2014年2月、パワーアカデミー事務局は、沖縄県北部の国頭村(くにがみそん)にある、J-POWER(電源開発株式会社)の「沖縄やんばる海水揚水発電所」を訪問しました。沖縄やんばる海水揚水発電所は、世界初の海水を使用した揚水発電所です。本レポートでは、海水揚水発電所の仕組みや特徴、意義、そして主な施設についてご紹介します。

電源は海の水!世界初の海水揚水発電所

海水揚水発電所のご紹介の前に、まずは揚水発電所についてご説明します。揚水式発電は、発電所の上部と下部に大きな調整池をつくり、電力供給に余裕のある夜間帯に下部調整池から上部調整池に水をくみ上げ、昼間帯にその水を利用して発電します。これにより、電気を水の位置エネルギーとして蓄えることが可能で、電力需要のピークに合わせて発電するピーク電源として電力系統を安定的に保つことに役立っています。この下部調整池として海を利用したのが、海水揚水発電所というわけです。日本の電力需要は昼夜の差が大きく、揚水発電などによる負荷平準化が必要となります。

※揚水発電については、電気の施設訪問レポート vol.9「九州電力・小丸川発電所を訪問しました」をご覧ください。

海水揚水発電所のメリットと建設の背景

では“海水”の揚水発電にすると、一体どのようなメリットがあるのでしょうか。以下2つが主に挙げられます。

  • 1.通常の揚水発電所と違って、下部調整池が必要ないので、建設費が削減できます。さらに無尽蔵な海水を使うので、上部調整池の容量さえ確保できれば大容量の発電が期待されます。
  • 2.海岸に位置しますので、大規模な電力需要地や火力・原子力発電所などのベース電源(常にほぼ一定の出力で運転を行う電源)の近隣に建設が可能です。そのため、送電線コスト、ロス、安定度など電力系統の運用上、有利です。

これらに加えて、日本は四方を海に囲まれ、海面との高低差が大きく海岸線の地形が険しいところが多いため、海水揚水発電に有利な面があります。このような背景のもと、当時の通商産業省(現・経済産業省)がJ-POWERに、その実施を委託して世界初の海水揚水発電実証試験プロジェクトがスタートしました。

海水揚水発電所の課題と取り組み

J-POWERは委託を受けて1991年より建設工事を開始し、1999年に建設完了後、5年間の実証試験運転を行いました。実証試験では、海水を使用することによる課題に対して、さまざまな取り組みを実施しています。主な課題と取り組みを以下にまとめてみました。

課題1

上部調整池から地盤への海水浸透が懸念されます。また、地下水へ海水が混入する恐れがあります。

→上部調整池は、周辺地盤への海水の漏洩を防止するため、水密性はもちろんのこと、厳しい気象条件にも耐えられる丈夫なゴムシートで表面を覆いました。また、ゴムシートの下には保護マットがしかれています。さらに万が一、海水が漏れても、漏洩を速やかに検知するとともに漏洩した海水をポンプにて調整池に戻し、周辺地盤への漏洩を防止する仕組みとなっています。

遮水シートと保護マットは上部調整池に敷設されています。

遮水シートはEPDM(Ethylene Propylene Diene Terpolymers)ゴムシート、保護マットはポリエステル長繊維不織布です。

課題2

海生生物が水路、水車などに付着して発電運転や揚水運転に影響がある恐れがあります。また、海水に接するため金属材料の腐食が懸念されます。

水圧管路に使用されたFRP管のサンプルです。直径2m40cm、人間の背をはるかに超える大きさです!長さ4mのFRP管を75個つないでいます。

→海の水を通す水圧管路のうち直線部300mについては、海水による腐食に強く、海水生物の付着防止対策として、世界ではじめて強化プラスチック(FRP※Fiberglass Reinforced Plastic Pipes)を採用しています。また、曲管部は電気防食を施した鋼管となっています。

課題3

高波浪時における安定した取水・放水の確保が必要となります。

→安定した取放水の確保と放水口の安全のため、消波ブロックで保護する構造を採用しています。この消波ブロック(900個)は、発電時の放流水の流速を減速し海洋環境への影響を低減する効果があります。

課題4

上部調整池内の海水飛散による周辺植生、生物など生態系への影響や海水利用に伴う放水口付近に生息するサンゴなど海生生物への影響も懸念されます。

左上の八角形の部分が上部調整池、その右下の波消しブロックで囲まれた部分が放水口であり、下部調整池は海になっています。発電所は地下にあります。 写真提供:J-POWER[電源開発(株)]

→建設に先立ち、サンゴ、土壌動物、水生生物、鳥類、両生類、爬虫類動物、水質・騒音・振動、地下水など様々な項目で、環境調査および環境影響評価を実施し、自然環境に与える影響もできるだけ少なくする取り組みを行いました。また周辺の景観に配慮するため、水圧管路、発電所、放水路は、すべて地下式となるようにレイアウトされています。

