
水力発電は、水力(水力)から発電される電気です。水力発電は世界の電力の14%を供給し、 2023年には約4,210 TWhに達します[1] 。これは、他のすべての再生可能エネルギー源を合わせた量よりも多く、原子力発電よりも多くなります。[2]水力発電は、需要に応じて大量の低炭素電力を供給できるため、安全でクリーンな電力供給システムを構築するための重要な要素となります。[2]ダムと貯水池を備えた水力発電所は、変化する電力需要に応じて生産量を数秒または数分で増減できるため、柔軟な電源です。水力発電所が建設されると、直接的な廃棄物は生成されず、化石燃料を動力とする発電所よりも温室効果ガスの排出量が大幅に少なくなります。 [3]ただし、森林の一部が水没している低地熱帯雨林地域に建設された場合、かなりの量の温室効果ガスが排出される可能性があります。[4]
水力発電所の建設は、主に耕作地の喪失と人口の移住という形で、環境に大きな影響を与える可能性があります。 [5] [6]また、関連する川の自然生態系を破壊し、生息地や生態系、沈泥や浸食のパターンに影響を与えます。ダムは洪水のリスクを軽減できますが、ダムの決壊は壊滅的な被害をもたらす可能性があります。
2021年、世界の水力発電の設置容量はほぼ1,400GWに達し、すべての再生可能エネルギー技術の中で最高となりました。[7]水力発電は、ブラジル、ノルウェー、中国などの国で主導的な役割を果たしています。[8]しかし、地理的な制限と環境問題があります。[9]沿岸地域では 潮力発電を利用できます。
中国は2022年に24GWを追加し、世界の水力発電容量の追加量のほぼ4分の3を占めました。ヨーロッパは2GWを追加し、1990年以来のこの地域で最大の量となりました。一方、世界全体では、水力発電は2022年に70TWh(2%増)増加し、他のすべての技術を合わせた量を上回り、最大の再生可能エネルギー源であり続けます。[10]
歴史

水力は古代から小麦粉を挽くなどの作業に使われてきました。18世紀後半には、水力は産業革命の始まりに必要なエネルギー源となりました。1700年代半ばには、フランスの技術者ベルナール・フォレスト・ド・ベリドールが垂直軸と水平軸の水力機械について解説した著書『Architecture Hydraulique』を出版し、1771年にはリチャード・アークライトが水力、ウォーターフレーム、連続生産を組み合わせた手法が、現代の雇用慣行とともに工場システムの発展に重要な役割を果たしました。[12] 1840年代には、水力発電網が開発され、水力発電を生成して最終消費者に送電しました。
19世紀後半までに発電機が開発され、水力と組み合わせることができるようになった。[13]産業革命によって増大した需要も開発を後押しした。[14] 1878年、ウィリアム・アームストロングがイギリスのノーサンバーランド州クラグサイドで世界初の水力発電計画を開発した。これは彼の美術館のアーク灯1基に電力を供給するために使用された。 [15]ナイアガラの滝近くにある米国の 旧シェールコップ発電所第1号は1881年に発電を開始した。エジソンの最初の水力発電所であるバルカン・ストリート発電所は1882年9月30日にウィスコンシン州アップルトンで稼働を開始し、出力は約12.5キロワットだった。[16] 1886年までに米国とカナダには45の水力発電所があり、1889年までに米国だけで200の水力発電所があった。[13]

20世紀初頭、大都市近郊の山岳地帯に民間企業によって多くの小規模水力発電所が建設された。 1925年、フランスのグルノーブルで国際水力発電観光博覧会が開催され、100万人を超える来場者が訪れた。1920年までに、米国で生産される電力の40%が水力発電であった頃、連邦電力法が制定された。この法律により、連邦の土地と水域にある水力発電所を規制する連邦電力委員会が設立された。発電所が大規模化するにつれ、関連するダムは洪水制御、灌漑、航行などの新たな目的を持つようになった。大規模開発には連邦政府の資金が必要となり、テネシー川流域開発公社(1933年)やボンネビル電力局(1937年)などの連邦政府所有の企業が設立された。[14]さらに、20世紀初頭に米国西部で一連の灌漑プロジェクトを開始した開拓局は、1928年のフーバーダムなどの大規模な水力発電プロジェクトを建設していました。[17]米国陸軍工兵隊も水力発電開発に関与し、 1937年にボンネビルダムを完成させ、 1936年の洪水制御法によって連邦政府の最高の洪水制御機関として認められました。 [18]
