揚水発電とは？仕組み・メリット・日本の発電所をわかりやすく解説

「揚水発電って何？」「水力発電と何が違うの？」そんな疑問を持ったことはありませんか。

揚水発電は、高低差のある2つのダムを建設し、電力が余ったときに下のダムから上のダムに水をくみ上げて蓄え、電力が足りないときに上のダムから水を落として発電する仕組みです。揚水発電は「巨大な蓄電池」に例えられることもあります。

この技術は太陽光や風力などの再生可能エネルギーが急増する現代において、電力システムを安定させる重要なインフラです。

この記事では、揚水発電の基本的な定義と仕組み、通常の水力発電との違い、メリット・デメリット、蓄電池との比較、そして日本各地の主要発電所まで、幅広く解説しています。

揚水発電についての基礎知識をまとめて学びたい方は、ぜひ最後までお読みください。

揚水発電とは？

揚水発電は、水を上下に移動させることで電力を貯えたり取り出したりする発電方式です。発電するだけでなく「電力を蓄える」機能を持つ点が、他の発電方式にはない大きな特徴です。

揚水発電の基本的な定義

揚水発電とは、発電所の間に高低差のある2つのダムを作り、水を往復させることで、電力を貯えたり取り出したりする仕組みを持つ発電方式です。水力発電の一種ですが、単に発電するだけでなく「エネルギー貯蔵装置」としての役割を担う点が大きな特徴です。

電力需要が少ない時間帯には余剰電力を使って水を下のダムから上のダムへくみ上げ、需要が高まった時間帯には上のダムの水を落として発電します。この「電気を水の形で蓄える」という仕組みによって、現代の電力システムでは「巨大な蓄電池」と表現されることが多くなっています。

通常の水力発電との違い

通常の水力発電は、川の自然な流れやダムに貯めた水を一方向に利用して発電する「供給型」の電源です。降水量や季節によって水の流入量や貯水量が変わり発電量が変動するため、電力供給のコントロールには限界があります。

揚水発電との最大の違いは、「水をくみ上げる（揚水する）機能」を持つかどうかです。揚水発電は電力が余れば水をくみ上げ、電力が不足すれば水を落として発電する「双方向型」の電源です。自然条件に左右されず、電力需要のパターンに合わせて能動的に動かせる点が、通常の水力発電と根本的に異なります。

上部ダム・下部ダムを使った基本構造

揚水発電所は、標高の異なる「上部調整池（上部ダム）」と「下部調整池（下部ダム）」の2つのダムと、それらを結ぶ水路・発電施設で構成されます。

2つのダムの水位差から水路内の摩擦などのロスを引いた「有効落差」が、発電能力を左右する重要な要素です。発電出力は「流量×有効落差×効率」によって概ね決まるため、落差が大きいほど少ない水量で大きな電力を生み出せます。水路には高圧に耐える水圧鉄管が使われており、発電施設は地下深くに建設されることが一般的です。

たとえば、山梨県の葛野川発電所は有効落差714mを誇ります。これは東京スカイツリー（634m）を超える高さから水を落として発電していることになります。

揚水発電の仕組み

揚水発電は「水をくみ上げる（揚水）」と「水を落として発電する」という2つの動作を繰り返すことで機能します。この仕組みを支える機械にも、独自の工夫があります。

揚水：余剰電力で水をくみ上げる

揚水とは、電力需要が少なく発電した電力が余っている時間帯に、その余剰電力でポンプを動かして下部ダムから上部ダムへ水をくみ上げる工程です。

余った電力をそのまま系統に流し続けると、電力の周波数が乱れて安定性が損なわれます。揚水発電はその余剰電力を「吸収する役割」を担い、系統の安定を保ちます。

かつては夜間に原子力発電の余剰電力を使って揚水するのが一般的でした。しかし近年は太陽光発電の普及により、昼間に電力が余るケースが増えています。そのため、近年は昼間の太陽光余剰電力を活用した揚水も増えています。

