揚水発電の効率はなぜそんなに悪いのですか。

質問

揚水発電の効率はどの記事にも大体７０％くらいと記述されています。

（１）水を汲み上げる効率が悪いのですか、発電効率が悪いのですか。
（２）両者に差があるとすればその理由はなぜですか。
（３）効率が改善される見込みはないのですか。

どれでも結構です。ご専門のかたのご回答を期待します。
よろしくお願いします。

回答No.5

masa2211 · ベストアンサー

＞（１）水を汲み上げる効率が悪いのですか、発電効率が悪いのですか。
ポンプ効率と発電効率は、ほぼ同じ。
たとえば、以下のような内訳です。（全部で70％になるよう逆算したものであり、実際にこうなるかは不明ですが、一般的にはこんなものと思う。）

水車（ポンプ）効率　86％
発電機（モーター）効率　99％
水圧管の流水の抵抗　2％　（効率に直せば98％）
全体の効率　３つの掛け算　＝83.4％

以上が、ポンプのときと発電のときの2回にわたるから、
83.4％×83.4％＝69.6％

厳密なことを言う場合、
流量が変われば効率が変わるし、水車とポンプで最適効率となる流量も違うのですが、そこまでは問わないとして。

＞（２）両者に差があるとすればその理由はなぜですか。
ザックリの場合、差が無いので理由が無いとなるので、厳密に考えた場合で。
まず、発電機（モーター）の電力は定格電力で決まります。
となれば、最大出力（たとえば25万ｋｗ）に対し、
発電のとき100ｍ3/ｓとするとポンプのときは70ｍ3/ｓ。
流量が変われば効率が変わるがゆえに、効率は一致しません。
さらに、落差（≒水圧）が変わるとそれだけで効率が変わります。
たとえば、停止時水圧が100ｍとして、
発電：配管抵抗を引くから、落差は98ｍ
ポンプ：配管抵抗を足すから、落差は102ｍ。
これも、水車効率が変わる要因。
※それ以前に、ポンプと水車では、落差と流量が同じでも効率が同じとは限りません。
※水車には効率のスイートスポットがあり、ちょうどスイートスポットで
　動作するよう、発電所ごとに水車を設計している、と理解してください。

＞（３）効率が改善される見込みはないのですか。
ほとんど期待できません。
理由。
水車（ポンプ）効率　　とうの昔に設計法が成熟しています。伸びしろは、ほとんどありません。
発電機　　　　　　　　　上に同じ。

残っているのは、たとえば水車発電機を可変速にしてスイートスポットの更にど真ん中を狙う、
とか。（少数ですが実現済。）

お礼

的確なご回答ありがとうございました。

補足

大変詳しく解説いただきありがとうございました。推定とはいえ多分ご専門の立場でお答えいただいたように思います。

＞発電：配管抵抗を引くから、落差は98ｍ
ポンプ：配管抵抗を足すから、落差は102ｍ。
これも、水車効率が変わる要因。

この話は大変納得できます。配管の太さがきいているのが良くわかります。もっと太くして遅い水流を作った方が効率が良くなるのでしょうか。具体的には落差を小さくするためにカスケード式の水車を使うとかすればいいのでしょうか？

＞それ以前に、ポンプと水車では、落差と流量が同じでも効率が同じとは限りません。

これはさらに技術的に高度なお話のように聞こえます。水の流れが
重力のために映画を撮影して逆戻しするようには見えないからでしょうか。つまり粘性抵抗での発熱量が異なるのでしょうか？

＞水車には効率のスイートスポットがあり、ちょうどスイートスポットで動作するよう、発電所ごとに水車を設計している、と理解してください。

これは何となく理解できます。圧力の速度のバランスが水車とうまくあっているのでしょうか。ちょうど電気回路におけるインピーダンスマッチングのように聞こえますがそんなものでしょうか？

＞水車（ポンプ）効率　　とうの昔に設計法が成熟しています。伸びしろは、ほとんどありません。

歴史のある技術ですから良く理解できます。しかし浮力発電の羽の
設計方や船のスクリューの設計も細かな溝の切り方などまだまだ
改良の余地があるとも聞きます。さらに水着の表面のサメ肌など
の発想は素晴らしいと思いますがブレークスルーはほんとにないのでしょうか。ご専門の方にコメント頂ければ幸いです。

