【ガスタービン】

CO2 を排出しないエネルギー(アンモニア)③

燃料としての試験研究としては、 エネルギーキャリアの試験研究(1)は 2014 年度から 2018 年度までの5年計画で下記の試験 研究を行うとともに,水素を運ぶ3方式の評価を行っているでつ。

a. 高温太陽熱供給システム

b. 熱利用水素製造

c. CO2 フリー水素利用アンモニア合成システム開発

d. アンモニア水素ステーション基盤技術

e. アンモニア燃料電池

f. アンモニア直接燃焼

g. 有機ハイドライトを用いた水素供給技術開発

h. 液体水素用ローデイングアームシステム開発とルールの整備

i. 水素エンジン技術開発

j. エネルギーキャリアの安全性評価 

これらの水素製造や水素,アンモニアの利用研究を行うことで,水素の輸送方式も含めどの ような方式が好ましいかを評価すること,また我が国が世界に先駆け,利用技術開発を行うこと を目指して行われたでつ。

これらの試験研究の中で5年間の研究の後半ではアンモニアの直接利 用研究に力をいれ,アンモニア直接燃焼としてガスタービン,レシプロエンジン,ボイラ,工業 用炉及びアンモニアの固体酸化物燃料電池(SOFC)における直接利用などの試験研究が行 われたでつ。

2017 年7月には中国電力の石炭火力発電所においてアンモニアの混焼試験が行わ れたでつ。

これらの試験研究において,アンモニアの直接燃焼において実用化の見通しが得られ たことはエネルギーキャリアの試験研究の大きな成果を得たでつ。

機械駆動用H-100形ガスタービンがLNG生産設備向け製品認証を新たに2社から取得仏石油大手および米エンジニアリング大手から

出力12万kWの機械駆動用H-100形ガスタービンの製品認証をオイル&ガス業界の大手2社から新たに取得。

フランスの石油大手トタル(Total S.A.)、および米大手エンジニアリング会社のベクテル(Bechtel Corporation)から取得したもので、これにより、これらのオイル&ガス企業が手掛けるLNG(液化天然ガス)生産設備にH-100形ガスタービンとMCO製コンプレッサを組み合わせた主冷凍パッケージを提供することが可能となったでつ。

今回の製品認証取得は、2016年の米エクソンモービル(ExxonMobil Corporation)、2018年のオランダのシェル(Royal Dutch Shell plc)からの取得に次ぐもので、オイル&ガス業界に向け革新的な技術を提供するための取り組みは着実に進展してるでつ。

今回、H-100形ガスタービンが新たに製品認証を得たことは、関係者にとって大きな励みとなるでつなぁ~

H-100形ガスタービンは、LNGプラントに適した2軸機では出力が世界最大で高効率かつ幅広い出力範囲の運転に柔軟に適応することができ、LNG生産設備の運用改善とコスト削減に大きく寄与。

頼性が高く建設コストとライフサイクルコストを最小化するLNG主冷凍パッケージの提供を通じ、顧客の事業に貢献。

H-100形ガスタービンは、航空転用型ガスタービンの効率性・可変速運転機能と、産業用ガスタービンの耐久性・信頼性を兼ね備え、環境負荷が低いことが特長。

現在普及している主冷凍パッケージと比べ設置スペースが小さく、再起動時間を短縮でき、メンテナンスも容易。

今回の新たな認証取得を受け、さらに幅広い顧客に向けLNG主冷凍パッケージの提案を加速するでつ。

CO2 を排出しないエネルギー(アンモニア)②

1) パリ協定と CO2排出ゼロ目標 2015 年 12 月にパリ協定が採択。

パリ協定全体の目的として,世界の平均気温上昇を 産業革命前と比較して2℃未満に抑えることが掲げられたでつ。

そして,特に気候変動に脆弱な 国々への配慮から,1.5℃以内に抑えることを目指すでつ。

そのための長期目標として,今世紀後半に,世界全体の温室効果ガス排出量を,生態系が 吸収できる範囲に納める目標が掲げられたでつ。

これは,人間活動による温室効果ガスの排出量を 実質的にゼロにしていく目標。

パリ協定を守るためにはいずれにしてもあらゆる分野における CO2 排出削減や今世紀後半 にはCO2排出量ゼロ化。

さらにはネガテイブエミッションと呼ばれる大気中のCO2を削減する手 法の導入も必要になるとされているでつ。

2) CO2 フリー燃料の必要性 近年太陽光や風力などの再生可能エネルギーの導入が進み,今後さらに電力の分野にお いて再生可能エネルギーの比率は増加することになるでつが,将来的には再生可能エネルギーで 賄えない時間帯での対応や電力の負荷調整機能,また再生可能エネルギーの利用が難しい 一般産業の熱源や,輸送用途など CO2 回収貯留で対応できない分野において CO2 を排出し ない燃料のニーズは多岐にわたるでつ。

我が国では WE-NET 計画以来水素エネルギーの利用の研究が推進されてきたでつが,最近では エネルギーセキュリティーの目的よりはむしろ温暖化対策の目的で水素利用が検討。

水素の運搬手段として,液化水素,有機ハイドライト,アンモニアが検討されCO2を排出せず水素製造ができればあとはいかに経済的に水素を運搬し利用するかでつ。

いずれにしても,今後あらゆる分野で CO2 を排出しない安価な燃料を提供することが求めら れるでつ。

3) SIP エネルギーキャリア 戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)の中の“エネルギーキャリア”として研究開発に取 組んでいるのは,液化水素,有機ハイドライト,アンモニアの3方式。

その生産(石油・天 然ガス・石炭からの生産と再生可能エネルギーからの生産),輸送及び利用(水素としての利 用とアンモニアの場合直接利用)について研究開発が 2014 年度から5年計画で進められて来 たでつ。

化石燃料である石油,天然ガス,石炭から水素やアンモニアなどの CO2 フリー燃料を生産 する場合 CO2 回収貯留(CCS)が不可欠。

一方再生可能エネルギーにより生産した電力 や高温の熱を用い水の電気分解により水素の安価な製造についても試験研究が行われたでつ。

図1(1)にエネルギーキャリアにおいて行われている試験研究の全体像を示すでつ。

CO2 を排出しないエネルギー(アンモニア)①

パリ協定を守るためには今世紀後半には CO2 の排出をゼロ化することが求められてるでつ。

言い 換えると CO2 を排出しない燃料(CO2 フリー燃料)が必要になると考えられるでつ。

その中でアンモニア はポータブルな燃料として運びやすく天然ガスから容易に製造できるとともに製造の際排出する CO2 を回収貯留することで CO2 フリー化を達成できるでつ。

