新電力システムにおける水力発電開発の新たな機会

水力発電は最も成熟した発電方法の一つであり、電力系統の発展過程において継続的に革新と発展を遂げてきました。独立規模、技術設備レベル、制御技術の面で著しい進歩を遂げています。安定した信頼性の高い高品質な調整電源として、水力発電は通常、従来型の水力発電所と揚水発電所から構成されます。電力供給の重要な役割を担うだけでなく、電力系統の運用全体を通して、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も果たしています。風力発電や太陽光発電などの新エネルギー源の急速な発展、電力系統のピーク・バレー差の増大、パワーエレクトロニクス機器の増加による回転慣性の低下に伴い、電力系統の計画・建設、安全運用、経済負荷配分といった基本的な課題は大きな困難に直面しており、これらは将来の電力系統建設において必ず取り組むべき重要な課題となっています。中国の資源賦存状況を考慮すると、水力発電は新型電力システムにおいてより重要な役割を果たすようになり、大きな革新的発展のニーズと機会に直面しており、新型電力システムの構築における経済的安全保障にとって非常に重要である。

水力発電の現状と革新的な発展状況に関する分析
革新的な発展状況
世界的なクリーンエネルギーへの転換が加速しており、風力発電や太陽光発電などの新エネルギーの割合が急速に増加しています。従来の電力システムの計画と建設、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成長率15%で急速な成長を維持しました。中国の平均年間成長率は25%に達しています。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。新エネルギーの割合が高い電力システムは、需給バランスの困難、回転慣性の低下によるシステム運用制御の困難と安定性リスクの増加、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増加など、大きな問題に直面しています。これらの問題の解決を電力供給側、送電網側、負荷側から共同で推進することが急務です。水力発電は、大きな回転慣性、高速応答速度、柔軟な運用モードなどの特徴を持つ重要な調整可能な電源です。それは、こうした新たな課題や問題を解決する上で、自然な利点を持っている。

電化レベルは向上し続けており、経済社会活動からの安全で信頼性の高い電力供給に対する要求は高まり続けている。過去50年間、世界の電化レベルは向上し続け、末端エネルギー消費における電力の割合は徐々に増加してきた。電気自動車に代表される末端電力エネルギーの代替は加速している。現代経済社会はますます電力に依存するようになり、電力は経済社会活動の基本的な生産手段となっている。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証である。広範囲にわたる停電は、莫大な経済的損失をもたらすだけでなく、深刻な社会混乱を引き起こす可能性もある。電力の安全保障は、エネルギー安全保障、ひいては国家安全保障の中核をなす内容となっている。新しい電力システムの外部サービスには、安全な電力供給の信頼性の継続的な向上が求められる一方、内部開発は、電力の安全保障に深刻な脅威を与えるリスク要因の継続的な増加に直面している。

電力システムでは新たな技術が次々と登場し、応用され、電力システムのインテリジェンスと複雑性が大幅に向上しています。発電、送電、配電の様々な側面でパワーエレクトロニクス機器が広く応用されるようになったことで、電力システムの負荷特性やシステム特性が大きく変化し、電力システムの運用メカニズムにも大きな変化が生じています。情報通信、制御、インテリジェンス技術は、電力システムの生産と管理のあらゆる側面で広く利用されています。電力システムのインテリジェンス度は大幅に向上し、大規模なオンライン分析や意思決定支援分析に対応できるようになりました。分散型発電が配電網のユーザー側に大規模に接続され、グリッドの電力の流れ方向は一方向から双方向、さらには多方向にも変化しています。様々な種類のインテリジェント電気機器が次々と登場し、スマートメーターが広く普及し、電力システムへのアクセス端末の数は指数関数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要因となっています。

