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海洋エネルギー発電技術の現状と展望

2011年 8月 9日

遊亜戈

遊亜戈(You Yage): 中国科学院広州エネルギー研究所海洋エネルギー実験室 主任、研究員

1956年3月生まれ、1988年にハルビン工程大学船舶構造力学専攻で工学修士を取得。1988年から波エネルギー利用関連の研究を始め、十数件の国家科学技術計画プロジェクトを担当・完了、波 エネルギー発電装置2基、波エネルギー発電所1カ所、波エネルギー、風力エネルギー、太陽発電装置からなる海島再生可能独立発電所1カ所の建造に従事。

共著者: 李 偉、劉 偉民、李 暁英、呉 峰

はじめに

 海洋エネルギーとは、海水を拠り所とするエネルギーをいう。海洋は様々な物理・化学プロセスを通じてエネルギーを受容、貯蔵、発散しており、こうしたエネルギーは波、海流、潮汐、温 度差といった形式で海洋中に存在している。

 海洋エネルギーはクリーンな再生可能エネルギーで、その開発と利用はエネルギー危機や環境汚染問題の緩和に重要な意義があることから、世界的な注目を集め、大 きな支援のもとで海洋エネルギー発電技術の開発が進められてきた。各国の科学技術者の努力により、海洋エネルギー発電技術はここ数年、飛躍的な進歩を遂げ、試験発電所が次々と商業化されている。近い将来、海 洋エネルギー発電技術がますます成熟するのに伴い、さらに多くの海洋エネルギー発電システムがネットワーク接続され運用されるだろう。海洋の量は巨大で、海 洋エネルギーがエネルギー供給の重要な構成部分となるのは間違いない。

 本稿では各種海洋エネルギー発電システムの主な技術原理や特徴、技術発展の現状を総括、評価し、最後に海洋エネルギー利用の意義と展望を明らかにする。

1 波エネルギー発電システム

 通常の波エネルギー発電システムは波エネルギー吸収装置及びエネルギー変換(Power Take-Off)装置からなる。波エネルギー吸収の原理に基づくと、現 在の世界の波エネルギー利用技術は振動水柱技術、振り子式技術、ラフト式技術、タプチャン技術、ポイント・アブソーバー(振動浮き)技術、ソルターカム式技術等に分けられる。

1.1 振動水柱技術

図1

図1 振動水柱波エネルギー装置のイメージ図

 振動水柱(Oscillating Water Column、OWC)は空気室を通じて波エネルギーを吸収する(図1)。波の作用下で空気室の水柱が上下に振動し、空 気室内の空気を通じて対称翼型タービン発電機を駆動して発電する。長所は転換装置が海水と接触しないため、安全でメンテナンスが便利な点だ。欠点は二次エネルギー変換効率が低い点にある。

 ここ数年に建設された振動水柱式波エネルギー装置には、英国の500kW固定式発電所LIMPET(図2)、ポルトガルの400kW固定式発電所、オーストラリアの500kW浮体式装置(図3)、中 国の100kW固定式発電所などがある。研究中のものには英国の浮体式装置SPERBUOYやMRCがある。

図2、3

図2 LIMPET発電所(英国500kW) 図3 振動水柱装置(オーストラリア、500kW)

1.2 振り子式技術

 振り子式には、PendulumとBottom Hingedの二種類がある。振り子板が波の作用下で前後に揺れ、液圧シリンダー、アキュムレータ、油圧モーター、発 電ユニットからなる液圧式エネルギー転換装置を駆動して電力を得る。Pendulumの連結点は水面上に、Bottom Hingedの連結点は海底に位置する。振 り子式技術の長所は構造が簡単で製造しやすい点だが、欠点は波エネルギーを捕集すると同時に波を立てるため、効率が低下することである。建設された振り子式装置としては日本の5kW Pendulumや400kW海底固定式装置Oysterがある(図4)。

図4

図4左:Pendulum、右:Bottom Hinged

1.3 ラフト式技術

 ラフト式(Raft、図5)技術は接続された複数の筏体で波エネルギーを捕集する。ラフト式装置は波の向きに沿って配置され、隣 り合ったラフトが波の動きによって生じた角度を運動に変えて液圧式エネルギー転換装置を駆動し発電する。図 5のような伝統的なラフト式技術は斜めの波により連結部分の受ける力が大きすぎて破壊されることが多いため、2つの角変位自由度を持つ改良式ラフト式が開発され、耐久力が大幅に向上した。欠 点は装置を波の向きに沿って配置するため、垂直波に沿って配置する装置より効率単位の材料使用量が大きくなり、製造コストが大きくなりがちな点である。

