一滴の水が19回も再利用できるのはなぜ？ある記事が水力発電の謎を解き明かす。

一滴の水が19回も再利用できるのはなぜ？ある記事が水力発電の謎を解き明かす。

水力発電は長年にわたり、重要な電力供給手段となってきた。何千キロにも及ぶ河川には、膨大なエネルギーが蓄えられている。この自然の水エネルギーを開発・利用して電力に変換することを水力発電と呼ぶ。水力発電のプロセスは、まさにエネルギー変換プロセスなのである。
1．揚水発電所とは何ですか？
揚水発電所は、現在最も技術的に成熟し、安定性の高い大容量エネルギー貯蔵方式です。既存の2つの貯水池を新設または利用することで水位差を作り出し、電力系統の低負荷時に余剰電力を高所に汲み上げて貯蔵します。ピーク負荷時には、この水を放流することで発電を行い、いわゆる「スーパーパワーバンク」として機能します。
水力発電所は、水の流れの運動エネルギーを利用して発電する施設です。通常、河川の落差の大きい場所に建設され、ダムで水の流れをせき止めて貯水池を作り、そこで水力タービンと発電機を使って水のエネルギーを電気に変換します。
しかし、単一の水力発電所の発電効率は高くありません。なぜなら、水が発電所を通過した後も、利用されない運動エネルギーが大量に残っているからです。複数の水力発電所を直列に接続してカスケードシステムを構築すれば、異なる高さで一滴の水が異なるエネルギーを複数回利用できるため、発電効率を向上させることができます。

水力発電所は発電以外にもどのような利点があるのでしょうか？ 実は、水力発電所の建設は、地域の経済社会発展にも重要な影響を与えます。
一方、水力発電所の建設は、地域のインフラ整備や産業発展を促進する力となる。水力発電所の建設には、膨大な人的資源、物的資源、そして資金投資が必要となるため、地域に雇用機会と市場需要が生まれ、関連産業チェーンの発展を促し、地方の財政収入を増加させる。例えば、武東徳水力発電所プロジェクトの総投資額は約1200億元であり、地域における関連投資額は1000億元から1250億元に達する可能性がある。建設期間中、年間平均約7万人の雇用が増加し、地域経済成長の新たな原動力となる。
一方、水力発電所の建設は、地域の生態環境と人々の福祉を向上させることができます。水力発電所の建設は、厳格な環境基準に従うだけでなく、生態系の回復と保護、希少魚の養殖と放流、河川景観の改善、生物多様性の促進も行うべきです。例えば、武東徳水力発電所の建設以来、スプリットベリーフィッシュ、ホワイトタートル、ロングシンドジョウ、バスカープなどの希少魚の稚魚が78万匹以上放流されています。さらに、水力発電所の建設には移住者の移転と再定住も必要であり、これは地元住民により良い生活環境と発展の機会を提供します。例えば、喬家県は白鶴灘水力発電所の所在地であり、48,563人の移転と再定住を伴います。喬家県は、再定住地域を近代的な都市化再定住地域に変え、インフラと公共サービス施設を改善し、移住者の生活の質と幸福度を向上させました。
水力発電所は単なる発電所ではなく、地域社会に貢献する施設です。国にクリーンエネルギーを供給するだけでなく、地域に環境に優しい発展をもたらします。これはまさにウィンウィンの関係であり、高く評価し、学ぶべき点です。