発電：水を落として電気をつくる

発電は、上部ダムに貯めた水を下部ダムへ向けて一気に落とし、その勢いで水車を回すことで電気を生み出す工程です。

電力需要が急増する夕方や、太陽光発電の出力が落ちる時間帯に合わせて発電を行います。停止している状態から最大出力に達するまでの時間はわずか数分以内で、起動に数時間かかる火力発電とは対照的です。

この高い即応性のおかげで、他の発電所が突然停止した場合や、急激な需要増加が起きた場面でも素早く対応できます。

参考：揚水発電の課題と本勉強会への期待（東京電力リニューアブルパワー株式会社）

ポンプと水車はどちらの役割も担う

揚水発電所の核心にあるのが「ポンプ水車」と呼ばれる機械です。ポンプ水車とは、揚水するときはポンプとして水をくみ上げ、発電するときは水車として水の勢いを受けて回転するという、1台で2役をこなす機械です。

ポンプと水車の切り替えは、回転方向の切り替えや翼角度の調整によって、揚水と発電を切り替えられる構造になっています。

近年注目されているのが「可変速揚水発電システム」です。従来の定速型では揚水中の消費電力を変えることができませんでしたが、可変速型では回転数を制御することで消費電力の調整ができます。

この技術により、揚水発電は太陽光や風力の細かな出力変動にもリアルタイムで対応できる装置へと進化しています。

参考：可変速揚水発電システムの概要と導入効果について｜北海道電力株式会社

揚水発電の役割

揚水発電は「電力の貯蔵」と「需給調整」の2つの役割を担っています。その役割は時代とともに変化しており、現在はより幅広い場面で活躍しています。

電力を「水」として貯える役割（巨大な蓄電池）

電気は、そのままの形で大量に貯めることが難しい性質を持っています。この課題について、揚水発電は「電気を一度水の位置エネルギーへ変換して貯える」という方法で解決しています。

大規模な揚水発電所1箇所で、数百万kWh（GWh級）の電力を貯蔵することが可能です。現在普及している定置用リチウムイオン電池とは桁違いの容量です。

水は高い場所に置いてもエネルギーが自然に減るわけではないため、安定した長期保存ができる「巨大な蓄電池」になります。

また、数日間にわたる悪天候や燃料の供給停止といった非常時における「電力の備え」としても機能します。

参考：日本における蓄電池システムとしての揚水発電のポテンシャルとコスト｜低炭素社会実現のための社会シナリオ研究事業

ピーク時の電力供給（ピークシフト）

揚水発電の伝統的な役割は、「電力の時間移動（ピークシフト）」です。ピークシフトとは、電力需要が少ない時間帯に上部ダムに水を貯め、需要のピーク時（電力需要が高まる時間帯）に水を放出することで電力供給を安定させます。

原子力や石炭火力などのベースロード電源は、一定の出力で動かし続けるのが最も効率的です。しかし夜間は電力需要が少ないため、どうしても余剰電力が生まれます。揚水発電はその余剰電力で上部ダムに水をくみ上げ、昼間のピーク時に水を放流し発電させます。そうすることで、ピーク時に対応する高コストな火力発電所の稼働を抑え、電力システム全体のコストを下げることが可能です。

参考：今冬の電力需給見通し｜九州電力

再エネの出力変動を補う役割

現代における揚水発電のもう一つの重要な役割が、太陽光・風力などの再生可能エネルギーの出力変動に合わせて揚水・発電をすることです。

太陽光発電は昼間に大量の電力を生み出しますが、日没後は急激に出力が落ちます。この結果、日中は電力が余り、夕方に急激な立ち上げが必要になる「ダックカーブ現象」が起きます。揚水発電は昼間の余剰電力を吸収して水をくみ上げ、夕方以降に発電することでこのギャップを埋めます。

「つくった電気を無駄なく使うためのインフラ」として、揚水発電の重要性は年々高まっています。九州電力管内では太陽光の急増により余剰電力の「出力制御」が課題になっていますが、揚水発電による吸収がその緩和に貢献しています。