アンモニアの製造の歴史は長く,現在世 界的に比較的安価で流通してて,その直接燃焼による利用も戦略的イノベーション創造プログ ラム(SIP)エネルギーキャリアの研究で可能となりつつあるでつ。

CO2 フリー燃料が使用されるような制 度が整備され温暖化対策として利用されることが期待されているでつ。

中国次世代原子力発電所でタービン発電設備4ユニット工事を完了三門2号機ならびに海陽2号機が相次ぎ本格運転を開始

中国政府が求める各種試験の基準を全てクリア

総計500万kWの高品質なタービン発電設備により、エネルギーの安定供給に貢献

中国の三門原子力発電所ならびに海陽原子力発電所の両2号機にそれぞれ納入した蒸気タービン発電設備において、1号機に続き機能試験、安全確認試験および要求された性能試験の項目を全てクリアし、本格的に運転を開始。

これにより中国で建設された次世代原子力発電所における当社受注発電設備4ユニット(総計500万kW)の工事をすべて円滑に完了納入の発電設備4ユニットとも、原子炉側とタービン側とのインターフェイスについて十分な事前検証を実施したことにより、試運転段階でのインターフェイスのトラブルも一切無く、また燃料装荷から運転開始まで、中国原子力発電所の実績平均より短期間で工事を完了。

さらに、きめ細かいプロジェクト管理と緊密なコミュニケーションにより滞りなく運転に至ったことに対して顧客から感謝状を受領し、今後、引き続いての協力と支援を要請されているでつ。

これは、設計し供給するタービン設備の高い技術力と確かな品質が中国の顧客の高い評価を受けた証明。

三門原子力発電所は、三門核電有限公司が上海の南方にある浙江省の三門県に建設し、一方の海陽原子力発電所は、山東核電有限公司が青島の東方約130kmに位置する山東省海陽市に建設。

いずれも発電設備1ユニット当たりの出力は125万kWで、2ユニット(250万kW)構成ハルビン電気集団への技術移転契約に基づき、タービン、熱交換器、主要弁などの設計を全て手掛け技術移転するとともに、発電設備のうち全ユニット分の低圧タービン12基および高圧タービン4基、主要弁などを製作・供給。

ハルビン電気集団は、タービン車室や熱交換器の製作を担当し、発電機は三菱電機株式会社とハルビン電気集団がそれぞれ2基ずつ納入。

今後は、両ユニット稼働後の安全性と信頼性を維持する観点から、初回定期検査の点検・補修などの支援をして行く予定再生可能エネルギー拡大の影響を受けて、世界中の原子力タービンメーカーへの逆風が強まる中、原子力発電所の建設が進む中国において、ガスタービンに加え、原子力タービンメーカーとして着実にその実績を伸ばしていくでつ。

これからも安全性と信頼性が高い原子力発電所向けの蒸気タービン設備を提供することにより、グローバル規模におけるさらなるエネルギーの安定供給、経済発展ならびに環境負荷の低減に貢献していくでつ。

高炉ガス焚きM701S(DA)X形ガスタービンほか火力発電の中核機器を受注中国 馬鞍山鋼鉄有限公司のGTCC設備向けに

 出力18万kWで、2020年末の運転開始を予定

既存GTCC発電設備に増設、工場内電力の一部を賄う

中国の鉄鋼企業である馬鞍山鋼鉄有限公司(Maanshan Iron & Steel Company, Ltd.)向けにM701S(DA)X形ガスタービン、蒸気タービンおよび発電機を受注。

出力18万kW級の高炉ガス焚きガスタービン・コンバインドサイクル(GTCC)発電設備の中核機器となるもので、運転開始は2020年末を予定。

今回の発電設備は、高炉、コークス炉および転炉から発生する副生ガスを有効利用するもので、すでに稼働しているGTCC発電設備への増設分として受注。

運転開始後は、既存発電設備と同じく工場内で必要な電力の一部を賄う計画。

高炉ガス焚きGTCC発電設備は、M701S(DA)X形ガスタービン、排熱回収ボイラー、蒸気タービン、発電機、ガスコンプレッサー、各種補機などで構成。

このうち、ガスタービン、蒸気タービン、発電機、ガスコンプレッサーのほか、電気集じん機、減速機などの補機を供給。

発電機は三菱電機株式会社製を採用。

馬鞍山鋼鉄有限公司は、安徽省に本拠を置く中国大手の鉄鋼企業。

馬鞍山鋼鉄集団との関係は良好で、2007年に中国向けM701S(DA)形の初号機を中核とするGTCC発電設備1系列を同発電所向けに納入した実績があるでつ。

今回の受注は、ガスタービンの優れた性能とこれらの実績が高く評価されたことによるもの。

世界的な環境保全の流れを背景に、中国の製鉄業界でもCO2排出量の削減が強く求められているでつ。

高炉ガス焚きGTCCは、製鉄所から発生する副生ガスを有効利用することで、環境負荷低減に力を発揮するだけでなく、エネルギーの有効利用にも大きく貢献。

高炉ガスは天然ガスに比べてカロリーが低く、安定燃焼には高度な技術が要求されるでつ。

1980年代に専用の燃焼器を開発するなどして独自の高炉ガス焚きGTCC発電技術を確立。

以来、国内外の製鉄所に数多く納入して、世界市場の6割超という世界トップのシェアを誇ってエネルギーの有効利用と環境負荷の低減に貢献するでつ。

高炉ガス焚きGTCC発電設備の受注活動を積極的に展開していくでつ。

火力発電 Digitalization プラットフォーム クラウド/エッジサービスとシステムアーキテクチャ ⑧

Pre-ACT のお客様向け Web 画面も用意しており,大型ガスタービン向け Web 画面を図8に示 すでつ。

通常運転時は発電出力と MD 値のトレンドが表示され,システムが異常を検知した場合は, MD 値増加の要因と考えられるセンサ信号及び推定される不適合箇所の Top10 ランキングが 表示されるでつ。 

性能改善や運用改善などの制御拡張ソリューションを効率的,効果的に適用できる仕組みとし て,MHPS-TOMONI Edge Enabler というデバイスを提供(図9)。 

システムをエッジに設置し,プラントネットワーク上の制御装置とインターフェースをとることで, Edge Enabler で演算・処理した結果を制御装置へフィードバックすることができるでつ

自社開発の制 御装置である DIASYS Netmation®と連携させることで,より高度なプラント制御が可能。

Edge Enabler は Secure Gateway の機能も包含しており,MHPS-TOMONI クラウドへセキュアに 接続することができるでつ

制御改善状態を定期的に監視することで,ベストな状態を提供す ることが可能。

また,お客様自身が機能の有効/無効を選択することができるため,投 資対効果を確認し利用することができるでつ

Edge Enabler は,ガスタービン IGV(Inlet Guide Vane) 開度調整,ガスタービン冷却空気流量の最適化,制御弁調整自動化,ボイラデジタルツイン(1)に 適用されているでつ。 

