織された国際連携電力取引市場である「ノルドプール」があるため、他国から電力を輸入できるということです。

そのため化石燃料などを用いた発電方法よりも、供給のコントロールが不安定な水力発電という自然エネルギーを大きな割合で導入することができるのです。

ここに挙げた国以外でもカナダやブラジルで水力発電が普及されています。

水力発電の4つのメリット

水力発電には、大きな4つのメリットがあります。ここでは、その4つのメリットについて詳しく解説していきます。

1. 発電時にCO2などの温室効果ガスを発生しない再生可能エネルギー
2. エネルギー変換効率が高い
3. 管理費用が安い
4. 日本の地形は水力発電に向いている

①発電時にCO2などの温室効果ガスを発生しない再生可能エネルギー

水力発電では、CO2などの温室効果ガスを発生させることなく電力を作り出すことができます。

現在世界の多くの国々では、地球温暖化の進行を食い止めるために温室効果ガスの削減目標を定め、その目標に向かってさまざまな努力を行っています。

その努力の方法のひとつに、CO2を発生させる化石燃料を利用した発電方法に代わって、水力発電など自然の力を利用した再生可能エネルギーの利用割合を増やすというものがあります。

水力発電のような再生可能エネルギーを利用することで、地球温暖化の進行を緩やかにしたり、食い止めたりすることができます。

②エネルギー変換効率が高い

水力発電におけるエネルギー変換効率とは、水が持つ位置エネルギーのうち何パーセントを電力に変換することができるかということを数値化したものです。

水力発電を利用して発電を行った場合、そのエネルギー変換効率は80パーセント程度です。

一般的な火力発電を利用して発電を行った場合のエネルギー変換効率は35パーセントから43パーセントであるのに比べると、水力発電のエネルギー変換効率がいかに高いかということがお分かりいただけると思います。

③管理費用が安い

水力発電のメリットのひとつに、管理費用が安いということが挙げられます。

そのため、水力発電以外の再生可能エネルギーやその他のエネルギーの中でも、電力を安価に供給することができます。

④日本の地形は水力発電に向いている

日本には高い山々が多くあるため、水力発電を行うのに向いています。

高い山々を流れる水系には高低差が大きいものが多く、水の位置エネルギーを電力に変える水力発電には最適な地形であるといえます。

水力発電のデメリット・問題点

多くのメリットがある水力発電ですが、デメリットも存在します、

ここでは、水力発電のデメリットについて解説していきます。

1. 天気によって発電量が左右される
2. 初期費用が高額

①天気によって発電量が左右される

水力発電により十分な電力を発電するためには、大量の水が必要になります。

梅雨や台風の時期などは発電に使用する水に不自由することはありませんが、夏場に十分な雨が降らないなどの理由で渇水が起こると、十分な水量を確保することができず、従って発電量も下がってしまいます。

このように天候、主に降水量によって発電量が左右されてしまうというデメリットがあります。

②初期費用が高額

ダムを利用した水力発電所を建設する場合、ダムの建設に多額の費用が必要になります。

ダムの建設に必要な費用はダムの規模により大きく変動しますが、一例として有名な黒部ダムを挙げると、その建設費用は513億円以上かかったとされています。

ダムの建設は、一般的に公共事業として行われるため、ダム式の水力発電所の建設には、多額の税金が投入されます。

このような理由から、ダム建設の見直しを求める国民からの声もあり、その影響でダムの建設が中止されるケースもあります。

水力発電が建設されるまでの流れ

（画像引用：水力発電所の出来るまで｜水力の仕組み｜水力発電について｜資源エネルギー庁）

水力発電所ができるまでには、長い期間がかかります。計画から発電開始までの流れを紹介していきます。

計画地点の選定

水力発電所の建設は、まず水力発電を行うのに適した場所を地図から選定することから始まります。

その水系の水量を継続して調査し、発電にどれだけの量の水を利用できるかを把握します。そして地質調査や地形測量を行い、現地の地形などを詳しく把握します。

建設計画の策定

このような調査の結果をもとにして、その場所に建築するのに最も向いている水力発電のタイプや発電設備を選び、建築計画を策定します。

この時に重要視されるのは、効率的に水力を利用して発電ができるかという点と、低コストで建築できるかという点です。

環境保全対策の策定

水力発電所自体の建築計画が決まった後に、水質や動植物、景観、河川の利用状況などについての調査を行い、発電所の建設に伴ってこれらの環境が損なわれることがないよう環境保全対策を立てます。

