水力発電とは？仕組みやメリット、デメリット、日本での取り組みを徹底解説

水力発電とは？電気がつくられる基本的な仕組み

水力発電とは、高いところから流れ落ちる水の力で電気をつくる方法です。日本は山が多く雨にも恵まれているため、明治時代から水力発電が活用され、戦後の経済成長を電力面から力強く支えてきました。

燃料を燃やさず、自然の水の流れだけで電気を生み出せる、地球にやさしいクリーンな発電方法として、今あらためて注目を集めています。

水が落下する「位置エネルギー」で水車を回す

水力発電の主役は、高いところにある水が持っている「位置エネルギー」です。例えば、高い棚の上に置いたボールが落ちると勢いよく弾むように、高い場所にある水は低い場所へ落ちるときに大きな力を生み出します。

水力発電は、水の勢いで水車を回し、その回転を発電機に伝えて電気をつくります。

つくられる電気の量は、2つの要素で決まります。1つは「水の量（流れる水の多さ）」、もう1つは「流れ落ちる高さ（落差）」です。水の量が多いほど、そして落差が大きいほど、生み出される電気は多くなります。

つまり、多くの水を、より高いところから落とすほど、多くの電気がつくれるという、非常にシンプルな原理が水力発電の基本になっています。

水力発電のおもな種類と分類

水力発電といっても方式はさまざまです。落差の作り方、水の使い方、水車の種類といった違いから、大きく三つの観点で分類されます。

構造物による3つの分類

これは、どうやって水をせき止め、発電に必要な落差を作り出すかによる分け方です。

ダム式／水路式／ダム水路式

ダム式は、川をせき止めるように巨大なダムを築いて水を高く溜め、ダムの高さによって生まれる落差を利用して発電する方式です。私たちが「水力発電」と聞いて思い浮かべる、大きなダムのイメージがまさにこれにあたります。

水路式は、川の上流から発電所まで緩やかな傾斜の水路で水を引き込み、最後に急勾配で水を落として落差を生み出す方式です。川の自然な高低差を活かすため、大きなダムを必要としないのが特徴です。

ダム水路式は、ダム式と水路式を組み合わせた方式です。ダムで水を溜めながら、水路で離れた場所まで導き、大きな落差を得ます。いわば「いいとこ取り」の方式といえます。

水の利用方法による4つの分類

これは、溜めた水をどのタイミングで発電に使うかによる分け方です。

流れ込み式／調整池式・貯水池式／揚水式

流れ込み式は、川の水をそのまま発電に使う方式で、水を溜めずに常に一定量の電気をつくり続けるため、暮らしの土台となる「ベース電源」として活躍します。

調整池式・貯水池式は、池やダムにいったん水を溜めておき、電気が多く必要になる時間帯に合わせて水を放出し、発電量を調整する方式です。

揚水式は、夜間など電気が余っている時間に、その電気を使って下のダムから上のダムへ水をポンプで汲み上げておきます。電気が足りなくなったときに、その水を一気に落として発電する仕組みです。

電気そのものは溜めておけませんが、水という形で「貯めて」おき、必要なときに電気に戻せるため、まるで「巨大な蓄電池」のような役割を果たしています。

水車の種類による分類

水力発電の心臓部である水車にも種類があり、落差の大きさに応じて使い分けられています。

反動水車／衝動水車

水車は大きく「反動水車」と「衝動水車」に分けられます。日本の水力発電所のおよそ7割で使われているのが「フランシス水車」という反動水車で、中くらいの落差から大きな落差まで幅広く対応できる万能タイプです。

一方、ダムのように非常に高い落差がある場所では、勢いよく噴き出す水を羽根にぶつけて回す「ペルトン水車」という衝動水車が活躍します。

このように、その場所の条件に合わせて最適な水車を選ぶことで、水の力を無駄なく効率よく電気に変える工夫がされているのです。

水力発電の4つのメリットとは？

水力発電が長年にわたり日本の電力を支え、今再生可能エネルギーとして再評価されているのには、はっきりとした理由があります。ここでは代表的な4つのメリットを見ていきましょう。

エネルギー変換効率が約80%と非常に高い

水力発電の大きな強みは、エネルギーを電気に変える効率の高さです。発電方法によって変換効率は異なり、太陽光発電は約20%、火力発電でも50%程度といわれるなか、水力発電は約80%と高い水準にあります。

水力発電では、高い場所にある水が低い場所へ流れ落ちるときのエネルギーを利用して水車を回し、発電機で電気に変えます。この仕組みにより、エネルギーの損失を抑えながら発電できる点が特徴です。

