水力発電は最も成熟した発電方法の一つであり、電力システムの発展過程において継続的に革新と発展を遂げ、独立発電規模、技術設備レベル、制御技術の面で大きな進歩を遂げてきました。安定的で信頼性の高い高品質の安定化電源として、水力発電は通常、従来の水力発電所と揚水発電所で構成されます。重要な電力供給源として機能するだけでなく、電力システムの運用全体において、ピークカット、周波数変調、位相変調、ブラックスタート、緊急待機といった重要な役割を果たしてきました。風力発電や太陽光発電などの新エネルギーの急速な発展に伴い、電力系統のピーク・バレー差の拡大や、パワーエレクトロニクス機器の増加による回転慣性の減少などにより、電力システムの計画・建設、安全運転、経済的なディスパッチといった基本的な課題は大きな課題に直面しており、今後の新電力システムの構築においても重要な課題となっています。中国の資源賦存の状況において、水力発電は、重大な革新的発展のニーズと機会に直面し、新型電力システムにおいてより重要な役割を果たすことになり、新型電力システム構築の経済的安全保障にとって極めて重要である。
水力発電の現状と革新的発展状況の分析
革新的な開発状況
世界のクリーンエネルギーへの転換が加速し、風力発電や太陽光発電などの新エネルギーの比率が急速に高まっています。従来の電力システムの計画・建設、安全な運用、経済的なスケジューリングは、新たな課題と問題に直面しています。2010年から2021年にかけて、世界の風力発電設備は平均15％の成長率で急成長を維持しました。中国の年平均成長率は25％に達し、過去10年間の世界の太陽光発電設備の成長率は31％に達しています。新エネルギーの比率が高い電力システムは、需給バランスの難しさ、回転慣性の低下によるシステム運用制御の難しさや安定性リスクの増大、ピークカット容量需要の大幅な増加によるシステム運用コストの上昇など、大きな課題に直面しています。電源、系統、負荷側からこれらの問題の解決を共同で推進することが急務です。水力発電は、回転慣性が大きく、応答速度が速く、運転モードが柔軟などの特徴を持つ重要な調整電源です。こうした新たな課題や問題を解決する上で、当然の利点があります。
電化レベルは向上し続けており、経済社会活動における安全で信頼性の高い電力供給への要求は高まり続けています。過去50年間、世界の電化レベルは向上し続け、端末エネルギー消費に占める電力の割合は徐々に増加しています。電気自動車に代表される端末の電力代替は加速しています。現代の経済社会はますます電気に依存するようになり、電気は経済社会活動の基本的な生産手段となっています。安全で信頼性の高い電力供給は、現代人の生産と生活にとって重要な保障です。大規模な停電は莫大な経済的損失をもたらすだけでなく、深刻な社会的混乱をもたらす可能性があります。電力安全保障は、エネルギー安全保障、さらには国家安全保障の中核的な内容となっています。新しい電力システムの対外的なサービスには、安全な電力供給の信頼性の継続的な向上が求められ、一方で国内の発展は、電力安全保障に深刻な脅威となるリスク要因の継続的な増加に直面しています。
電力システムでは、新たな技術が次々と登場し、適用され、電力システムのインテリジェント化と複雑化の度合いが大幅に向上しています。発電、送電、配電の各分野におけるパワーエレクトロニクス機器の普及は、電力システムの負荷特性とシステム特性に大きな変化をもたらし、電力システムの運用メカニズムに大きな変化をもたらしました。情報通信、制御、およびインテリジェント化技術は、電力システムの生産と管理のあらゆる分野で広く活用されています。電力システムのインテリジェント化の度合いは大幅に向上し、大規模なオンライン分析や意思決定支援分析に適応できます。分散型発電は配電網のユーザー側に大規模に接続され、電力系統の電力潮流方向は一方向から双方向、さらには多方向に変化しました。さまざまな種類のインテリジェント電気機器が次々と登場し、インテリジェントメーターが広く普及し、電力システムアクセス端末の数は飛躍的に増加しています。情報セキュリティは、電力システムにとって重要なリスク源となっています。