＞残っているのは、たとえば水車発電機を可変速にしてスイートスポットの更にど真ん中を狙う、
とか。（少数ですが実現済。）

こういった努力が今も続けられていることを教えていただき感謝いたします。ところで実現済みというのはどこの発電所でしょうか。ご存知ですか？
詳しいご回答ありがとうございました。もう一度だけ補足回答いただければ幸いです。

回答No.12

uen_sap

> 用語の定義の問題。70％の意味は、水をくみ上げるためのエネルギーと
> 発電のエネルギーの比率が70％ということ。
> ゆえに、前の回答で書いたような計算で効率が算出されます。

いろんな効率定義があるもんだ、と感心しました。
しかし、効率比較をしようというとき、この効率定義に意味がありますか？
この定義の70%と言うことは使ったエネルギーのうち70%しか回収できてない。
30%を捨てた、と言うことです。要するに効率はしょｓ0えマイナス。
夜間の余剰電力を使って、昼間のピークロードに対応する非常手段としてのみ有効な方法です。
多分、今後廃る技術だ、と思います。

確かにフランシスは内部効率が高いですが、今でもフランシス水車発電所ばかりが建設されているわけではありません。
ペルトンもあれば、バルブ呼称される水車もあります。
80～90%と言う言い方はほぼ水車全般を代表できるものと思っています。あまり厳密に定義すべき内容ではないですね
ポンプ水車のポンプ効率が90%との話は知りませんでした。確認してみます。

回答No.11

masa2211

＞誰が70%と言っているのか？無茶苦茶な論議です。
＞ひょっとしたらエネルギー変換効率ではなく、内部効率のことを言ってますか？
用語の定義の問題。70％の意味は、水をくみ上げるためのエネルギーと
発電のエネルギーの比率が70％ということ。
ゆえに、前の回答で書いたような計算で効率が算出されます。

＞水車の内部効率80～90%に対して揚水用のポンプ水車の効率70%はありうる話です。。
＞現在の技術力では発電効率を上げればポンプ効率がさがりますので、総合効率が下がります。
現在って.....いつの話？
150年前で、水車単独で既に90％の効率を持っています。（フランシス水車。）

ただし、当時のフランシス水車は、効率の良い流量・落差の範囲が狭く、
変落差・変流量でも高い効率が保てるように、またポンプとして使用も出来るように進化したのが現在の
揚水発電。

ポンプ水車としての技術の最新：スプリッタランナー。
http://www.toshiba.co.jp/tech/review/2006/05/61_05pdf/f07.pdf

発電機側の最新：可変速。
http://www.toshiba.co.jp/tech/review/2003/07/58_07pdf/b04.pdf

＞それならば発電機と電動ポンプを別物にしてそれぞれの最適設計を行えばどちらも９０％
え～と、水車とポンプを別物、発電機（モーター）は兼用、だよね？
専用水車とポンプ兼用水車での効率の違いは1％あるかどうか。
効率は増えたことによる発電増の利益と工事費の増を比較すると、明らかに工事費増の負担が大
であるため、現在はそういう方法はレアです。（落差が非所に大きい場合、など。）
（ヨーロッパなどの古い揚水発電所には、水車とポンプは別物の倍あり。）

＞私はこの３０％をなくせないものかと純粋に物理的に知りたかったわけです。
損失のうち、水圧管の流水の抵抗を減らすだけなら物理的には簡単で、
管を短くするか太くすれば良い。ただそれだけ。
ただし、技術的（物理的に、ではない。）には問題で、効率が良くなったからと言って
それ以上に費用がかかる場合は採用されません。ゆえに、現在存在するような管の直径となっています。

回答No.10

uen_sap

再度登場します。
何かポイントを外した論議になっているようです。

山の上の池にためられた水がエネルギー源です。
位置エネルギーmghが効率のベースとなります。
これを水車で発電するわけですが、この水車の効率は80～90%です。
発電終わった水は捨てますから、その速度エネルギーは電力にはなりません。

揚水は夜間そのmの水を再度上池に持ち上げます、即mghのエネルギーをここで消費するわけですから、さ差し引き、水の流れ去流速エネルギがマイナスになります。
効率70%にはなりません。
マイナスです。
誰が70%と言っているのか？無茶苦茶な論議です。