図5

図5伝統的なラフト式波エネルギー装置イメージ図

 現在存在するラフト式装置には英国の波ポンプMcCabe Wave Pump(図6)やスコットランドの波力発電装置Pelamis(海蛇)(図7)がある。前 者は単独自由度連結の伝統的なラフト式装置で、後者は複数自由度連結の改良ラフト式装置だ。3つの海蛇装置からなる波エネルギー発電所がポルトガル北部で商業運用されている。

図6、7

図6 波ポンプ(英国、400kW) 図7 海蛇式波力発電システム(英国、750kW)

1.4 タプチャン技術

 タプチャン(Tapchan)装置はタプチャン(TAPCHAN:Taped Channel Power Plant)を利用して波の一部分を高位のダムに導き、水流エネルギー(水力)に 変えた上でタービン発電機を利用して発電するものである(図8)。長所は一次変換に可動部品がなく、信頼度が高く、メンテナンス費用が小さく、大波の時もシステムの出力が安定している点である。

図8

図8 タプチャン装置イメージ図

 現存するタプチャン発電所にはノルウェーの350kW沿岸固定式装置(図9)やデンマークの20kWの浮体式装置Wave Dragon(図10)がある。前者は地形面での要求が高く、普及が難しい。後 者は波の状況に応じて高位ダムの高度を調節可能で、タービン起動圧力は水頭が0.2mなので、波の状況に対する適応性が高い。欠点はサイズが巨大で建造が難しい点である。現在Wave Dragonはデンマーク北部Nissum Bredningの海湾で長年にわたる海での発電試験を実施中で、中国とアイルランドで同技術の普及を計画中である。

図9、10

図9 タプチャン装置(ノルウェー、350kW) 図10 Wave Dragon(デンマーク、20kW)

1.5 ポイント・アブソーバー(振動浮き)技術

 ポイント・アブソーバー(Point Absorber)式装置は水面や水面下の浮きを利用して波エネルギーを吸収、液圧転換装置や機械転換装置、リニアモーターを通じて発電する(図11)。ポイント・ア ブソーバー技術は効率が高いが、波への抵抗力が弱い。

現在存在するポイント・アブソーバー式装置には英国のAquaBuOY、米国のPowerBuoy(図12)、オランダの Archimedes Wave Swing(AWS)がある。

図11、12

図11 ポイント・アブソーバー装置イメージ図 図12 PowerBuoy(米国、40kW)

1.6 ソルターカム式技術

 ソルターカム式装置は英国のSalter教授が発明した、特殊な外形を持つ波エネルギー装置である(図13)。同装置はある種の方法で結ばれた支柱軸と軸の周りを往復回転するフロー室(通称ダック)を 持ち、ダックを通じて波エネルギーを吸収する。ダックの断面後部はアーチ型、中心は軸心に位置し、支柱軸は波に対して垂直方向に設置される。波の作用の下で、ダックと支柱軸間の液圧転換装置を駆動して発電する。 

 ソルターカム式装置は多くの波に対して高い転換効率を持つが、波への耐久力の向上が待たれる。最近建造されたソルターカム式装置には中国科学院広州エネルギー研究所の10kW浮体式装置がある(図14)  。

図13、14、

図13 ソルターカム式装置イメージ図 図14 中国10kW浮体式ソルターカム式装置

2 潮流エネルギー、海流エネルギー技術

 潮流エネルギー発電装置はタービン回転軸と水流方向の空間関係に基づき平行軸(Axial flow)式と垂直軸(Cross flow)式の2つの構造に分類できる。作 動原理はブレードへの水流の作用力を利用してベーンホイールを駆動し、発電機で発電する。

2.1 垂直軸式潮流エネルギー発電システム

 現存する垂直軸潮流エネルギー装置にはカナダのBlue Energy社開発のDavisタービン (図15)、イタリアのアルキメデスブリッジ社とナポリ大学が共同で開発した130 kW装置Koboldがあり、海での実験効率は23%に達している。中国のハルビン工程大学が2002年に建造した70 kWツインローター浮体式装置、2005年建造の40 kW潜水式装置、中 国海洋大学が2008年に建造した5 kW弾性ブレード浮体式装置はいずれも海での運用発電テストを実施中である。

図15

図15 Davis四ブレード垂直軸タービン

 上述のタービンの欠点は、トルクが回転角につれて周期的に変化することである。米国のGCK Technology社はらせん形ブレードを持つ垂直軸タービン (Gorlov Helical Trubine)を開発して上述の欠点を克服、韓国で1MWユニットの海での試験を行っている。

