脱炭素最前線

(上)水素ガスタービンでCO2ゼロ 三菱重工、開発から実証まで高砂工場で一貫

 主要国が温室効果ガスのカーボンニュートラル(排出実質ゼロ)を打ち出し、世界が脱炭素に向け大きく動き出した。目標達成には電源の脱炭素技術が鍵を握る。国内主要企業が進める技術開発の最新動向を追った。

 オランダで実用化

 国土の4分の1が海抜ゼロメートルのオランダは、温暖化によって極地の氷が溶ければ国土の一部が消失しかねない。脱炭素への関心は高く、温室効果ガス排出削減に向けて、新たなプロジェクトが動き出している。

 最北部フローニンゲン州にあるエームスハーヴェン地区は、エムス川の河口付近に位置する港で、数多くの風力発電の風車が立ち並ぶ。この地区にオランダの電力会社ヌオンが運営するマグナム発電所がある。天然ガスを燃料とする火力発電所で、発電設備が3系列あり、そのうちの1系列を2027年に100%水素で運用する計画を進めている。

 重要な役割を担うのが大型ガスタービンを手掛ける三菱重工業の子会社、三菱パワー(横浜市)の技術だ。

 火力発電は石炭、天然ガスなどの化石燃料を燃やし、蒸気やガスでタービンを回転させて発電するが、その過程では大量の二酸化炭素(CO2)を発生する。

 そこで注目されているのが、燃やしてもCO2を排出しない水素を燃料とするガスタービンだ。三菱重工は1990年代から国の水素利用の研究に参画し、開発を進めてきた。2015年頃に欧州の電力会社からの問い合わせが増え、本格的に実用化に乗り出した。

 開発の先頭に立つのが三菱重工エナジードメイン新エナジー部で技監・主幹技師を務める谷村聡氏だ。入社以来38年間、大型ガスタービンの燃焼器の開発に携わるエキスパートだ。

 ガスタービンで問われるのは高い発電効率と耐久性。三菱重工は1960年代に米ウェスチングハウス・エレクトリック(WH)からガスタービンの製造方法を学び、約60年にわたって、ノウハウを蓄積してきた。今では米ゼネラル・エレクトリック(GE)、独シーメンスとともに世界3強の一角を占める。

 水素発電でも基礎となる高効率なガスタービン開発が重要になる。昨年、高砂工場(兵庫県高砂市)に、次世代ガスタービン・コンバインドサイクル発電の実証設備を完成し、稼働させた。発電効率は64%台で世界最高水準を誇る。

 谷村氏は「水素でもGEには負けられない」とライバル心を隠さない。三菱パワーの人員や予算はGEやシーメンスよりも1桁少ないが、売り上げは互角だ。その強さの源泉は高砂工場にある。

 約92万平方メートルにも及ぶ工場内には研究開発、設計、製造、実証の施設があり、約1000人が働いている。世界でガスタービンの開発・設計、製造、実証を三位一体で行えるのは高砂工場だけだ。谷村氏は「すぐに実証発電設備で検証できる。三位一体の検証で高い信頼性を確立しているのが強み」と強調する。

 試験設備などをそろえるには多額の投資が必要な上、使いこなすまでにはかなりの時間を要する。計測ノウハウも必要で高砂工場には30~40年の経験を持つベテランも少なくないという。「中韓メーカーが参入できない理由がここにある」(同)

 燃焼器交換3タイプ

 現在、三菱パワーが力を入れているのが水素ガスタービンの開発だ。既存の火力発電所を大規模に改修するのでは多額のコストがかかり、水素発電への転換が進まない。このため「燃焼器だけを交換する形にしている」(同)といい、現在は3つのタイプの燃焼器の開発を進めている。

 マグナム発電所に導入を目指しているのは「拡散燃焼方式」と呼ばれるタイプだ。水素と空気を別々に燃焼器内に噴射するこの方式は、窒素酸化物(NOx)の発生が増え、それを抑える対策が必要となるが、既に100%水素だけで燃焼させる試験に成功している。

 あらかじめ燃料と空気を混合して燃焼器に入れる「予混合燃焼方式」を採用すれば、NOxを低減できるが、燃焼器内の火炎が投入される燃料を伝って逆戻りする「逆火」が起こりやすくなる。水素は燃焼速度が速く、燃焼器に水素を投入すると火炎の進む速度が空気の流体の速度よりも速くなるためだ。逆火によって燃料を供給するノズルまで火が達してしまうと、ノズルが破損する恐れが高まる。

 このため、三菱パワーは燃焼器内の燃料や空気の流れを変えるため、燃料を供給するノズルの形状を改良。これによりノズルの中心部にできる流速の遅い部分を解消し、逆火を防止できるようになった。

 天然ガスに水素を30%混焼するタイプではこの予混合燃焼器を採用した。18年に燃焼試験を終えたこのタイプは70万キロワット相当の出力に対応し、従来のコンバインドサイクル型のガス火力と比べ、発電時のCO2排出量を約10%削減できる。こうした環境性能が認められ、米国で水素ガスタービン2台の受注が決まっている。

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 火力代替 世界トップ走る

 さらに現在、開発を進めているのが水素だけを燃料にできるタイプだ。数多くのノズルがついた「マルチクラスター型」で、それぞれのノズルの穴を小さくして安定的な燃焼を実現させた。2025年3月に燃焼試験の完了を目指している。

 水素ガスタービンへの関心は高まっており、谷村聡氏は「数十件の話が来ている」と話す。商談件数(金額ベース)は20年1月に比べ、10月には約3割増えた。「石炭火力の転換を進める米国で需要が高く、欧州でも改造工事が多い」(同)。今後は日本や東南アジア、中東での需要増も見込んでいる。

 同社は水素だけでなく、やはり二酸化炭素(CO2)を排出しないアンモニアを燃料としたガスタービンの開発にも着手。火力発電の脱炭素化のトップランナーとしての地歩を固める構えだ。

 三菱重工業は昨年11月に脱炭素事業を成長戦略の柱とする方針を示した。30年度に3000億円の売上高を創出し、21年度から3年間で900億円を投じる計画だ。水素の製造や輸送・貯蔵、利用の技術を磨き、エコシステムの構築に取り組む。

 発電所から発生するCO2を回収し、輸送・貯蔵、燃料に転換利用する事業の拡大も目指している。

 原子力発電も脱炭素に貢献する技術と捉え、世界最高水準の次世代軽水炉の30年代後半の投入を計画する。

 10月には三菱パワーを統合する。三菱パワーの火力発電の脱炭素化と三菱重工の水素・CO2エコシステムの構築を同時並行で迅速に推進する狙いだ。泉沢清次社長は「総合エナジーカンパニーを目指す」としており、技術開発を強化し、世界の脱炭素化を後押しする。(黄金崎元)

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