「ハイブリッドダム」の普及拡大に向けて―既設ダムへの水力発電設備導入調査・設計業務を例に―な れ ん ど らどん

ごる

やまもと

Narendra DONGOL 1・山本けんじ

たまき憲司1・玉置1 株式会社長大 社会創生事業本部 新エネルギー技術部（〒104-0054

こう たまつい皓大1・松井てつお

哲夫1

東京都中央区勝どき 1 丁目 13-1）「ハイブリッドダム」は， 国交省が懇談会を立上げ，「①ダムの運用の高度化」，「②既設ダムの発電施設の新増設」，「③ダム改造・多目的ダムの建設」に大別して，その取組を加速しているところである．本論文では，「ハイブリッドダム」を取り巻く最新動向を整理するとともに，他の水インフラである「農業用水路」，「浄水場」，「砂防ダム」等での発電設備導入事例と比較することで，2050 年カーボンニュートラル社会実現の観点から，ハイブリッドダムの特徴，メリット・デメリット，課題等を提示する．
Key Words: ハイブリッドダム，水インフラ，小水力発電，2050 年カーボンニュートラル1. ハイブリッドダムの動向(1) ハイブリッドダムを取り巻く最新動向
ハイブリッドダムは気候変動への適応及び 2050 年カーボンニュートラルへの対応策の 1 つとして，国土交通省において，その取組が推進されているところである．ハイブリッドダムは，治水機能の強化と水力発電の促進を両立するだけでなく，ダムが立地する地域の振興策としても期待されている．
ハイブリッドダムの取組は，大別すると「①ダムの運用の高度化」，「②既設ダムの発電施設の新増設」，「③ダム改造・多目的ダムの建設」の 3 つに区分される１）．その中で「②既設ダムの発電施設の新増設」については，現在，国土交通省が管理しているダムのうち，3 つのダムを対象にケーススタディが実施されようとしている．そのケーススタディ結果を踏まえ，民間事業者等の参画方法や最適な事業スキームを検討するとともに，他のダムへの水平展開を図ることが計画されている．
表－ 1「既設ダムの発電施設の新増設」のケースス
タディ対象の 3 つのダム
湯西川ダム（栃木県）
河川名湯西川
ダム管理者
関東地方整備局
75,000 千 m3
総貯水容量発電施設の有無
有（管理用発電）

尾原ダム（島根県）
河川名ダム管理者
総貯水容量発電施設の有無
野村ダム（愛媛県）
河川名ダム管理者
総貯水容量
発電施設の有無斐伊川中国地方整備局
60,800 千 m3
無肱川
四国地方整備局
16,000 千 m3
有（管理用発電）(2) 既設水インフラを活用した水力発電の例
ハイブリッドダムでは，既設の多目的ダムを改良する形で発電を行う．ハイブリッドダムと同様に既設の水インフラを活用した水力発電として，「農業用水路」，「上下水道」，「砂防ダム」などを活用した発電の例がある（表－ 2 参照）．
農業用水路では，水路の空き容量を活用して発電を行うが，既得水利権との調整が必要である．上下水道では，既存施設に発電設備を設置するが，飲料水としての安全性確保が課題となる．砂防ダムでは，ダムの落差を利用して発電するが，堆砂容量の確保やダム堤体への影響を考慮する必要があるといった課題がある．
(3) ハイブリッドダムのメリット・デメリット
他の水インフラを活用した発電と比較して，ハイブリッドダムの発電には特徴的なメリット・デメリ
ットがある．
メリットとしては，既設ダムを活用することで新規の取水施設が不要となり工事費が大幅に削減できる点が挙げられる．デメリットとしては，発電用途のない既設ダムにおいては発電設備の設置スペースの確保が課題となる．これに加え，ダムの提体への影響も考慮して計画する必要がある．さらに，施設設置においての改造・新設・運用には専門的な技術と知識が必要となる．

まで削孔し放水路を築造，制御盤は事務所に設置する計画とした．
本プロジェクトの発電所諸元は表－ 3 に示すとおりである．本プロジェクトの全体平面図及び発電設備平面図は図－ 1 と図－ 2 に示すとおりである．
本プロジェクトの最終案を確定するため，3 つのルートの比較検討を行なった．検討内容を表－ 4 に示す．