地元住民の了解を得る

ここまで長い調査と設計の過程を経たのちに、水力発電所の建築計画が決定されますが、工事の開始にあたっては地元住民などの了解を得る必要があります。

また事前に国や地方自治体などの各種の法令に基づいた申請を行い、認可を得て、初めて水力発電所の工事を開始することができます。

建築工事開始

また水力発電所の建築工事には、高度な施工技術を必要とするため完成までに長い期間が必要となります。

この建築工事には土木、電気、機械、通信の各技術のうち最新の技術が導入され、これにより建築工事の効率化によるコスト削減や、工事期間の短縮および品質の向上をはかるとともに、周辺の環境にも十分な配慮を行いながら建設工事が進められます。

今後、純国産の自然エネルギーである水力発電の開発をさらに進めるためには、より一層のコスト削減の必要があるため、国としても新技術の開発を推進しています。

日本で水力発電を普及させるための今後の課題

日本の地形が水力発電に向いており、また脱炭素社会を目指して、今後CO2を発生させない水力発電を日本で普及させる必要があることは前述しました。

そのための今後の課題には、以下のようなものがあります。

①建設スキル・知識

日本での大規模なダムの建設は、ほとんど終了していると言えます。

そのため今後は中・小規模の貯水池やダム建設、小水力発電が推進されていくでしょう。

特に小水力発電に関しての建設スキルや知識は、まだまだ十分であるとは言えません。

小水力発電を構造的に見ると、制御系や発電機といった電気系統、土木、そして水車の3つに分けることができます。

最もコストが高いのは土木の部分であり、発電所の建設コストの半分以上が土木に費やされているといっても過言ではありません。

さらに水車の部分は日本で生産することはできず、現在ではチェコやドイツからの輸入に頼っているのが現状です。

今後日本でに水力発電を普及させていくためには、水力発電建設のコストを下げるための土木と、水力発電に必要不不可欠な水車を作るための2つのスキルを向上させていく必要があります。

②メンテナンスのノウハウ

メンテナンスのノウハウを蓄積していくことも、今後の課題となります。

日本の発電所の設備は一般的に年に一回は全てを停止させて総点検を行いますが、水車のメンテナンスは5年に1度行われ、その際に回転を支える役割をするベアリングや、水車の羽根に損傷や摩耗が無いかを点検します。

さらに10年に1度は発電機や水車など回転部分や、電気制御盤の交換などが必要になることもあり、このような点検作業は外部のメーカーに委託することがほとんどです。

そのため、メンテナンスに高額な費用がかかってしまいます。

メンテナンスのノウハウをしっかり蓄積していくことで、水力発電にかかるコストを低く抑えることも今後の課題であると言えます。

③地域住民の理解

ダム式の水力発電所を建設する場合には、ダムを建設することによって広い範囲が水没してしまいます。

そのような理由から、現在の住居がダムの底に沈んでしまうため、住民が移住を余儀なくされたり、自然環境に深刻な影響を与える可能性もあります。

ダム建設地の環境の大幅な変化以外にも、山奥まで大量の資材や機材を運搬するために、道路も建設されるため、ダム建設地以外の場所にも大きな影響を与えます。

そのためダムの建設予定地や、資材や機材運搬のための道路建設予定地とその周辺の住民の理解を得ることは、非常に重要です。

日本の水力発電の導入事例

日本の水力発電は、土地の特性や自治体によってバラバラです。現在はダムを利用した大規模な水力発電から、農業用水などを利用した中小規模の水力発電が増えてきています。

農業用水を活用した小水力発電は最大出力780kwで、1,260世帯分の年間消費電力量にあたります。

例えば静岡県富士宮市には、芝川・潤井川などの用水路を活用した小水力発電所が16か所あります。「日本一小水力発電のまち」と富士宮市は称し、自然豊かな土地を生かした取り組みをしています。

また福島でも2011年の福島第一原発の事故を受け、2040年までに100％の電力を再生可能エネルギーで供給することを目標に、小規模水力発電の普及に取り組んでいます。

