浮体式洋上風力発電

浮体式洋上風力発電(ふたいしきようじょうふうりょくはつでん)とは、洋上風力発電の一種で、洋上に浮かんだ浮体式構造物を利用する風力発電である。水深50mを超えると着床式では採算性が悪化するので、50m~200mの海域では浮体式風力発電機が設置される[1]

世界初の実用的な浮体式洋上風力発電タービンであるHywind。 外洋に曳航される前、ノルウェースタヴァンゲル市近郊にあるÅmøyフィヨルドにて組み立てられて浮かんでいる

2009年にノルウェースタヴァンゲル洋上10kmに浮かぶHywindが世界で初めて実用化されて以降、ポルトガルのPóvoa de Varzim沖に設置されたWindFloatなど、世界各国で設置が進んでいる。今後もさらなる普及が期待されており、特に潜在的に最も主要なマーケットは日本であると、Hywindを供用したエクイノール社は主張している[2]。 日本は欧州などと異なり遠浅の海岸が少ないため、浮体式の実用化が洋上風力発電普及の鍵になると見られている[3][4]。日本では、2011年に初の実証試験が長崎県五島市椛島(かばしま)沖で実施され、2014年には日本初の浮体式洋上風力発電所であるふくしま未来(発電機の名称はMitsubishi SeaAngel)が福島県楢葉町沖20kmに設置された。2015年にはふくしま未来に世界で初めての大規模事業として集合型風力発電所が建設される予定である[3][4]国土交通省経済産業省は、国内外で事業を展開しやすい環境を整備するため、安全基準の策定、技術開発、国際標準化を進める[5]

概要編集

 
ポルトガルのWindFloat。Póvoa de Varzimの洋上5kmにある

外洋では風を遮るものが無いため、陸上や陸地に近い洋上よりも強く安定した風力が利用できるが[6]、水深が深すぎるために着底式の風力タービンが建設できないことがある。浮体式構造物を利用することで、そのような場所でも風力発電を行うことが可能となる。

浮体式洋上風力発電のコンセプトはマサチューセッツ大学のWilliam E. Heronemus教授が1972年に考えついたものであるが、風力発電の商業性が確立された1990年代半ばに至って再注目され、ようやく実現に向けての本格的な研究が始まった[6]。 既存の着底型の風力タービンによる洋上風力発電は水深30メートルのところまでに限られていたが、水深600メートルまでの外海における風力発電のリソースは比べ物にならないほど豊富であり、また海底電力ケーブルを介して海沿いにある都市まで送電するのは困難なことではない。

2009年現在までに、2つの浮体式洋上風力発電施設が操業された。

  • Blue H
Blue H は2007年12月、イタリアの洋上21kmに建設された初の浮体式洋上風力発電施設であるが、プロトタイプ機であり規模は小さい。一年にわたる実験計画を達成して各種の運用データを収集した後、2008年末をもって退役した[7]
  • Hywind
Hywind は2.3メガワットの発電能力を持つ、世界初の実用的な浮体式洋上風力発電施設である。ノルウェーの洋上10kmの北海にて2009年9月より運用を開始し、2010年10月年現在も運用中である[8][9]

2017年、イギリスのスコットランド沖でノルウェーのエネルギー企業スタットオイルが世界初の浮体式商用洋上風力発電所を稼働させた[10]

実例編集

 
Blue Hで用いられているtension leg繋留システム。灰色で示されたtower-bearing structureは、左図では自由に浮かんでいる状態。右図ではケーブル(赤色)の張力によって海底の錘(薄い灰色)の方に引っ張られている状態。

Blue H編集

Blue HはオランダのBlue H Technologies社によって、イタリアのプッリャ州の南東、陸地から21キロ、水深113メートルの南アドリア海洋上に2008年に[11] 設置された。実際に運用されたものとしては世界初となる浮体式洋上風力発電施設ではあるが[8]、発電能力わずか80キロワットであり実用的な物ではなく、風力と海の状態をテストするためのプロトタイプ機である。設置されてちょうど一年後の2008年末に退役した。