参考：揚水発電の特徴と仕組み｜九州電力

なぜ蓄電池だけでは代替できないのか

「蓄電池を増やせばいいのでは？」という疑問を持つ方もいるかもしれません。しかし、現時点では蓄電池だけで揚水発電の役割をすべて代替することは難しい状況です。

最大の理由は「貯蔵規模の差」です。揚水発電は1箇所でGWh級の電力を貯蔵できますが、現在の蓄電池ではその規模に届きません。また、蓄電池の耐用年数は10〜15年程度であるのに対し、揚水発電所のダムは50〜100年以上の耐用年数を持ちます。現時点で、長期間・大規模に電力を安定して調整し続けるという点では、揚水発電に優位性があります。

蓄電池は工場や自治体レベルでの小規模な調整に向いており、揚水発電は国レベルの大容量調整に向いているため、それぞれに役割の住み分けが必要です。

参考：読者からの質問と回答｜建設部土木局河川砂防課

揚水発電のメリット

揚水発電には、他の発電・蓄電技術と比べて優れた点が複数あります。電力システムにとって欠かせない存在として評価される理由を整理します。

大規模な電力を貯蔵できる

揚水発電の最大の強みは、圧倒的な貯蔵規模です。大規模な揚水発電所1箇所で数百万kWの出力を数時間にわたって継続できる能力は、現在の定置型蓄電池容量の比ではありません。電力の需要と供給のバランスを国全体で調整するためには、この「大規模さ」が不可欠です。小規模な蓄電池を多数設置しても、揚水発電1箇所分の貯蔵容量を賄うことは現時点では現実的ではありません。エネルギーを大量に・長期間・安定して保存できる点は、揚水発電ならではの強みです。

数分で発電できる即応性

揚水発電は、停止している状態から最大出力に達するまで、わずか数分以内という即応性も大きな強みです。

火力発電が起動に数時間を要するのとは対照的で、急な電力需要の増加や他の発電所のトラブルにも素早く対応できます。電力システムには発電量と消費量を常に一致させる「同時同量」の原則があり、ズレが生じると周波数が乱れて停電につながります。東日本では50Hz・西日本では60Hzという周波数を常に維持する必要があり、揚水発電はその需給バランスを調整する最重要な施設になります。

2022年3月に東日本で電力需給が逼迫した際も、揚水発電が限界まで稼働することで大規模停電の回避に大きく貢献しました。

参考：電力需給ひっ迫を乗り切る“最後の砦”！存在感を増す「揚水発電」に託される新たな役割｜東京電力報

CO2排出が少ない

揚水発電は、発電時に燃料を燃やす工程がないため、発電時は直接的なCO2排出はありません。揚水に使う電力が太陽光や風力などの再生可能エネルギー由来であれば、貯蔵から発電までの全工程でCO2排出量を大幅に抑えることが可能です。

また、ダムという土木構造物の耐用年数は50〜100年以上で、機械設備も適切なメンテナンスで数十年の稼働が可能です。化学物質を使う蓄電池と異なり、廃棄時の環境負荷が極めて小さい点も、長期的な視点でのクリーンさにつながっています。

揚水発電のデメリット・課題

揚水発電には大きな強みがある一方で、克服が難しい構造的な課題も存在します。導入や維持を考える上で、把握しておきたいポイントを整理します。

エネルギー効率（約65〜75%）

揚水発電は、水をくみ上げてから発電するまでの間に、必ずエネルギーロスが発生します。くみ上げに使った電力に対して、発電で取り出せる電力は約65〜75%程度にとどまります。残りの25〜35%はポンプ水車の摩擦・水路の圧力損失・発電電動機の電気的損失などで失われます。
参考：第3部 供給力｜電力広域的運営推進機関

このため、揚水発電を経済的に成り立たせるには、揚水時の電力単価と発電時の電力単価に1.4倍程度以上の差が必要です。再生可能エネルギーの普及により電力価格の変動が大きくなる中で、この価格差をいかに確保するかが運用上の課題のひとつになっています。