変換効率の高さは、あらゆる発電方法のなかでもトップクラスです。限られた水資源を有効に活用できるため、水力発電は効率面でも優れた発電方法だといえます。

天候に左右されず安定した発電量が確保できる

太陽光発電は夜や曇りの日には発電できず、風力発電も風がなければ止まってしまいます。その点、水力発電は川やダムに水がある限り、夜でも雨でも24時間休まず発電を続けられます。

天候の影響を受けにくく、安定して電気を供給できる点は、私たちの暮らしや産業を24時間支える上で非常に心強いポイントです。

CO2を出さない純国産のクリーンエネルギー

水力発電は、発電するときに地球温暖化の原因となるCO2（二酸化炭素）をほとんど出しません。石油や石炭、天然ガスを燃やす火力発電とは違い、燃料を燃やさず水の流れだけで発電するため、環境への負担が小さいクリーンなエネルギーです。

さらに、山が多く水資源に恵まれた日本の地形を活かせるため、燃料を海外から輸入する必要がありません。エネルギーの多くを輸入に頼る日本にとって、自国の自然だけでつくれる「純国産エネルギー」であることは、大きな安心材料といえるでしょう。

需要に合わせて発電量の調整が柔軟にできる

電気は使う量とつくる量のバランスが崩れると、停電などのトラブルにつながります。水力発電は、水門を開け閉めするわずか数分で発電を開始したり停止したりできるため、この調整が非常に得意です。

例えば、夕方、多くの家庭で照明やエアコン、料理などで電気の使用量が一気に増える時間帯にも、すぐに発電量を増やして対応できます。需要の変化に素早く応えられるこの「調整力」は、電力の安定供給を支える縁の下の力持ちとして欠かせない役割を担っています。

水力発電のデメリットと今後の課題

多くのメリットを持つ水力発電ですが、決して万能というわけではありません。普及をさらに広げていくうえでは、いくつかの課題やデメリットもあります。ここではその代表的なものを見ていきましょう。

新たに大規模なダムを開発できる場所が少ない

水力発電を新しく増やそうとするとき、大きな壁になるのが「適地の少なさ」です。日本は明治時代から長年にわたり水力発電を活用してきたため、大規模なダムをつくるのに適した、条件の良い場所はほとんど開発し尽くされています。

つまり、これから巨大なダムを新たに建設できる余地はかなり限られているのが現状です。豊富な水資源を持ちながらも、「これ以上大きく増やしにくい」というジレンマを抱えているのです。

建設コストが高く時間がかかる

水力発電は、いったん完成してしまえば燃料がいらないため発電コスト自体は安く済みます。しかし、その手前で大きなハードルとなるのが初期費用です。

巨大なダムや長い水路を建設するには莫大な費用がかかり、加えて建設場所の調査や設計、工事を経て実際に発電を始めるまでには非常に長い年月を要します。

「将来の安さ」のために「最初に大きな投資と時間」が必要になる点は、水力発電を増やしていくうえでの悩ましい課題といえます。

降水量によって発電量が減少するリスク

水力発電は天候に左右されにくいとはいえ、まったく影響を受けないわけではありません。発電の源はあくまで「水」であるため、極端に雨や雪の少ない年が続くと、ダムの水位が下がってしまい、予定どおり発電できないリスクがあります。

太陽光発電ほど日々の天気に振り回されることはないものの、長期的な降水量の変動には弱い一面を持っているのです。気候変動による異常気象が増えている近年では、このリスクへの備えも重要になっています。

周辺の環境や生態系への配慮が必要

巨大なダムを建設すると、それまでの川の流れが大きく変わります。その結果、アユやサケといった魚が産卵のために行う、川の遡上を妨げてしまうなど、周辺の生態系に影響を与える可能性があります。

クリーンなエネルギーである一方で、自然そのものに手を加える以上、周囲の環境や生き物への配慮は欠かせません。そのため、開発にあたっては環境への影響を事前に丁寧に調べる「環境アセスメント」を慎重に行うことが求められます。自然の力を借りるからこそ、その自然を守る視点が大切にされているのです。

日本における水力発電の現状と将来性

今日本では、水力発電を含む再生可能エネルギーの活用拡大が、これまで以上に重要なテーマとなっています。

その背景にあるのが、「2050年カーボンニュートラル（温室効果ガスの排出を実質ゼロにすること）」の達成と、その通過点となる「2030年度に温室効果ガスを2013年度比で46%削減する」という国の大きな目標です。

これらを実現するため、安定したクリーン電源である水力発電は、あらためて大きな期待を寄せられています。資源エネルギー庁は、こうした目標に向けて、大きく三つの観点から水力発電の活用を進めようとしています。

