水力発電の利用

水力発電（水が高所から低所へ流れる際の位置エネルギーを利用する発電）は、現代社会が直面する2つの重要課題である「気候変動問題」と「エネルギー安全保障」の解決策のひとつとして注目を集めています。

「持続可能な水力発電を利用して 強固な再生可能エネルギーシステムを構築すれば、ネットゼロ目標を達成できます」と元国連外交官／ノルウェー環境・国際開発大臣のエリック・ソルハイム氏は語ります[1]。

水力発電の推進により二酸化炭素排出量のネットゼロ目標の達成を目指す同氏は、石炭をはじめとする化石燃料からの脱却を図り、エネルギー安全保障を確保するには、技術の取捨選択よりも、すべてのグリーンエネルギー源を考慮することが大事だとの見解を示しています。

ソルハイム氏をはじめとする多くの推進派は、世界最大級の再生可能エネルギー源である水力発電が、二酸化炭素排出量の削減に大きく貢献しており、石炭に比べて最大40億トンに上る温室効果ガス排出を回避していると主張しています。

しかも、水力発電はさらに多くの可能性を秘めています。世界中の水力発電開発の潜在可能性だけでなく、持続可能な水資源の開発のためのノウハウや技術の点から見ても、水力発電はネットゼロ目標の達成に不可欠な役割を果たすことになる可能性があります。

水力発電の成長促進

水力発電自体は大昔から存在しています。2,000年以上前からギリシャ人は小麦を粉に挽くために水車を使用し、紀元前3世紀にはエジプト人がアルキメディアン・スクリューを灌漑に使用していました。

現代の水力発電タービンの進化は、18世紀半ばにフランス出身の流体力学者／軍事技術者ベルナール・フォレスト・ド・ベリドールが著した4巻からなる『Architecture Hydraulique』[2]が原点になっています。この書籍には、機械工学の原理をはじめ、水車や水車小屋、ポンプ、港湾、海洋工学についての説明が記されていました。

19世紀末までには、水力タービンを利用した小規模な水力発電所が各地で見られるようになりました。当時、水力発電設計の最先端にいたのは米国でした[3]。

米国はまた、急増するエネルギー需要に対する水力発電の有効性を実証し、世界に率先して水力発電の普及に努めました。

1930年代にルーズベルト政権が実施したニューディール政策により、フーバーダムやグランドクーリーダムなどの多目的ランドマークの建設プロジェクトが進んだ結果、1940年までに水力発電は米国の発電量の40%を占めるまでになりました。

1940年代から1970年代は、西ヨーロッパ全域、旧ソビエト連邦、北米、日本などで国営・公共事業体による大規模な水力発電所の建設が相次ぎました。

20世紀後半には、ブラジルと中国が水力発電の世界的なリーダーとして台頭し、経済の活性化やエネルギー消費の激しい産業（アルミニウム製錬所や製鉄所など）の発展をもたらしました。2020年までに、水力発電は世界の電力供給の1/6を占めるようになり、石炭と天然ガスに次ぐエネルギー源となっています。過去20年で、世界全体の水力発電容量は70%増加しました[4]。

水力発電所

現在は、世界中でさまざまな水力発電技術が利用されています。内陸の水力発電所には、主に3つのタイプがあります[5]。河川型水力発電所は、水の流れを利用して発電機を駆動します。通常は安定した電力供給が可能ですが、長期にわたる貯水を行わないため、主に河川沿いの地域に限定されます。

他の2つのタイプは、より柔軟性があります。丘陵地の貯水池は、水を貯蔵し、必要に応じて放流することでタービンを駆動します。揚水式水力発電所（PSP）は、充電式電池のように機能する貯水池です。電力需要が低く、余剰電力があるときに高所の貯水池に水を貯めておき、電力需要の増加に応じて水を流下させてタービンを駆動し、発電を行います。

