再生可能エネルギーとは？水力発電や風力発電など種類やそれぞれの特徴・仕組みについて解説！

再生可能エネルギーとは、石油や石炭、天然ガスといった有限である資源の化石エネルギーとは違い、太陽光・風力・水力・地熱などといった自然界に常に存在するエネルギーを指します。

自然界から得られるエネルギー源のため、世界中どこにでも存在しており、枯渇しない資源です。なおかつ温室効果ガス（CO₂）の排出がない、または増加させないことが最大の特徴です。

地球環境にやさしく、脱炭素化に貢献できる再生可能エネルギーは、「2050年カーボンニュートラルに伴うグリーン成長戦略」の実現に向け、国内で急速的に導入が進められています。

また再生可能エネルギーは、国外からの輸入に頼ることなく国内で生産できるエネルギーで、なおかつ持続可能なエネルギー供給が実現できるため、世界中で導入が進められています。

再生可能エネルギーは、今後も技術開発と製作支援により、普及が一層進むことが期待されています。

現在、日本および世界のエネルギー供給の割合は、石油や石炭でのエネルギー供給が大きな割合を占めているのが現状です。

2015年にフランスのパリで開催された国連気候変動枠組条約締約国会議（COP21）において、2020年以降の温室効果ガス排出削減等の新たな枠組みとして、パリ協定が採択されました。これを受け、日本国内では当時の菅総理大臣が「2050年までに温室効果ガスの排出量を全体としてゼロにする、2050年カーボンニュートラル、脱炭素社会の実現を目指す」ことを宣言しました。

以上の背景から、日本国内のみならず世界各国で、エネルギー供給を再生可能エネルギーに切り替えていく取り組みが活発となりました。

再生可能エネルギーに切り替える大きなメリットとして、以下が挙げられます。

• 環境保護と気候変動の抑制

引用：経済産業省「長期エネルギー需要見通し」

化石燃料の燃焼は大量の二酸化炭素（CO₂）を排出し、地球温暖化の主な原因となっているのが現状です。

エネルギー生産が要因の世界のCO₂排出量は現在約210億トンと、1990年から約330億トンと60％以上増加しており、早急な温室効果ガスの削減が求められています。

将来的に世界が持続的に発展するには、環境に配慮した再生可能エネルギーの導入を進めることが必要になります。

日本国内の取り組みとして資源エネルギー庁および経済産業省では、2030年度までに再生可能エネルギーの比率を最大24％に引き上げることとし、導入が進められています。

• 資源が持続可能でエネルギー自給率の向上が見込める

出典：日本原子力文化財団「原子力・エネルギー図面集」

日本国内のエネルギー供給のうちの多くは化石燃料で、8割近くを占めています。

また、化石燃料は、石油や石炭、天然ガスを燃料としており、どれも有限の資源です。

いずれ枯渇する可能性があり、現在のエネルギー自給率は約6％と非常に低く、資源の貧しい日本では海外からの輸入に頼らざるを得ないのが現状です。

また、世界のエネルギー需要は加速しており、輸入に依存している中、輸入元の政治的・経済的状況によってエネルギー供給が不安定になるリスクがあります。このような背景もあり、安定したエネルギー源の確保は大きな課題です。

一方、再生可能エネルギーは、太陽光や水力、風力など無尽蔵に近い資源を利用するため、長期的に安定したエネルギー供給が可能です。

また、再生可能エネルギーはどこにでも存在するエネルギー源のため、国内のみで供給が完結します。

今後の経済発展には、安定性のある再生可能エネルギーの利用が不可欠です。

再生可能エネルギーは、地球環境にやさしく、持続可能なエネルギー供給を実現するための重要な手段です。

世界中で再生可能エネルギーの導入が進んでおり、技術の進歩によりその利用範囲は広がっています。

ここでは再生可能エネルギーの種類とそれぞれの仕組みについて紹介します。

1.水力発電

引用：九州電力「水力発電の特長と仕組み」

• 仕組み

水力発電はダムなどの高い場所に貯めた水を低い場所に落とすことで、位置エネルギーを利用して水車を廻し、水車に繋がっている発電機を回転させることにより、電気を生み出しています。

