いくつかの名詞は、「small」という単語が付くと可愛くなります。水力発電所はどうですか?

制作：中国科学普及協会

著者: チェン・ミンチェン (ポピュラーサイエンスクリエイター)

プロデューサー: 中国科学博覧会

古代四大文明の誕生であれ、現代の超大都市の建設であれ、そのすべては大河のほとりに位置している。その理由は単純です。河川流域の肥沃な土壌と豊富な水資源が農業の発展に最適な条件を提供しているからです。大規模な農業活動はより多くの人々に食料を供給し、それが当然ながら文明の発展と都市の拡大を支えます。この意味で、川は私たち人類の文明を養っているのです。

4つの古代文明の位置

（写真提供：Homemade）

今日、川は伝統的な灌漑や生活用水に加えて、現代文明を支える最も重要なもの、つまりエネルギーも供給しています。川沿いに水力発電所を建設することで、安価でクリーンなエネルギーを得ることができます。

近年、風力や太陽光発電など新たなエネルギー源の開発が急速に進んでいますが、国際エネルギー機関が発表した分析・予測レポートによると、現在、水力発電は世界の総発電量の約16％を占め、最大の容量を持つ再生可能エネルギー源となっており、2025年も16％の割合を維持するとされています。

水力発電所の誕生

水力発電所の誕生は水車と深く関係しています。昔から、人々はすでに水力を利用するために水車を作ることができました。その中でも中国は水車の使用に関して非常に長い歴史を持っています。

紀元前100年頃、漢の武帝の治世の終わりに、現代の水力タービンの原型である水車がわが国に登場しました。これは灌漑や穀物加工設備の駆動に使用されていました。その後、宋・元の時代には水力利用が最盛期を迎え、水力天文台や水力糸車など世界をリードする水力機械が誕生しました。しかし残念なことに、これらの技術はすぐに歴史の中に失われてしまいました。明清時代に入ってから、我が国の水力エネルギー利用技術は完全に停滞しました。

水力紡ぎ車の復元

（写真提供：中国科学技術博物館）

18 世紀初頭、フランス人が反動タービンを発明しましたが、効率が悪かったです。 1849年、アメリカ人のジェームズ・フランシスがこれを改良し、最初の近代的な水車を開発し、水力エネルギーの利用が実用段階に入りました。

1880 年の近代的な水力タービンの特許図面

(画像出典: Wikipedia)

発電機の発明と成熟により、「タービン＋発電機」の組み合わせが登場しました。 1882年、米国ウィスコンシン州のフォックス川沿いに世界初の水力発電所が建設され、水力発電が始まりました。それ以来、世界中で水力発電開発の波が起こりました。

1910年、清朝の光緒帝の治世36年目に、わが国はついに最初の水力発電所である石龍壩水力発電所を建設しました。雲南省昆明市の蟷螂江上流域に位置する。この滝は実業家の王小寨氏が資金提供して建設したもので、落差は15メートルである。フォイト社製のタービンやドイツのシーメンス社製の発電機など、当時としては先進的な外国の技術や設備を導入し、発電所から32キロ離れた昆明市に電力を供給した。

中国初の水力発電所である石龍壩水力発電所の第一工場。門の聯句には「機械は自然から生まれ、器械は水の力を借りて精妙で素晴らしい」とあり、鴨居には「明るい月の光」と書かれており、当時の人々の水力に対する認識を反映しています。

(画像出典: Wikipedia)

ダムの水門を開けて水を流すということは、電気を作るということでしょうか？いいえ

電気を生成する方法は多種多様ですが、多くの類似点もあります。例えば、火力、水力、風力など、電気を生み出す方法のほとんどは、発電機から切り離すことはできません（太陽光発電を除く）。

発電機を回転駆動するためには、フロントエンドの動力源（蒸気、水流、空気など）自身の直線運動をターボ機械（蒸気タービン、水車、風力タービン）を介して回転運動に変換する必要があります。つまり、流れる水だけが発電できるのであって、ダムの貯水池に貯められた水は直接発電することはできないのです。まず自身のエネルギーを運動エネルギーに変換する必要があります。