電力の改革と発展は徐々に好ましい状況に入りつつあり、電気料金などの政策環境も徐々に改善している。中国の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、弱体から強体へ、追随から主導へと大きな飛躍を遂げた。制度面では、政府から企業へ、一工場から一網へ、工場と網の分離、適度な競争、計画から市場への段階的な移行が、中国の国情に適した電力発展の道を導いた。中国の電力技術と設備の製造・建設能力と水準は、世界トップクラスにランクインしている。電力事業の普遍的なサービスと環境指標は徐々に向上しており、世界最大かつ最も技術的に進んだ電力システムが構築・運用されている。中国の電力市場は着実に前進しており、地方から地域、そして国家レベルへと統一された電力市場の構築に向けた明確な道筋があり、事実から真実を求めるという中国の路線を堅持している。電気料金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気料金メカニズムが初期的に確立され、水力発電の革新と発展の経済的価値を実現するための政策環境が整備された。

水力発電の計画、設計、運用における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課題は、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、船舶航行、給水などの要件を総合的に考慮し、経済的、社会的、環境的な便益を総合的に比較検討する必要があります。技術革新が継続的に進み、風力発電と太陽光発電の割合が継続的に増加する中で、電力システムは客観的に見て、水力資源をより有効活用し、水力発電所の運用方式を多様化し、ピークカット、周波数調整、レベル調整においてより大きな役割を果たす必要があります。技術、設備、建設の面で過去には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っています。水力発電所の従来の貯水・放水発電方式は、もはや新しい電力システムの要求を満たすことができず、揚水発電所の方式を組み合わせることで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型電源が風力発電や太陽光発電などの新エネルギー源の利用促進に限界があり、安全かつ手頃な価格で電力供給を行うという課題に取り組むのが難しいことを考慮すると、石炭火力発電が廃止された際に生じるシステム調整能力のギャップを埋めるために、貯水池容量を増やして従来の水力発電の調整時間サイクルを改善す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、新電力システムにおける水力発電の割合を増やし、より大きな役割を果たすことが喫緊の課題である。「デュアルカーボン」目標の文脈において、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る。将来、新電力システムにおける調整資源に対する需要は膨大になるだろうが、水力発電は最も質の高い調整電源である。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、あるいはそれよりも短い）、急速に発展していることを考慮すると、水力発電プロジェクトの開発を加速させ、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である。
新たな電力システムにおけるピークシェービングの新たな要求を満たすためには、水力発電の開発方式を転換することが喫緊の課題となっている。「デュアルカーボン」目標の制約の下、将来の電力供給構造は、ピークシェービングのための電力システム運用に膨大な要求を課すことになるが、これはスケジューリングの組み合わせや市場の力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、技術的に実現可能であることを前提として、市場の誘導、スケジューリング、および運用制御を通じてのみ達成できる。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転換投資を増やし、調整能力の向上に全力を尽くすことが喫緊の課題である。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きな変化を考慮し、地域の状況に応じて長期と短期の時間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・建設することが喫緊の課題である。揚水発電に関しては、短期的な調整能力が著しく不足している現状を踏まえ、建設を加速させるべきである。長期的には、系統の短期的なピークカット能力に対する需要を考慮し、その開発計画を科学的に策定する必要がある。送水型揚水発電所については、流域間送水事業として、また電力系統調整資源の総合的な活用として、地域間送水のための国家水資源のニーズを統合する必要がある。必要に応じて、海水淡水化事業の全体計画・設計と組み合わせることもできる。
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・社会的価値を創造するためには、水力発電の促進が喫緊の課題となっている。電力システムの炭素ピークとカーボンニュートラルという開発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、石炭火力発電などの高炭素電源の割合は徐々に減少していく。複数の研究機関のデータによると、石炭火力発電の大規模な廃止シナリオでは、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、揚水発電を含む水力発電の総設備容量は約8億キロワットで、約10%を占めることになる。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、柔軟かつ調整可能な電源であり、新たな電力システムの安全で安定した経済的な運用を確保するための礎となる。現在の「発電中心、調整補完」の開発・運用モードから「調整中心、発電補完」へと移行すること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、より大きな価値という観点から活用されるべきであり、また、水力発電企業は、従来の発電収益を基に、系統への調整サービス提供による収益を大幅に増加させるべきである。
水力発電の効率的かつ持続可能な発展を確保するためには、水力発電技術の基準、政策、制度の革新を早急に実施する必要がある。将来、新電力システムの客観的な要件は、水力発電の革新的発展を加速させることであり、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、革新的発展に対応させる必要がある。基準と仕様に関しては、水力発電の革新の秩序ある効率的な発展を確保するため、従来型水力発電所、揚水発電所、ハイブリッド発電所、送水揚水発電所（揚水場を含む）について、新電力システムの技術要件に従って、パイロット実証と検証に基づき、計画、設計、運用、保守に関する基準と仕様を最適化することが急務である。政策と制度に関しては、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し、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転換するための市場価格や電力価格などの制度設計を早急に行い、企業が革新的な開発技術への投資、実証実験、大規模開発を積極的に実施するよう促す必要がある。