発電機は火力発電と同様、タービンを回転させ電磁誘導を利用して回転力から電気エネルギーを生み出す設備です。

どのような方法で水の落差を付け、位置エネルギーを生み出すかはいくつかの種類に分けられています。

以下にその種類をご紹介します。

• 水路式（流込式）

河川の流量をそのまま利用する発電方法です。流れ込む流量に応じた出力で運転されます。

• 調整池式

河川の流量を調整池で調整して発電する方法です。調整池の容量を見て、出力を調整します。

• 貯水式

ダムなどの貯水容量が大きい水槽に水を貯めて、電力需要のピーク時間帯などの必要な時に放流する方法です。

• 揚水式

地下発電所と上池と下池から構成されており、上池に貯められた水を下池に落として発電します。夜間などの電力需要が少ない時間帯に、余剰電力を使って下池の水を上池に組み上げ、電力需要が高い時間帯に放流します。

次に水力発電を構成する設備と基本的な仕組みについてご紹介します。

• ダムと貯水池

水力発電の多くはダムを利用しています。ダムは水を貯めるための大きな構造物で、貯水池に大量の水を貯えます。水の落差（高さ）を確保することで、発電エネルギーとしています。

• 取水口

ダムの貯水池から発電に使う水を取り入れるための設備です。

• 水圧鉄管

取水口から取り入れた水は水圧鉄管を通って水車などの設備がある発電所へと送られます。この鉄管は落差を利用して水の流れを加速させることで、高い水圧を生み出し、発電を効率的に行うことができます。

• 水車（タービン）

水圧鉄管から送られた高圧の水は、水車（タービン）にぶつかり、その力で水車（タービン）を回転させ、発電するエネルギーに変えられています。

水力発電のエネルギー変換効率を向上させるために、様々な水車が開発されています。水車にはいくつか種類がありますが、一般的に、機構内を水で満たし水圧を保ったまま回転する反動水車と、流水を加速させて当てることで回転させる衝動水車の2種類が多く採用されています。

• 反動水車

水流の中に水車を置き、流水の水圧によって水車（タービン）を回す仕組みです。高低差の少ない立地でも採用でき、余剰電力を使いタービンを逆回転させることで揚水発電に利用することができます。

以下は反動水車の主要な種類です。

• ・フランシス水車

もっとも一般的な反動水車で、広範囲の落差と流量に対応可能で、発電効率が高く発電所の規模に柔軟に対応できます。水がランナーブレードに対して放射状に入り、軸方向に水が通り抜ける構造です。

• ・プロペラ水車

プロペラ形のランナーブレードを持ち、ブレードの角度を調整できる構造です。特に低落差（2～70ｍ）に対応しています。ブレードの角度を変えることで流量に応じた最適な効率を維持できます。

• 衝動水車

水流を勢いよく水車の羽に当て、その衝撃で水車・タービンを回します。比較的少ない流量から対応可能で、高低差のある立地に適しています。

以下は衝動水車の主要な種類です。

• ・ペルトン水車

最も一般的な衝動水車で、高落差に対応しています。バケット（カップ）と呼ばれるスプーン状の容器に水を直接噴射して回転力を生み出し発電します。

高落差（300ｍ以上）での利用に適しており、発電効率が高く少量の水でも大きな出力となります。

• ・ターゴインインパルス水車

ペルトン水車に機構は似ていますが、コンパクトな設備となるので、設置スペースが限られているような場所での採用が適しています。

• ・クロスフロー水車

円筒形のローターを持ち、水がローターの一方から他方へ横切るように流れます。水がローター内を二度通過するため、エネルギー変換効率が高いことが特徴です。シンプルな設計と構造なので、製造コストが低くメンテナンスも容易です。

• 発電機

水車に連結して回転し、回転運動を電気エネルギーに変換します。水車の回転力によって、発電機のローターが周り、電磁誘導の原理を利用して、電力を発生する設備です。

• 放水口

発電に使用された水は放水路を通じて、再び自然の河川や湖に戻されるので、環境への影響を最小限に抑えることができます。

• メリット

水力発電は自然の水循環を利用するため、持続可能なエネルギー源で、設備の維持管理費が比較的低く、運転コストが低いことが最大のメリットです。

また、天候や季節に左右されにくく、安定した電力供給が可能になります。

特に、貯水池式や揚水式の水力発電では、電力需要のピークに迅速かつ柔軟に対応できるため、エネルギー効率の面でも特に優れています。

以上から、水力発電は高いエネルギー効率や管理コストの安さなど様々な特性を持っており、注目されている再生可能エネルギーです。

• 課題

一方、ダムや発電設備の建設には多大な資金が必要になり、初期投資が高くなる傾向があります。また、ダム建設による生態系や地形に変化、影響を与える可能性があります。

ダム建設となると、地形や水資源の豊富な場所に依存してしまうため、建設場所が限られてしまう懸念もありますが、再生可能なエネルギーであり、多くのメリットを持つ水力発電は、多くの国で重要なエネルギー供給源として利用されています。