水力発電所は20世紀を通じて大規模化を続けた。水力発電は「白い石炭」と呼ばれた。[19] フーバーダムの最初の1,345MWの発電所は1936年に世界最大の水力発電所となったが、1942年に6,809MWの グランドクーリーダムに抜かれた。 [20]イタイプダムは1984年に南米で最大の14GWの発電量を誇りオープンしたが、2008年に中国の三峡ダムが22.5GWの発電量でこれを上回った。水力発電は最終的にノルウェー、コンゴ民主共和国、パラグアイ、ブラジルなどの国々の電力の85%以上を供給するようになった。
将来の可能性
2021年に国際エネルギー機関(IEA)は、気候変動を抑制するためにさらなる努力が必要であると述べた。[21]一部の国では水力発電の潜在能力が高度に開発されており、成長の余地がほとんどない。スイスでは潜在能力の88%、メキシコでは80%を生産している。[22] 2022年にIEAは、2022年から2027年にかけて水力発電によって141GWが生成されるという主要ケースの予測を発表したが、これは2017年から2022年に達成された開発よりわずかに低い。環境許可と建設期間が長いため、水力発電の潜在能力は限られたままで、加速ケースではさらに40GWのみが可能と見込まれている。[7]
既存インフラの近代化
IEAは2021年に大規模な近代化改修が必要だと述べた。[2] : 67
生成方法
従来型(ダム)
水力発電のほとんどは、ダムに貯められた水の位置エネルギーを利用して水車と発電機を駆動することで得られる。水から得られる電力は、水量と水源と水流の高低差によって決まる。この高低差を水頭と呼ぶ。大きなパイプ(「水圧管」)が貯水池から水車に水を送る。[23]
揚水発電
この方式は、異なる標高の貯水池間で水を移動させることで、ピーク時の需要に応える電力を生産する。電力需要が低いときには、余剰の発電能力を利用して高位の貯水池に水を汲み上げ、需要側での対応を提供する。[2]需要が大きくなると、水はタービンを通じて低位の貯水池に戻される。2021年には、揚水発電方式が世界の190GWの系統エネルギー貯蔵の約85%を供給し[2]、発電システムの毎日の設備利用率を向上させた。揚水発電はエネルギー源ではなく、リストでは負の数字として表示される。[24]
流れ込み式
流れ込み式水力発電所は貯水池容量が小さいか全くないため、その時点で発電に利用できるのは上流から流れてくる水のみで、余剰分は利用されずに流される。上流の湖や既存の貯水池から常に水が供給されることは、流れ込み式発電所の立地を選択する上で大きな利点である。[25]
潮
潮力発電所は、潮の満ち引きによる海水の毎日の上昇と下降を利用します。このような水源は予測可能性が高く、条件が整えば貯水池を建設して、需要の高い時期に発電することもできます。あまり一般的ではないタイプの水力発電では、水の運動エネルギーや、下面水車などのダムのない水源を使用します。潮力発電は、世界中で比較的限られた場所でしか実行できません。[26]
水力発電施設の規模、種類、容量
水力発電所の分類は、2つの最上位カテゴリーから始まります。[27]
- 小規模水力発電所(SHP)と
- 大規模水力発電所(LHP)。
SHPまたはLHPとしての発電所の分類は、主にその定格容量に基づいており、基準は国によって異なりますが、いずれにしても50MW以上の容量を持つ発電所はLHPとみなされます。[28]たとえば、中国ではSHPの電力は25MW未満、インドでは15MW未満、ヨーロッパのほとんどでは10MW未満です。[29]
SHPとLHPのカテゴリーは、相互に排他的ではない多くのサブカテゴリーにさらに細分化されます。[28]たとえば、静水頭が数メートルから数十メートルの低落差水力発電所は、 SHPまたはLHPのいずれかに分類できます。 [30] SHPとLHPのもう1つの違いは、水流制御の程度です。一般的なSHPは、LHPと比較して、ほとんど制御せずに主に自然の排水を使用します。そのため、SHPという用語は、流れ込み式発電所の同義語として頻繁に使用されます。[28]