PSPの設置容量は2つの貯水池のサイズに応じて異なり、発電量はタービンのサイズに影響されます。例えば、オリンピックプール規模の貯水池が2つあり、落差が500mの場合は設置容量が3メガワット（MW）となり、最大3.5メガワット時（MWh）の蓄電が可能です。国際エネルギー機関（IEA）は、PSPが2030年までに、世界の水力発電の設置容量拡大の30%（65GW）を占め、従来の蓄電施設の設置容量を大幅に上回るようになると予測しています[6]。

さらに、水力発電の第4のタイプとして潮力発電（潮汐発電）が挙げられますが、これも目新しいものではありません。1068年のドゥームズデイ・ブックに登録されているエリング潮汐ミル[7]をはじめ、潮汐は何百年もの間、水車小屋に利用されてきました。その原理は単純です。満潮の時に一方行の水門を開けて水を貯め、引き潮に放出して水車を回して発電します。

防潮堰[8]や潮汐ラグーンの仕組みも同様で、満潮の時に水を貯めておき、一定のチャネルを通じて放流することでタービンを回転させます。潮力発電機は風力タービンのように機能し、潮の流入・流出を利用してタービンのローターを回転させることで発電を行います。動的潮力発電は、海岸線に対して直角に突き出た長い壁を利用します。潮が壁を通過する際、壁の一方または他方に水が溜まることで水位差による圧力が発生します。壁を挟んで水位の高い方から低い方へ決められた水路に沿って放流し、発電機を通過させることで発電を行います。

ネットゼロ目標への貢献

水力発電の魅力は、重力という無限の動力源を利用できる点にあります。水は、単に重力を利用するための媒体にすぎません。そのため、水力発電は、化石燃料から脱却し、二酸化炭素排出量ゼロを目指す上で、太陽光発電や風力発電に続く理想的な発電方法と見られています。

水力発電所の多くは、原子力、石炭、天然ガスなどを使用する他の発電所に比べ、電力の需要の変化に応じて素早く出力を調整できます。そのため、気象条件により太陽光や風力で十分な発電ができないときは、水力発電で不足分を補うことが可能です。

需要に応じて低炭素の電力を大量に供給できる水力発電は、安全でクリーンな電力システムを構築する上で不可欠です。2050年ネットゼロ達成に向けたロードマップを示すレポート「Net Zero by 2050: A Roadmap for the Global Energy Sector[9]」の中で、IEAは水力発電を「現代における低炭素電力の最大の供給源」のひとつとして挙げ、ネットゼロへの移行に「不可欠な基盤」と位置付けています。

IEAの統計[10]によると、水力発電所は現在、世界の電力供給能力の約30%を占めており、さらに多くの電力を供給できる可能性があります。

しかし、IEAのレポートには、水力発電のプラス面だけでなく、マイナス面も示されています。

プラス面は、水力発電の経済的可能性の約半分がまだ開拓されていないことです[11]。特に新興国における潜在可能性は60%近くに上ります。しかし、北米やヨーロッパの水力発電所は平均稼働年数が45年を超えています。予想される耐用年数は55年ですから、今後もこうした発電所で効率良く再生可能エネルギーを生成するためには、大規模な投資が必要です。実際、既存の発電所の近代化工事が、この10年における水力発電関連の投資の約90%を占めると予測されています。しかし、それでも十分ではないかもしれません。

水力発電をめぐる政治

水力発電プロジェクトの大きな課題のひとつは、地域・国際レベルですべての人に公平に利益をもたらす妥協点を見つけるのが難しいことです。大抵の場合は、勝ち組と負け組に明確に分かれます。例えば、ブラジルとパラグアイにまたがるイタイプダムは、パラグアイが1965年のブラジル侵攻で支払った代償と言えるでしょう[12]。非常に大きなダム湖を建設したため、それまで世界一の規模を誇っていたグアイラ滝が水没しました。また、イタイプ条約の条項により、パラグアイは発生電力の取り分50％のうち、国内での未消費分をすべてブラジルに販売しなければなりません。第三国への販売は禁止されています。