参考：電力のピンチを救え！大活躍する「揚水発電」の役割とは？｜資源エネルギー庁

建設コストと立地制約

揚水発電のもう一つの大きな課題が、巨額の初期投資と立地条件の制約です。

建設コストは数千億円規模に達することもあり、建設にも長い年月がかかります。また、揚水発電は設置できる場所の制限が厳しく、高低差のある山間部と強固な地盤が必要です。

日本国内では揚水発電の増強のため、既存ダムを活用して揚水機能を追加する「新揚水」や既設の増強工事が進んでいます。

大規模なダム建設にともなう環境への影響についても、丁寧な配慮が欠かせません。こうした課題を踏まえながら、既存インフラを最大限に活用して揚水発電を維持・拡充する取り組みが各地で進んでいます。
参考：建設中の水力発電｜資源エネルギー庁

揚水発電と蓄電池の違い

揚水発電と蓄電池はどちらも「電力を貯える」技術ですが、その仕組みや得意とする領域は大きく異なります。両者の違いを理解することで、それぞれの役割がより明確になります。

仕組みの違い

揚水発電は、水を高い場所に移動させることで電力を「物理的に」貯える仕組みです。電気を位置エネルギーへ変換し、必要なときに水を落として再び電気に戻します。化学反応を使わないため、何度充放電を繰り返しても性能が劣化しにくいという特性があります。

一方、蓄電池はリチウムイオン電池などの「化学反応」を利用して電気を貯える仕組みです。充放電を繰り返すたびに内部で化学的な変化が起き、10〜15年ほどで性能が低下するため定期的な交換が必要になります。

コストと規模の違い

揚水発電は初期建設コストが数千億円規模と非常に大きいものの、一度建設すれば50〜100年以上にわたって稼働できます。蓄電池より長寿命であるため、長期的なコストを抑えやすいです。また、GWh級という桁違いの貯蔵規模を持つため、国全体の電力調整に対応できます。

蓄電池は初期コストが比較的低く、家庭用・小規模なものであれば数週間〜数ヶ月程度での設置が可能です。工場・自治体・家庭といった小規模な用途に向いており、地形を選ばずどこにでも設置できる柔軟性があります。

どちらが主流になるのか

揚水発電と蓄電池は「競合」ではなく「カバーし合う」関係にあります。国レベルの大容量・長期調整は揚水発電が担い、企業・地域レベルの小規模・迅速な調整は蓄電池が担うという住み分けが進んでいるからです。
今後、蓄電池の技術革新によってコストが下がり大規模化が進めば、両者の役割は変化する可能性もあります。しかし現時点では、大規模な電力調整において揚水発電の代替となる技術は存在しておらず、当面は両者が連携しながら電力システムを支えていくと考えられています。

日本の主な揚水発電所と特徴

日本は山岳地帯が多い地形を活かし、世界有数の揚水発電大国として発展してきました。現在、全国で約40箇所の揚水発電所が稼働しており、総出力は約2,700万kWに達します。

神流川発電所（群馬・長野）｜世界最大級の規模（計画値）

群馬県と長野県にまたがる神流川発電所は、東京電力リニューアブルパワーが建設を進める揚水発電所です。全設備が完成した際の最大出力は282万kWを予定しており、世界最大級の規模になります。

上部ダム（南相木ダム）と下部ダム（上野ダム）の落差は653mで、発電施設は地下500mという深さに建設されています。現在は1号機・2号機（各47万kW）が稼働しており、3号機以降の整備が順次進められています。首都圏の大規模な電力需要を支えるバックアップ電源として、日本の電力供給の根幹を担う施設です。

参考：代表的な水力発電所｜東京電力リニューアブルパワー株式会社

葛野川発電所（山梨）｜有効落差714mで日本一

山梨県にある葛野川発電所は、有効落差714mという日本最大の落差を誇る揚水発電所です。東京電力リニューアブルパワーが運営しています。

有効落差が714mと大きく少ない水量で大きな出力を得られるため、設備のコンパクト化と効率向上を両立しています。最大出力は160万kWで、この高水圧に耐える高度な技術が投入されており、日本の揚水技術の高さを示す施設です。