Blue H Technologies社はこのプロトタイプ機において、「tension-leg platform」と呼ばれる係留システムと、2枚のブレードによるタービンを利用した。2枚のブレードによる風力タービンは3枚のブレードよりも大きな翼弦をとることができ、末端のスピードをより大きく出来るメリットがあったが、一方で騒音公害も大きくなるデメリットがあった。しかし人家から遠く離れた外洋では、騒音公害を気にする必要が無いのである[7]

2009年現在、Blue H Technologies社は退役したプロトタイプ機の後継となるフルスケールの商用の2.4 MWタービンをイタリアのブリンディジにて建設中である。2010年にはこのタービンを、プロトタイプを設置したのと同じ場所に設置する予定であり、それが38基(90MW)の浮体式洋上風力発電タービンからなるTricase洋上風力発電所における最初のタービンとなる予定である[7]

Hywind編集

 
Hywindで用いられているloose mooring catenary係留システム。カテナリーケーブルによって係留された円筒形の浮体式構造物が浮かんでいる。Hywindはballasted catenaryと呼ばれる係留方法を用いており、それぞれの係留ケーブルの中央に60トンの錘を設置し、張力を加えている

Hywindは、スタトイルハイドロ社(現:エクイノール)によって2009年6月に供用された。実用的な大容量の浮体式洋上風力発電タービンとしては世界初の施設である[9][12]。2009年6月、120メートルの高さを持つTechnip社製の浮体式のタワーと、2.3MWの発電能力を持つSiemens Wind Power(シーメンス)社製の風力タービンが、海が穏やかなスタヴァンゲル市近郊にあるÅmøyフィヨルドにて組み立てられた後、Karmøy村の南西10キロ、水深220メートルの地点まで曳航され、2年間のテストに供された[11]

基礎部分を所有するのはエクイノール社である。エクイノールのAlexandra Beck Gjorvは、「この実験はこれまでの洋上風力発電を別次元に引き上げる手助けとなるだろう(中略)浮体式洋上風力発電の潜在的なグローバル市場は巨大であり、そのコストをどれだけ下げられるかにかかっている」と語っている[13]。 エクイノールはまた、「浮体式洋上風力発電は未熟であり商用化は厳しい」とも発言している[14][15]。 この世界初の実用化された浮体式洋上風力発電タービンは、建設と設置に約4億クローネ(6200万ドル)もかかった[16][17]

Hywindは年間約9GWhの電力を生み出すと期待されていたが[18]、実際には2010年度に7.3GWhの電力を供給し、11メートルの波にも無傷で耐え[2]、ノルウェーの電力網に電力を供給し続けた[19][20]

分類編集

浮体式洋上風力発電は2つのタイプに分類できる。

  • single-turbine-floater (ひとつの浮体式構築物にひとつの風力タービンを設置)
  • multiple turbine floaters (ひとつの浮体式構築物に複数の風力タービンを設置)

係留システム編集

浮体式構造物を海中で係留する主なシステムは、広義には以下の3種である。より狭義には、tension-legとCatenary mooring systemsの2つといえる。

  • Tension leg mooring systems - 張力のかかった垂直の紐(テザー)による、傾いたり回転したりといった状態から復帰させる強い慣性モーメントを利用する。
  • Catenary mooring systems - 逆に張力や剛性の小さいカテナリーを用いて、定位置に留めさせる[21]
  • ballasted catenary - カテナリー式の係留ケーブルの真ん中に数トンの錘を設置し、ケーブルの張力を増やして海上の浮体式構造物の剛性を増やす。

経済性編集

技術的には、既に浮体式構造の長期耐久性は何十年にもわたって海洋および海上石油採掘産業によって成功裏に実証済みなので、洋上浮体式風力発電設備の理論的実現可能性は疑問視されていないものの、浮体式発電風車のプラットフォームにおいては、1000基以上にもおよぶ海底石油掘削装置の展開の長期間にわたる経済性はまだ実証されておらず未知数と言える。洋上浮体式発電風車の場合、浅い水深若しくは陸上設置風車の基礎として一般的に使用されている杭打ちの基礎または従来のコンクリートの基礎に、浮体構造が置き換わることになる。浮体構造は、風力発電機の重量を支え、ピッチ、ロール、上下運動を許容範囲内に抑えるために十分な浮力を提供しなけらばならない。風力発電機本体の資本費用は、浅瀬での現在の海上設置風力発電機の費用よりも大幅に高くなることはないものの、浮体式洋上風力発電機の経済性は主に浮体式構造と配電設備に関する追加費用によって決定される。これらは、洋上風が強く、大規模な電力の消費地に近接している(例:配電の距離が短い)ので相殺される[6]