ひょっとしたらエネルギー変換効率ではなく、内部効率のことを言ってますか？
水車の内部効率80～90%に対して揚水用のポンプ水車の効率70%はありうる話です。。
発電用水車と違い、ポンプ機能を持たせていますので、発電時の流れと逆方向の流れでも高い効率を維持する必要があり、発電、ポンプ両用の妥協点として70%程度となっているものです。
現在の技術力では発電効率を上げればポンプ効率がさがりますので、総合効率が下がります。
発電、ポンプそれぞれの専用機より少し低い水準で整合とれているのが現状です。

ちなみに火力発電所では、エネルギー変換効率は30～40%ですが、蒸気タービン機械としての内部効率は約90%です。

補足

的確なお答えありが問うございました。
＞水車の内部効率80～90%に対して揚水用のポンプ水車の効率70%はありうる話です。

私は位置エネルギーを分母にして入力電力のエネルギーを分子にして効率を定義しています。物理学です。ご専門の方と用語が異なればお許しのほどを。このありうる話の原因を知りたいのです。エネルギー効率が７０％とすれば後の３０％は一般的に言って熱エネルギーに変換されていることでしょう。

私はこの３０％をなくせないものかと純粋に物理的に知りたかったわけです。

＞現在の技術力では発電効率を上げればポンプ効率がさがりますので、総合効率が下がります。
発電、ポンプそれぞれの専用機より少し低い水準で整合とれているのが現状です。

これはとても新鮮に聞こえます。本来独立に定義されるべき物理量が互いにトレードオフにあるのは同じ設計の発電機と電動ポンプを使っているからでしょうか。確かに水の流れは重力のために映像で見ると発電とポンプは異なります。このためにひとつの設計で行うとどちらにもそこそこの設計になるということでしょうか。

それならば発電機と電動ポンプを別物にしてそれぞれの最適設計を行えばどちらも９０％くらいは得られ、預けて引き出すという
総合効率で８１％以上の効率は得られるという理解でいいのでしょうか。
また効率の最適化とは具体的に何を動かすのでしょうか。

よろしくお願いします。

（プラスマイナスの点は間違っていても基準のとり方ですから素人と思ってどうかお許しください。）

回答No.9

uen_sap

70%???

そんなに高くはないですよ。
もし70%が悪い効率、とした時。
高い効率とはどの位を意味するのでしょうか？
それはどこで実現していますか？
70%を低い、と認識されているとすると、そもそもこの分野で質問する資格は無い、と思います。
揚水発電は、ベースロードではなくピークロード対策発電ですので、効率はそれほど要求されません。
だから、わざわざ電力を使って、水を高いところに持ち上げて、ピーク時に利用する」わけです。
せっかくはつでんしたものを一部とは言え、発電所内で水を持ち上げるのに使っているのですから、効率がいいわけはありません。
効率改善される見込み・・・70%を超えることは不可能です。

回答No.8

hg3

＞熱力学第二法則に縛られませんから百％だって良い。
もちろんその通りですが、それには他の回答にもある通り、損失を無くすことにつきます。
しかし、どんなに努力しようとも、摩擦や抵抗というものが存在する限り、それを完全に０にするのは難しいでしょう。
出来る限り減らして０に近づける努力が必要ということにはその通りと思いますし、実際、様々な研究・技術開発が行われているのも確かでしょう。
その辺のことは、他の回答者さんの詳しいようですので、そちらに譲ります。

＞原子力との組み合わせですが私はむしろこれからは火力とも組み合わせるべきではないかと思っています。
これについては、技術論ではなく、政策論です。
原発だろうと火力発電だろうと、送電線を流れる電気に違いはありません。揚水発電を動かす電気は何で発電したって構わないはずです。実際に、原発がほとんど止まっている今年度でも、揚水発電が行われています。

資源エネルギー庁の電力統計
http://www.enecho.meti.go.jp/info/statistics/denryoku/result-2.htm
この中の、2-(9)一般電気事業者間の送受電実績　をご覧になって下さい。東電ですら揚水式発電の発電量は0にはなっていません。
このことから、今でもすでに、原発以外の電源と揚水発電は組み合わされて運用されていると言ってよいでしょう。

回答No.7

Nebusoku3

No４です。
効率を上げるということは損失を限りなく無くする努力する余地があるかどうかとの疑問と思います。既に他の方が具体的な参考数字で回答されていますが、正にその差が損失ですね。
その他に技術的な努力だけでは解決できない効率も有りますね。例えば汲み上げ　で効率を上げても、上部調整池の容量が立地条件の関係で、それほど望めなければ、そこが満水になれば揚水に関しては、まだ電力が余っていたとしてもそれ以上は無理ですね。また、下部調整池の容量に関しても同じことが言えます。　