参考：代表的な水力発電所｜東京電力リニューアブルパワー株式会社

奥多々良木発電所（兵庫）｜国内最大出力

兵庫県にある奥多々良木発電所は、関西電力が運営する揚水発電所で、現在稼働中の施設としては日本最大の最大出力193.2万kWを誇ります。

6台のポンプ水車を備え、関西エリアの電力需給調整において中心的な役割を果たしています。1970年代から稼働を続けており、長年にわたる安定した実績は揚水発電の信頼性を象徴しています。

参考：主な水力発電所｜関西電力

その他の主要発電所（俣野川・小丸川・新高瀬川・奥清津第二など）

日本全国には上記以外にも多くの揚水発電所が稼働しています。

鳥取県の俣野川発電所（中国電力）は西日本最大級の施設です。宮崎県の小丸川発電所（九州電力・120万kW）は九州最大で、再生可能エネルギーの調整拠点として機能しています。長野県の新高瀬川発電所（東京電力リニューアブルパワー・128万kW）は、上部調整池に高瀬ダムと下部調整池に七倉ダムを設けた有効落差229mの施設です。新潟県の奥清津第二発電所（電源開発・160万kW）は、日本で初めて可変速揚水発電機を本格導入した先進的な施設として知られています。

揚水発電の今後｜再エネ時代にどうなる？

再生可能エネルギーの導入拡大が進む中、揚水発電の役割はさらに大きくなっています。技術・制度・市場の3つの面から、今後の方向性を見ていきます。

再生可能エネルギー拡大での役割

日本政府は2030年度の電源構成で再生可能エネルギーの比率を36〜38%とする目標を掲げています。太陽光・風力のような変動型再生可能エネルギーの比率が高まるにつれて、系統の安定維持がより難しくなるため、大規模な電力調整能力を持つ揚水発電が欠かせません。

九州電力エリアでは太陽光発電の急増に伴い、揚水運転の頻度が大幅に増加しています。今後は高度な需要予測技術と組み合わせ、揚水・発電のタイミングをデジタル技術で最適化する取り組みも進むと見られています。

参考：九州エリアにおける再生可能エネルギー導入に向けた取組みについて｜九州電力送配電株式会社

国の政策と投資動向

2023年度から「長期脱炭素電源オークション」が始まり、揚水発電への投資環境が大きく整いました。この制度は、脱炭素電源への新規投資や大規模改修に対して20年間にわたって固定費の回収を保証し、長期的な投資の見通しを立てやすくするものです。

第1回オークションから揚水発電が対象に組み込まれたことで、既存設備の長寿命化や一度止まっていた建設プロジェクトの再開への道が開かれました。日本のGX（グリーントランスフォーメーション）推進における重要な制度的一歩として、今後の投資動向に注目が集まっています。

参考：長期脱炭素電源オークションを知ろう！｜電力広域的運営推進機関

蓄電池との関係

蓄電池の技術革新は急速に進んでおり、コストの低下と大規模化が続いています。将来的には蓄電池が揚水発電の一部の役割を担う場面が増える可能性もあります。

しかし、GWh級の大容量貯蔵・50年以上の耐用年数・既存インフラとしての実績という点では、当面は揚水発電が電力システムの根幹を担い続けると考えられています。蓄電池との連携・住み分けを進めながら、日本の電力網を安定して支えていく存在として、揚水発電の位置付けはより重要になっていくでしょう。

まとめ：揚水発電は再エネ時代に欠かせない「巨大な蓄電池」

揚水発電は、上下2つのダムの間で水を往復させることで電力を貯えたり取り出したりする、日本の電力システムを支える重要なインフラです。

その特徴は、発電時にCO2を排出しない環境性、数分で最大出力に達する即応性、そして大規模な電力を長期間にわたって貯蔵できる点が大きな強みです。

一方で、エネルギー効率や建設コスト・立地制約といった課題もありますが、再生可能エネルギーの導入が進む現在、電力を安定的に供給するための重要な手段として、揚水発電の役割は今後さらに注目されていくでしょう。