近年,熟練者のナレッジ継承,若手社員の育成/確保,安定した社会基盤としての発電所運 営,及びICT活用による競争力強化などを目的とし,運転データ蓄積・可視化・分析を行う監視シ ステムを発電事業者自らが構築するケースが増えてきているでつ

MHPS-TOMONI のサ ービスの1つとして,このようなお客様に対しては,発電プラントビジネスに関する知識や MHPS-TOMONI 構築の経験を活かして,顧客の遠隔監視システム構築の支援を行っているでつ

具 体的には,運用形態や初期・ランニング費用を考慮したアーキテクチャの提案,セキュリティの教 育,発電所と PI System との接続方法の検討等を行っているでつ。 特にセキュリティ対策については,前述のとおり,遠隔監視システム構築による発電所と外部ネ ットワークとの接続が増えてきていることから,国際規格(IEC62443-2-1)をベースに,発 電所のセキュリティリスクの概観を把握し,リスクに対処するためのアクションプラン策定の支援も 行っているでつ。 

MHPS-TOMONI(火力発電 Digitalization)のプラットフォーム,クラウド/エッジサー ビス,システムアーキテクチャについて、現時点では,トライアル運用中のソリューション が多いでつが,今後も研究開発を推進し,より,お客様のニーズにマッチしたソリューションの創出を 行っていくでつ

また,今後も最新の技術を取り入れていくことにより,競争力の高いソリューションを提 供していくでつ。 

2018年の10万kW以上のガスタービン世界市場でシェア1位を獲得市場調査レポート(米国マッコイ・パワー・レポート)により明らかに

10万kW以上のガスタービンシェアは41%に

G形・最新J形を含む大型ガスタービン市場ではシェア49%に

2018年の年間を通じて10万kW以上のガスタービン世界市場(出力ベース)において、トップシェアとなる41%を獲得。

有力市場調査レポートにより明らかとなったでつ。

G形ガスタービンや最新モデルであるJ形ガスタービンを含む大型ガスタービン市場では49%のシェアを獲得。

ガスタービン入口温度が1,350℃級のF形、1,500℃級のG形、1,600℃級のJ形と大型ガスタービンで多くの実績があるでつ。

その中で、最新のJ形は99.5%の信頼性と最高64%以上の発電効率で世界の火力発電業界をリードする世界最高クラスのガスタービン。

高い市場シェアは、こうした長年にわたる実績が評価されたもの注力する競争の激しい10万kW以上のガスタービン市場において、今回市場シェア1位を獲得できたでつ。

今後も顧客のニーズを的確に把握して技術を研鑚し、環境に優しいガスタービンを提供することで業界をリードするでつ。

高い市場シェアを獲得するに至った顧客からの強い支持を励みに、世界各地で主力であるJ形ガスタービンを中核とする発電設備の普及に一層力を注ぎ、世界各地の経済発展に不可欠な電力の安定供給に寄与するとともに、エネルギーの低炭素化を促進し地球環境の保全に貢献するでつ。

世界の発電事業に関する詳細な市場調査資料を提供している米国のマッコイ・パワー・レポート(McCoy Power Report)に基づいているでつ。

同レポートでは、大型ガスタービン市場を各社のF形ガスタービンより出力帯の大きなガスタービンと定義。

火力発電 Digitalization プラットフォーム クラウド/エッジサービスとシステムアーキテクチャ ⑦

Pre-ACT は異常予兆検知と故障部位推定の二つの機能で構成されているアプリケーション で,システムが設備トラブルの予兆となる異常を検知した場合に,推定される不適合箇所と点検 項目をユーザに対してEメール/WEB 画面で知らせるもの。

異常予兆検知プログラムには,前述した大型ガスタービンの遠隔監視で実績のある MT 法を適 用。

MT 法の特徴は,複数のセンサ信号の相関関係をマハラノビス距離(MD)と呼ばれる 一つの指標で管理できる点であり,各センサ信号に対して制御装置に設けられた警報や保護動 作の閾値を超えていなくても,相関関係のわずかなズレ=異常予兆を MD 値の増加として検知で きるため,数多くのセンサ信号を監視しなければならない大型ガスタービンでは異常予兆の早期 発見や監視の効率化において大きな成果が出ているでつ(図6)。

故障部位推定プログラムでは,センサ信号の挙動と不適合データベース(学習データベース) とのパターンマッチングによって不適合箇所の自動推定を行っているでつ。

MT 法が異常を検知した 際に,実際のセンサ信号の挙動に近いパターンの不適合を学習データベースから自動で抽出 し,その不適合に対する点検項目と併せてEメールで通知することで,お客様にて点検・確認して 頂く仕組みになっているでつ(図7)。 

火力発電 Digitalization プラットフォーム クラウド/エッジサービスとシステムアーキテクチャ ⑥

1999 年に高砂工場,2001 年に米国オーランドにそれぞれ遠隔監視センターを設立 し,ガスタービンコンバインドサイクル発電プラントの遠隔監視サービスを専門スタッフにより 24 時 間体制で行っているでつ。

2016 年には新たな監視拠点としてフィリピンに遠隔監視センターを設立 し,コンベンショナル発電プラントを中心に,MHPS-TOMONI を活用した遠隔監視サービスも開 始。

現在では,各遠隔監視センターで,大型ガスタービンを中心に世界各国の約 150 基の発 電設備を監視し,お客様の運転支援を行っているでつ(図5)。

フィリピン遠隔監視センターのインフラ はMHPS-TOMONIクラウドをベースとしており,他センターも順次移行,または相互接続を行って いるでつ。

 火力発電プラントにおいては,設備がトラブルで停止することのないように,多岐にわたるセン サ信号を監視し,予兆となる異常を早期発見して適切な処置を実施することが重要。

MT 法(マハラノビス・タグチ法)と呼ばれるパターン認識技術を適用した独自の異常検知システムを開発し,これまで大型ガスタービンの遠隔監視サービスの中で活用してきたでつが,専門スタ ッフによる 24 時間監視サービスだけでなく,MHPS-TOMONI のメニューとして“Pre-ACT”と呼ば れる異常予兆検知のアプリケーションサービスも提供してるでつ。