表－ 2 既設水インフラを活用した発電例
種類
農業用水路

上下水道

砂防ダム

多目的ダム

メリット新規の取水設備が不要なため工事費が安価．
新規の取水設備が不要なため工事費が安価．
浄水場，配水池の敷地内で設置できるケースが多く発電設備用のスペー
ス確保が容易．
既得水利が混在していないため許認可が容易．
落差と流量が確保しやすくポテンシ
ャルが高い地点が多い．
工事費が安価（取水設備が不要）．
落差と流量が確保しやすくポテンシ
ャルが高い地点が多い．

デメリット
既得かんがい用水の水利権との調整が必要．
飲料水としての安全性の確保が課
題．
採算性が確保しづらい．
下水道の場合は落差が確保しづらい．
当比較の中では工事費が高価．
堆砂容量の確保．
ダム堤体への影響の考慮が必要．

表－ 3 発電所諸元
項目

諸元

有効落差
最大使用水量
出力
発電電力量
水車型式
発電機型式

47.2m
0.65m3/s
232kW
1218.6MWh
インラインフランシス
誘導発電機

取水口
利水放流トンネルを経由する導水路ルート
バルブ室
左岸連絡通路既存ダム

発電用途のないダムの場合の設備設置スペースが課
題．
ダム堤体への影響の考慮が必要．

発電所予定地図－ 1 全体平面図
左岸連絡通路2. ハイブリッドダムの弊社取組事例―既設ダ水車発電機

ムへの水力発電設備導入調査・設計業務―(1) 対象ダムの概要
本業務で対象としたダムは，洪水調節，灌漑，上水道，流水の正常な機能の維持を目的とした東北地方に位置する多目的ダムである．
本業務では，ダムの構造，取水地点，バルブ室，利水放流トンネル，発電所予定地の地形，地質及びダム放流量を把握したうえで，発電規模や水車・発電機の配置について複数案の比較検討を行い，最適案を選定した．さらに，その結果をもとにした詳細設計を実施した．
本ダムで導入予定の小水力発電所は，以下「本プロジェクト」と記す．
(2) 業務概要
本プロジェクトの最終案では，バルブ室内非常放流系統マンホールから取水し，左岸連絡通路の待避所へ水圧管路で導水を行い，待避所を拡幅して水車発電機放水庭を設置，待避所から利水放流トンネル

水圧鉄管
排水管
バルブ室
利水放流トンネル

図－ 2 発電設備平面図
表－ 4 ルートの比較検討
案-1

案-2

案-3

発電所
位置

利水放流トン
ネルの出口

バルブ室の近傍

水車型式

フランシス水車
誘導発電機
57.6 m

バルブ室の近傍
インライン
フランシス水車
誘導発電機
47.2 m0.44 m3/s

0.65 m3/s

0.65 m3/s

199 kW

232kW

195 kW

概要

発電機型式
有効落差
最大
使用水量
出力

ポンプ逆転
水車
同期発電機
45.0 m

発電電力量
概算工事費
発電単価
総合評価

1,455.6 MWh 1218.6MWh 821.6 MWh
679.4 百万円 405.5 百万円 254.7 百万円
466.7 円
332.7 円
310.0 円/kWh/kWh/kWh△〇△

