低落差水力発電

低落差水力発電とは、通常、落差が20メートル未満の水力発電の開発を指しますが、正確な定義はさまざまです。^[1] 落差とは、水力取水口の水位と放水口の水位との間の垂直の高さです。河川や潮流の低い落差のみを使用して発電すると、環境への影響が最小限に抑えられる再生可能エネルギー源になる可能性があります。発電量（一般的な水力発電と同じように計算）は落差の関数であるため、これらのシステムは通常、設備容量が5MW未満の小規模水力発電に分類されます。

現在の水力発電プロジェクトのほとんどは、大きな水頭を利用してタービンを回して発電しています。水頭は、滝のように自然に発生するか、川の谷にダムを建設して貯水池を作ることによって作られます。貯水池から制御された水を放出して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により、一部の国では従来の水力発電プロジェクトが不評になることがあります。2010 年以降、環境に優しい革新的な新技術が開発され、経済的に実行可能になりました。

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: 低落差の小水力発電は河川から生成することができ、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よくあります。適切な場所には、堰、小川、閘門、河川、廃水排出口などがあります。堰は、ヨーロッパの河川、運河や突堤のある河川でよく見られます。従来の技術を使用して低落差の場所から大量の電力を生成するには、通常、大量の水が必要です。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であり、その結果、大型で高価な機器や土木インフラが必要になる場合があります。

潮力発電: ラグーンや堰堤と組み合わせて、潮の干満を利用して水頭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で、13.6m に達することがあります。最初の潮位差設備は、1966 年にフランスのル・ランスで開設されました。

低落差海水揚水貯蔵:現在、 TRLレベルは非常に低いですが、今後 10 年間でこれらの技術がエネルギー システムの一部になる可能性があります。

動的潮力発電: 低落差水力発電の潜在的に有望なもう 1 つのタイプは、動的潮力発電です。これは、潮の動きから電力を抽出する新しい未適用の方法です。ダムのような構造が必要ですが、囲まれた領域がないため、「ダムレス水力」の利点のほとんどが保持され、大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速度のみで動作する「フリーフロー」または「ストリーム」技術と混同しないでください。

非常に低い落差の用途に適したタービンは、従来の大型水力発電で使用されるフランシス、プロペラ、カプラン、ペルトン型とは異なります。低落差タービンには次のような種類があります。

• ベンチュリ強化タービン: このタイプのタービンは、ベンチュリの原理を使用してタービンの圧力増幅を実現し、大規模なインフラストラクチャや大きな水路を必要とせずに、より小型で高速なギアボックスのないタービンを低落差の水力発電環境に配備できます。ベンチュリ(狭窄部) を通過する水は低圧領域を作成します。この低圧領域に排出するタービンは、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%のみ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を安全に通過できるため (流量の80%)、大型スクリーンは必要ありません。ベンチュリタービンは、低落差 (1.5～5メートル)、中～高流量 (1m ³ /s～20m ³ /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 スクリュー: スクリューの上部に水が送り込まれ、スクリューが回転します。回転軸は発電機の駆動に使用できます。回転速度が非常に遅いため、ギア ボックスが必要です。スクリューは、低ヘッド (1.5 ～ 5 メートル) および中～高流量 (1 ～ 20 m ³ /s) で使用されます。流量が高い場合は、複数のスクリューが使用されます。タービンのブレードの構造と動きが遅いため、タービンは非常に大きくなりがちですが、水生生物には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水車であり、調整可能なブレードを備え、広範囲の落差と流量で効率を達成します。カプランは、低～中落差 (1.5～20 メートル) および中～高流量 (3 m ³ /s～30 m ³ /s) で使用できます。流量がさらに高い場合は、複数の水車を使用できます。水生生物に危険を及ぼすため、ほとんどの場合、完全なスクリーニングが必要です。
• クロスフロー タービン: バンキ ミッチェル タービンまたはオスバーガー タービンとも呼ばれるこの装置は、広範囲の水頭 (2 ～ 100 メートル) と流量 (0.03 ～ 20 m ³ /s) で使用されますが、低水頭と低出力のほうが効率的です。水の速度を低下させることで水から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)、「インパルス」タービンと見なされます。水生生物に高いリスクをもたらすため、完全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）および中程度の流量（0.3～1.5m3/s）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、低落差でのみ存在する重力渦水の力を利用します。