2.風力発電

引用：東京電力「風力発電のしくみ」

• 仕組み

風力発電は、風の力を利用して風車を回し、風車の回転運動エネルギーを発電機を通して電気エネルギーに変換する発電方法です。

風を受けると、ブレードと呼ばれる風車の羽部分が回転する動きを利用して、接続されている発電機を回すことによって電気を生み出しています。風の強さや向きをはかり、羽の角度や風車の向きを自動調整して効率的に発電できるように設計されています。

風力発電の基本的な構造を以下に紹介します。

• ブレード

風車の3枚のプロペラ（翼）の部分がブレードです。ブレードは風邪の流れを受けて回転し、その回転エネルギーを接続されている発電機に伝え、発電します。プロペラ形の風車は、ブレードの数が少ないほど回転数が多くなる特徴があります。

• 可変ピッチ機構

風の強さに応じてブレードの角度を自動的に変える仕組みです。風車が止まっている状態から動き出すときや、風の強さが弱いときに風日ああするブレードの角度を大きくして風をより多く受けるように調整する役目を果たしています。逆に風が強いときは、受ける風の角度を小さくし、風車が痛まないよう必要十分な風を受けるように調整されます。

• ナセル

風車のブレードの後方にあたる部分で、発電機や増速機などの重要な機械装置が格納されています。

• 増速機（ギアボックス）

風車のブレードからの低速回転を、発電に必要な高速回転に増幅させる装置です。ギアボックスを使用することで、発電機が効率よく電力を生成できるようになります。ギアボックスを使用しない、ローターを発電機が直接つながっているタイプも作られています。

• タワー

風車全体を支える構造物で、高さが風車発電の効率に大きく影響します。一般的に、風速が高いほど高い場所に設置されており、大きなビルほどの高さのあるものがほとんどです。

• 発電機

ギアボックスからの回転エネルギーを利用して電気を生成します。2000kW以上発電できるものが主流となっており効率的に発電できるようになってきました。近年では、風力発電の大国であるヨーロッパでは9500kWなどの超大型風力発電を運用しています。

• 方位制御機構（ヨー）

風を正面で受けるため、風向きに合わせてブレードを旋回させる装置です。自動のモーターで動かしており、効率よく風をとらえることができるよう重要な役割を果たしています。

以上が、風力発電を構成する主な構造です。

風力発電の風車の形や大きさには様々な種類があり、風車の回転軸によって大きく2種類に分かれています。

• 水平軸型

• ・プロペラ型

最も普及しているタイプで、ブレードの数は3枚が主流です。バランスがよく、安定した発電が可能です。

• ・オランダ型

歴史的にもっとも古くから使用されている風車の一種で、風車の胴体（塔）の上に大きな回転する風車頭を持ち、翼部分は木製でできており、布を張って羽になっています。

• ・多翼型

多数のブレード（通常12枚以上）を持つ風車で、特に風のエネルギーを効率的に捉えることができる設計です。主にアメリカの牧場や農場での水のくみ上げや小規模な電力供給に使用されています。

• 垂直軸型

• ・ダリウス型

縦に曲線上のブレードを持つ風車です。外見はエッグヒーターに似ており、高風速でも安定して発電できるのが特徴です。どの風向きになっても回ることができますが、広い敷地が必要になります。

• ・サボニウス型

半円筒形の」ブレードを持つ風車です。簡単な構造で製造コストが低く、低風速でも発電が可能ですが、発電効率は低いです。

• メリット

風力発電は無尽蔵に存在する自然のエネルギーである風を利用するため、資源が枯渇する恐れが無く持続可能です。また、化石燃料を使用しないため、二酸化炭素の排出が大幅に減少する、地球環境に優しい安全でクリーンなエネルギーです。

また、一定の風速があれば昼夜を問わず電力を発電することができるのが特徴です。近年では、陸上に比べて強い風が安定して吹く洋上での風力発電の開発も進められており、より一層効率的に発電することができます。

• 課題

風力発電は自然の風を利用する発電方法のため、風速が安定しない場合や風向きによって、発電量が変動してしまうため、電力を毎日一定に供給する安定性が課題です。

また、季節や気候に左右されやすく、台風などの暴風時には損傷の危険性があるため、稼働は停止されます。

風車の回転による騒音は周辺に与える影響は大きく、風の強い地域でないと発電効率が悪いことから、設置場所が限られてしまう課題も抱えています。

3.地熱発電

引用：エネルギー・金属鉱物資源機構「地熱発電のしくみ」

• 仕組み

地熱発電は、地球内部の熱エネルギーを利用して電力を生成する方法です。地中深くから取り出した蒸気で直接タービンを回して発電します。地下深部に存在するマグマや岩石の熱を燃料にしています。