大規模施設
世界最大の電力生産者は水力発電所であり、一部の水力発電施設は現在最大の原子力発電所の設備容量の2倍以上の発電能力を持っています。
大規模水力発電所の容量範囲に関する公式の定義は存在しませんが、数百メガワットを超える施設は一般に大規模水力発電所とみなされます。
現在、世界中で10GW(10,000MW )を超える施設が稼働しているのは7つだけです(下表参照)。[31]
小さい
小水力発電とは、小規模なコミュニティや工場に電力を供給する規模の水力発電のことである。小水力発電プロジェクトの定義は様々であるが、一般的には10メガワット(MW)までの発電能力が上限とされている。カナダや米国では、この上限は25MWや30MWにまで拡大されることもある。 [33] [34]


小規模水力発電所は、低コストの再生可能エネルギー源として、従来の配電網に接続することができます。あるいは、小規模水力発電所は、送電網から電力を供給するには経済的でない孤立した地域や、全国的な配電網がない地域に建設されることもあります。小規模水力発電所は通常、貯水池や土木工事が最小限であるため、大規模水力発電所に比べて環境への影響が比較的少ないと考えられています。この環境への影響の減少は、水流と発電量のバランスに大きく依存します。[要出典]
マイクロ
マイクロ水力発電とは、通常100kWまでの電力を生産する水力発電設備のことである。これらの設備は、孤立した住宅や小規模コミュニティに電力を供給したり、電力網に接続したりすることができる。世界中、特に発展途上国では、燃料を購入せずに経済的なエネルギー源を提供できるため、このような設備が数多くある。[35]多くの地域で水の流れ、したがって利用可能な水力発電は、太陽エネルギーが最小となる冬季に最も高くなるため、マイクロ水力システムは太陽光発電システムを補完するものである。
ピコ
ピコ水力発電は5kW未満の水力発電である。少量の電力しか必要としない小規模な遠隔地のコミュニティで有用である。例えば、ケニアの1.1kW中等技術開発グループピコ水力プロジェクトは、非常に小さな電気負荷(例えば、いくつかの照明と携帯電話の充電器、または小さなテレビ/ラジオ)を持つ57世帯に電力を供給している。 [36] 200~300Wのより小さなタービンでも、開発途上国の落差がわずか1メートル(3フィート)の家庭数軒に電力を供給できる可能性がある。ピコ水力発電の設備は通常、流れ込み式であり、ダムは使用されず、パイプが流れの一部を迂回させ、これを傾斜に沿って落とし、タービンを通って川に戻すことを意味する。
地下
地下発電所は 、一般的に大規模な施設で使用され、滝や山の湖など、2つの水路間の大きな自然の高低差を利用します。高所の貯水池から水路トンネルの最低地点近くの洞窟に建設された発電ホールまで水を引くためのトンネルと、より低い出口水路に水を排出する水平放水路が建設されます。
利用可能な電力の計算
水力発電所での電力生産量を概算する簡単な式は次のとおりです。
どこ
- 電力(ワット)
- ( eta ) は効率係数です (単位のないスカラー係数で、0 は完全に非効率、1 は完全に効率的)。
- (ロー)は水の 密度(~1000 kg / m 3 )
- 体積流量(m 3 /s)
- 質量流量(kg/s)
- (デルタh)は高さの変化(メートル単位)です。
- 重力加速度(9.8 m/s 2)
効率は、大型で最新のタービンほど高くなる(つまり、1 に近づく)ことが多い。年間の電力生産量は、利用可能な水供給量によって決まる。施設によっては、水流量が 1 年間で 10:1 の係数で変化することもある。[要出典]
プロパティ
利点

柔軟性
水力発電は、変化するエネルギー需要に合わせて発電所の発電量を非常に迅速に調整できるため、柔軟な電力源です。[31]水力タービンの起動時間は数分程度です。[37]バッテリー電源は水力に比べて高速ですが、容量はごくわずかです。[2]ほとんどの水力ユニットをコールドスタートからフルロードにするには10分もかかりません。これは、原子力やほぼすべての化石燃料発電よりも高速です。[38]余剰発電がある場合、発電量を急速に減らすこともできます。[39]したがって、水力ユニットの限られた容量は、洪水プールを空にしたり、下流の需要を満たしたりする場合を除き、一般的にベースパワーを生成するために使用されません。[40]代わりに、水力以外の発電機のバックアップとして使用できます。[39]