上記の知識があれば、水力発電は実際にはタービンを使用して水の重力位置エネルギーを電気エネルギーに変換するものであることが自然に理解できます。ダムの放水時に水が勢いよく流れ落ちる光景を目にしたことがある人も多いでしょう。これが水力発電所で電気を生み出しているのだと思い込んでいる人もいるかもしれませんが、実はそうではありません。

三峡ダムは水を放出するためにゲートを開けている

(画像出典: Wikipedia)

水力発電は重力による位置エネルギーに依存しますが、ダムから流れ出る水ではなく、ダム内の水を指します。ダムの水深が深くなるほど、具体的には、ダム面からタービン入口（専門的にはヘッドと呼ばれる）までの垂直の高さが高くなり、重力による位置エネルギーが大きくなります。水門が開くと、水が水門から流れ出てタービンを回転させ、重力による位置エネルギーを機械エネルギーに変換します。機械エネルギーはタービンに接続された発電機によって電気エネルギーに変換されます。

水力発電所の仕組み

(画像出典: Wikipedia)

水力発電所：私も魚と友達になりたい

水力発電は重要なクリーンエネルギー源ですが、適切に建設されなければ、生態学的問題を引き起こす可能性もあります。まず、ダムの建設により水生動物の移動経路や生息地が破壊される可能性があります。第二に、タービンは回転中に水生動物、特に魚類に危害を及ぼす可能性もあります。

タービンを通過する際に魚が負傷する原因は、衝突、水圧、渦、キャビテーションの 4 つに分けられます。タービンが高速回転すると、魚がタービンを通過するときにブレードに簡単にぶつかる可能性があります。タービンは水圧に急激な変化を引き起こし、魚の浮き袋に損傷を与えます。発生した急速に回転する渦は魚をその中に引き込み、より大きなせん断力を受けることになります。タービンの回転によりキャビテーション気泡も発生し、これが魚の表面で破裂して高圧衝撃波が発生します。

軸流インペラの入口における魚の動き

（画像出典：参考文献[6]）

魚類に対する親和性の向上は、水力発電所の現在の開発動向の 1 つです。国際社会はこの問題を非常に重視しています。魚の生存率は、水力発電プロジェクトの環境への配慮を評価するための重要な指標です。

既存のタービンを改良することで魚への被害を減らすことはできるが、新しいタービンを開発することで問題を根本的に解決できる。

これに対応して、1993年にアメリカのオールデン社は、3枚の螺旋状の羽根のみを使用し、回転カバーの補助により渦を排除し、魚が羽根とシートリングの隙間を通過できる、独特な形状のオールデンタービンを発売しました。しかし、模型実験の結果、放水管内にはまだ小さな渦潮があり、魚を混乱させる可能性があるものの、従来のタービンに比べると安全性は大幅に向上していることがわかりました。

アルデンタービン

（画像出典：参考文献[5]）

長年にわたる継続的かつ積極的な研究の結果、我が国の魚に優しいタービンの設計レベルは着実に向上し、良好な成果が達成されました。多くの水力発電所で導入・推進されています。

**タービンに加えて、ダムも魚にとって大きな課題です。魚道を建設すると、魚がダムを通過して上流へ移動しやすくなります。 **魚道は実際には魚のためのはしごです。ダムの下流に緩やかな傾斜の水路や、水の流れを緩めるバッフルなどの障害物、淵などの魚が休む場所を設けることで、魚が遡上できる水路が確保されます。魚は上流に泳ぎ、上のプールに到達して休憩し、その後、梯子を離れて最終的に「ドラゴンゲート」を飛び越えるまでこのプロセスを繰り返します。

ジョンデイダムの魚道（米国）

(画像出典: Wikipedia)

今世紀初頭から、我が国は水力発電所の魚道建設を非常に重視しており、「水利および水力発電プロジェクト魚道設計ガイドライン-SL609-2013」という規格も特別に発行しました。

武東徳水力発電所の建設中、技術者たちは川の魚を最大限に保護するために、魚用の「直線エレベーター」をカスタマイズしました。尾水魚採集装置です。発電機の放水口に集魚場と集魚箱を設置します。魚が上流に遡る性質を利用して、魚を「エレベーター」内に入るように誘導し、その後「エレベーター」を一気にダムの上流まで持ち上げます。統計によると、2020年に武東徳水力発電所が稼働して以来、この「エレベーターシステム」は毎日1,000匹以上の魚を助けてきた。