地球は地中深くなるにつれ、温度が上がっていき、深さ30～50kmでは1000℃程度の熱があります。しかし、この熱源は深部に存在するため、現代の技術ではこれをエネルギー資源として活用することは不可能です。

しかし、火山や天然の噴気孔、温泉などの地熱地帯では深さ数kmの比較的浅い所に1000℃前後のマグマ溜まりがあることが多く、この熱が地中に浸透した水などを加熱し、地熱貯留層を形成することがあります。

このような地帯で、地球内部の熱を直接エネルギー源として利用しているのが地熱発電です。

地中の熱を利用した発電にはいくつか種類があります。

• 蒸気発電

地熱貯留槽にある200～300℃の高温の天然蒸気を取り出し、直接タービンに送り込んで発電する方法です。蒸気発電の中にもいくつか種類があり、シングルフラッシュ発電、ダブルフラッシュ発電と減圧する数によって種類が分かれています。日本国内での地熱発電では減圧を一回実施するシングルフラッシュ発電を採用しています。

• バイナリー発電

地中から取り出した中温の熱水の蒸気では直接タービンを回転させることができないため、水より沸点が低いアンモニアやイソブタンなどと熱交換し、この材料での蒸気でタービンを回転させる方法を指します。

バイナリー発電で使用した温度の低下した熱水は浴用に利用することができ、環境に優しい発電方法です。

• メリット

地熱発電は地球内部の熱エネルギーを利用するため、持続可能なエネルギーです。また、純国産でのエネルギー活用ができ、エネルギー自給率向上に貢献しています。天候や季節、時間帯に依存せず24時間安定した発電が可能となり、半永久的に利用が可能です。

• 課題

地熱発電では、まずその土地が地熱発電に向いているのか長い時間をかけた調査が必要になり、さらに地下深くまでの掘削や設備建設に多大な費用がかかってしまい、他の再生可能エネルギーの発電方法の中でも導入コストが大きいです。

また、地熱発電では、蒸気のエネルギー密度は比較的高くないため、大量の発電量は期待することができません。必要な設備規模から考えると発電効率は高いとは言えません。

4.太陽光発電

引用：中部電力「太陽光発電のしくみ」

• 仕組み

太陽光発電は、太陽の光から得られるエネルギーを利用し直接電気を生成する太陽電池（ソーラーパネル）を使用した発電方法です。

太陽電池は光エネルギーを電気エネルギーに変換する半導体素子で構成されており、一般的にはシリコンが使用されています。プラスを帯びやすいP型シリコン半導体とマイナスを帯びやすいN型シリコン半導体を張り合わせ、この2つの半導体の境目に光エネルギーが加わることにより、乾電池と同じ状態になることによって、電気が流れます。光エネルギーがあたり続ければ発電は持続します。

• メリット

太陽光発電は、温室効果ガスである二酸化炭素を排出せず、地球温暖化を防ぐ地球にやさしい発電方法として注目されています。エネルギー源である太陽光は枯渇することのない持続可能なエネルギーです。

また、自立運転機能を利用することができ、しくみが単純なため管理しやすく、設置後のメンテナンスコストをかけず長期間にわたり発電することができます。

• 課題

ソラーパネルなどの設備の設置には高額な初期費用が必要になります。また、発電量が天候や昼夜の影響を受けるため、安定した電力供給には蓄電池との併用が必要です。

太陽光発電では、効率的に大量の発電をするには広い設置スペースが必要になり、広大な土地が必要になってしまいます。

5.その他

• バイオマス発電

バイオマス発電は、木くずや燃えるゴミなどを燃焼する際の熱を利用するなどの、植物や動物由来の有機物を利用した再生可能エネルギーの一種です。

バイオマスエネルギーにはいくつか種類があり、建築廃材や製材廃材などの木質燃料やサトウキビやトウモロコシなどのバイオ燃料、生ごみや家畜の糞尿などのバイオガスなど様々な種類があります。

廃棄物のリサイクルや有効活用が進むので、環境への負荷の低減に貢献しています。

しかし、燃料の供給が安定しないため、発電量に限りがあります。また、バイオマス発電設備には多額の初期投資が必要となり、発電量を考慮すると発電効率は良いとは言えません。