国による実証試験が2003年度末に終了した後は、J-POWERが国より設備を引継ぎ、運転・保守を行っています。

発電所の概要と意義 

それでは、沖縄やんばる海水揚水発電所の概要についてご紹介しましょう。上部調整池と海面との有効落差136mおよび使用水量26m3/sにより、最大出力3万キロワットの発電を行います。上部調整池には約56万m3の海水をためることができます。これは、3万キロワットで発電した場合、1万世帯の電気を6時間供給できる数字です。尚、運転は、うるま市にある石川石炭火力発電所から遠隔制御にて行っています。

電力系統における意義としては、電力ピーク時の使用はもちろんですが、「火力発電所の余剰電力を有効に使う」という役割も持ちます。6時間で3万キロワットの電力をつくるのに必要な海水を上部調整池に汲み上げるためには8時間(3万3000キロワット)を必要とします。海水をくみ上げる時には、火力発電所から電力が供給されるため、3000キロワットがムダになると一見、思われます。しかし、火力発電所はできるだけ効率の良い運転範囲で運転するため、火力発電所の発電電力より消費電力が小さくなった場合などに発生する余剰電力を揚水発電所に使用することで電力を貯めることができ、ムダの少ないエネルギー供給を実現しているのです。

沖縄やんばる海水揚水発電所の地上棟となります。ここから地下にある発電所や海に面した放水口へ入ることができます。

また、沖縄やんばる海水揚水発電所は可変速揚水発電システムを採用しており、一定速度の揚水発電所は発電運転時のみ周波数調整運転が可能でしたが、可変速揚水発電システムではポンプの回転速度を変化させることにより、揚水運転時にも周波数調整運転が可能となり、電力系統の周波数調整に貢献することができます。

当日、ご案内いただいた施設をご紹介します。

地下一階へ

はじめは、地下1階をご案内いただきました。地下1階は、上部調整池より147m下(地上建物管理棟のある地上より132m、海面よりマイナス15m)にあります。東京タワーの第一展望台とほぼ同じ長さを降りていきます。地下発電所は、幅16m、高さ32m、長さ40mの地下空間に設置されています。

ポンプ水車発電機

海水中での使用に耐えられるポンプ水車です。揚水運転時は標高約150mの上部調整池に海水を汲み上げたり、発電運転時は汲み上げた海水が落下する力で電動発電機を回したりします。 写真提供:J-POWER[電源開発(株)]

写真左の青い部分の下にポンプ水車および発電電動機があります。取材させていただいた日は、ポンプ水車や発電電動機の分解、組み立て等に使用する天井クレーンの点検中でした。発電電動機に直結されたポンプ水車ランナは直径2.3m、海水中での使用に耐えられる改良型オーステナイト系ステンレス鋼を使用しています。特徴は、可変速揚水発電システムであること。回転速度を1分間に約450±23回転の間で自由に変えることができ、最大で3万キロワット、最小で9,800キロワットの電気をつくることができます。

放水路連絡トンネル

まるで映画のワンシーンにでてくる秘密基地のような分厚い扉を開くと放水口です。

続いて、放水口を目指してトンネルを通っていきます。トンネルは長さ約200mで海に向かってやや上り勾配があり、歩くのが一苦労です。トンネル内は鍾乳石がつららのように天井から垂れており、地面には地下水が流れていました。

放水口

放水口連絡トンネルの出入口です。上部には、「シーサー」が発電所の安全を見守っています。

トンネルを出るとまわりは防波堤に囲まれていました(写真左)。防波堤を超えると、今度は海の中で消波ブロックがぐるっと放水口を取り囲んでいます(写真右)。放水口スクリーンにも耐海水腐食対策として、FRPが使われています。揚水運転時には、この放水口から海水を取り入れ、地下発電所のポンプ水車で標高約150mの上部調整池に海水をくみ上げます。消波ブロックには、波消しブロックには、発電放流時の流水を和らげる効果と、揚水運転時には波の影響を小さくする効果があります。

上部調整池

最後に上部調整池へご案内いただきました。周辺は木々が茂った美しい公園となっており、海岸から約600m、標高約150mのところにあります。上から見ると八角形となっており、深さ25m、幅252m、広さ4万6000m2で東京ドームがすっぽり入る大きさです。その有効貯水容量は、56万4000m3となっています。

編集後記

“やんばる”は絶滅の恐れがある動植物が数多く生息して生物学上、貴重な地域と呼ばれています。その美しい自然と共生した佇まいが印象的でした。那覇から沖縄北部へ車で約2.5時間かかり、なかなか行ける場所ではありませんが、ぜひ多くの方に世界でも珍しい海水揚水発電所をご覧いただきたいと思いました。尚、見学の際は直接、沖縄やんばる海水揚水発電所又は、石川石炭火力発電所にお問い合わせください。

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