貯水池に浮かぶ太陽光パネル？乾杯だ

2010年代に太陽光発電の価格が85%も暴落したことで、もはや問題は「この技術を大規模に導入することが経済的に可能かどうか」ではなく、「どこに 太陽光パネルを設置できないのか」という点に移った。政府は住宅への設置を促すために減税措置を講じているが、空港周辺の空き地や見苦しい駐車場の空き地、あるいは屋上庭園や畑に設置してその下で作物を育て、電力と食料を同時に生み出すことも不可能ではない。

貯水池にたくさんのソーラーパネルを設置するのはいかがでしょうか？フロートボルタイクとも呼ばれる水上太陽光発電システムは、貯水池で既に発電されている水力発電を強力に補完するだけでなく 、日陰を作って蒸発を抑えることで節水にもつながります。

国際的な研究チームによる新たな研究は、大規模な浮体発電がどれほど有用であるかを示しています。研究チームは、世界各地の11万5000の貯水池の表面積の30%を覆うことで、年間9,434テラワット時の発電が可能になると試算しています。これは、米国全体の年間発電量の2倍以上であり、124カ国6,200以上の都市に電力を供給するのに十分な量です。

「年間9,434テラワット時の潜在能力は驚異的です」と、カリフォルニア大学サンタクルーズ校の環境エンジニアであり、本日 Nature Sustainability誌に掲載された論文の共著者であるJ・エリオット・キャンベル氏は述べている。「これは現在の太陽光発電量の約10倍に相当します。そして、太陽光発電は驚異的な勢いで成長しています。もしこれらすべてをどこに設置すべきかを考える時があるとすれば、それはまさに今です。」

フロートボルタイクスは陸上のソーラーパネルと同じように機能しますが、水に浮かんでいる点が異なります。各パネルは、浮力のある設置プラットフォーム上に設置され、ケーブルで水底に固定された、パネルのクラスター（島）です。パネルの列ごとに、作業員が電気系統のメンテナンスや点検を行うための通路が設けられています。

システムは当然のことながら錆びにくいように作られていますが、雨にさらされる陸上設置型のパネルも同様です。「電気システムは、屋上設置型や地上設置型のシステムと実質的に変わりません」と、世界中でフロート発電プロジェクトを展開するCiel & Terre USAの営業・マーケティングディレクター、クリス・バートル氏は言います。「私たちは、基本的にマリーナの世界から古い技術、つまりドックやブイなどを取り入れ、それを太陽光パネルを多数設置できる構造物の建設に応用しました。実にシンプルなのです。」

しかし、嵐や干ばつ時には貯水池の水位が劇的に変化するという、技術的な課題が加わります。強い潮流や風が吹くこともあります。そのため、システムは湖底に固定されているものの、アンカーラインにはたるみを持たせる必要があります。「たるみがあることで、島は風や波、水位の変動に合わせて移動することができます」とバートル氏は言います。

これらの島々は、本来であれば容赦ない太陽光にさらされるはずの水域を遮蔽します。世界中でこれらのパネルを導入すれば、年間3億人の生活に必要な水を節約できるという研究結果が出ています。貯水池の水は、実はフロート発電システムの太陽エネルギー利用効率を高めています。人間と同じように、太陽電池も過熱してしまうことがあるため、冷却効果も期待できます。

2021年、キャンベル氏は同じ原理に基づいた別の論文を発表した。カリフォルニア州が4,000マイルの運河システムに太陽光パネルを設置した場合、毎年630億ガロンの水を蒸発から節約し、州が脱炭素化目標を達成するために必要な新しいクリーンエネルギー容量の半分を供給できるという。

米国には大小合わせて約2万6000もの貯水池があり、総面積は2万5000平方マイル（約6万平方キロメートル）に及ぶため、大規模な水上発電の恩恵が特に大きいことが新たな研究で明らかになった。もし米国が貯水池面積の30%を水上パネルで覆えば、1900テラワット時のエネルギー（世界の潜在発電量の約5分の1に相当）を発電できると同時に、年間5兆5000億ガロン（約7兆6000億リットル）の節水が可能となる。

