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揚水発電(ようすいはつでん)は、夜間などの電力消費の少ない時間帯に、他の原子力発電所や大規模火力発電所から余剰電力の供給を受け、下部貯水池(下池)から上部貯水池(上池)へ水をくみ上げておき、ピーク時の発電に利用する水力発電方式である。

◆概要

ボイラーを使う火力発電や原子力発電は電力需要に合わせた出力調整が難しく、また最大出力で運転することが効率の点からも好ましい。そのために、火力や原子力は常に運転し、昼夜の需要変動を調整池式・貯水池式の普通水力で補うという火主水従の電源構成が取られてきたが、産業の発展に伴い普通水力では絶対量が足りず、調整力不足が問題となってきた。それを受け、揚水発電は電力を貯蔵するバッテリーとして普及することになった。

◇揚水発電の特徴

・発電開始や最大出力の運転までの時間が短く、出力調整が容易である。

・100の揚水電力で、70程度の発電が出来る。(30%程度の損失があるが、火力発電所等の効率上昇を考えれば割りは合う)

・機能的には蓄電池である。現在の技術では、効率、電力量、設備寿命の点で揚水発電以外に大規模な電力貯蔵の方法は無いため、電力の安定供給には不可欠な設備である。

◇揚水発電の効率

η_T= η_TGη_TPH_g/H_p

・η_T : 総合効率

・η_TG : 発電運転時総合効率

・η_TP : 揚水運転時総合効率

・H_g : 有効落差

・H_p : 全揚程

◆揚水発電の種類

◇河川利用による分類

;混合揚水発電

:流域面積が広く年間流量の多い貯水池を上池に持っているもので、揚水運転をしなくても自然流量だけでもそれなりに発電できるものである。多くの場合は、貯水池式水力発電へ揚水発電機を追加したような形で、豊水期には自然流量だけを使い、渇水期には揚水運転を併用することで年間を通じてピーク発電に対応するものである。基本的には自然流量を使う貯水池式発電であるため、20万〜40万キロワット程度の出力で設計される。

;純揚水発電

:流域面積が非常に狭く年間流量が殆ど無い貯水池を上池に持っているもの。発電運転を行うためには揚水運転が必須となる。短時間のピーク調整に特化するために落差と使用水量を非常に大きく確保してあるので、出力は発電所全体で最大100万〜200万キロワットと非常に大きい。しかし、6〜10時間の発電運転で上池の水は底をついてしまう。

◇発電機の配置による分類

;別置式

:同じ揚水発電所において、発電機と発電用水車とで構成する発電専用機とは別に、電動機とポンプとで構成する揚水専用機を配置したもの。

:建設費用が高く、現在はほとんど用いられていない。

;タンデム式

:発電機としても揚水機としても運転できる1台の発電電動機を、軸を同じくして発電用水車と揚水ポンプとで共有するもの。

:ヨーロッパで発展した方式で、発電時・揚水時とで発電用水車・揚水ポンプとを使い分けるので総合的に効率がよく、早期より高落差にも対応できていた。しかし建設費用が高く、その後のポンプ水車の発展により現在ではほとんど建設されていない。

;可逆式

:発電電動機と、発電用水車としてもポンプとしても利用できるポンプ水車とで構成したもの。ポンプ水車としてはフランシス形ポンプ水車が広く採用されているほか、一部の低落差揚水発電所ではデリア形ポンプ水車も利用されている。

:アメリカ合衆国で発展した方式で、日本でも多く採用されている。もともと別置式・タンデム式に比べ建設費用が安価であったポンプ水車は改良を重ね効率が向上し、さらに高落差にも対応し現在の主流となっている。

◇電動機の始動方式による分類

揚水機の多くは三相同期電動機が使われる。電動機が停止状態から始動し、同期速度まで加速するには以下に挙げるような始動装置が必要となる(もしも停止状態で系統に直結した場合、揚水機のコイルが単なるヒーターとなる恐れがある)。揚水発電所では、各揚水機ごとに異なった始動方式を採用する場合もある。