小水力発電所: 大きな男よ、私の友達を盗むことはできない

大規模な水力発電所の他に、小規模な水力発電所もあることを知らない人が多いです。小規模水力発電所は、水を流して支流を形成し、発電することで、魚の健康と安全を最大限に保護することができます。

技術の継続的な発展と成熟により、タービンの効率はますます高くなり、水力発電所はますます大規模になっています。大規模水力発電所は、洪水制御、発電、船舶輸送、養殖、観光、灌漑など、多大な利益をもたらす可能性があるが、大規模水力発電所の開発の余地はあまりない。次のステップは、小規模な水力発電所に侵入することだけです。

小規模水力発電所は常に見過ごされてきました。実際、大規模水力発電所 1 基につき、小規模水力発電所 11 基が建設されることになります。大規模と小規模の基準は国によって異なりますが、小規模水力発電所のエネルギーと電力への貢献は大規模水力発電所に劣らないことは否定できません。しかし、これらの小規模水力発電所は周囲の環境とより調和のとれた関係にあることが多く、人間と自然の調和のとれた発展という概念を体現しています。小水力発電所は、支流の有無や貯水池の有無によって、大きく4つの種類に分けられます。

4種類の小水力発電所

画像出典: アメリカ生態学会

水力発電所は、ダムの高さ、貯水容量、定格発電量、投資コストなどの観点から大規模と小規模に分類できますが、厳密に統一された定義はありません。比較的、小規模な水力発電所は周囲の生態環境に優しいと言えます。しかし、「魚は同じ川に二度入ることはできない」ため、完全に科学的な証拠を見つけることは容易ではなく、一連の対照実験を実施するために完全に類似した 2 つの川を見つけることはほとんど不可能です。

しかし、大規模水力発電所と比較すると、小規模水力発電所は一般的に川を完全に遮断しないため、魚はより自由にダムを通過できます。さらに、大規模水力発電所のダムの水圧はより高く、タービンブレードはより大きく、より致命的であり、発生する騒音も魚同士のコミュニケーションに影響を与えます。小規模水力発電所の状況は全く異なります。

実際、小規模水力発電所は周囲の生態環境に一定のプラス効果をもたらします。例えば、ダムの前に設置されたフィルターは、水中の老廃物をろ過し、川の水をきれいに保つことができます。同時に、水の流れを遅くし、川岸の汚染状態を改善することもできます。これにより、魚たちが平和に満足して生活し、働くことがより促進されます。

結論

いかなる水力発電所の建設も、慎重かつ繰り返し実証する必要がある。私たちは、科学研究者の継続的な探求と技術の継続的な進歩が、人間と自然の調和のとれた発展を促進すると信じています。

さまざまなクリーンで再生可能なエネルギー源

（画像出典：alamy、著者翻訳）

参考文献

[1] チアゴ・BA・コウト*とジュリアン・D・オルデン。小規模水力発電の世界的普及。植物 – 科学と政策。 2018年; 16(2): 91–100, doi: 10.1002/fee.1746.

[2] 最終報告書 - Alden/Concepts NRECタービンのパイロットスケールテスト。米国エネルギー省、先進水力発電タービンシステムプログラム、2003 年。

[3] Twaróg B.、「低山地帯における小規模水力発電所の開発」最終報告書、クラクフ工科大学、2014年2月。

[4] 最終タービンおよび試験施設設計報告書Alden/NREC魚に優しいタービン、Alden Research Laboratory, Inc. Northern Research and Engineering Corporationが米国エネルギー省アイダホオペレーションズオフィスのために作成、2000年9月。

[5]魚に優しい水力発電タービンの開発と展開：アルデンタービンの予備エンジニアリングとモデルテスト。最終報告書、2011年10月。電力研究所、2011年10月。

[6] 楊丹丹軸流ポンプ内における魚類の移動行動と損傷解析[D]北京：清華大学。 2021年。