中国は年間1,100テラワット時の発電が可能で、これにブラジルとインドがそれぞれ865テラワット時と766テラワット時が続く。エジプトは100平方マイルの面積に水上発電設備を配備し、年間66テラワット時の発電量を確保しながら、年間2,000億ガロン以上の節水を実現できる。

さらにこの調査では、ジンバブエ、ミャンマー、スーダンを含む40の経済的発展途上国が、現在のエネルギー需要を上回る水上発電容量を有していることが明らかになりました。（ただし、これらの国が発展するにつれて、エネルギー需要は増加するでしょう。）

浮体発電のもう一つの利点は、多くの貯水池に水力発電ダムが整備されているため、太陽光発電で発電した電力を都市部へ送電するための電力インフラが既に整備されていることです。中国南方科技大学の曽振中氏は、この二つの電源は互いにうまく補完し合うと述べています。曽氏はこの論文の共著者です。「太陽エネルギーの断続性は、その発展における主な障害の一つです。水力発電は制御しやすいため、太陽光発電が機能しない夜間の電力不足を補うことができます」と曽氏は言います。「さらに、水力発電は、通常、太陽光発電と相性が良い風力発電と組み合わせることが可能です。」

気候変動によって西部諸州を襲っている歴史的な干ばつのような干ばつが激化する中、節水はますます重要になります。しかし、貯水池の水位が著しく低下し、水力発電量が減少したとしても、水上発電システムは依然として発電を続けます。（ただし、水力発電システムがない遠隔地の貯水池では、太陽光パネルを大規模な送電網に接続する必要があり、コストが増加する可能性があります。）

国立再生可能エネルギー研究所のエネルギー技術・政策研究者であるシカ・ガザンク氏は、フロートボルタイズはマイクログリッドともうまく連携できる可能性があると述べています。マイクログリッドは大規模な電力網から分離されており、太陽光発電でバッテリーを充電し、例えば夜間に建物に電力を供給することができます。「例えば、僻地に巨大な池がある場合、フロートボルタイズの導入は、他の僻地に太陽光発電とバッテリーを組み合わせたプロジェクトを適用するのと同じような効果をもたらす可能性があります」とガザンク氏は述べます。ガザンク氏は今回の論文には関与していませんが、査読を行いました。

ガザンク氏は、小規模コミュニティにも他の形で恩恵をもたらす可能性があると指摘する。地元の池に浮体式システムを設置することで水を節約でき、遠隔地を大規模な送電網に接続するよりも安価になる可能性がある。「送電網の拡張は非常に費用がかかります」と彼女は言う。

運河や貯水池の上にパネルを設置すれば、既に人間によって改変された空間を活用でき、巨大な太陽光発電所のために新たな土地を開墾する必要もありません。（フロートボルタイクスは、工業用池のような汚染された水域にも設置可能です。）「太陽光発電には、天然ガス発電所と同じ容量を得るために、約70倍の土地が必要です」と、カリフォルニア大学マーセド校の環境エンジニア、ブランディ・マッキン氏は述べています。マッキン氏はキャンベル氏と共に運河に関する論文を執筆しましたが、今回の研究には関与していません。「こうした野心的な気候目標を達成しつつ、生物多様性も保護していくためには、人工環境を活用したこうした解決策を真剣に検討する必要があります。」

近年、水上発電は小規模プロジェクトから、シンガポールのテンゲ貯水池のような広大な太陽光発電所へと発展を遂げています。この貯水池では、パネルはサッカー場45面分の面積を占めています。システムの規模が拡大するにつれて、「水域生態系を考慮し、潜在的な影響についてさらなる研究が不可欠です」とガザンク氏は言います。例えば、日陰が水生植物の生育を妨げたり、貯水池を休憩場所として利用する地元の水鳥や渡り鳥にパネルが問題を引き起こしたりする可能性があります。例えば、水上を自由に移動できる最適なパネル間隔があるかどうかを調べることは有益かもしれません。

これらのプロジェクトだけでは大都市全体に電力を供給することはできませんが、再生可能エネルギー革命が加速する中で、発電の多様化に貢献し、電力網のレジリエンス（回復力）を高めることができます。「エネルギーは非常に大きな問題であり、万能薬はありません」とキャンベル氏は言います。「エネルギー需要を満たすには、水上太陽光発電をはじめ、その他100以上のものが必要です。」