2009年の時点では、浅海洋上風力技術の経済的実現可能性はより完全に理解されている。現在10年以上にわたって多くの国の洋上の固定設備から得られた経験的データにより、典型的な費用は明確になっている。世界エネルギー評議会によると、浅海風力発電はメガワットあたり240〜300万米ドルの費用がかかるとされる[11]。 2009年の時点では、沖合設置の浮体式洋上風力の実用的な実現可能性とユニット毎の経済性はまだ明確ではなかった。2009年に最初に沖合に実用的な風力発電設備が設置された[11]

2010年10月の時点で、新しい実現可能性調査は、浮体式洋上風力発電が英国および世界のエネルギー市場で技術的および経済的に実行可能になってきていることを裏付けている。 浮体式風力発電機の設置に関連する初期費用の増加は、風が強く信頼性の高い英国の沿岸沖に設置できるという事実によって相殺される[22]

英国で実施された最近の沖合設置風力発電に関する評価研究では、英国の風力波力潮力の3分の1を使用するだけで、北海の石油およびガスの生産高と同水準の年間10億バレルの石油に相当するエネルギーを生成できることが確認されている。送電線の設置に必要な調整が主な課題である[23]

提案されている計画編集

浮体式ウィンドファーム編集

日本編集

浮体式洋上風力発電を実用化するため、環境省は日本初の実証実験を長崎県五島市の椛島沖で計画している[24]。まず、100kW以下の試験機を設置して各種の調査を行い、2MW級の実証機の開発を目指している。京都大学が事務局となり、環境影響評価手法の検討、基本設計などを行った結果、浮体式洋上風力発電に適していると判断され、地元の賛同が得られたことから当地が選ばれた[1]海上保安庁の海底地形図によると、水深は約100mであり、浮体を設置できる[1]。また、NEDO局所風況マップによると、年平均風速は7.0m/秒(高度70m)であり、十分な事業可能性があるとされている[1]

試験機
長さ11mのプロペラ3枚を持ち、全高71mのうち41mが海上に出る。約70世帯の年間消費電力を賄える[24]
実証機
長さ40mのプロペラ3枚を持ち、全高180mのうち100mが海上に出る。約1400世帯の年間消費電力を賄える[24]

計画のスケジュールは次の通りである[1]

  • 平成23~24年度 気象海象調査、安全性調査、環境影響評価
  • 平成23~25年度 設計と実証機製造
  • 平成25~27年度 設置と実証運転開始
  • 平成26~27年度 事業性等の評価

さらに、東日本大震災に伴う福島第一原子力発電所事故が発生した福島県の復興支援のため、浮体式洋上風力発電所が計画されており、2011年度第3次補正予算案に実証試験の予算の一部が盛り込まれる[3]。建設候補地は未定だが、東京電力広野火力発電所の送電線を利用できるいわき市沖が有力視されている[4]。発電機や軸受けなど約2万点に及ぶ部品の製造や、発電、建設・保守など、関連産業を誘致することを目指している[3]。早ければ2013年度から2MW級風力タービン6基の建設が始まり、2016年までの5年間、100億円~200億円かけてデータ収集・海底ケーブル送電・系統連系などの実証実験が行われる[3][25][26]。2020年までに80基まで増やすことを計画している[26]。2012年、事業者は公募により三菱重工業IHI富士重工業三井造船清水建設東京大学などが参画した福島洋上風力コンソーシアムが事業を受託した[27]

2018年、実証試験が進められていた3基のうち1基は、機器の不具合で設備利用率が低い状態が続いていること等から、施設を撤去する検討が始められた[28]

アメリカ編集

米国のメイン州は、2010年9月に世界初の水上商業用風力発電所の建設を提案した。RFPは、メイン湾にある送電網に接続された電力を供給するための25 MWの深海洋上風力発電の浮体式風力タービンの20年間の長期契約の提案を求めていた。落札者は、Central Maine Power Company(CMP)、Bangor Hydro-Electric Company(BHE)、またはMaine Public Service Company(MPS)と長期の電力供給契約を結ぶ必要があり、提案の期限は2011年5月だった[29][30]