河川流と潮汐の装置が環境に与える影響については、多くの懸念が提起されています。その中でも最も重要なものは次のとおりです。

• 水生生物。回転羽根がアザラシや魚などの水生生物に及ぼす危険性について懸念が高まっています。水路内の設備は、海洋生物が可動部品に接触しないように遮蔽することができます。環境規制当局による徹底的なテストと監査を経て、技術はスモルト、成魚、ウナギ、海洋生態系に安全であることを示す認証を取得できます。^[3]
• 水深測量。波のパターンや潮流を変えることで、この装置は間違いなく堆積物の堆積などに影響を及ぼすでしょう。これまでに行われた研究は、その影響は大きくなく、海岸の浸食を遅らせるなど、プラスにさえなる可能性があることを示しているようです。(これは、最近波が着実に大きくなっているという証拠を考慮すると特に重要です。) 装置の風下の海は通常よりも穏やかになることはほぼ間違いありませんが、これにより、水上スポーツやヨットなどのアクティビティのためのエリアが増えることが示唆されています。
• 景観。河川や類似の水路では、敏感な環境パラメータにより、水力発電設備の計画許可が困難になる場合があります。大規模なインフラストラクチャ、およびアルキメデスのねじシステムやタービンハウスなどの水面上の目に見えるインフラストラクチャは、反対される可能性があります。さらに、ギアボックスからの振動と騒音レベルは、カワウソや鳥などの地元の野生生物に影響を与える恐れがあるため、環境上の反対を引き起こす可能性があります（たとえば、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ユーザーにエネルギーを運ぶために必要な広範な送電線によるものです。この問題は、地下送電線を使用するなどして対処する必要があります。

堰と突堤は歴史的に水管理と川上輸送の目的で使用されてきました。堰と突堤は川の水深に悪影響を及ぼし、魚の遡上を妨げ、地域の生態系と水位に影響を及ぼす可能性があります。歴史的建造物に低落差水力発電タービンを設置すると、タービン自体または魚道を設置することで堆積物の運搬量が増加し、魚の新しい回遊経路が生まれます。

広大な土地が伐採されない場合、「上昇する水に圧倒された植生は腐敗してメタンを形成します。これは二酸化炭素よりもはるかに悪い温室効果ガスです」。特に熱帯地方ではそうです。低落差のダムや堰は有害なメタンを生成しません。突堤だけでなく堰もシルト（堆積物）が下流に運ばれるのを防ぎ、畑を肥やし^[5]、堆積物を海に向かって移動させます。

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、大規模な送電線を必要としません。

政府の規制のほとんどは水路の使用から生じます。低落差水車システムのほとんどは、従来の水車よりも小規模な工学プロジェクトです。それでも、これらのシステムを導入する前に州政府および連邦政府機関から許可を得る必要があります [1] 。大規模な水路でこれらのシステムが直面する制約のいくつかは、水路がボートに引き続き使用できることを確認することと、魚の移動ルートが妨げられないことを確認することです。

米国政府の小規模水力発電施設の導入に対する補助金は、連邦政府の補助金、すなわちグリーンエネルギー補助金を通じて最も簡単に得ることができます [2]。具体的な例としては、再生可能電力生産税額控除があります。これは、再生可能エネルギー資源の促進を目的とした連邦税額控除です。資格を得るには、水力資源の最低容量が150kWである必要があります。この補助金は生産開始から最初の10年間に支給されます。組織は1kWhあたり0.011ドルを受け取ります [3]。水力発電プロジェクトの場合、この補助金は2017年12月31日に期限切れになりました [4]。

これらは持続可能なエネルギー源であり、利用する水源に悪影響を与えず、見た目も目障りではないため、公共の場では高く評価されています [5] ^{[ permanent dead link ‍ ]}。しかし、これらのシステムはまだ「現実世界の質問に答える」ためにテスト中であるため、一般の人々や産業界からの知識はほとんどありません。^[6]そのため、これらのシステムの支持者や製造者は、それらを一般に公開しようと努めてきました [6]

• イートン・ソコンベンチュリ強化タービン技術プロジェクト
• オリオン水車
• 緑の力
• レース・ロックス潮力発電実証プロジェクト
• 水力発電
• マイクロ水力発電
• 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
• [7] ^{[永久リンク切れ‍ ]}
• http://www.マイクロハイドロパワー.com/
• https://web.archive.org/web/20130317000437/http://www.dsireusa.org/incentives/incentive.cfm?Incentive_Code=US13F
• http://amppartners.org/pdf/project-reports/November_2011_Phase_1.pdf ^{[永久リンク切れ‍ ]}