ダムと14,000MWの水力発電所の建設のために、パラグアイ政府は20億米ドルもの融資を受け、2023年に返済完了が予定されています。

水力発電に積極的な中国は、国内を流れる黄河や長江などの河川だけでなく、メコン川やブラマプトラ川など、複数の国を流れる川にも大規模なダムを建設しました[13]。メコン川には既に中国のダムが11基あり、さらに8基の建設が計画されています。2021年の干ばつ時には、メコン川の水位が大きく下がり、カンボジアが大規模な水力発電所の停止を余儀なくされました。その結果、河川の流れが変化してベトナムの穀倉地帯であるメコンデルタが塩水で汚染され、カンボジアの魚資源が壊滅状態になりました。

環境への懸念から、一部の国々は新たな水力発電プロジェクトの着手に疑問を呈しています。例えば、中国が資金提供を行うモンゴルの90MWのエルデンブレン発電所は、ラムサール条約登録湿地を損傷し、先住民コミュニティの生活に大きな影響を与える可能性を危惧する環境団体の反発を受けています。一方、2022年11月、米国連邦エネルギー規制委員会は、絶滅危惧種の魚の生息地を回復するため、カリフォルニア・オレゴン州境にまたがる4つのダムの解体を命じました。これは米国史上最大のダム撤去プロジェクトとなります[14]。その目的は、マスノスケ（チヌークサーモン）と絶滅危惧種のギンザケ（コホーサーモン）が太平洋から遡上するクラマス川の状態を回復し、若魚の海への回帰を支援することです。電力会社のPacifiCorp（パシフィコープ）は、このダム撤去に2億米ドルを拠出し、カリフォルニア州の有権者は、州が追加で2億5,000万米ドルを捻出するための債券措置を承認しました[15]。

こうした問題への懸念やダム建設に伴う環境・社会的影響を考慮し、国際水力発電協会（IHA）は「水力発電の持続可能性評価プロトコル（HSAP）」を開発しました。

HSAPは、環境、社会、技術、経済にわたる24項目^[16]で構成され、水力発電プロジェクトのライフサイクルの各段階におけるグッドプラクティスとベストプラクティスを定義するもので、プロジェクトの総合的な持続可能性を明確に把握できるようになっています。

また、HSAPにはジェンダー問題や人権など、複数の項目に共通する横断的なテーマも含まれています。

水力発電の皮肉な点として、大きな潜在力があるにも関わらず、気候変動の影響を受けやすい再生可能エネルギー源であることが挙げられます。特に、気象パターンの影響を受けやすいのが特徴です。例えば、2022年にヨーロッパの多くの地域を襲った干ばつにより、多数の河川型水力発電所が水不足に陥り、貯水池も通常の水位に達しませんでした。その結果、ヨーロッパの水力発電所の2022年の発電量は、2021年を大幅に下回りました[17]。

米国の状況も同様で、特に南西部が大きな打撃を受けました。Nature Climate Changeの論文によると、同地域は過去1,000年以上の中で最も厳しい干ばつに苦しんでいます[18]。2022年8月、連邦政府はネバダ州とアリゾナ州を対象に更なる節水を発表しました。

2021年、水力発電はアメリカの再生可能エネルギーの約32%を占め、そのうち44%はカリフォルニア州、オレゴン州、ワシントン州で発電されていますが、ここにも既に干ばつの影響が現れています。2021年、カリフォルニア州は、州内最大の貯水池のひとつであるオーロビル湖の水位が発電に必要なレベルを下回ったため、水力発電所を停止しました。2019年以来、カリフォルニア州の水力発電量は62%減少し、州は電力不足を補うために天然ガスに依拠しています。