また全ての方式に共通していることとしては、揚水運転時に水車が水中にある状態では非常に大きな始動トルクが必要でそのままでは始動できない。そのために始動時にはガイドベーンを全閉し、圧縮空気を注入して水車を空気中で定格回転数にしたのちにガイドベーンを開放して揚水運転を開始することである。

;半電圧起動方式

:専用の断路器による結線の組み換えなどにより、系統から受電した電圧を半減させ、その電力で揚水機を電動機として加速させて始動する方式。

:技術的には簡易なため、昭和30〜40年代前半辺りでは用いられていたが、系統に与える影響が大きいので、電圧変動に対する要求が厳しくなったそれ以降では、新規には用いられなくなった。

;同期始動方式

:電動機に始動用発電機を電気的に接続し、発電機を停止状態から徐々に回転させていくことで電動機に低周波の交流電力を供給し、始動する方式。その後は発電機の回転数を上昇させ、電動機を同期速度に達するまで牽引する。電動機が電力系統への並列を完了したのち、発電機は切り離される。電動機の並列までは発電機・電動機ともに電力系統からは独立しているので、電力系統に及ぼす影響が少ないのが特長であるが、起動時電動機とは別に同クラスの発電機を必要とする制約がある。このため、複数台揚水発電機がある発電所では、コスト削減の面からポニーモーター始動方式と同期起動方式とをコンビにして、ポニーモーター始動方式の揚水発電機で同期始動させる方式を採用している所もある。

;ポニーモーター始動方式

:電動機を、軸を同じくして設けられた始動用電動機(ポニーモーター)によって始動する方式。並列時の電力系統への影響は少なく別の発電機も必要ないが、ポニーモーターの電源は電力系統から受電する必要があり結構大きい電力が必要なため、通常の受電設備よりも増強された設備が必要になる。

;サイリスタ始動方式

:サイリスタ周波数変換器(VVVFインバータ)によって低周波の交流電力を電動機の電機子に供給して始動、その後は徐々に周波数を上昇させ定格速度まで加速する方式。

◆歴史

◇世界の揚水発電史

・1892年: 世界初の揚水発電所 Lettern 発電所が完成。

:スイスのチューリッヒにある発電所。発電機と発電用水車からなる水車発電機と、電動機とポンプからなる揚水機を別々に配置した別置式揚水発電所であった。

・1910年代: 発電機と電動機を可逆とし兼用する発電電動機に、発電用水車とポンプを組み合わせたタンデム式が開発され、イタリアの Vivone 発電所に導入。

・1931年: イタリア Lago Baiton 発電所およびドイツ Baldeney 発電所に、発電用水車とポンプを兼用するポンプ水車を導入。

:その後はポンプ水車の高効率化が進み、揚水機は大容量化への道を歩むことになる。

◇日本の揚水発電史

日本初の揚水発電所は、1934年4月に完成した長野県、野尻湖のほとりにある池尻川発電所である。

その1か月後、富山県で1931年に完成している既設の普通水力発電所、小口川第三発電所に揚水ポンプが追加別置され、揚水発電所として運転開始した。

◆揚水機の運転

以下に示すのは、一般的な揚水機の起動過程である。ここでは三相同期発電電動機とポンプ水車 (VFR-1RS) で構成される可逆式揚水機を一例とする。

#運転制御回路の切り替え操作

#*揚水機の運転はシーケンス制御回路により自動化されている。揚水機は発電時と揚水時とでは異なる運転シーケンス制御回路を持っており、運転員は揚水時の運転シーケンス制御回路へと切り替える操作を行う。また、主回路においても発電運転時と揚水運転時とでは回転の向きが逆となるため、主回路の中途に設けられた断路器(相切替断路器, G/M 断路器)によって三相のうち二相が入れ替えられる。

#補機運転操作

#*圧油装置や冷却水ポンプなど、揚水機の運転を支える補機を運転する操作を行う。

#*揚水発電所では補機もまた大容量である。従って停止中は補機を停止させておくことで、発電所内における消費電力を低減し運転コストの削減が図られている。

#運転操作

#*補機を運転させ、揚水機の運転に必要な準備が完了したことを確認し、運転員は運転操作を行う。

#入口弁開放

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