「強制空冷燃焼器システム採用次世代ガスタービン(JAC形)」で平成30年度優秀省エネ機器・システム表彰の「経済産業大臣賞」を受賞

世界初の技術によりタービン入口温度1,650℃の高温化・最大発電効率64%を達成。

高い効率・環境性と、起動時間短縮など運用性改善を実現。

主力ガスタービンJ形の最新機種で東北電力株式会社との共同開発による強制空冷式JAC(J-series Air-Cooled)形(強制空冷燃焼器システム採用次世代ガスタービン(JAC形))で、一般社団法人 日本機械工業連合会(日機連)が主催する「平成30年度優秀省エネ機器・システム表彰」の最高位である「経済産業大臣賞」を受賞。

世界初の強制空冷燃焼器システム技術によりタービン入口温度を1,650℃まで高温化して最大発電効率64%という高い効率・環境性を実現したことなどが高く評価されたもの。

JAC形は、当社が国家プロジェクトで取り組んだ1,700℃級の超高温ガスタービン要素開発の成果も活用して開発当時には世界初となるタービン入口温度1,600℃を実現したJ形をベースに、さらなる高効率化と運用改善をはかったもの。

従来の蒸気による燃焼器冷却に代えて新たに東北電力との共同研究により開発した強制空冷燃焼器を採用する「強制空冷燃焼器システム」を搭載。

この強制空冷燃焼器システムは、燃焼器車室から抽出した空気を外部クーラーで冷却し、強制冷却空気圧縮機で昇圧、その後、燃焼器の冷却に用いたのち再び車室に戻すでつ。

これにより冷却構造を最適化。さらに超厚膜化遮熱コーティング等のタービン翼冷却技術の高度化や高圧力比圧縮機の採用により、タービン入口温度を1,650℃まで高めたことで、ガスタービン・コンバインドサイクル(GTCC)での発電効率は、在来のJ形に比べ最大で3.2%高まり、省エネ性向上とCO2削減につながったでつ。

また、蒸気冷却方式に比べて起動時間を短縮でき、運用性が改善J形ガスタービンは、2009年の市場投入以来国内外で順調に広まっており、その受注累計は57基。

そのうちJAC形は、2016年の市場投入以来業界の新標準を確立。

高砂工場内の実証設備複合サイクル発電所(通称T地点)において、GTCC運転でも耐久性および信頼性の指標となる運転時間8,000時間を突破して、長時間運転記録を更新してるでつ。

今回の受賞を励みに国内外でJAC形を含めたJ形ガスタービンを中核とする次世代発電・コージェネレーション(熱電併給)システムの普及に一層力を注ぎ、世界の経済発展に不可欠な電力の安定供給に寄与するとともに、エネルギーの低炭素化を促進することで地球環境の保全をすすめていくでつ。

米国エンタジー・テキサス社向けにM501GAC形ガスタービン2基を受注モンゴメリーカウンティ発電所・天然ガス焚きGTCC発電設備の中核として

2021年に運転開始予定で出力99万3,000kW、長期保守契約(LTSA)も締結。

米国のエネルギー会社であるエンタジー・テキサス社(Entergy Texas, Inc.)がテキサス州東南部で運営するモンゴメリーカウンティ発電所(Montgomery County Power Station:MCPS)向けに、M501GAC形ガスタービンを2基受注。

既存の天然ガス焚き火力発電設備の隣に、出力99万3,000kWの高効率天然ガス焚きガスタービン・コンバインドサイクル(GTCC)発電設備を建設するプロジェクトの中核機器となるもの。

2021年の運転開始を予定しており、CO2など排出ガスの大幅な削減を実現して、テキサス州東南部における電力の安定供給に寄与。

エンタジー・グループ向けにM501GAC形ガスタービンを受注するのは、2017年2月のセント・チャールズ(出力98万kW)、2018年1月のレイク・チャールズ(99万4,000kW)と、いずれもルイジアナ州に新設されるGTCC発電所向けに次いで今回が3件目。

テキサス州モンゴメリー郡のウィリス(Willis)近郊に位置。

既存発電設備は1970年から稼働しており、現在の出力は約50万3,000kW。

GTCC発電設備は、空冷式のM501GAC形ガスタービンのほか、蒸気タービン、排熱回収ボイラー、発電機などで構成。

このうち、主機であるガスタービンと発電機を供給するほか、技術者を派遣して現地の指導に当たるでつ。

また、運転開始後は長期保守契約(LTSA)に基づく保守サービスを行うとともに、火力発電設備の運転を最適化する革新的なデジタルソリューションサービスMHPS-TOMONI®による支援も実施。

ガスタービンについては高砂工場で本体部品や補機を製作し、当社米国法人の生産拠点であるサバンナ工場(ジョージア州)で組み立てを行うでつ。

発電機は三菱電機株式会社製を採用エンタジー・テキサス社は、ニューオーリンズに本拠を構えて電力生産・小売事業を主に手掛けるエネルギー大手エンタジー社(Entergy Corporation)の子会社で、テキサス州東南部に電力を供給。

セント・チャールズ、レイク・チャールズ両発電所での発電事業を手掛けるエンタジー・ルイジアナ社(Entergy Louisiana, LLC)などとエンタジー・グループを形成。

火力発電 Digitalization プラットフォーム クラウド/エッジサービスとシステムアーキテクチャ ⑤

クラウド上のPI System(データベース)に,発電プラントの長期間過去データを蓄積することで, デジタルデータの取り出し,トレンドグラフ等の可視化が容易に可能(図3)。

また,性能計 算や余寿命計算等を PI System 上の計算エンジン,Excel,専用アプリケーションを用いて行って いるでつ。

蓄積された過去データに対して,R言語や Python 等を活用し,データ分析(統計処理,機械学 習)を実施することで,お客様に更に価値のあるソリューションを提供。

データ分析環境は,データベースや Web アプリケーションとシームレスかつセキュアに接続。

データ分析者は,R言語や Python をベースとしたデータ分析/GUI フレームワークを利 用して,データマイニング,データ処理,Web アプリケーション開発が可能となったため,データ分 析結果可視化までの作業時間が大幅に短縮。

R言語により,統計分析を実施し,結果を可視 化した Web 画面の例を図4に示すでつ。

本画面は,機器の改造前後の性能比較をユーザが容易に 行えるように作成した対話型画面。

このような機能を Azure 上の強固な認証システムと組み 合わせて,セキュアにお客様へ提供することが可能。 

火力発電 Digitalization プラットフォーム クラウド/エッジサービスとシステムアーキテクチャ ④

クリティカルインフラストラクチャである火力発電所へ ICT 適用を行うにあたり,サイバーセキュリ ティの確保を第一に考慮しなければならないでつ。

MHPS-TOMONI ではクラウド,エッジの2面からセ キュリティ確保を実現。

(1) クラウド側セキュリティ MHPS-TOMONI クラウドでは,基盤として Microsoft Azure を採用。

Azure は ISO27001,同 27017 等の各種ガイドラインに準拠しており,また様々なセキュリティツールが利 用可能。

これらツールを最大限に活用し,MHPS-TOMONI ではクラウドセキュリテ ィを ISO/IEC27017,NIST800-53 に準拠した運用を行っているでつ。