高価値パワー
貯水池を備えた従来の水力発電ダムの主な利点は、低コストで水を貯めておき、後で高価値のクリーンな電力として送電できることです。2021年にIEAは、「既存のすべての従来の水力発電所の貯水池を合わせると、1サイクルで合計1,500テラワット時(TWh)の電気エネルギーを貯めることができる」と推定しました。これは「世界の揚水式水力発電所の約170倍のエネルギー」です。[2]バッテリー貯蔵容量は、2020年代に揚水式発電所を追い抜くとは予想されていません。[2]需要を満たすためにピーク電力として使用される場合、水力発電はベースロード電力よりも価値が高く、風力や太陽光などの 間欠的なエネルギー源と比較してはるかに高い価値があります。
水力発電所の経済寿命は長く、50~100年経ってもまだ稼働している発電所もあります。[41]発電所は自動化されており、通常の運転時には現場に人員がほとんどいないため、運転人件費も通常は低くなります。
ダムが複数の目的に使用されている場合、比較的低い建設コストで水力発電所を増設することができ、ダムの運用コストを相殺する有益な収入源となる。三峡ダムの売電は、5~8年間フル発電した後、建設コストを賄えると計算されている。[42]しかし、一部のデータによると、ほとんどの国では、適切なリスク管理措置を講じない限り、大規模な水力発電ダムはコストが高すぎて建設に時間がかかりすぎるため、リスク調整後のプラスの収益は得られない。[43]
産業用途への適合性
多くの水力発電プロジェクトは公共の電力網に電力を供給しているが、特定の産業企業に供給するために作られているものもある。専用の水力発電プロジェクトは、例えばアルミニウム電解工場に必要な大量の電力を供給するために建設されることが多い。グランドクーリーダムは、米国ワシントン州ベリンガムのアルコア社のアルミニウム供給源として、第二次世界大戦中の米軍航空機に供給するようになり、その後、戦後は灌漑と電力供給(アルミニウム供給に加えて)を市民に供給することを許可された。スリナムでは、ブロコポンド貯水池がアルコア社のアルミニウム産業に電力を供給するために建設された。ニュージーランドのマナポウリ発電所は、ティワイポイントのアルミニウム製錬所に電力を供給するために建設された。
CO削減2排出量
水力発電ダムは燃料を使用しないため、発電で二酸化炭素は発生しません。プロジェクトの建設中に最初に二酸化炭素が発生し、貯水池から毎年いくらかのメタンが放出されますが、水力発電は発電におけるライフサイクル全体の温室効果ガス排出量が最も低いものの1つです。 [44]水力発電の温室効果ガスの影響が低いのは、特に温帯気候の場合です。熱帯地域の発電所の貯水池は温帯地域のものよりも大量のメタンを生成するため、熱帯地域では温室効果ガス排出の影響が大きくなります。[45]
他の非化石燃料源と同様に、水力発電も二酸化硫黄、窒素酸化物、その他の粒子状物質を排出しません。
貯水池のその他の用途
水力発電計画によって作られた貯水池は、水上スポーツの施設を提供することが多く、それ自体が観光の名所となっている。一部の国では、貯水池での養殖が一般的である。灌漑用に建設された多目的ダムは、比較的安定した水供給で農業を支えている。大規模な水力ダムは、そうでなければプロジェクトの下流に住む人々に影響を及ぼす洪水を制御することができる。[46]灌漑などの他の目的にも使用されるダムの管理は複雑である。[2]
デメリット
2021年にIEAは「合理化された規則と規制を備えたすべての水力発電開発に対する強力な持続可能性基準」を求めた。[2]
生態系の破壊と土地の喪失

従来の水力発電所に伴う大規模な貯水池は、ダム上流の広大な地域を水没させ、時には生物が豊かで生産性の高い低地や川沿いの谷の森林、湿地、草原を破壊することがあります。ダム建設は川の流れを妨げ、地元の生態系に害を及ぼす可能性があり、大規模なダムや貯水池の建設は、人々や野生動物の移住を伴います。[31]土地の喪失は、貯水池によって引き起こされる周辺地域の生息地の断片化によって悪化することがよくあります。 [47]