2.2 平行軸式潮流エネルギー発電システム

 垂直軸構造に比べて、平行軸潮流エネルギー発電装置は効率が高く、始動性能がよく、トルクが安定しているという長所があるが、ブ レードピッチの変更や方向回転することで初めて双方向の潮流エネルギーを捕集できる。ブレードピッチの変更技術を採用したものには英国のMarine Current Turbine社が2003年に建造した300kW単台装置Seaflowや、2008年に建造した1.2 MW複数ベーンホイール装置Seagen(図16)、ノルウェーのHammerfest Strom社が2003年に建造した300 kWネットワーク接続型発電装置、米国Verdant Power社が2003年に建造した35 kW潮流エネルギー発電装置がある。

図16

図16 Seagenの構造イメージ図

 潮流の往復プロセス中の流線の偏差を克服して効率を高めるため、カナダのClean Current Power Systems Incorporated社やアイルランドのOpenhydro社はタービン外に導流フィルターを加えている。後者は無軸や関連電気機械の設計も採用し、それぞれ海上試験を実施している。

 国内では1970年代に、何世鈞が初めて浮体式平行軸潮流エネルギー発電サンプル機の実地テストを行い、最大出力は5.7 kWだった。浙江大学が2009年に建造した25 kW潮流エネルギー発電ユニット(図17)は、海上試験の最大瞬間発電効率が30kW近くに達した。東北師範大学は海洋探査機用の2 kW低流速海流発電装置を開発して海での関連試験を実施した(図18)。 

図17、18

図17 水面下風車のサンプル機(25kW) 図 18 低流速海流発電装置(2kW)

3 潮汐エネルギー技術

 潮汐エネルギー発電は低水頭水力発電の原理を採用している。堤防を作ってダムを形成し、堤防両側の水位差を利用して水頭を形成、タービン発電機を駆動して発電する。

 国外で最も早く潮汐発電を利用したのは、ドイツが1912年に建造したビューズム潮汐発電所である。最も有名なのはフランスが1966年に建造した総設備容量24万kWのランス河口潮汐発電所で、年 平均発電量は5.44億kW•h、現在まで40年以上にわたって運用されている。

 その後は米国、英国、カナダ、旧ソ連、スウェーデン、デンマーク、ノルウェー、インド、韓国などが引き続き研究を実施、運用中、建設中、建設予定、設計中の潮汐発電所は139カ所に達し、計 画設計段階の潮汐発電所10カ所はいずれも10万kW~100万kWクラスだ。韓国は現在、世界最大のShihwa大型潮汐発電所を建設中で、総設備容量は260MW、毎 年原油90万バレル近くを節約可能と予測されている。

 中国の潮汐エネルギー利用の最も早い歴史は1000年以上前の「潮汐磨」まで遡る。センサス資料の統計によると、中国大陸沿海には200カ所近くの湾や河口があり、開 発可能な潮汐エネルギーの年発電総量は600億kWh、総設備容量は20GWに達するが、これまで開発されたのは1%以下で、開発の潜在力は巨大である。

 中国で最も成功した潮汐発電所は1980年代に建造された江厦潮汐発電所で、総設備容量は3.9 MW。現時点でフランスのランス潮汐発電所とカナダのアナポリス潮汐発電所に次ぐ世界3位、ア ジアでは最大の潮汐発電所である。

表1 国内外で建設済みの主な潮汐発電所
名称 所在地 設備容量(MW) 運用方式 建設時期
ランス フランス 24×10

単独ダム・双方向

1967年
アナポリス カナダ 20 単独ダム・一方向 1984年
キスラヤ湾 旧ソ連 2×0.4 単独ダム・双方向 1968年
江厦 中国浙江 0.5+0.6
+4×0.7
単独ダム・双方向 1985年
沙山 中国浙江 0.04 単独ダム・一方向 1959年
幸福洋 中国福建 1.28 単独ダム・一方向 1989年
海山 中国浙江 2×0.075 複数ダム・連続 1975年
白沙口 中国山東 0.96 単独ダム・一方向 1978年

瀏河

中国江蘇 2×0.075 単独ダム・双方向 1976年
岳浦 中国浙江 4×0.075 単独ダム・一方向 1971年
果子山 中国広西 0.04 単独ダム・一方向 1977年

4 温度差エネルギー利用

 海洋の温度差エネルギー利用の基本原理は、海洋表面の暖水(26~28℃)を利用してある種の作動物質を加熱して気化させ、蒸気タービンを駆動して動力を得るというものである。同 時に海底から採取した冷海水(4~6℃) を利用して作動後の排気を凝縮し、再び液体にする。作動物質とフローの違いに基づき開式循環、閉式循環、混合式循環に分類できる。

4.1 開式循環

 開式循環(図19)は表層の暖水を作動物質とする。真空蒸発室を採用し、約2.4kPaの絶対圧の蒸気を産出、同時に電力と淡水を得る。しかし海水を作動物質とするため、沸点が高く、蒸 気タービンの作動圧力が低く、蒸気タービンのサイズが大きくなり、機械のエネルギー消費が大きくなって、システムが算出するエネルギーが低下する。シ ステムが算出するエネルギーがシステムのエネルギー消費を下回る場合、マイナス出力となる。現在世界で出力最大の開式循環温度差エネルギー発電システムは1993年に米国ハワイで建造されたシステムで、出 力は50kW。