この NIST(米国国立標準技術研究所)準拠の一連のセキュリティ対策(ファイアウォール,暗 号化,脆弱性管理,セキュリティパッチアップデート,ログ監視)において,クラウドにアクセスする為に二要素認証を必須としていることが特徴で,顧客ユーザ,社内ユーザ,クラウド運用者全 てに,単純な ID/パスワードによるアクセスは許可しないことでセキュリティを強化。

(2) エッジ側セキュリティ 昨今のサイバー攻撃事例の頻発から,発電プラントの安全運転を確保するためには,ICT 活 用におけるサイバーセキュリティ対策が最重要課題。

MHPS-TOMONI では発電プ ラントとクラウド間の通信は暗号化され,デジタル証明書による認証,また双方にアクセス制限 を実施しており,特に発電所向けの通信接続はすべて不許可としているでつ。

さらにプラント側制御 ネットワークのセキュリティ対策を万全にするために,Secure Gateway を設置。

Secure Gateway は,データダイオード機能を有しており,プラント側から外部へのみデータ送信を許可する一方向通信により,物理的にプラント外部からのアクセスを遮断。

Secure Gateway はこのデータダイオード機能に加えて,外部から内部への限定された通信をシリアルケーブル にて許可しており,セキュリティ強度を維持しながらフレキシブルな運用を実現しているでつ(図2)。

火力発電 Digitalization プラットフォーム クラウド/エッジサービスとシステムアーキテクチャ ③

システムは,クラウドサービス,エッジサービスの2つから構成されるでつ。

クラウド サービスにおいては,プラットフォームとして,グローバル規模でクラウドサービスを展開する Microsoft Azure,データ管理プラットフォームとして OSIsoft PI System など業界最先端の技術パ ートナーと提携することにより,高度な技術を効率的・安定的に実現。

また,ユーザ向け サービスとして,クラウド上にお客様向けアプリケーションや社内向けアプリケーションを構築し,イ ンターネット経由でお客様や社内ユーザがアクセスし,データの分析や可視化など様々なサービ スを利用可能なものとしているでつ。

これに加え国内外拠点の社内ユーザは MHPS-TOMONI 上に構築した仮想デスクトップ環境を利用することが可能で,グローバルな共通の作業環境により,デー タ分析,サービス開発といった様々なコラボレーションを行うことができるでつ。

エッジサービスにおいては,発電所内に自社開発したエッジデバイス“Secure Gateway(データ ダイオード)”を設置することにより,発電所のセキュリティを担保した上で,クラウドへデータ送信 を行っているでつ。

また,高頻度のサンプリングデータや速い応答性が必要となるアプリケーションや 機械学習をベースとしたアプリケーション,発電プラントの性能改善機能については,エッジ機器 で提供し,その稼働状況をクラウド上で監視できる仕組みを構築しているでつ(図1)。

エネルギーの有効利用から工場パフォーマンスの向上へ - ENERGY CLOUD Factory® の誕生 - ②

 ICT(情報通信技術)を活用して発電設備の効率及び信頼性を高めるためには,運用者である 顧客との連携と当社の熟練技術者の洞察力の組み合わせが不可欠であり,“顧客と一 緒に働く”ソリューションの提供に重点を置いているでつ。

提供する MHPS-TOMONI(火力発電 Digitalization サービス)は,発電設備の運用に携 わる顧客それぞれが持つ課題を解決するために開発した総合的なデジタルソリューション であり,様々なハードウェア/ソフトウェア/サービスから構成されているでつ。

数十年にわたり培ってきた火力発電に関する革新的技術や専門知識,O&M(運用・保守) ノウハウのほか,顧客とのパートナーシップに基づくビッグデータ解析や AI(人工知能)技術など の ICT を最大限に活用。

その際,自社だけではなく,業界最先端の様々なパートナー企 業とも連携をとり,MHPS-TOMONI の製品価値向上を目指しているでつ。

システム的にどのように構築されているか,という点にフォーカス し,プラットフォーム,システムアーキテクチャ,また主な製品適用事例を示すでつ。

火力発電 Digitalization プラットフォーム クラウド/エッジサービスとシステムアーキテクチャ ①

ICT を活用して発電設備の効率及び信頼性を高めるためには,発電設備運用者とプラントメー カとの連携が不可欠であり,三菱日立パワーシステムズ(株)(以下,当社)は,“顧客と一緒に働 く”ソリューションの提供に重点を置いているでつ。

提供する MHPS-TOMONI(火力 発電 Digitalization サービス)のクラウド/エッジサービス,システムアーキテクチャ,サイバーセキュ リティ,データ分析技術,サービス適用事例について紹介するでつ。 

予測から異常検知・影響因子の抽出まで バイオマス発電プラントの売電事業を AI がサポート⑧

独自の AI & IoT 技術を活用した総合的なエネルギーソリューションサービスである ENERGY CLOUD® Service を適用したバイオマス発電プラントの O&M 業務について紹介したでつ。

ENERGY CLOUD® Service を用いることで,従来では困難であったバイオガス発生量の予測を 日報データのみから,高精度で実現することができ,先行した運転条件の変更や安定かつ効率 的な運転が可能となったでつ。

また,IoT デバイスである Netmation eFinder®を活用することで,機械 設備のコンディションを管理することができ,早期異常検知やメンテナンス時期の適正化・見える 化も可能。

更には,バイオガスの性状に影響を与える条件の抽出により,技術伝承にも貢 献することができるでつ。

今後,バイオガスの発生量に応じた搬入物の受け入れ価格の決定等,経営的観点での AI 活 用を検討し,より幅広く O&M を支援できる技術を開発していくでつ。 

予測から異常検知・影響因子の抽出まで バイオマス発電プラントの売電事業を AI がサポート⑦

ENERGY CLOUD®を用いて,生成されるバイオガスの性状(単位量当たりの発電量) を見える化し,どのような条件が重なれば,バイオガスの性状に影響を与えるかを自動抽出し,発 電量が増減する条件を明確化。

バイオガス性状の見える化と条件抽出結果例をそれぞれ 図6,7に示すでつ。

図6に示す通り,同等のバイオガス発生量でも発電量がばらついていることが確 認できるでつ。

図7の条件抽出では,バイオガス性状の見える化でクラス分類した高発電量ゾーンと低 発電量ゾーンを目的変数として,決定木を用いて各ゾーンに分類される条件を抽出。

この例 では,前日のガス発生量が多い場合に,高発電量になりやすい傾向であることを示しているでつ。

この ように,バイオガス性状を事前に把握することで売電計画を支援することができ,また匠の経験に よって培われた暗黙知を形式知化し,技術の共有や伝承を支援することも可能となるでつ。 

