揚水発電は、電気を使って水を高い所へ上げ、必要なときに下へ流して発電する仕組みです。一周させると電気が増える装置ではありません。水の高さを利用してエネルギーを蓄え、使う時刻をずらしています。図を読むときは、水の矢印だけでなく、電気が入る時と出る時を別々に描きましょう。
「水力発電なのだから、水を流せば得をする」と考えると、くみ上げる場面を落としてしまいます。階段の上へ荷物を運ぶには仕事が必要です。上がった荷物を下ろす場面だけを見れば取り出せる働きがあっても、そこへ持ち上げた働きまでなかったことにはできません。
上の池にためているのは、電気そのものではない
上池にある水は、下池まで下がることで水車を回せます。蓄えているのは、水が高い位置にあることによるエネルギーです。コンデンサのように電荷を蓄える方式とは異なります。「蓄電」という大きな役割が似ていても、内部で何を変えているかは設備によって違います。
電気を使うくみ上げ時には、ポンプが水を上げます。発電時には水の流れが水車を回し、発電機へ回転を伝えます。同じ機械を切り替えて使う設備もありますが、問題を解くときは二つの運転を別の行にします。同じ時刻に全部の矢印が働く図として読まないでください。
入れた量より、戻る量は小さくなる
ポンプや発電機の変換、水の流れの摩擦などによって、投入したエネルギーのすべてを電気として取り戻せるわけではありません。差は消滅したのではなく、周囲に伝わる熱などへ移っています。ここで比較するのは、同じ一巡の運転に対応する電力量です。
たとえば、くみ上げに何時間かかったかと発電に何時間かかったかは違うことがあります。出力の数字だけを比べると収支を取り違えます。大きな出力で短時間取り出すことと、長時間にわたって多くの電力量を取り出すことは別です。単位がkWなら時間を掛け、kWhならその期間の量として扱います。
例題1：一巡の運転で戻る割合
架空の設備で水をくみ上げるのに200kWhを使い、その水を下ろして150kWhを取り出せました。取り出した量は、使った量の何％ですか。また、電気として戻らなかった量は何kWhですか。
答え・解説： 150÷200×100＝75％、差は200−150＝50kWhです。割合の基準は先に入れた200kWhです。150を分母にした50÷150は別の問いへの計算になります。数値は計算用であり、特定の発電所の性能を示していません。
75％を「電気が25％なくなった」とだけ書かず、「投入した電力量の25％は、この一巡で電気として回収されなかった」と書くと、対象が明確になります。水の25％が失われたという説明にもなりません。電力量の割合と水の量の割合を入れ替えないことが、この問題の確かめどころです。
例題2：大きな出力でも、長くは続かない
上池の水から取り出せる電力量を、模型上で120kWhとします。出力30kWで一定に発電する場合と、60kWで一定に発電する場合、それぞれ何時間運転できますか。運転途中の補充や効率の変化は考えません。
答え・解説： 120÷30＝4時間、120÷60＝2時間です。出力を2倍にすると、この設定では運転時間が半分になります。どちらも取り出す合計は120kWhで、60kWの方が多くのエネルギーを生み出したことにはなりません。
この計算では、上池の条件を「120kWh取り出せる状態」にそろえています。実物では水位に伴って落差が変わり、効率も一定とは限りません。模型で置いた一定条件を見つけ、それがあるから割り算一本で求められる、と説明できるとよいでしょう。
エネルギーが減るのに使う理由
電気を使いたい時刻と、電気を作りやすい時刻は必ずしも一致しません。揚水発電は、先に使った電気の一部を後で取り出すことで、供給する時刻を調整します。役割を考えるときは、総量が増えるかどうかと、必要な時間帯に使えるかどうかを分けます。
水を自然の雨や河川から得る普通の水力発電と比べる場合も、エネルギーを蓄える前段階をどこまで含めたかを確かめます。発電機の出口だけを囲む図では、くみ上げ用の電気が枠の外になります。仕組み全体を比べたいなら、上下の池とくみ上げの設備まで枠に入れます。
ノートには「ためる時」「取り出す時」の二列を作り、電気の向き、水の向き、使う機械を書いてみてください。片側だけの説明になっていないかを自分で確かめられます。水が巡ることと、エネルギーが損失なく巡ることは同じではない、と図から読めるようにするのが目標です。
水力発電の流量と落差と、電力と電力量もつなげて確認できます。