低落差水力発電

低落差水力発電とは、落差が通常20メートル未満の水力発電の開発を指しますが、正確な定義は様々です。^{[ 1 ]} 落差とは、取水口の水位と放水地点の水位との間の垂直高さです。河川や潮汐の流れの低い落差のみを利用して発電することで、環境への影響を最小限に抑えた再生可能エネルギー源が得られる可能性があります。発電量（一般的な水力発電と同様に計算）は落差の関数であるため、これらのシステムは通常、設置容量が5MW未満の小規模水力発電に分類されます。

現在主流の水力発電プロジェクトの多くは、大きな水頭を利用してタービンを回し、発電します。水頭は、滝のように自然に発生するものもあれば、河川流域にダムを建設して貯水池を作ることで作られるものもあります。貯水池からの放水量を制御することでタービンを駆動します。ダム建設のコストと環境への影響から、従来型の水力発電プロジェクトは一部の国では敬遠されることがあります。しかし、2010年以降、環境に優しい革新的な新技術が開発され、経済的に実現可能になってきています。

低落差水力発電には、いくつかの標準的な状況があります。

流れ込み式水力発電：低落差の小規模水力発電は河川から発電することができ、流れ込み式または流れ込み式プロジェクトと呼ばれることが多い。適した場所としては、堰、小川、閘門、河川、下水放流口などが挙げられる。ヨーロッパ中の河川には堰がよく見られるほか、運河化された河川や突堤のある河川にも見られる。低落差の場所から従来の技術を用いて相当量の電力を生成するには、通常、大量の水が必要となる。生成される回転速度が低いため、発電機を効率的に駆動するにはギアボックスが必要となり、その結果、大型で高価な設備や土木インフラが必要になる場合がある。

潮力発電：ラグーンや堰堤と組み合わせることで、潮汐を利用して水位差を作り出すことができます。最大の潮位差は、カナダのニューブランズウィック州とノバスコシア州の間にあるファンディ湾にあり、最大13.6メートルに達します。最初の潮位差発電設備は、 1966年にフランスのル・ランスに開設されました。

低落差揚水式海水貯蔵：現在、技術成熟度レベル（TRL）は非常に低いが、今後10年以内にこれらの技術はエネルギーシステムの一部となる可能性がある。

動的潮力発電：低落差水力発電のもう一つの有望な形態は、動的潮力発電です。これは、潮汐の動きから電力を抽出する斬新で未応用の方式です。ダムのような構造物が必要ですが、囲まれた区域がないため、「ダムレス水力発電」の利点のほとんどが維持され、膨大な量の発電が可能になります。

低落差水力発電は、水の運動エネルギーと流速のみを利用する「自由流」または「流れ」技術と混同してはならない。

超低落差用途に適したタービンは、従来型の大型水力発電で使用されるフランシス水車、プロペラ水車、カプラン水車、ペルトン水車とは異なります。低落差タービンには、以下のような種類があります。

• ベンチュリ強化型タービン：このタイプのタービンは、ベンチュリの原理を利用してタービンの圧力を増幅し、小型で高速なギアボックスなしのタービンを、大規模なインフラや大きな水路を必要とせずに、低落差の水力発電設備に設置できるようにします。ベンチュリ（狭窄部）を通過する水は、低圧領域を作り出します。この低圧領域に排出されるタービンは、より高い圧力差、つまりより高い落差を経験します。^{[ 2 ]}流量の約20%だけがプロペラタービンを通過するため、スクリーンが必要ですが、魚や水生生物はベンチュリ（流量の80%）を安全に通過できるため、大きなスクリーンは不要です。ベンチュリタービンは、低落差（1.5～5メートル）および中～高流量（1m³/s～20m³/s）で使用できます^。複数のタービンを並列に設置できます。
• アルキメデス式スクリュータービン：スクリューの上部から水が供給され、回転します。回転するシャフトは発電機を駆動するために使用できます。回転速度が非常に遅いため、ギアボックスが必要です。このスクリュータービンは、低落差（1.5～5メートル）および中～高流量（1～20立方メートル/秒）で使用されます^。流量が多い場合は、複数のスクリューが使用されます。タービンの構造とブレードの回転速度が遅いため、タービンは非常に大きくなりますが、水生生物に優しいと考えられています。
• カプラン水車：この水車はプロペラ型の水車で、羽根の角度を調整することで、幅広い落差と流量範囲で効率を高めることができます。カプラン水車は、低～中落差（1.5～20メートル）および中～高流量（3 m³/s～30 m³/s）で使用可能^です。^高流量の場合は、複数の水車を使用することもできます。水生生物に危険を及ぼす可能性があるため、ほとんどの場合、完全な遮蔽が必要です。
• クロスフロー水車：バンキ・ミッチェル水車またはオスバーガー水車とも呼ばれるこれらの装置は、幅広い水頭（2～100メートル）と流量（0.03～20 m³/秒）で使用できます^が、低水頭および低出力でより効率的です。水の速度を低下させることでエネルギーを得るため（すべての水力エネルギーが運動エネルギーに変換される）、これらは「衝動」水車とみなされます。水生生物にとって高いリスクがあり、徹底的なスクリーニングが必要です。
• 水車：水車は低落差（1～5メートル）および中流量（0.3～1.5^立方メートル/秒）で使用でき、水生生物にとって安全であると考えられています。
• 重力渦水力発電所：このタイプの水力発電所は、低落差でのみ発生する重力渦水の力を利用します。