予測から異常検知・影響因子の抽出まで バイオマス発電プラントの売電事業を AI がサポート⑥

次に IoT 技術を用いたコンディション管理について紹介するでつ。

BPS では受入設備において,搬 入物を細かくするためのカッター刃付きの破砕ポンプを使用しているが,多種多様の原料が搬入 されるため,時として閉塞による不具合が発生。

本不具合は,日々の巡回点検でなけれ ば発見が難しく,不具合発見時は都度対応を行っていたでつが,対応の遅れは,事業運営リスクを高 める要因の1つとなっていたでつ。

そこで,本特集でも紹介されている Netmation eFinder®を活用した 機械設備のコンディション管理の検証を行ったでつ。

 コンディション管理には,Netmation eFinder®で取得した破砕ポンプの稼働データを説明変数 とした異常検知技術を用いたでつ

異常検知技術は時系列データに対して正常空間を定義し,その 空間からの距離を求めることにより異常度を算出する手法。

図5に異常度の算出結果を示 すでつ

ヒアリングの結果,異常度が急増している箇所は閉塞が発生したタイミングと一致しており,異 常が検知できる結果を得たでつ

ENERGY CLOUD®では Web ブラウザ上で分析結果を確認できるため,事務所に居ながら閉塞を検知することができるようになり,早期対応に伴う事業運営リスクの 低減及び巡回点検頻度の減少(省力化)に貢献することができたでつ

また,図5において,短期的な 異常度の増加は閉塞に伴う不具合を示しているが,中・長期的な異常度の増加は,機器のメンテ ナンス後に低下していることから,機器の経年劣化とみなすことができ,突発的な異常検知だけで なく,部品交換時期の最適化も図ることができることを確認。

MT30船舶用ガスタービンエンジン

21世紀設計 最新の船舶用ガスタービン技術に基づき製造されたMT30は、業界 随一の出力重量比およびライフサイクルコストの低減により、艦艇オペレー ターに優れた効率性と信頼性を提供。

MT30は同クラスのガスタービンよりも部品点数が50-60%少ない設計となっ ており、ABS(米国船級協会)及びLloyds(ロイド船級協会)の型式認証 を得ているほか、DNV(DNV船級協会)の設計評価も受けております。 MT30は25MWまで運用効率を維持することが可能。

機械駆動、電気 駆動の何れにも適用可能な設計。

MT30はロールス・ロイスのトレント型航空用エンジンシリーズの派生 型であり、トレントエンジンの運用時間は1996年の運用開始後、今日 に至るまで4500万時間に達しているでつ。

トレントエンジンは新世代 のワイドボディ機に於いて50%のシェアを確保。

3800台を超える エンジンが販売。

MT30は、商船及び艦艇の両用途向けに費用効率の高い推進力を提供 するよう当初から設計されているでつ。

MT30は高出力密度を必要とする 船舶に理想的なエンジンであり、船体設計段階において優れたフレ キシビリティーを与えるでつ。

また、MT30は統合動力・推進システムの一部として、幅広いロー ルス・ロイスの船舶機器製品群と共に提供可能。

個々の要求 に応じた包括支援契約(Rolls-Royce TotalCare)による利益を享受 することが可能。

船舶市場に於ける最先端・最新のガスタービン 技術 定格出力36MW又は40MW(摂氏38度) 出力損失のない優れた性能維持能力 航空用トレントエンジンファミリーの一員としての卓越した性能 自己完結型、シングルリフトパッケージ 40%を超える熱効率 モジュール設計による容易なエンジン整備 低排気レベル。

小型軽量のMT30は二軸、高圧縮比のガスジェネレータ構造となってて、フリーパワータービン、8段可変ジオメトリー中圧コンプレッサー及び6段 の耐腐食高圧コンプレッサーから構成されているでつ。

3段の可変ベーンと 噴出弁を備えており、コンプレッサーからIPデリバリーエアを連続的に流す ことで、ベアリングのシール性保持及び冷却を行うでつ。

産業用トレント や航空用トレント800からの派生型である4段フリーパワータービンは、 頑丈なベアリング構造により高い信頼性を備えているでつ。

最新のブレード冷却技術を取り入れた信頼性が高い構成部品が全体 に組み込まれているでつ。

重要部品には海洋環境に耐え得る保護コー ティングが施されており、整備作業を軽減させるとともにより長い運用 期間を提供。

通常燃料の使用において、MT30は改修せずに今後も含めた排気や 排気煙に関する全ての法規制に適合。

ガスタービンチェンジユニット(パワータービン含む)の重量は6,500kg 、外装と補器を 含んだモジュール全体の重量は30,000 kg程度であり、MT30は非常に 優れた出力重量比をもたらすでつ。

容易な搭載を実現するために モジュール全体をベースプレートに組み込む構造となっており、一回の吊り 上げ作業で設置することで、時間及び費用を削減可能。

信頼性整備研究はMT30の設計に於ける特徴の一つであり、これは 整備要求が少ない本エンジンの基本設計概念と併せて、1週間当たり 2時間未満の定期艦上整備というオンコンディション整備方式の 実現に繋がっており、現代海軍の少ない乗員条件に於いて大きな 利点になっているでつ。

エ ンジン防音外装設計は、オンコンディショ ンでの整備作業を容易にし、艦艇乗員が複雑な整備作業をエンジン を取り卸すことなく行うためのスペースとアクセスを提供。

エンジンの取り卸しが必要な場合には、運用者のご要望に応じ て、エア・インテーク若しくは外装側面を通じて行うことができるでつ。

何れ の方法でも、エンジンを安全に移動するための取り外し可能なレール システムを使用。

当システムはご要望に応じてパッケージ内部に取り付け ることも可。

エンジン取卸しシステムは、エンジン全体を48時間未満で交換でき るように設計。

実際にはこの交換作業は36時間未満で 行われているでつ。

MT30は2005年に1500時間のABS耐久試験に合格しており、これに 要した期間は6ヶ月未満。

尚、試験は全日程を通じて摂氏38 度それ以上の環境下に於いて行われたでつ。

MT30は、このような現場 環境に合わせた困難な試験プログラムに合格した最初のガスタービン であり、MT30のオーバーホール間隔が世界一であるという信頼性を 証明。