効率を上げたいという場合はシステムを全体として考え、その中の損失になるものを列挙し、パレート図を利用し、その大きなものからつぶしていくのが手順だと思います。　何はともあれ技術的な効率を最優先となると技術者は必死になって頑張るでしょう。　
例えば現状は揚水ポンプと発電機タービンを共通に使っているが、それぞれもっと効率の良い専用にして揚水と発電を別系統にするなど。。。（これは例ですので本当に良いかどうかは分かりません。）
以下のURLは九州電力での揚水発電例です。地熱発電にも揚水発電を適用しているようです。相当昔に火力発電所と地熱発電所を見学に行ったことがあります。
http://www.kyuden.co.jp/effort_water_omarugawa_omaru04.html

おっしゃるとおり、火力発電でも石炭を使った機構の場合、他の火力発電よりもコントロールの即時性が劣るため、揚水発電への応用は良いかもしれません。
その場合もやっぱり全体のシステムの効率をまず考慮された方が良いと思います。

お礼

本質的なご回答ありがとうございました。

＞パレート図を利用し、その大きなものからつぶしていくのが手順だと思います。　何はともあれ技術的な効率を最優先となると技術者は必死になって頑張るでしょう。

全くそのとおりです。システムのどこがボトルネックになっているかの説明なしにシステム的課題を質問したことは反省です。
自然エネルギーはいいのですが日本中資源とごみ問題を作り出す科学電池だらけになってもねえというのが最初の課題設定です。

回答No.6

fxq11011

＞一旦発電した電気をためておく機能が重要ですから大事に保管できることが求められるのではと思います
？？意味不明？、電気を直接ためておけないから、揚水発電と思っていますが。
電気エネルギー（交流）は貯蔵不可のため揚水して位置エネルギーに変換して貯蔵。
変換する限り、何らかの損失は覚悟しなければ・・・１００％は妄想では・。

補足

ご回答ありがとうございました。

＞電気エネルギー（交流）は貯蔵不可のため揚水して位置エネルギーに変換して貯蔵。

その通りで何も意義はありません。保管という言葉を使ったのは
夜に発電してすぐに電気エネルギーを使わないので昼間まで保管という言葉を使ったまでです。意訳してくださいな。

＞変換する限り、何らかの損失は覚悟しなければ・・・１００％は妄想では・。

妄想ではありません極限の追求ということです。もちろん１００％は無理でしょう。そこへどうやって近づけるかを皆様にお尋ねしているのです。私は日本の文化は中庸を求め島国でそこそこで譲り合ってきたために極端な議論はされなかったのだと考えています。それが中世の日本の価値観、文化・慣習を作り上げたのです。

常識を尊びいわゆる極限的思考lim(x)は行われなかったために近代科学は遅れをとったように思います。正しいかそうでないかを言っているのではありません。本当にこれが限界かという姿勢が科学には必要だと考えています。

回答No.4

Nebusoku3

揚水発電の力を発揮する場所としては　原子力発電と組み合わせて使うところにあります。

ご存知のように原子力発電では「安定運転」の為、発電電力を細かく制御せず殆ど一定の発電を行います。　昼間のでんりょくを多く使う時間帯に発電量を設定している為、夜間は電力が余る訳です。その余剰の電力を使って揚水しているのですね。その意味では揚水発電は原子力発電システムの　「コンデンサ」　（エネルギーの保存）　の役目をしている訳です。

夜間に揚水に使ったモーターとポンプが昼間は発電機になる訳ですね。（その様な使い方ではない場合もあるかもしれませんが。）　エネルギーを無駄にしない効率の良い考え方ですね。

（１）水を汲み上げる効率が悪いのですか、発電効率が悪いのですか。
７０％を悪いと言うのであれば揚水の方でしょう。通常の水力発電では揚水をしないためその分のエネルギーが不要です。しかしながらエネルギー保存の為のシステムなので立派に役目を果たしている訳です。
（２）両者に差があるとすればその理由はなぜですか。
揚水と発電とではカテゴリーが異なるため比較できません。他の水力発電と比較してと言うのであれば前の（１）と同じ理由です。
（３）効率が改善される見込みはないのですか。
有ると思いますが、それをする切羽詰った　理由が殆ど無いですね。　現状では原子力発電は殆どが停止しているために出番がなくなりつつあります。