世界の水力発電の導入事例

水力発電は、国土が広く起伏が多い土地や水源がある中国・米国・カナダなどで盛んです。

中でもカナダはケベック州・オンタリオ州・アルバータ州において全体の69％が水力発電になります。

ナイアガラの滝があるオンタリオ州では、「ナイアガラトンネルプロジェクト」を2013年に開始しており、約160,000世帯分の電力供給をしています。

水力電力の割合で見ると、ノルウェーがトップです。93.4％を水力発電で電力を供給しています。ノルウェーの国土は水が豊富で急峻な地形のため、水力発電に適しています。

ノルウェーを含めた北欧諸国を送電線でつないだ「ノルドプール」を1992年から開始。他の国にも水力発電で得た電気を売っています。

水力発電の種類

前述したように、水力発電にはいくつかの種類があり、水の利用面、構造面、ダムの形式、水車の形式の4つの観点から分類されています。

ここでは、それぞれの観点から見た水力発電の種類を解説していきます。

水の利用面から見た水力発電の分類

水力発電は、水の利用面からみると流れ込み式、調整池式、貯水池式、純揚水式の4種類わけられます。

ここでは、それぞれの種類について解説していきます。

1. 流れ込み式

（画像引用：流れ込み式（自流式）発電 － 水力発電 ｜ 電気事業連合会）

流れ込み式の水力発電は、水系を流れる水をそのまま発電所内に引き込んで発電するという方法です。

ダムを必要としないため、建設時に多額の初期費用を必要としないというメリットがありますが、反面水が豊かな時期には全ての水力を利用することができず、水が少ない時期には発電量が減少してしまうというデメリットもあります。

2. 調整池式

（画像引用：調整池式発電 － 水力発電 ｜ 電気事業連合会）

調整池に水を貯め、水量を調節しながら発電する方法のことをいいます。

短い期間の電力需要の変動に対応できるため、週末や夜間など消費電力の少ないタイミングに発電を控えて水を貯めておくことで、一日から一週間程度の発電量の調整を行うことができるというメリットがあります。

3. 貯水池式

（画像引用：貯水池式発電 － 水力発電 ｜ 電気事業連合会）

長期間の電力需要の変動に対応するため、貯水池に水を貯めて発電を行う方法です。

梅雨や雪解け、台風などの水が豊かな時期に貯水を行い、水が少ない時期に放流して年間を通じて発電量を調整することができます。

取水方式から見た場合に、ダム式やダム水路式の水力発電はこの方式になります。

4. 純揚水式

（画像引用：揚水式発電 － 水力発電 ｜ 電気事業連合会）

発電所の下部と上部の二か所に貯水池を作って、電力の消費量が比較的少ない深夜に、原子力発電所や火力発電所で発電した電力を利用して下部の貯水池の水を上部の貯水池へポンプで移動させ、消費電力が多い時間帯に水を上部の貯水池から下部の貯水池へ流して発電を行う方式のことを言います。

構造面での分類

水力発電所を構造面で分類すると、ダム式、水路式、ダム水路式の3つの種類に分類することができます。

ここでは、それぞれの種類について解説していきます。

1. ダム式

（画像引用：発電方法の種類 – 水力発電のしくみ｜中部電力）

ダムを作ることによって河川をせき止めて池を作り、ダムの直下に建設した発電所との落差を利用して水を流し、発電を行う方法です。

この方法は、調整池式および貯水池式と組み合わせて発電を行うのが一般的です。

2. 水路式

（画像引用：発電方法の種類 – 水力発電のしくみ｜中部電力）

川の上流に高さが低い堰を作り水を取り入れて、その水を長い水路を通して落差があるところまで引き入れ、落差を流れる水の力を利用して発電を行う方法のことを言います。

一般的には、流れ込み式と組み合わせて発電を行います。

3. ダム水路式

（画像引用：発電方法の種類 – 水力発電のしくみ｜中部電力）

ダム式と水路式の方法を組み合わせて発電を行う方式のことで、この両者の特性を活かして設置するのに適した性質を兼ね備えた場所に水力発電所を作る際に、この方法を用います。