水力発電プロジェクトは、発電所の上流と下流の両方で周囲の水生生態系を破壊する可能性がある。水力発電は下流の河川環境を変える。タービンから出る水には通常、浮遊堆積物がほとんど含まれていないため、川底の洗掘や川岸の消失につながる可能性がある。 [48]また、タービンは通過する動物の大部分を殺し、例えばタービンを通過するウナギの70%は即座に死滅する。[49] [50] [51]タービンのゲートは断続的に開かれることが多いため、川の流れが急激に、あるいは毎日変動することが観察される。[52]
干ばつと蒸発による水の損失
干ばつや季節による降雨量の変化は水力発電を著しく制限する可能性があります。[2]水は蒸発によって失われる可能性もあります。[53]
沈泥と流量不足
水は流れるとき、自分より重い粒子を下流に運ぶ能力があります。これはダム、ひいては発電所に悪影響を及ぼします。特に河川や集水域にあるダムは沈泥がひどくなります。沈泥は貯水池を満たし、洪水を制御する能力を低下させるとともに、ダムの上流部分に水平方向の圧力を加えます。最終的には、一部の貯水池は堆積物でいっぱいになり、役に立たなくなるか、洪水時にあふれて破損することもあります。[54] [55]
河川流量の変化は、ダムによって生産されるエネルギー量と相関関係にある。河川流量が減少すると、貯水池の貯水量が減少し、水力発電に使用できる水量も減少する。河川流量が減少すると、水力発電に大きく依存している地域では電力不足が発生する可能性がある。気候変動の結果、流量不足のリスクが高まる可能性がある。[56]米国のコロラド川での研究によると、気温が2度上昇して降水量が10%減少するなどの緩やかな気候変動により、河川流出量が最大40%減少する可能性がある。[56]特に ブラジルは水力発電に大きく依存しているため、気温上昇、水流量の低下、降雨パターンの変化により、今世紀末までに総エネルギー生産量が年間7%減少する可能性があるため、脆弱である。[56]
メタン排出(貯水池から)

熱帯地域では、プラスの影響は少ない。森林の一部を浸水させる必要がある低地熱帯雨林地域では、発電所の貯水池から大量のメタンが発生することが確認されている。[57]これは、浸水地域の植物が嫌気性環境で腐敗し、温室効果ガスであるメタンを生成するためである。世界ダム委員会の報告書によると、[58]貯水池が発電能力に比べて大きく(表面積1平方メートルあたり100ワット未満)、貯水池の湛水前にその地域の森林伐採が行われなかった場合、貯水池からの温室効果ガス排出量は、従来の石油火力発電所よりも高くなる可能性がある。[59]
しかし、カナダや北欧の北方貯水池では、温室効果ガスの排出量は、従来の化石燃料による火力発電の2~8%に過ぎません。水没した森林を対象とした新しいタイプの水中伐採作業は、森林の衰退の影響を軽減することができます。[60]
移転
水力発電ダムのもう一つの欠点は、ダム建設予定地の住民を移住させる必要があることである。2000年、世界ダム委員会は、ダムの建設により世界中で4000万~8000万人が移住させられたと推定した。[61]
失敗のリスク
従来の大型ダム式水力発電施設は大量の水を堰き止めるため、施工不良、自然災害、破壊行為などにより施設が機能しなくなると、下流の集落やインフラに壊滅的な被害をもたらす可能性がある。
1975 年の台風ニーナの際、中国南部の板橋ダムは、 24 時間以内に 1 年分の雨量以上が降り、決壊しました ( 1975 年の板橋ダム決壊を参照)。その結果生じた洪水で 26,000 人が死亡し、さらに 145,000 人が伝染病で亡くなりました。何百万人もの人々が家を失いました。
地質学的に不適切な場所にダムを建設すると、1963年にイタリアのヴァイヨントダムで約2,000人が死亡した災害のような災害を引き起こす可能性があります。[62]
1959年12月2日、南フランスのコート・ダジュールのフレジュスにあるマルパッセダムが決壊し、洪水で423人が死亡した。 [63]
小規模ダムや小水力発電施設はリスクは少ないが、廃止された後も危険が続く可能性がある。例えば、小規模な土手であるケリー・バーンズ・ダムは、発電所が廃止されてから20年後の1977年に決壊し、39人の死者を出した。[64]
他の発電方法との比較と相互作用