比較検討の結果，案-3 の発電単価が最も優位であったが，ポンプ逆転水車はダム設備への導入実績がなく安全性に課題があった．そのため，発注者との協議の結果，実績が多数ある案-2 を採用することとした．案-2 の採用により，案-1 と比較した場合の鉄管延長が約 410m から約 20m に削減され，発電所建屋の設置も省略することができた．
(3) 課題と解決策
本プロジェクトの主な課題は，水車と発電機を設置できる場所が非常に狭いことであった（図－ 3 参照）．本
来，発電用途を有していない既存ダムであるため，設置スペー 図－ 3 狭隘な発電機設置箇所
スに限りがあることから，省スペースでも導入可能な水車を採用した．
具体的には，最大出力 232kW のインラインフランシス水車（省スペース対応可）を採用することした．
インラインフランシス水車の調達期間は通常のフランシス水車とあまり変わらず製作期間 30 ヶ月程度である．
さらに，狭いスペースで機器設置を行うため，トンネル工事が必要であり，狭いスペースでも可能な施工方法の検討が課題になった．
トンネル部の施工は，トンネル拡幅と放水路の施工に分けられる．トンネル拡幅工事の掘削はブレーカーで破砕し，バックホウまたはホイルローダでズリ集積し 2t ダンプトラックに積み込んで運搬搬出することとした．現地の地盤は，凝灰岩軟岩Ⅱ級であることからブレーカーでの掘削が可能と考えられた．しかし，岩が硬くて破砕しにくい場合は静的破砕材等を使用することとした．
放水路の施工にはベビーモール工法を 2選定した．ベビーモ ｍール機の概要を図－ 以内
4 に示す．
ベビーモール工法
は推進工法の一種
図－ 4 ベビーモール機
で，小型軽量で強力な推進力と回転力を備えており，今回の待避所のような狭い場所から自由な角度で削進作業が出来る．
またコンクリートや凝灰岩，鉄筋コンクリートのある場所でも切断，削進が出来る為，放水口削孔に対応可能である．

3.

ハイブリッドダム普及の社会的意義(1) CO2 削減単価の評価
前述した事例は，既設ダムを活用した水力発電の開発事業であり，新たな土地の改変が生じないため，環境社会面での追加的な影響が発生しない．さらに再生可能エネルギーの導入による CO2 排出量の削減といった 2050 年カーボンニュートラル達成に向けて大きな社会的意義を有している．
本項においては，ハイブリッドダムの CO2 削減効果をより分かり易く示すため，他の水インフラ設備における水力発電の導入による効果との比較を行った．
水インフラ種別での CO2 削減単価の評価結果を表－ 5 に示す．なお，年間発電電力量及び工事費は，当社が関与した水力発電事業における設計成果に基づくものであり，CO2 削減量は東北電力の 2022 年度における CO2 排出係数 0.46kg-CO2/kWh2) により試算した．
表－ 5 水インフラ種別での CO2 削減単価
農業
上下
砂防
多目的用水
水道
ダム
ダム
出 力
535 kW
79 kW
180 kW
232 kW
年間発電
2,879.0
700.8
834.4
1,218.6
MWh/年 MWh/年 MWh/年 MWh/年
電力量
CO21,324.3
322.4383.8560.6
削減量t-CO2t-CO2t-CO2t-CO2715.8
326.2
685.1
405.5
概 算
百万円
百万円
百万円
百万円
工事費
248.6
465.5
821.0
332.7
発 電円/kWh円/ kWh円/ kWh円/kWh
単 価
CO2 削減540.4
1,012.0
1,784.9
723.3円/kg-CO2 円/kg-CO2 円/kg-CO2 円/kg-CO2単 価
種 類

多目的ダムにおける CO2 削減単価は，723.3 円/kgCO2 となった．農業用水が 540.4 円/kg-CO2 と最も安価となり，砂防ダムが 1,784.9 円/kg-CO2 と最も高価という結果であった．
この結果から，CO2 削減単価が安価となる要因として，出力規模が大きいことが重要であることがわ
かる．中規模以上の水力発電と比較して小水力発電は，全体の事業費に対して工事費が占める割合が高い．このような特徴が，この結果から明らかとなった．
一方，CO2 削減単価が高価となる要因としては，発電設備の工事費の増大である．表－ 5 に示した砂防ダムの事例においては，既設砂防ダムに導水路・沈砂池・水圧管路・発電所といった水力発電に関する主要設備の多くを新設する必要があった．したがって，他の水インフラ設備と比較して工事費が割高になったことが CO2 削減単価の増大につながったものと考えられる．
設備への水力発電設備の導入に向けては，出力規模の確保に加えて，既存のインフラを最大限に活用し，発電設備の新設を極力抑えた経済的な計画が重要であると言える．
(2) ハイブリッドダムの普及による CO2 削減効果
本項においては，既設ダムへ水力発電設備を新増設した場合におけるハイブリッドダムの普及によるCO2 削減量を試算した．既設ダムの数及び水力発電設備の設置状況 3) を表－ 6 に示す．
表－ 6 既設ダムの数及び水力発電設備設置状況CO2 削減量は，ダム 1 箇所当たりの年間発電電力量に CO2 排出係数を乗じることにより試算する．都
道府県管理及び水資源機構管理のダムは本稿にて紹介した事例に基づき，1,218.6MWh/年/箇所と仮定す
る．国土交通省管理のダムは，現在進められるハイブリッドダムの先行事例に基づき，現段階での尾原
ダ ム の 有 力 案 に お け る 発 電 規 模 4) よ り ，6,000.0MWh/年/箇所と仮定する．結果を表－ 7 に示
す．