MT30の制御システムは、オーバースピード制御を含む統合 型警報監視制御機能を有しているでつ。

内蔵式バックアップ 電源はオプションの一つ。

分散処理構造は最新 のデータバス技術を使用することにより、配線を単純化し、 コネクタの数を減らしており、またメインプロセッサと電源をパッケー ジ外装に配置することで、高い信頼性を提供。

このシステムは無人航行も支援しており、エンジン制御とモニタ リングを二重冗長データパスと配線信号を行う事で、プラットホームの制御システムに完全に統合しているでつ。

これ は、あらかじめ設定したエンジン/パッケージのデータを記録 するようセットすることも可能。

このデータは取り卸したエンジンのヘル スモニタリングやロジスティックスのサポートに使用。

また、エン ジン及びパッケージで必要なパラメータが表示されるローカル・コン トロール・パネルが備えられており、エンジン機能、整備、校正作業 を管理する事が出来るでつ。

MT30の設計に於いては、全てのエンジン補機システムをベース プレートに組み込むことにより、スターターへのエネルギー供給や 燃料・水の供給、及び電気接続を制限し、造船会社によるエンジン 搭載を容易。

モジュール方式の設計により、MT30は一回の吊り上げ作業での 搭載が可能であり、また船体設計要求を満たすよう吸気及び排気 構成が出来る仕組みとなっているでつ。

このコンセプトにより、 ユニットにエンジンを装備し、工場で試験済のユニットがエンジンと共 に工場に納入され、到着後直ぐに搭載、試運転が可能。

完全にパッケージ化されたモジュールは、動力源またはオルタネー タと専用の防音外装により完成された発電機に供給することが出来るでつ。

外装は顧客の騒音仕様を満たす様、仕様変更が可能。

平成のガスタービン①

発電の主機になったでつなぁ~

コンバイドサイクルの開発。

TITも1100℃~1650℃まで上がったでつなぁ~

そして…

燃料も水素社会への対応とまだまだ発展途上でつなぁ~

2019年頭の挨拶

新年のスタートにあたり、社長としての所信を述べます。

昨年、新たな2018事業計画がスタートし、環境変化に対応した事業構造の転換に向けての一歩を踏み出しました。火力発電における事業環境の厳しさや不透明さは変わらず、競合他社の業績も大きく低迷しています。そのようななかで、当社は主力製品であるガスタービンで世界シェア1位を維持するなど、存在感を高めつつあります。新事業計画の目標達成は決して簡単なことではありませんが、皆さんと一丸となって取り組んでいきたい。ただし、コンプライアンス(法令遵守)の徹底は絶対だということは、改めて胸に刻んでください。

新事業計画では、従来ビジネスの維持とサービスビジネスの拡大とともに、パワー&エネルギーソリューションビジネスの拡大も重要な施策の一つとして取り組んでいます。最新のデジタル技術を活用した新しいサービスのニーズはますます拡大しており、当社は発電所の運用改善をはかるデジタルソリューションサービス「MHPS-TOMONI®」を駆使し、お客様に新たな価値を提供していきます。また、船舶の排ガス規制に対応したSOx(硫黄酸化物)スクラバー、CO2低減につながる水素焚きガスタービンやバイオジェット燃料製造の実証、中国の三門・海陽原子力発電所での54インチ最終段翼の中国内初稼働といった新しい技術分野や市場での成果も出てきており、昨年以上にこれら新分野への取り組みを加速していきます。

世界中で現在、AI(人工知能)やIoT(モノのインターネット)などのデジタル・ソフトウェア技術、バイオ・ナノテクノロジーなどの技術における革新がものすごいスピードで進展しており、あらゆる業界へ影響を及ぼしています。それは、当社の事業領域のみならず、私たちの仕事のやり方にも大きな影響を与える可能性を秘めています。これらのなかには、今までの既成概念を打ち砕く破壊的なモノやサービスも現れてくるでしょう。破壊的な変化を恐れていては、時代の流れに取り残され、朽ちていくだけです。そうではなく、好奇心を持って積極的に変化を受け入れ磨き上げていくことこそ、競争力の維持につながります。

社員の皆さんには、今まで以上に広い視野を持ち、現在の領域を突き破っていくことを期待します。

今年一年、私が先頭に立ってリードしていきますので、皆さんの積極果敢なチャレンジをお願いします。

冷却

空用エンジンやコンバインドサイクルなどのガスタービンにおいて、環境問題への配慮から、高効率化、高性能化が強く求められているでつ。

そのために最も有効な手段は、タービン入口温度の高温化であり、現在では1700℃以上のタービン入口温度も想定されているでつ。

この高温化は、主として、材料の耐熱温度の向上と、冷却技術の進歩に支えられているが、新材料でも耐熱温度は1100℃程度であり、さらなる冷却技術の向上が求められているでつ。