電力改革・発展は徐々に好転し、電力価格などの政策環境も徐々に改善している。中国経済社会の急速な発展に伴い、電力産業は小規模から大規模へ、弱小から強大へ、追随から主導へという大きな飛躍を遂げてきた。体制面では、政府から企業へ、工場からネットワークへ、工場とネットワークの分離、適度な競争、そして計画から市場への漸進的な移行が、中国の国情に適応した電力発展の道筋を切り開いてきた。中国の電力技術・設備の製造・建設能力とレベルは世界トップクラスである。電力事業のユニバーサルサービスと環境指標は徐々に向上し、世界最大規模かつ最も技術的に先進的な電力システムが構築・運営されている。中国の電力市場は着実に発展し、地方から地域、そして国家レベルに至る統一電力市場の構築に向けた明確な道筋が示され、実事求是の中国路線を堅持している。電力価格などの政策メカニズムは徐々に合理化され、揚水発電の開発に適した電力価格メカニズムが最初に確立され、水力発電の革新と開発の経済的価値を実現するための政策環境が整えられました。
水力発電の計画、設計、運用の境界条件は大きく変化しました。従来の水力発電所の計画と設計の中核となる任務は、技術的に実現可能で経済的に合理的な発電所の規模と運用方式を選択することです。通常、水資源の総合的な利用という最適目標を前提として、水力発電プロジェクトの計画問題を検討します。洪水対策、灌漑、船舶輸送、給水などの要件を総合的に考慮し、経済、社会、環境の便益を総合的に比較する必要があります。技術革新の継続と風力発電と太陽光発電の割合の継続的な増加を背景に、電力システムは客観的に水力資源をより十分に活用し、水力発電所の運用方式を充実させ、ピークカット、周波数変調、平準化調整においてより大きな役割を果たす必要があります。これまで技術、設備、建設の面で実現不可能だった多くの目標が、経済的にも技術的にも実現可能になりました。水力発電所の従来の一方向貯水・放水発電方式は、もはや新電力システムの要求を満たすことができず、揚水発電所方式と組み合わせて水力発電所の調整能力を大幅に向上させる必要がある。同時に、揚水発電所などの短期調整電源が風力発電や太陽光発電などの新エネルギーの消費を促進する上での限界、および安全で手頃な価格の電力供給という任務を遂行することの難しさを考えると、貯水池容量を増大させて従来の水力発電の調整時間周期を向上させ、石炭火力発電の撤退時に生じるシステム調整能力のギャップを埋めることが客観的に必要である。
革新的な開発ニーズ
水力発電資源の開発を加速し、新しい電力システムにおける水力発電の比率を高め、より大きな役割を果たすことが急務となっている。「デュアルカーボン」目標の文脈では、風力発電と太陽光発電の総設備容量は2030年までに12億キロワットを超え、2060年には50億～60億キロワットに達すると予想されている。将来、新しい電力システムにおける調整力資源の需要は膨大になり、水力発電は最も高品質な調整力電源となる。中国の水力発電技術は、6億8700万キロワットの設備容量を開発できる。2021年末までに3億9100万キロワットが開発され、開発率は約57％で、欧米の一部先進国の90％の開発率をはるかに下回っている。水力発電プロジェクトの開発サイクルは長い（通常5～10年）のに対し、風力発電や太陽光発電プロジェクトの開発サイクルは比較的短く（通常0.5～1年、あるいはそれ以下）、急速に発展していることを考えると、水力発電プロジェクトの開発進捗を加速し、できるだけ早く完成させ、できるだけ早くその役割を果たすことが急務となっている。