多いハイブリッドダムに関しては，建設コンサルタントの総合的な技術力の発揮が期待される．
さらに，2050 年カーボンニュートラル実現に向けては，マスタープランの策定や，再生可能エネルギー設備の導入だけでなく，運輸・物流部門での取組，資源循環の取組，コンパクト・プラス・ネットワーク等による脱炭素型まちづくりといった広域での取組など，様々な主体が連携し，幅広い取組が進められているところである．また，2050 年までに，その事業ステージは，刻々と移り行くものと予想される．
このような一連の事業に，建設コンサルタントは，計画策定段階から一貫して関与することが期待される．特にハイブリッドダムのような複合的な事業においては，事業の円滑な推進に向け，多様なパーティが連携していくことが重要である．本論文で取り上げたプロジェクトにおいても，行政だけでなく，発電機メーカーや施工会社との調整を当社が行う場面に度々遭遇した．建設コンサルタントにとっては，そのようなパーティ間のコーディネイトや事業全体のマネジメントなども新たな事業領域になるものと想定される．
2030年
事業
ステージ

計画策定 FS 事業化

2040年
運営維持管理水平展開

2050年

モニタリング

行政（国・地方公共団体）

表－ 7 ハイブリッドダム普及による CO2 削減量
管理者

国土交通省

水資源機構

都道府県

106 箇所
24 箇所
443 箇所
全ダム数
1 箇所当たり
6,000.0
1,218.6
1,218.6
年間発電
MWh/年/箇所 MWh/年/箇所 MWh/年/箇所
電力量
63.6
2.954.0
年間発電万 MWh/年 万 MWh/年 万 MWh/年電力量29.3
1.324.8
CO2 削減量
万 t-CO2万 t-CO2万 t-CO2

上記に示すとおり，既設ダムへの水力発電設備の新設により，合計で約 55.4 万 t-CO2 もの CO2 削減効果があると推計され，一般家庭（2.59t-CO2/世帯）5)の約 21.4 万世帯分の CO2 削減が期待できる．特に，都道府県管理の既存ダムは，半数以下が水力発電設備未導入であるため，今後のハイブリッドダムの普及が期待される．

4.

主な事業者

今後の展開に向けて社会資本整備においては，少子高齢化や既設インフラの老朽化といった問題に直面して久しい．そのような成熟社会を迎えた我が国の建設コンサルタン
トにとって，既設インフラの有効活用策の提案は，最優先事項の一つであると考える．その中でもカーボンニュートラルへの貢献度合いも大きく，本論文で示したように，設置スペースの問題などの課題も建設コンサル
業務

建設コンサル
地元有力企業
電力会社
施工会社、メーカー 等
計画策定 FS 設計

維持管理モニタリング

パーティ間のコーディネート、事業全体のマネジメント

図－ 5 建設コンサルタントの役割と課題

参考文献1)
2)
3)

4)

5)

国土交通省，資料 1 ハイブリッドダムについて―今年度の検討内容とりまとめ―，令和 6 年 2 月 1 日
東北電力グループ：東北電力グループ サステナビリ
ティレポート 2023，pp. 17，2024 .
国土交通省 水管理・国土保全局 河川計画課 河川計画調整室長 石川 博基，ハイブリッドダムの取組と今後の展開，国際環境経済研究所(IEEI)，2023.11
和田守 真也，栂野 秀明，山下 幸一郎：尾原
ダム水力発電ハイブリッド計画中間報告，2024.
環境省，令和 4 家庭部門の CO2 排出実態統計
調査結果について確報値，pp. 1 ，令和 6 年 3月