• 既存の水力発電所やダムを総合的に活用する
• 環境や地域に調和した中小規模の水力発電を新たに開発する
• それらを支える制度づくりやインフラ整備、人材育成

日本の脱炭素社会の実現に欠かせない水力発電の役割

国の方針として、水力を含む再生可能エネルギーのさらなる拡大は、脱炭素社会の実現に向けた最重要課題と位置づけられています。

水力発電は、これまでも日本の電力を支えてきた電源です。今後は、新たな大規模ダムの建設だけでなく、既存の水資源や発電設備をより効率的に活用する取り組みが重要になります。ここからは、その具体的な取り組みを3つの観点から見ていきましょう。

①既存ダムを100%有効活用するリパワリングと総合利用

新しいダムをつくるのが難しいなら、今あるものを最大限に活かそう、という発想が「リパワリング」です。

これは、昔から稼働している水力発電所の古くなった水車や発電機を、最新のテクノロジーを取り入れた高効率な設備に交換することで、同じ水量でもより多くの電気を生み出す取り組みです。

さらに、これまで発電には使われてこなかった治水用のダムや農業用のダムにも発電設備を後付けし、日本全体で水力エネルギーをあますことなく総合的に活用しようという国主導の動きも進んでいます。

既にあるものを賢く使い倒すこの考え方は、環境への負担を抑えながら発電量を増やせる、現実的で効果の大きいアプローチです。

②環境や地域と共生する中小水力発電の新規開発

もう1つの柱が「中小水力発電」の新規開発です。巨大なダムを建設するのではなく、農業用水路や一般の河川、浄水場といった身近な水の流れと、そのわずかな落差を利用して発電する小さな規模の水力発電を意味します。大きな工事を必要としないため、自然環境への影響を最小限に抑えられるのが大きな魅力です。

さらに、その地域で生まれた電気をその地域で使える独立した電源として、災害時のバックアップ電源としても機能します。環境破壊のリスクが極めて低く、地域社会と調和しながら電気をつくれる、これからの時代にふさわしいクリーンな「分散型エネルギー」として大きな期待が寄せられています。

③持続可能な水力を支える制度改革とインフラの課題克服

水力発電をさらに普及させるためには、それを下支えする国のバックアップ体制も欠かせません。

制度と手続きの面では、事業者が長期的に安心して投資できるよう、国が一定の価格・期間で電気を買い取る「固定価格買取制度（FIT/FIP）」が整えられています。これまで複雑だった河川の使用手続きの簡素化や、各種規制の緩和も進められているのです。

インフラの面では、発電した電気を効率よく都市部へ送るために、送電線の空き容量が足りない「系統制約」への対策が進められています。

水力発電の高度な維持管理技術を次の世代へ確実に引き継ぐため、国は人材育成にも力を注いでいるのです。

参考までに、FIT制度における水力発電の買取価格と期間は、発電規模に応じて次のように定められています。なお下表は、ダムや水路などの構造物を新たに設置する一般的な水力発電（新規開発分）の区分を示したものです。

• ※1 FIT制度は「調達価格」、FIP制度（入札制度適用区分を除く）は「基準価格」、入札制度適用区分は「上限価格」を指します。なお、2024年度以降の調達価格は、FIT認定事業者が課税事業者の場合は当該価格に消費税を加えた額とします。免税事業者の場合は、当該価格に消費税を含むものとします。（2023年度までは、当該価格に消費税を加えた額が調達価格でした。太陽光10kW未満を除きます。）また、2024年度以降の調達価格・基準価格（同年度以降に新規認定を取得した案件に限る）について、最大受電電力が10kW以上の場合には、当該価格に発電側課金相当額を加えた額とする。 

• ※2 FIT制度であれば調達期間、FIP制度であれば交付期間。

• ※3 FIT新規認定（1,000kW未満）には、地域活用要件を設定する（ただし、沖縄地域・離島等供給エリアは除く）。

• ※4 既に設置している導水路を活用して、電気設備と水圧鉄管を更新するもの。

水力発電の仕組みやメリット・デメリットを正しく理解しましょう！

水力発電は、高いところから落ちる水の力で水車を回し、その力で電気をつくる発電方法です。ダム式や水路式、流れ込み式や揚水式など、地形や水の使い方に合わせてさまざまな方式があります。

発電効率が高く、CO2をほとんど排出しない純国産のクリーンエネルギーである一方、大規模開発の余地が少ないことや、建設コスト、周辺環境への配慮といった課題もあります。

エネルギーや電気のことを知る第一歩として、まずはご自宅の電気料金を見直してみるのもおすすめです。電気料金シミュレーションで、ご家庭にぴったりのプランを確かめてみてはいかがでしょうか。