新たな電力システムにおけるピークカットの新たな要求に応えるため、水力発電の開発方式を転換することが急務となっている。「デュアルカーボン」目標の制約下、将来の電力供給構造は、ピークカットのための電力システム運用の膨大な要件を決定づける。これは、スケジューリングミックスや市場原理で解決できる問題ではなく、むしろ基本的な技術的実現可能性の問題である。電力システムの経済的、安全かつ安定した運用は、技術が実現可能であるという前提のもと、市場誘導、スケジューリング、運用制御を通じてのみ実現可能である。稼働中の従来型水力発電所については、既存の貯水容量と設備の利用を体系的に最適化し、必要に応じて適切な改造投資を増強し、調整能力の向上に全力を尽くすことが急務となっている。新たに計画・建設される従来型水力発電所については、新たな電力システムによってもたらされる境界条件の大幅な変化を考慮し、地域の状況に応じて長短のタイムスケールを組み合わせた柔軟で調整可能な水力発電所を計画・建設することが急務となっている。揚水発電については、短期的な調整能力が著しく不足している現状を踏まえ、建設を加速させる必要がある。長期的には、システムの短期的なピークカット能力に対する需要を考慮し、開発計画を科学的に策定する必要がある。送水式揚水発電所については、流域間送水プロジェクトとして、また電力系統の調整資源の総合的な活用として、国全体の水資源の地域間送水ニーズと連携する必要がある。必要に応じて、海水淡水化プロジェクトの全体計画・設計と連携させることもできる。
新たな電力システムの経済的かつ安全な運用を確保しつつ、より大きな経済的・社会的価値を生み出すため、水力発電の推進が急務となっている。電力システムにおけるカーボンピークとカーボンニュートラルという発展目標の制約に基づき、新エネルギーは将来の電力システムの電力供給構造において徐々に主力となり、石炭火力などの高炭素電源の割合は徐々に減少していくだろう。複数の研究機関のデータによると、石炭火力の大規模撤退シナリオでは、2060年までに中国の風力発電と太陽光発電の設備容量は約70%を占める。揚水発電を含めた水力発電の総設備容量は約8億キロワットで、約10%を占める。将来の電力構造において、水力発電は比較的信頼性が高く、柔軟性と調整力に優れた電源であり、新たな電力システムの安全、安定、経済的な運用を確保するための礎となる。現在の「発電を基本とし、規制を補完する」開発・運用モードから「規制を基本とし、発電を補完する」開発・運用モードへの移行が急務となっている。したがって、水力発電企業の経済的利益は、より大きな価値の文脈で発揮されるべきであり、水力発電企業の利益は、元々の発電収入に基づいてシステムへの調整サービスを提供することから得られる収入も大幅に増加するはずである。
水力発電の効率的で持続可能な発展を確保するため、水力発電技術基準や政策・制度の革新を緊急に推進する必要がある。今後、新電力システムの目標要求は、水力発電の革新的発展を加速することであり、既存の関連技術基準、政策、制度も、水力発電の効率的な発展を促進するために、革新的発展に早急に対応する必要がある。基準・仕様面では、従来型水力発電所、揚水発電所、ハイブリッド発電所、導水揚水発電所（ポンプ場を含む）について、新電力システムの技術要求に基づき、パイロット実証・検証に基づき、計画、設計、運用、保守に関する基準・仕様を最適化することが急務であり、水力発電の革新的発展の秩序ある効率的な発展を確保する。政策・制度面では、水力発電の革新的発展を指導、支援、奨励するためのインセンティブ政策を検討・策定することが急務である。同時に、水力発電の新たな価値を経済的利益に変換するための市場や電力価格などの制度設計を早急に行う必要があり、企業体が革新的な開発技術の投資、パイロット実証、大規模開発を積極的に行うことを奨励する必要がある。
水力発電の革新的な発展の道筋と展望