イノベーションの兆し

幸い、気候変動の影響を緩和し、既存のインフラを活用することができる水力発電技術の開発が進んでいます。米国では、エネルギー効率・再生可能エネルギー局（Office of Energy Efficiency and Renewable Energy）[19]が、発電設備のないダム、運河、導水路などの既存のインフラを活用して電力を生成できる低落差水力発電に関する研究に資金提供を行っています。「低落差」とは、落差2〜20mの水力を利用して発電する水力発電所のことです。

例えば、Percheron Power（パーチェロン・パワー）[20]は、軽量樹脂注入成形という高度な製造技術を活用して、複合材を使用する次世代のアルキメディアン・スクリュー発電タービンの開発と検証を行っています。複合材製のタービンは、鋼材に比べて製造コスト、廃棄物、二酸化炭素排出量を低く抑えることが可能です。また、鋼材と同等の構造特性を維持しつつ、25%～30%軽量化できます。

複合材製のブレードは型内でジェルコートを塗布するため、プライマーや腐食防止塗料は不要です。また、鋼材のタービンブレードと異なり、個別の交換が可能です。

もうひとつの例としては、Natel Energy（ナテル・エナジー）が設計、製造、実装・運営を手がけた高信頼性のSchneider Linear hydroEngine™用パワートレインが挙げられます。このパワートレインは、資本やメンテナンス費用を削減することで、メガワット時あたりの均等化発電原価を約2米ドル削減することに成功し、新たな小水力発電の境地を切り開いています[21]。

未来に向けた金融政策

しかし、技術革新だけですべてを解決することはできません。技術の進歩により、水力発電の発電効率や柔軟性は向上しましたが、平均投資コストはほとんど変わっていません。IEAはより多くの金融イノベーションが大切だとの見解を示しています。IEAは、水力発電が電力供給の安定化に果たす役割が先進国では十分に認識されず、報酬が不十分であるとしています。一方、新興国は、持続可能な水力発電を開発するための有効な資金調達手段が必要です。

先進国が水力発電を最大限に活用するためには、国家保証、長期契約、報酬の確実性を高めるための政策などを通じて、政府が投資関連リスクを低減する必要があります[22]。欧州や北米では、大規模なプロジェクトに最適な場所の大半は開発済みですが、新しい小水力発電所も低炭素電力の重要な電力源となり、太陽光発電や風力発電の設置容量を追加する追い風になります[23]。新興国の場合、IEAは、適切な利害関係者にリスクを割り当てる官民パートナーシップなどの革新的なビジネスモデルが必要であると唱えています[24]。

水力発電の推進派は、水力発電がエネルギー安全保障の改善、二酸化炭素排出量の削減、経済の活性化をもたらす可能性を主張しています。それは正当な考えですが、地政学的な課題や明確な金融インセンティブの欠如が水力発電の成長を妨げているのも、また事実です。

オーストラリア元首相でIHA役員を務めるマルコム・ターンブル氏は、水力発電について次のように述べています。「水力発電の海外展開における主な障壁は、大規模な風力発電や太陽光発電のような市場メカニズムが欠如していることです。このために大規模な発電所の設置がなかなか進みません。電力網の完全な脱炭素化を実現するための技術はすでに揃っています。必要なのは政治的な意思です」[25] 世界がネットゼロ目標に向けた取り組みを加速する中で、政治家が遅れを取らないことを祈るばかりです。

Abdul Latif Jameel（アブドゥル・ラティフ・ジャミール）では、エネルギー産業の脱炭素化が人類にとって最優先課題であることを認識しており、エネルギーの未来は明らかに水力発電や太陽光発電などの再生可能エネルギーにあることを理解しています。Abdul Latif Jameelの主要な再生可能エネルギー事業部門であるFRVと、再生可能エネルギーに関するイノベーション開発研究を手がけるFRV-Xを通じて、世界18か国で事業を展開しているのはそのためです。FRVは、今後4年で15億米ドル以上を投資し、2025年を目処に、世界の総設置容量を2021年初頭の2GWから5GWに倍増する計画を立てています。