水力発電の革新的な発展経路と展望
水力発電の革新的な発展は、新たな電力システムの構築に不可欠な課題です。そのためには、地域の実情に合わせた対策を講じ、包括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。既に建設済みおよび計画中の水力発電プロジェクトの種類に応じて、異なる技術スキームを採用すべきです。発電やピークカット、周波数調整、均等化といった機能的なニーズだけでなく、水資源の総合的な利用、調整可能な電力負荷の構築など、様々な側面を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べきです。従来の水力発電の調整能力を向上させ、流域間送水揚水発電所（ポンプ場）を総合的に建設することで、新規に揚水発電所を建設する場合と比べて、大きな経済的メリットが得られます。総じて、水力発電の革新的な発展には克服できない技術的障壁はなく、大きな発展余地と優れた経済的・環境的メリットがあります。パイロットプロジェクトに基づき、大規模な開発を加速させ、高い関心を寄せる価値があります。

「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力構造物、および送変電設備を活用し、水力発電所の放水口下流の適切な場所に取水ダムを建設して下部貯水池を形成し、揚水ポンプ、パイプライン、その他の設備を追加し、元の貯水池を上部貯水池として使用する方式を指します。元の水力発電所の発電機能をベースに、低負荷時の電力系統の揚水機能を強化し、発電には引き続き元の水力タービン発電機ユニットを使用することで、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が推奨されます。運転モードの最適化と水位調整への参加に必要な機能要件を考慮すると、ポンプには同期電動機を搭載することが推奨されます。この方式は、稼働中の水力発電所の機能転換に一般的に適用可能です。設備は柔軟かつ簡素で、低投資、短工期、迅速な成果といった特徴を備えています。

「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、従来の水力発電所の揚水発電機能を直接増加させ、それによって水力発電所の調整能力を向上させることです。下部貯水池の設定原則は、「発電＋揚水」モードと一致しています。このモデルでは、既存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。新しい水力発電所の場合、特定の従来型発電機セットの設置に加えて、一定容量の揚水発電ユニットを設置できます。単一の水力発電所の最大出力が P1 で、増加した揚水発電量が P2 であると仮定すると、電力系統に対する発電所の電力運転範囲は (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
中国の多くの河川の開発にはカスケード開発方式が採用されており、金沙江や大渡河などの一連の水力発電所が建設されている。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、上流カスケード水力発電所の貯水池が上流貯水池として、下流カスケード水力発電所が下流貯水池として使用される。実際の地形に応じて適切な取水口を選択でき、「発電＋揚水」と「発電＋揚水発電」の2つの方式を組み合わせて開発を行うことができる。この方式はカスケード水力発電所の再建に適しており、カスケード水力発電所の調整能力と調整時間サイクルを大幅に改善でき、大きなメリットがある。図2は、中国の河川のカスケードで開発された水力発電所の配置を示している。上流水力発電所のダムサイトから下流取水口までの距離は基本的に50キロメートル未満である。