• 雪氷熱利用エネルギー

雪氷熱利用エネルギーは、雪や氷の冷熱を利用して電力を生成する技術です。寒冷地で大量に存在する雪や氷を有効活用するため、地球にやさしいエネルギー供給を実現しています。

雪氷熱利用エネルギーは寒冷地域や高山地域などの雪や氷の存在する場所で利用されていますが、冬季に大量の雪や氷を確保する必要があり、気候条件に依存してしまいます。

雪氷熱利用エネルギー設備の維持費は比較的低く、定期的な清掃や点検が必要になりますが、長期間にわたり利用することができます。

上記のほかにも、地中熱エネルギーや温度差熱利用エネルギーなど、温室効果ガスである二酸化炭素の排出を抑える持続可能な新エネルギー発電の開発が日々進められています。

再生可能エネルギーの利用は、地球環境への負荷の低減のほか、自国のエネルギー自給率向上にも重要な役割を果たしており、エネルギー安全保障の面でも有効な手段となります。

再生可能エネルギーは、持続可能なエネルギー供給のために重要な役割を果たしており、日本国内においても導入と拡大が進められています。特に太陽光発電に関しては、2012年の固定価格買取制度（FIT）の導入により、急速に普及しました。

また、東京都では2023年に「再エネ設備の新規導入につながる電力調達構築事業」が制定され、新設する場合の助成事業が開始され、より一層再生可能エネルギーの取り組みが促進しています。

しかし、2020年時点での日本の総発電量に占める割合は約20％と、諸外国と比べて低い水準にあり、まだまだ主力な電力供給源にはなり得ないのが現状です。

今後の再生可能エネルギーの主力電源化には、発電コストの低減が必要になります。技術に進展によりコストは低下してきているものの、依然として高い部分もあり、特に風力発電や地熱発電の初期投資コストの低減が求められています。

また、再生可能エネルギーの発電量は、天候や季節に大きく依存するため、安定した電力供給を確保することが課題です。蓄電技術の向上やスマートグリッドの導入など、ほかのエネルギー源との組み合わせなどの柔軟で効率的な調整が必要になってきます。

地球の自然環境を活かした再生可能エネルギーは、地球温暖化の原因となる温室効果ガスを削減できる、非常に有効な手段です。

2050年のカーボンニュートラル達成に向けて、さらなる拡大と技術革新は不可欠な課題です。課題に対して政府や企業地域社会が一体となって一つ一つ確実に取り組むことで、持続可能なエネルギー供給を実現し、環境保護と経済成長を両立することができるようになるでしょう。

次に、当社にて実際に加工した再生可能エネルギー関連製品事例をご紹介します。

１．再生可能エネルギー業界向けのフランジ形状部品

材質	SM400A
サイズ	Φ400～Φ850 × 50～100
開発期間・納期の目安	15～30日
公差レベル	±0.01

発電プラントで利用されるフランジ形状部品となります。外径、内径の加工に加えて、穴あけ加工をワンチャックで行えたため、工数の削減が図れた製品となります。
寸法公差、幾何公差共に厳しい精度が要求される製品ではありましたが、多数の加工実績で得たノウハウを活かして高品質加工を行いました。

本記事では、再生可能エネルギーについて、水力発電や風力発電などの発電方法の種類と、それぞれの仕組みや特徴、日本国内の現状と今後の課題について、当社の加工事例も併せて紹介しました。

再生可能エネルギーは、水力エネルギーや風力エネルギー、太陽エネルギー、地熱エネルギーなど様々な形態があり、これらは再生可能な地球環境への負担を軽減した、持続可能なエネルギー源です。

再生可能エネルギーの導入は、地球環境の保護だけでなくエネルギー安全保障や経済活性化など多くのメリットをもたらす人類にとって重要な役割を果たしています。

日本国内における現状は、近年徐々に拡大しています。特に、固定価格買取制度などの国・自治体による政策で急速に普及し始めていますが、一方で導入コストでの課題もあります。

近年の技術革新や政策の支援により、導入コストは年々下がっていますが。持続可能な社会を実現するために、私たちが持続可能な社会への投資や利用の拡大を積極的に推進する必要があります。

当社（株式会社関根鉄工所）は、再生可能エネルギープラント関連の製品加工実績が多数あり、日々ノウハウの熟練と蓄積に励んでおります。

再生可能エネルギー関連部品の製作で、お困りごとがございましたら、お気軽にご相談ください。