2．水力発電の基本タイプ
集中落差を生み出す一般的な方法としては、ダム建設、水路変更、あるいはその両方の組み合わせなどが挙げられる。

落差の大きい河川区間にダムを建設し、貯水池を設けて水を貯め、水位を上昇させる。ダムの外側に水力タービンを設置し、貯水池からの水を導水路（分水路）を通ってダム下部の水力タービンに流す。水力タービンが回転して発電機を駆動し、発電した後、放水路を通って下流の河川に流れ込む。これが発電用のダムと貯水池を建設する方法である。
ダム内部の貯水池の水面とダム外部の水力タービンの吐出面との水位差が大きいため、貯水池内の大量の水を大きな位置エネルギーを利用して発電することができ、高い水資源利用率を実現できます。ダム建設における集水落差方式を用いて建設された水力発電所はダム型水力発電所と呼ばれ、主にダム型水力発電所と河床型水力発電所から構成されます。
上流部に貯水池を建設して水を貯め、水位を上昇させ、下流部に水力タービンを設置し、上流部の貯水池から取水路を通して下流部の水力タービンへ水を送る。水流によってタービンが回転し、発電機が作動して発電した後、放水路を通って下流部へと水が流れる。取水路はより長く、山間部を通過するため、水力発電と水力発電の両方の手段となる。
上流側の貯水池表面と下流側のタービン出口表面との間の水位差H0が大きいため、貯水池内の大量の水が大きな位置エネルギーを蓄え、高い水資源利用効率を実現できます。集中水頭取水方式を採用する水力発電所は取水式水力発電所と呼ばれ、主に圧力取水式水力発電所と非圧力取水式水力発電所に分類されます。

3．「一滴の水を19回再利用する」ことを実現するには？
四川省涼山イ族自治州の塩源県と布陀県の境界に位置する南山水力発電所が、2019年10月30日に正式に完成し、運転を開始したことが分かっています。この水力発電所の総設備容量は10万2000メガワットで、天然水資源、風力エネルギー、太陽エネルギーを総合的に利用する水力発電プロジェクトです。そして最も注目すべき点は、この水力発電所が発電するだけでなく、技術的な手段によって水資源の究極の効率を実現していることです。一滴の水を19回繰り返し利用することで、341億キロワット時の電力を追加で生み出し、水力発電の分野で数々の奇跡を起こしました。
まず、南山水力発電所は、世界をリードするハイブリッド水力発電技術を採用しており、天然の水資源、風力エネルギー、太陽エネルギーを総合的に活用し、技術的な手段を通じて体系的な最適化と連携を実現することで、持続可能な発展を達成しています。
第二に、水力発電所は、ビッグデータ分析、人工知能、IoTなどの最先端技術を導入し、ユニットパラメータ、水位、落差、流量などの様々な側面をきめ細かく管理することで、発電所の運転効率を向上させています。例えば、定落差圧力自動追跡・制御技術を確立することで、水力タービン発電機ユニットは安全な運転を確保しながら水資源の利用を最大化し、落差最適化による発電量の最適化と増加という目標を達成します。同時に、貯水池の水位が低い場合、水力発電所は貯水池の動的管理システムを構築し、水位低下率を抑制し、循環効率を向上させ、発電能力を効果的に増加させます。
さらに、南山水力発電所の優れた設計も欠かせません。同発電所はペルトンミシェル水車（PM水車）を採用しており、この水車は、インペラに水を噴射する際に、ノズルの断面積とインペラへの流量を回転によって調整できるため、水の噴射方向と速度をインペラの回転方向と速度に合わせることができ、発電効率を最大化できるという特徴があります。加えて、多点噴射技術や回転部の追加といった先進技術が採用され、発電効率が大幅に向上しています。
最後に、南山水力発電所は独自の蓄熱技術も採用しています。貯水エリアには緊急排水設備が設置されており、貯水池を通じて水資源を異なる時間帯に分割することで、水生産や送電といった多目的な機能を実現し、水資源の経済的かつ安全な利用を確保しています。

総じて、南山水力発電所が「一滴の水を19回再利用する」という目標を達成できた理由は、世界をリードするハイブリッド水力発電技術、最先端技術の応用、効率的な管理メカニズム、優れた設計、そして独自のエネルギー貯蔵技術など、様々な要因によるものです。これは、水力発電産業の発展に新たなアイデアとモデルをもたらすだけでなく、中国のエネルギー産業の持続可能な発展にも有益な事例と示唆を与えるものです。