水力発電は、化石燃料の燃焼による排ガス排出を排除します。排ガスには、二酸化硫黄、一酸化窒素、一酸化炭素、粉塵、石炭中の水銀などの汚染物質が含まれます。また、水力発電は石炭採掘の危険性や石炭排出物による間接的な健康影響も回避します。2021年にIEAは、政府のエネルギー政策は「水力発電所が提供するさまざまな公共の利益の価値を価格に反映させる」必要があると述べました。[2]
原子力
原子力発電は、出力をかなり急速に減らすことができるものの、比較的柔軟性に欠ける。原子力発電のコストは、その高いインフラコストによって左右されるため、生産量が少ないと単位エネルギーあたりのコストが大幅に上昇する。このため、原子力発電は主にベースロードとして使用される。対照的に、水力発電はピーク電力をはるかに低いコストで供給できる。したがって、水力発電は、負荷追従のために原子力やその他の電源を補完するためによく使用される。これらがほぼ50/50の割合でペアになっている国の例としては、スイスの電力網、スウェーデンの電力部門、そしてそれほどではないがウクライナとフィンランドの電力部門が挙げられる。
風力
風力発電は季節によって予測可能な変動をしますが、毎日断続的です。最大風力発電は毎日の電力消費のピークとはほとんど関係がなく、風は電力が必要とされない夜間にピークを迎えたり、電力需要が最も高い日中に静止したりすることがあります。時折、気象パターンによって一度に数日または数週間にわたって風が弱くなることがありますが、数週間分の出力を貯蔵できる水力発電用貯水池は、グリッド上の発電のバランスをとるのに役立ちます。風力発電のピークは水力発電の最小値で相殺でき、風力発電の最小値は水力発電の最大値で相殺できます。このように、水力発電の調整しやすい特性を利用して、風力発電の断続的な性質を補います。逆に、場合によっては、風力発電を使用して、乾季に後で使用するために水を節約することができます。
一例として、ノルウェーとスウェーデン、デンマーク、オランダ、ドイツ、イギリスとの貿易が挙げられます。 [65] [66]ノルウェーは98%が水力発電ですが、平地の近隣諸国は風力発電です。水力発電のない地域では、揚水発電が同様の役割を果たしますが、コストがはるかに高く、効率は20%低くなります。[要出典]
国別の水力発電



2022年、水力発電は4,289TWhを発電し、総電力の15%、再生可能エネルギーの半分を占めました。世界全体では、中国(30%)が最も多く生産し、次いでブラジル(10%)、カナダ(9.2%)、米国(5.8%)、ロシア(4.6%)となっています。
パラグアイはほぼすべての電力を水力発電で生産しており、消費量よりもはるかに多くの電力を輸出している。[69]大規模な発電所は国によって建設・運営される傾向があるため、2021年現在、ほとんどの発電所(約70%)が民間部門によって所有・運営されているにもかかわらず、ほとんどの容量(70%)は公有となっている。[2]
次の表に各国のデータがリストされています。
データは特に指定がない限り、2023年までのEmberから取得されています。 [68]発電量が1TWhを超える国のみが含まれます。各場所へのリンクは、利用可能な場合、関連する水力発電ページに移動します。
経済
加重平均資本コストが大きな要因となる。[2]
参照
- エネルギー転換
- 水力工学
- 国際水力発電協会
- 国際河川
- エネルギー貯蔵発電所のリスト
- 水力発電所の故障一覧
- 最大規模の発電所一覧
- 国・地域別の再生可能エネルギートピックス一覧
- 水力発電所一覧
- 海流発電- 海流から電気を得る
- 全米水力発電協会(米国)
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出典
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外部リンク
- カーリーの水力発電
- 水力発電改革連合
- ダムが川に与える影響についてのインタラクティブなデモンストレーション 2019-07-25 にWayback Machineでアーカイブ
- 欧州小水力発電協会
- IEC TC 4: 水力タービン (国際電気標準会議 - 技術委員会 4) 範囲、文書、TC 4 ウェブサイトにアクセスできる IEC TC 4 ポータル 2015-04-27 にWayback Machineでアーカイブされました