提案されたプロジェクトに入札できる一部のベンダーは、米国の環境規制への対応について懸念を表明していた。提案された海域は連邦海域にあるため、開発者は、採掘管理局からの許可が必要になり、ケープコッド沖の未建設の浅海風力計画を承認するのに7年以上かかった。また、連邦海域での深海石油掘削の監視を怠ったため、2010年6月に非難された。米国における許認可に対する不確実性は、メイン州の洋上風力発電に対する「アキレス腱」といえる[30]

浮体式の設計概念編集

WindFloat編集

映像外部リンク
  WindFloat concept

WindFloatは、Principle Powerが設計して特許を取得した洋上風力発電機の浮体構造。これは、2011年秋にVestas V80 2MW風力タービンを備えてポルトガル沖で試験予定だった[31]

設備は、風力発電機を3つの柱の1つだけに配置した3柱の三角形のプラットフォームを利用して、波とタービンによって引き起こされる動きを弱める[32]ことで、浅い喫水での動的安定性を改善しようとする[33]。次に、三角形のプラットフォームが4本の索で係留され、そのうち2本が風車を安定させるコラムに接続されているので、非対称になっている。係留により、安定性が向上し、動きが減少する[34]。風向が変わることにより風車と基礎への荷重が変化すると、ポンプが基礎チャンバー間でバラスト水を移動させる[35]。この計画は、(電力会社であるEnergias de Portugalが主導する)合弁会社WindPlusによって管理される[32]。ベスタス風車が計画で標準的に使用される予定[32]。建設費は3000万ドルを下回ると予想され[8]、プロジェクトパートナーとFundo de ApoioàInovaçãoによって資金が提供されます[36]

この技術により、以前は設置が不可能と考えられていた水深が50メートルを超え、浅海の洋上風力発電所が通常遭遇するよりも強力な風力資源を備えている海域に洋上風力発電設備を設置できる[37]

Nautica Windpower編集

Nautica Windpowerは、システムの重量、複雑さ、および深層水域のコストを削減することを目的とした特許技術を使用する[38]。洋上での縮尺模型試験が実施され、マルチメガワット設計のための構造動力学モデリングが開発中。 Nautica WindpowerのAdvanced Floating Turbine(AFT)は、単一の係留索と、たわみ耐性があり、能動的な揺れの緩和装置がなくても受動的に風上に向くダウンウィンド型の2葉回転翼構成を使用する。回転翼の柔軟性に対応できる2回転翼のダウンウィンド風車の設計は、回転翼の寿命を延ばし、構造システムの負荷を減らし、洋上の整備の必要性を減らし、設備のライフサイクル費用を削減する [39]

OC3-Hywind編集

国際エネルギー機関(IEA)は、オフショアコード比較コラボレーション(OC3)イニシアチブの後援により、水深320メートルで、係留索で係留された浮体構造体に設置された5MW風力発電機であるOC-3 Hywindシステムの高水準の設計とシミュレーションモデリングを完了した。浮体構造体プラットフォームは水面下120メートルに伸び、バラストを含むこのようなシステムの質量は740万kgを超える[40]

DeepWind編集

Risøと11の国際的なパートナーは、2010年10月にDeepWindと呼ばれる4年間のプログラムを開始し、最大20MWの経済的なフローティング垂直軸風力タービンを製造して試験した。この計画は、EUの第7次フレームワークプログラムを通じて300万ユーロで支援されていた[41][42]。パートナーにはデルフト工科大学、SINTEF、Statoil、および米国国立再生可能エネルギー研究所が含まれていた[43]

VertiWind編集

VertiWindはNenupharによって設計されTechnipによって試験された垂直軸型風力発電だった。

コスト編集

  • エネルギー密度の低い発電手段ほど、浮体が沢山必要になる。
  • 浮体風力発電所は陸上に比べ騒音問題がないが、浮体原子力発電所に比べ10倍の浮体を必要とする。但し浮体太陽発電発電所に比べれば1/10以下の浮体で済む。
  • 2011年現在での浮体風力発電コストは20円/kwh前後である。

関連項目編集

参考文献編集

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外部リンク編集