水力発電の革新的開発は、新型電力システムの構築において喫緊の課題です。地域の状況に合わせた対策を講じ、総合的な政策を実施するという原則を堅持する必要があります。既に建設済みまたは計画中の水力発電プロジェクトの種類ごとに、異なる技術スキームを採用する必要があります。発電機能とピークカット、周波数変調、平準化といった機能ニーズだけでなく、水資源の総合利用、調整可能な電力負荷の構築などについても考慮する必要があります。最終的には、総合的な便益評価を通じて最適なスキームを決定する必要があります。従来型水力発電の調整能力を向上させ、総合的な流域間導水揚水発電所（ポンプ場）を建設することで、新設の揚水発電所に比べて経済効果が大幅に向上します。総じて、水力発電の革新的開発には克服できない技術的障壁はなく、開発の余地は大きく、経済効果と環境効果も顕著です。パイロット事業に基づく大規模開発に高い注目と加速を払う価値があります。
「発電＋揚水」
「発電＋揚水」方式とは、既存の水力発電所やダムなどの水理構造物、送変電施設を活用し、水力発電所の放水口下流の適切な場所を選んで分水ダムを建設し、下部貯水池を形成し、揚水ポンプ、パイプラインなどの設備を増設し、元の貯水池を上部貯水池として利用する方式です。元の水力発電所の発電機能を基盤に、低負荷時の電力系統の揚水機能を高め、元の水車発電機ユニットを発電に利用することで、元の水力発電所の揚水・貯水能力を高め、水力発電所の調整能力を向上させます（図1参照）。下部貯水池は、水力発電所の下流の適切な場所に別途建設することもできます。水力発電所の放水口下流に下部貯水池を建設する場合は、元の水力発電所の発電効率に影響を与えないように水位を制御することをお勧めします。運転モードの最適化と水位調整への機能要件を考慮すると、ポンプには同期モーターを搭載することが望ましい。このモードは、稼働中の水力発電所の機能転換に一般的に適用可能であり、設備は柔軟性が高くシンプルであるため、投資額が少なく、建設期間が短く、成果が早く得られるという特徴がある。
「発電＋揚水発電」
「発電＋揚水発電」モードと「発電＋揚水」モードの主な違いは、揚水ポンプを揚水発電ユニットに変更することで、元の従来型水力発電所の揚水発電機能が直接向上し、水力発電所の調整能力が向上することです。 下部貯水池の設定原理は「発電＋揚水」モードと一致しています。 このモデルでは、元の貯水池を下部貯水池として使用し、適切な場所に上部貯水池を建設することもできます。 新しい水力発電所では、一定の従来型発電機セットを設置することに加えて、一定容量の揚水発電ユニットを設置することができます。 単一の水力発電所の最大出力をP1、増加した揚水発電電力をP2と仮定すると、電力系統に対する発電所の電力運用範囲は（0、P1）から（-P2、P1+P2）に拡大されます。
カスケード式水力発電所のリサイクル
中国では多くの河川開発にカスケード開発方式が採用されており、金沙江や大肚江などの一連の水力発電所が建設されています。新規または既存のカスケード水力発電所群では、隣接する2つの水力発電所において、上段のカスケード水力発電所の貯水池が上部貯水池となり、下段のカスケード水力発電所が下部貯水池となります。実際の地形に応じて適切な取水口を選択し、「発電＋揚水」と「発電＋揚水発電」の2つのモードを組み合わせて開発を行うことができます。この方式はカスケード水力発電所の改築に適しており、カスケード水力発電所の調整能力と調整時間周期を大幅に向上させることができ、大きなメリットがあります。図2は、中国の河川のカスケードに開発された水力発電所の配置を示しています。上流水力発電所のダムサイトから下流の取水口までの距離は、基本的に50キロメートル未満です。
ローカルバランシング
「ローカルバランシング」モードとは、水力発電所の近隣に風力発電や太陽光発電プロジェクトを建設し、水力発電所の運用を自律的に調整・調整することで、計画要件に従って安定した発電出力を実現することを指します。主要な水力発電所はすべて電力系統のディスパッチングに従って運転されるため、このモードは、大規模変電に適さず、従来のピークカットや周波数調整機能としてスケジュール化されていないラジアルフロー発電所や一部の小規模水力発電所に適用できます。水力発電所の運転出力を柔軟に制御し、短期的な調整能力を最大限に活用することで、ローカルバランシングと安定した発電出力を実現し、既存送電線の資産利用率を向上させます。