補足

早速のご回答ありがとうございました。

＞揚水発電の力を発揮する場所としては　原子力発電と組み合わせて使うところにあります。

ご回答いただいた最初の原子力との組み合わせですが私はむしろこれからは火力とも組み合わせるべきではないかと思っています。揚水発電は原子力発電の付属物かという点についてはコストを計算する立場で見れば諸説あるようです。

http://d.hatena.ne.jp/abz2010/20110707/1310080497

この議論の内容はどちらでもいいことなのですがどちらにしても経済性の観点から揚水発電の効率がいいことには違いないと思います。

＞（３）効率が改善される見込みはないのですか。
有ると思いますが、それをする切羽詰った　理由が殆ど無いですね。　現状では原子力発電は殆どが停止しているために出番がなくなりつつあります。

これは同感なのですが私は切羽詰まった理由はなくともこれからは
揚水発電の効率を上げていくのが望ましいと思っています。組み合わせは火力発電も視野に入れねばならないからです。コンバインド
サイクルの効率は１％でも効率を上げる努力がされています。現状は６０％くらいでしょうか。カルノー効率を上げるための高温動作とその効率に近づける努力がされていると聞いています。

しかしガスタービン発電でも定常運転が効率を維持するための必要条件ではないかと思います。安易に需給カーブに合わせて出力変動
させればせっかくの効率向上の努力が無駄になります。

そのためランニングコストを上げるために効率の良い揚水発電機があれば夜間の電気を蓄えて昼間のピークに使えるのではないかと
思います。しかし揚水発電の効率は７０％ぐらいなので何とかならないかと考えて質問させていただきました。

再度のご回答を期待いたします。よろしくおねがいします。

http://d.hatena.ne.jp/abz2010/20110707/1310080497

回答No.3

hg3

ちなみに火力発電（汽力発電）の発電効率は30～40%。
最新のガスタービンコンバインドサイクル方式の発電でも50%～60%位です。
それらと比べれば、揚水発電の効率は非常に良いことが分かります。

補足

ご回答ありがとうございました。

＞最新のガスタービンコンバインドサイクル方式の発電でも50%～60%位です。それらと比べれば、揚水発電の効率は非常に良い

私もそう思っているのですがNO.2さんのご回答にもあるように
＞熱力学第二法則に縛られませんから百％だって良い。

と思っています。特に揚水発電所の場合には一旦発電した電気を
ためておく機能が重要ですから大事に保管できることが求められるのではと思います。本来は１００％が理想です。

もう少しよくなる具体的方策はないものかと思っています。お考えを再度お聞かせ願えればと思います。よろしくお願いします。

回答No.2

doc_somday

揚水発電の効率は決して悪くありません。
もちろん熱力学第二法則に縛られませんから百％だって良いのですが、何しろ「数」が出ないので揚水モーター・ポンプ≡タービン・発電機を最適化する努力が足りないのでしょう。

もちろん、モーター≡発電機の効率は百％近いので、問題はポンプ≡タービンの効率になります。

化学工学屋でないので推定ですが、燃焼タービンや蒸気タービンのようなガスタービンに比して粘性の高い水を扱うのは非常に効率が悪いでしょう。

補足

ご回答ありがとうございました。＞揚水発電の効率は決して悪くありません＜　とのことですがdoc_somday様の感想ですね。
投入エネルギーに対して３０％も目減りしたら大変です。たとえば
銀行の場合。

＞もちろん熱力学第二法則に縛られませんから百％だって良いのですが最適化する努力が足りないのでしょう

私はこのことを聞きたかったのです。ありがとうございます。
ガスタービンはカルノー効率という大法則に支配されますから
水力発電はもっと努力？してもいいのではと私も思います。しかし
どれくらい難しいのでしょうか。ご指摘のように粘性の高い流体
なので難しいというのは少しは分かる気がします。それならば
ゆっくり動かせばいいということでしょうか。

その発想は電力を送る場合、高圧にするのと似ています。粘性流体
内部でエネルギーが失われるのでしょうか。それとも流体と水車との速度差による摩擦エネルギーで失われるのでしょうか。ご感想でもコメント頂ければありがたく思います。