河川流や潮汐を利用した発電装置が環境に与える影響について、多くの懸念が提起されている。その中でも特に重要なものは以下のとおりである。

• 水生生物。回転するブレードがアザラシや魚などの水生生物に危険を及ぼすという懸念が提起されています。水路内の設備は、海洋生物が可動部に接触しないように目隠しすることができます。環境規制当局による広範な試験と監査の後、技術は稚魚、成魚、ウナギ、海洋生態系に対して安全であることを示す認証を取得できます。^{[ 3 ]}
• 水深測量。波のパターンや潮の流れを変えることで、これらの装置は堆積物の堆積などに間違いなく影響を与えるだろう。これまでの研究によれば、その影響はそれほど大きくなく、海岸侵食の抑制など、むしろプラスに働く可能性さえあるようだ。（近年、波の高さが着実に増しているという証拠があることを考えると、これは特に重要である。）装置の風下側の海はほぼ間違いなく通常よりも穏やかになるだろうが、これはウォータースポーツやヨットなどの活動に適した場所を増やすのに役立つという意見もある。
• 景観。河川や同様の水路では、環境的に敏感な要素が水力発電設備の建設許可取得を困難にする可能性があります。大規模なインフラ、特にアルキメデス式スクリューシステムやタービンハウスなど、水面上に露出するインフラは反対意見を生む可能性があります。さらに、ギアボックスからの振動や騒音レベルは、カワウソや鳥類などの野生生物への影響が懸念されるため、環境上の反対意見を引き起こす可能性があります（例えば、スコットランドのバルモラル・エステート^{[ 4 ]}）。主な影響は、おそらく海岸線から最終消費者にエネルギーを送るために必要な広範囲にわたる送電線によるものでしょう。この問題は、おそらく地下送電線を使用することで対処する必要があります。

堰や突堤は、歴史的に水管理や河川の上流への輸送を可能にするために利用されてきました。しかし、堰や突堤は河川の地形に悪影響を及ぼし、魚の遡上を妨げることで、地域の生態系や水位に影響を与える可能性があります。こうした歴史的建造物に低落差の水力タービンを設置することで、堆積物の輸送量を増加させるとともに、タービン自体を介した、あるいは魚道を設置することによって、新たな魚の遡上経路を確保することができます。

広大な土地が伐採されない場合、「水位上昇によって水没した植生が腐敗し、二酸化炭素よりもはるかに有害な温室効果ガスであるメタンを生成する」と、特に熱帯地域では指摘されている。低落差ダムや堰は有害なメタンを生成しない。突堤や堰は、シルト（堆積物）が下流に運ばれて畑を肥沃にしたり^{[ 5 ]}、堆積物が海に向かって移動したりするのを防ぐ。

低落差水力発電は通常、エネルギーが必要とされる地域の近くに設置されるため、大規模な送電線を敷設する必要がなくなる。

• イートン・ソコン社によるベンチュリ強化型タービン技術プロジェクト
• オリオン水車
• 緑豊かな力
• レースロックス潮力発電実証プロジェクト
• 水力発電
• マイクロハイドロ
• 再生可能エネルギー
• 流れ込み式水力発電

• https://web.archive.org/web/20101129052257/http://www.oregon.gov/ENERGY/RENEW/Hydro/Hydro_index.shtml#Regulation
• http://tonto.eia.doe.gov/energy_in_brief/energy_subsidies.cfm
• http://www.microhydropower.com/
• https://web.archive.org/web/20130317000437/http://www.dsireusa.org/incentives/incentive.cfm?Incentive_Code=US13F
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