ローカルバランス調整
「ローカルバランス」モードとは、水力発電所の近傍に風力発電および太陽光発電プロジェクトを建設し、水力発電所の運転を自己調整・バランスさせることで、計画要件に従って安定した出力を実現する方式を指します。主要な水力発電ユニットはすべて電力系統の指令に従って運転されることを考慮すると、このモードは、大規模な転換には適さず、従来のピークカットや周波数変調機能のように計画されない放射状流発電所や一部の小規模水力発電所に適用できます。水力発電ユニットの運転出力を柔軟に制御し、短期的な調整能力を活用することで、ローカルバランスと安定した出力を実現すると同時に、既存の送電線の資産利用率を向上させることができます。

水力・電力ピーク調整複合体
「水調整・ピーク電力調整複合施設」の方式は、水調整揚水発電所の建設コンセプトに基づき、大規模な流域間送水などの主要水利事業と組み合わせ、一連の貯水池と取水施設を建設し、貯水池間の落差を利用して一連の揚水場、従来型水力発電所、揚水発電所を建設し、発電・蓄電複合施設を形成するものです。高地の水源から低地へ水を移送する過程で、「水調整・ピーク電力調整複合施設」は落差を最大限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、送水コストを削減できます。同時に、「水調整・ピーク電力調整複合施設」は電力系統の大規模な調整可能な負荷および電源として機能し、系統の調整サービスを提供できます。さらに、この複合施設は海水淡水化事業と組み合わせることで、水資源開発と電力系統調整の総合的な応用を実現できます。

海水揚水貯蔵施設
海水揚水発電所は、沿岸部の適切な場所に上部貯水池を建設し、海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がますます困難になるにつれ、海水揚水発電所は関係省庁の注目を集め、資源調査や将来を見据えた技術研究試験が実施されてきました。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、大容量かつ長期調整サイクルの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や貯水容量のない一部の小規模水力発電所を除き、一定の貯水容量を有するほとんどの水力発電所は、揚水発電機能への転換を検討し、実施することができる。新設の水力発電所では、一定容量の揚水発電設備を一体的に設計・配置することができる。新たな開発手法を適用することで、質の高いピークカット容量を少なくとも1億キロワットまで迅速に増加させることができると暫定的に推定されている。「水調整・電力ピークカット複合施設」と海水揚水発電を利用することで、極めて重要な質の高いピークカット容量も実現でき、これは新たな電力系統の構築と安全かつ安定した運用にとって非常に重要であり、経済的、社会的にも大きな利益をもたらす。

水力発電の革新と開発に関する提案
まず、水力発電の革新と発展に関するトップレベルの設計をできるだけ早く策定し、この作業に基づいて水力発電の革新と発展を支援するための指針を発出する。水力発電の革新的発展の指導理念、発展の方向性、基本原則、計画の優先順位、配置といった主要な課題について調査を行い、これに基づいて発展計画を作成し、発展段階と期待を明確にし、市場主体が秩序正しくプロジェクト開発を実施できるよう指導する。
2つ目は、技術的・経済的な実現可能性分析と実証プロジェクトを組織し、実施することです。新たな電力系統の構築と連携し、水力発電所の資源調査やプロジェクトの技術的・経済分析を組織し、実施し、工学的建設計画を提案し、代表的な工学プロジェクトを選定して実証実験を行い、大規模開発のための経験を蓄積します。
第三に、基幹技術の研究開発と実証を支援する。国家科学技術プロジェクトなどの手段を用いて、海水揚水・貯水用ポンプ水車の羽根材料、大規模地域送水・電力ピークカット複合施設の調査・設計などを含む（ただしこれらに限定されない）、水力発電の革新と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、実証応用を支援する。
第四に、水力発電の革新的発展を促進するための財政・税制政策、事業承認、電力料金政策を策定する。水力発電の革新的発展のあらゆる側面を中心に、事業開発の初期段階において、グリーン金融支援を含め、地域の実情に合わせて金融金利割引、投資補助金、税制優遇措置などの政策を策定し、事業の財政コストを削減する。河川の水文特性を大きく変えない揚水発電改修事業については、行政承認サイクルを短縮するために、簡素化された承認手続きを実施する。揚水発電設備の容量電力料金メカニズムと揚水発電の電力料金メカニズムを合理化し、妥当な価値収益を確保する。