ダム式と水路式を単独で利用した場合と比べると、より大きな落差を得ることができます。

ダム水路式は、貯水池式や調整池式、揚水式と組み合わせて発電を行うことが一般的です。

ダムの形式による分類

水力発電は、ダムを用いて水をせき止めて行うことが多い発電方法ですが、そのダムの形状には7つのものがあります。

ここでは、その7つのダムの形式を解説していきます。

1. 重力ダム

重力ダムは、水圧をコンクリートのダムの重さによって支えるもので、日本で一番多く用いられているダムの形状です。

形が単純なので、さまざまな地形に合わせて作ることが可能です。

2. 中空重力ダム

中空重力ダムは、日本で最も多く採用されている重力ダムの内部を空洞化した構造になっているので、重力ダムよりも少ない量のコンクリートで作成できます

しかし、構造が複雑であるため、重力ダムより施工が困難です。

3. アーチダム

アーチダムは、両岸の岩盤で水圧を支えるようにダムの形をアーチ型にしたもので、幅が狭くV字の形をした地形に適したダムです。

重力ダムと比べると、丈夫な岩盤があることがこのV字ダム建設の条件となりますが、ダムの厚さを薄くすることができるため、少ない建設資材で建設することが可能です。

4. バットレスダム

バットレスダムとは、水をせき止める役割をする鉄筋コンクリート製の遮水版と、その水圧を支えるための鉄筋コンクリート製の壁（バットレス）により構成されたダムのことを言います。

重力ダムと比べて少ない量のコンクリートで建設することができますが。構造が複雑になります。

5. ロックフィルダム（中央遮水壁型）

ロックフィルダムは、岩石や土を材料とし盛り立てて建築されるダムのことで、中央遮水壁型は漏水を防止するため、ダムの中央部にコアと呼ばれる水を通さない粘土質の材料を盛り立てて作ります。

ロックフィルダムは底面積が広いため重量が分散されて地盤に伝わることから、底面積が狭いコンクリートのダムの建設が難しい、地盤が悪い場所に建設することも可能です。

6. ロックフィルダム（表面遮水壁型）

表面遮水壁型のロックフィルダムとは、岩石や土を材料として盛り立てて建設したダムに、漏水を防ぐためにダムの上流側の表面にアスファルトやコンクリートなどで舗装が施されたダムのことを言います。

7. アースダム

アースダムとは、最も古くからあるダムの形式で、粘土や土を材料としそれらの盛り立てて建築するダムのことを言います。

あまり高さのあるダムを作るのには向かない形式ですが、地盤が軟弱な場所にも作ることができるというメリットがあります。

水車の形式による分類

水力発電は、水が高所から低所へ移動する際に生じる位置エネルギーを利用して水車を回転させ、電力を作り出します。

この水車の形式には、5つのものがあります。

ここではそのそれぞれの特徴を解説していきます。

1. ペルトン水車

ノズルから噴出させた水の勢いで、バケットを回転させる水車のことを言います。

ノズルから噴出される水量を調節することで、出力の調整を行うことができます。

落差が200メートル以上ある場合に利用されます。

2. フランス水車

ケーシングという水を取り込む装置の中に、ランナーと呼ばれる羽根車を設置してその部分を流れる水の圧力によって回転させる水車のことを言います。

最も一般的に使用される水車で、数十メートルから数百メートルの落差がある場合に広く使われます。

3. カプラン水車

フランシス水車と同じ仕組みで動く水車ですが、水圧の変化に合わせて羽を動かすことができるため、フランシス水車よりも効率的に発電を行うことができます。

5メートルから80メートル程の落差に利用されます。

4. 水中発電機一体型水車

発電機と水車が一体になっている水中ポンプで水を逆流させ、水車を逆回転させることで発電を行います。

5. 横軸プロペラ水車（固定羽根）

上水道などを利用して発電を行う際に、すでに設置されている配管の直線部分などに直接配置することができる水車のことを言います。

まとめ

ここまで、水力発電の仕組みやその種類、メリットとデメリット、今後の課題などについて解説してきました。

脱炭素社会を実現させるためにも、今後水力発電をはじめとした再生可能エネルギーが非常に重要になってくることがお分かりいただけたと思います！

水力発電には、デメリットや今後解決しなければならない課題などがありますが、技術と実際に水力発電を運用する上で得られるノウハウを蓄積していくことで、徐々に改善することが可能です。

水力発電のような再生可能エネルギーの普及率を上げることで、地球温暖化を止め、自然環境を守ることができるでしょう！