図19

図19 開式循環イメージ図

4.2 閉式循環

 閉式循環(図20)ではアンモニアなど沸点の低い作動物質を採用して蒸発、凝縮、発電を行う。長所は、作動物質の沸点が低く、暖水の温度下で高い圧力の下で蒸発ができるほか、低 い圧力下でも凝縮が可能であるため、蒸気タービンの圧差向上や蒸気タービンのサイズ縮小、機械のエネルギー消費低減、システムの変換効率向上につながることである。一方、欠 点は発電と同時に淡水を得られないことである。

 中国は「第11次五カ年計画」期間に閉式海洋温度差エネルギーの利用研究を実施、現在15kW閉式温度差エネルギー発電装置を建造中で、発電所の廃熱と海水間の温度差を利用して試験を行なっている。 

図20

図20 閉式循環イメージ図

4.3 混合式循環

 混合式循環システム(図21)には開式循環と閉式循環が同時に含まれる。そのうち開式循環システムの凝縮装置は閉式循環の蒸発器で、水 蒸気が凝縮して放出された潜熱が閉式システムの液体作動物質を加熱し気化を生じさせる。

図21 混合式循環システム

 混合式循環システムは開式循環と閉式循化の長所を総合したものである。開式循環を採用して淡水を得るだけでなく、閉式循環も採用して動力も獲得、効率が高く、機械の消耗が小さい。

天津大学は2005年に混合式海洋温度差エネルギー利用システムの理論研究課題を完了、試験用の小型化200Wアンモニア蒸気タービンを開発した。

5 海洋エネルギー利用の展望

5.1 各種海洋エネルギー技術の評価

 現在の技術成熟度から言えば、潮汐エネルギー発電技術が最も成熟し、商業開発段階に到達している。波エネルギーと潮流エネルギーは依然として技術攻略段階にあり、温度差エネルギーは研究初期である。 

 開発への投入から見ると、波エネルギー、潮流エネルギー装置はサイズが小さく、柔軟に利用可能で建造しやすく、一度の投資が小さく、環境への影響が小さいため注目を集めている。ここ数年で投入が拡大し、技 術の発展が速い。潮汐エネルギーは一度の投資が大きく環境への影響も大きいが、技術が成熟して信頼度が高く、排出削減に役立ち、これも注目されて投入が拡大している。温 度差エネルギーの利用には表層の海水と深部の海水をつなげる必要があり、施工が複雑で技術的な難易度が大きく、一度の投資が大きく、技術がまだ成熟していないため、現段階での投入は小さい。

5.2 海洋エネルギー利用の意義

 エネルギーは世界の経済成長の原動力である。しかし化石エネルギーの過剰な使用は化石エネルギーの枯渇を招くだけでなく、地球環境にも深刻な被害を与え、温室効果や酸性雨、オゾン層破壊、大 気中の浮遊顆粒物汚染と、それらに伴う生態環境の破壊が日増しに深刻になっている。海洋エネルギーは大量に存在し、ノーカーボンの再生可能エネルギーの一つであり、世 界の開発可能量は現在の電力使用量を大きく上回っている。海洋エネルギーの大規模な開発は世界のエネルギー枯竭や環境悪化といった問題を解決する有効な手段である。技術が成熟を続けるのに伴い、海 洋エネルギー発電のコストは減少を続け、経済建設において役割を発揮することが期待できる。

 海洋エネルギーの利用は海洋資源開発能力も増強できる。大陸から離れた海洋では、海洋エネルギーが全てのエネルギーのうち最も便利で廉価なエネルギーである。海 洋エネルギー技術の発展は海洋開発のコストを大きく引き下げ、海洋資源開発能力を向上させることができる。

5.3 海洋エネルギー開発で注意を要する環境問題

 海洋エネルギー利用は環境を改善するが、海洋エネルギー開発プロセスにも潜在的な環境問題が存在する。例えば、潮汐発電所は潮位差や潮流、水温、水質などを変化させ、こ うした変化が浮遊生物やその他有機物の成長やその地区の魚類の生活などに影響を与える可能性がある。同時に、防潮堤の建造も河口に環境問題をもたらす可能性がある。地下水や排水への影響、海 岸の浸蝕激化などである。

 海洋開発による環境問題を避けるために、まず海洋エネルギー開発技術の基礎研究を強化し、環境へのマイナスの影響を引き下げるための実行可能なプランを提出する必要がある。ま た国家は関連の政策法規の制定を通じて、海洋エネルギーに対する短絡的な開発を防止すべきである。


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