水力・電力ピーク調整複合施設
「水量調整・ピーク電力調整団地」の方式は、水量調整型揚水発電所の建設構想に基づき、大規模流域間水量移送などの重点水利プロジェクトと連携し、貯水池と分水施設を一括して建設するとともに、貯水池間の落差を利用して揚水機、一般水力発電所、揚水発電所を一括して建設し、発電・貯水複合施設を形成するものです。高地水源から低地へ水量を移送する過程で、「水量調整・ピーク電力調整団地」は落差を十分に活用して発電効果を得るとともに、長距離送水を実現し、送水コストを削減します。同時に、「水量調整・ピーク電力調整団地」は電力系統の大規模ディスパッチ負荷と電源として機能し、系統に調整サービスを提供します。さらに、海水淡水化プロジェクトと連携することで、水資源開発と電力系統調整の総合的な応用を実現します。
海水揚水貯蔵
海水揚水発電所は、海岸沿いの適切な場所に上部貯水池を建設し、海面を下部貯水池として利用することができます。従来の揚水発電所の立地条件がますます厳しくなる中、海水揚水発電所は国の関係部門の注目を集め、資源調査や将来を見据えた技術研究試験が行われています。また、海水揚水発電は、潮力発電、波力発電、洋上風力発電などの総合的な開発と組み合わせることで、大容量の貯水容量と長周期制御を備えた揚水発電所を建設することも可能です。
流れ込み式水力発電所と貯水容量のない一部の小水力発電所を除き、一定の貯水容量を持つほとんどの水力発電所は、揚水発電機能の転換を検討・実施することができます。新設の水力発電所では、一定容量の揚水発電ユニットを一体的に設計・配置することができます。新たな開発手法を適用することで、高品質のピークカット能力規模を少なくとも1億キロワット迅速に拡大できると予備的に予測されています。「水量調節・電力ピークカット複合施設」と海水揚水発電を組み合わせることで、極めて重要な高品質のピークカット能力も得られ、新しい電力システムの構築と安全で安定した運用に大きな意義があり、経済社会に大きな利益をもたらします。
水力発電の革新と開発に関する提案
まず、水力発電のイノベーション開発に関するトップレベルの設計を速やかに組織し、これに基づき、水力発電のイノベーション開発の発展を支援するための指導方針を策定する。水力発電のイノベーション開発の指導理念、開発の位置づけ、基本原則、計画の優先順位、配置といった重要な問題について研究を行い、その上で開発計画を策定し、開発段階と期待を明確にし、市場主体がプロジェクト開発を秩序正しく進めるよう指導する。
二つ目は、技術・経済性の実現可能性分析および実証プロジェクトの組織・実施です。新電力システムの建設と連携し、水力発電所の資源調査やプロジェクトの技術・経済性分析を組織・実施し、エンジニアリング建設計画を提案し、代表的なエンジニアリングプロジェクトを選定してエンジニアリング実証を実施し、大規模開発に向けた経験を蓄積します。
第三に、基幹技術の研究・実証を支援します。国家科学技術プロジェクトの設置などを通じて、海水揚水・貯水揚水タービンの翼材、大規模地域導水・電力ピークカット複合施設の調査・設計など、水力発電の革新・開発分野における基礎的かつ普遍的な技術革新、基幹設備の開発、実証応用を支援します。
第四に、財政・税制政策、プロジェクト認可、電力価格政策を策定し、水力発電の革新的発展を促進する。水力発電の革新的発展全般を中心とし、プロジェクト開発の初期段階において、グリーン金融支援を含め、現地の状況に応じて金融利子割引、投資補助、税制優遇などの政策を策定し、プロジェクトの財務コストを削減する。河川の水文特性を大幅に変更しない揚水発電所の改修プロジェクトについては、簡素化された認可手続きを実施し、行政認可サイクルを短縮する。揚水発電所の容量電力価格メカニズムと揚水発電の電力価格メカニズムを合理化し、合理的な価値収益を確保する。
投稿日時: 2023年3月22日