FRVの主力事業が大規模な太陽光／蓄電池／風力発電プロジェクトであることに変わりはありませんが、今後はすべてのクリーンパワーソリューションを視野に入れた事業範囲の拡大、そしてエンドカスタマーに焦点を当てた垂直的拡大を図る予定です。

「単一の再生可能エネルギー源だけでは、ネットゼロ目標が抱えるすべてのジレンマを解決することはできません。

しかし、ほぼ無限の水資源を利用する水力発電技術は、より持続可能な地球や社会の未来を目指す上で、今後のエネルギー移行の中心となる可能性があります」 とAbdul Latif Jameel社長代理兼副会長のファディ・ジャミールは語ります。

[1] https://www.hydropower.org/blog/with-hydropower-we-can-create-a-renewable-and-resilient-energy-system

[2] https://www.energy.gov/eere/water/history-hydropower

[3] https://www.hydropower.org/blog/blog-hydropower-growth-and-development-through-the-decades

[4] https://iea.blob.core.windows.net/assets/83ff8935-62dd-4150-80a8-c5001b740e21/HydropowerSpecialMarketReport.pdf

[5] https://www.economist.com/the-economist-explains/2022/12/05/can-hydropower-help-ease-europes-energy-crisis

[6] https://oxfordbusinessgroup.com/news/storage-technology-could-elevate-hydropower-role-global-energy-transition?utm_source=Oxford%20Business%20Group&utm_medium=email&utm_campaign=13441313_ESG_Hydropower_September%201&utm_content=eu-september-2022&dm_i=1P7V,803DT,QZEKVW,WQ8U8,1

[7] https://www.elingexperience.co.uk/a-brief-history

[8] http://tidalpower.co.uk/tidal-power-schemes

[9] https://iea.blob.core.windows.net/assets/7ebafc81-74ed-412b-9c60-5cc32c8396e4/NetZeroby2050-ARoadmapfortheGlobalEnergySector-SummaryforPolicyMakers_CORR.pdf

[10] https://www.iea.org/reports/hydropower-special-market-report/executive-summary

[11] https://iea.blob.core.windows.net/assets/83ff8935-62dd-4150-80a8-c5001b740e21/HydropowerSpecialMarketReport.pdf

[12] https://www.economist.com/the-americas/2019/08/22/a-secret-hydropower-deal-with-brazil-causes-a-political-crisis-in-paraguay

[13] https://www.economist.com/leaders/2020/05/14/if-china-wont-build-fewer-dams-it-could-at-least-share-information

[14] https://www.theguardian.com/environment/2022/nov/17/us-dam-removal-endangered-salmon-klamath-river

[15] https://www.economist.com/united-states/2021/07/08/in-the-pacific-north-west-hydroelectric-dams-are-being-removed

[16] https://www.hydropower.org/publications/hydropower-sustainability-assessment-protocol

[17] https://www.economist.com/the-economist-explains/2022/12/05/can-hydropower-help-ease-europes-energy-crisis

[18] https://www.economist.com/the-world-ahead/2022/11/18/americas-reservoirs-are-drying-up

[19] https://www.energy.gov/eere/water/hydropower-technology-development#LowHeadHydropower

[20] https://www.energy.gov/eere/water/articles/21st-century-archimedes-screw-new-materials-and-manufacturing-techniques-enable

[21] https://www.energy.gov/eere/water/hydropower-technology-development

[22] https://iea.blob.core.windows.net/assets/83ff8935-62dd-4150-80a8-c5001b740e21/HydropowerSpecialMarketReport.pdf Page 26

[23] https://iea.blob.core.windows.net/assets/83ff8935-62dd-4150-80a8-c5001b740e21/HydropowerSpecialMarketReport.pdf Page 30

[24] https://iea.blob.core.windows.net/assets/83ff8935-62dd-4150-80a8-c5001b740e21/HydropowerSpecialMarketReport.pdf Page 13

[25] https://www.economist.com/letters/2022/07/14/letters-to-the-editor