これまでもタービン入口温度の上昇に伴い、様々な冷却技術が開発されてきたでつ。

フィルム冷却は、翼面の冷却孔から高温主流中へ冷却空気を吹き出し、高温ガスと翼面の間に冷却空気の膜を形成するでつ。

インピジメント冷却は、噴流を噴射孔から壁面に垂直に衝突させるでつ。

壁面に平行な流れより、噴流衝突の方が熱伝達率が高くなるでつ。

多数の噴流を利用する場合、噴射孔を碁盤目状(Inline)や千鳥格子状(Staggerd)に配置。

複数の衝突噴流では、噴射した流体が別の噴流に対して直角な流れ(クロスフロー)として熱伝達に影響を及ぼすでつ。

ピンフィン冷却は、平滑流路の壁面に垂直にピンフィンを配置。

伝熱面積の拡大効果と、流れ場を乱すことによる乱流促進効果によって伝熱促進を行うでつ。

また、ピンは構造強度保持の役割も果たすでつ。

サーペンタイン冷却は、翼内部に往復の蛇行流路をとり、冷却流路を長くすることにより、少ない冷却空気で冷却を行うでつ。

流路には乱流促進リブを配置することで、伝熱を促進するでつ。

複合冷却は、フィルム冷却、インピンジメント冷却、ピンフィン冷却を組み合わせ、複合化冷却構造を形成し、冷却性能の大幅な向上を目指すでつ。

トランスピレーション冷却は、高温気流にさらされる物体の有効な冷却方法として古くから考えられているでつ。

多孔質材料の内部の複雑で微細な流路を冷媒が冷却しながら通過し、その表面の無数の孔からしみ出す冷却方法。

その高い冷却性能にもかかわらず、タービン冷却として実用化に至っていないでつ。

予測から異常検知・影響因子の抽出まで バイオマス発電プラントの売電事業を AI がサポート⑤

多種多様な原料を受け入れながら効率良く発電を行うために,AI 技術を活用してバイオガスの 発生量を予測し,先行した運転意思決定の可否について実証。

バイオガスの発生量を予測するためには,搬入物の組成や分解速度等を基に,演繹的に予測 式を構築する必要があるでつ。

だけど多種多様の原料に対してこれらを同定することは容易ではないでつ。

ま た,多種多様の原料を受け入れるが故,生物の活性阻害を引き起こす毒性物質が混入する可能 性があることや図1に示す処理フローの通り,各設備においては数日の滞留時間があるため,原 料投入からバイオガスの発生までにはタイムラグがあることから,これまでバイオガスの発生量を 正確に予測することは困難であったでつ。 ENERGY CLOUD®では,DCS で取得している運転データや各種センサデータだけでなく,運 転日報や生産計画といった情報も活用した分析が可能であり,本実証でも,日々の搬入物の種 類と量,バイオガス発生量の実績等を記載した運転日報のみを用いて,1日後,2日後,3日後の ガス発生量を帰納的に予測ができるか検証。ENERGY CLOUD®での分析としては,独自技 術を組み込んだアンサンブル学習手法を採用した予測技術を用いたでつ。

表1に実証条件と結果 を,図4に 2016 年8月 26 日に予測した結果を示すでつ。

乖離の最も大きい3日後のバイオガス発生量 においても誤差は僅か 13%と高精度に予測ができており,ENERGY CLOUD®を適用することで 先行した運転意思決定が可能であることを確認。

ここで,予測誤差は真値に対する予測値と の差分の割合を1日単位で算出し検証期間分の値を平均したものとして定義しているでつ。

予測から異常検知・影響因子の抽出まで バイオマス発電プラントの売電事業を AI がサポート④

地域循環型のカーボンフリーなエネルギーを供給するバイオマス発電事業では,効率的なオ ペレーションによる事業採算性の向上が求められているでつ。

BPS における課題を図2に示すでつ。

① BPS では,多種多様な原料が搬入されるとともに,農場には休みがないため毎日受け入 れを行っているでつ。

そのため,いつ・どのくらいバイオガスが発生するかを正確に把握するこ とは極めて困難。

また,バイオガスは一時的にガスホルダに蓄えられるが,ガスホルダの貯留容量を超過するバイオガスが発生した場合,余剰分は燃焼処理されているでつ。

従 来,余剰分を出さないようにするための発酵槽への投入タイミングや量の調整は経験的判 断に基づき行われており,運転員の負荷が高い。

② 各設備では各種センサが十分に完備されているわけではないため,巡回点検にて機器 の状況を確認しており,異常発生時は都度対応を行っているでつ。

対応の遅れは事業運営リ スクに直結するが,現状容易に異常が検知できる仕組みが構築されていないでつ。

③ 投入される原料によって生成されるバイオガスの性状が異なるため,同等のバイオガス 量でも発電量が異なり,売電計画が立てにくいでつ。

これらの課題に対して ENERGY CLOUD®を用いて問題解決を図ったでつ。

図3に実施内容の概 要を示すでつ。

ENERGY CLOUD®の詳細は本特集での紹介を参照。

予測から異常検知・影響因子の抽出まで バイオマス発電プラントの売電事業を AI がサポート③

BPS は,小岩井農牧(株),雫石町,東北発電工業(株),東京産業(株),三菱重工環境・化学 エンジニアリング(株)が出資して設立した日本国内初の民間主体のバイオマス発電事業会社。

BPS では小岩井農場を拠点とし,畜産系廃棄物と食品系廃棄物の複合処理を通じて,資 源・エネルギーの地域循環利用を行っているでつ。

BPS の処理フローを図1に示すでつ。

小岩井農場より収集した家畜糞尿は,固形分と除渣液に固液 分離され,除渣液は周辺地域から収集した食品残渣と併せてメタン発酵槽に投入されるでつ。

メタン 発酵槽では,メタンガスを含むバイオガスと発酵残渣である消化液(メタンガス回収後の液体)が 発生。

メタンガスは発電して場内電力として利用され,余剰電力は売電。

発酵残渣であ る消化液は液肥として農地還元され,固液分離された家畜糞尿の固形分は,良質な堆肥として 販売されているでつ。

予測から異常検知・影響因子の抽出まで バイオマス発電プラントの売電事業を AI がサポート②

地球規模での温室効果ガス抑制に対する関心の高まりや,廃棄物削減を目指した循環型社 会形成に向けて,再エネの普及が進んでいるでつ。

近年では地域活性化への貢献も重要視されるよ うになりつつあり,食品残渣や家畜糞尿などもエネルギー源にできるバイオマス発電が期待され ているでつ。

だけどバイオマス発電プラントは,火力発電プラントや化学プラントに比べ規模が小さいため, DCS(Distributed Control System:分散制御システム)等で運転管理・制御されていないプラントも 多々存在。

特に,バイオマス発電の場合は,メタン発酵に伴うバイオガスの発生量が投入原料 となる搬入物の性状や微生物の活性状態に大きく依存しており,これらを各種センサで監視・制御 することは難しく,発電計画が立案しにくいといった問題があるでつ。

また,バイオガス発生量の管理は 作業員の知識や経験といった暗黙知になっており,技能継承も課題となっているでつ。

今回は(株)バイオマスパワーしずくいし(BPS)を事例に,独自の AI & IoT 技術を活用した総 合的なエネルギーソリューションサービスである ENERGY CLOUD® Service を適用することでバイ オマス発電プラントのO&M(オペレーション&メンテナンス)業務がどのように変わるかを紹介するでつ。

予測から異常検知・影響因子の抽出まで バイオマス発電プラントの売電事業を AI がサポート①

低炭素化社会の実現に向けて普及が進む再生可能エネルギー(以下,再エネ)の中で,廃棄 物削減にも貢献できるバイオマス発電の役割が期待されているでつ。

一方,AI & IoT 技術の進展によ り O&M(オペレーション&メンテナンス)業務の高度化が進んでおり,個々の設備を安定稼働させ るだけでなく,設備を跨いだ製造ライン全体,あるいはプラント全体での最適化が望まれているでつ。

バイオマス発電プラントの O&M に AI & IoT 技術を活用し,運営管理における効率 化を実現した事例を紹介するでつ。 

微粉炭バイオマス高混焼率発電設備の運転実績⑨

相馬エネルギーパーク合同会社向けに微粉炭バイオマス高混焼率発電設備を納入し,木質 ペレットのバイオマス燃料を熱量比にして定格負荷で最大 34%(試運転段階)の割合で混焼させ ることに成功。

また,本成果を基に,コンベンショナルタイプでのボイラでの更なるバイオマス高混焼率化,バ イオマス専焼化の開発を進めているでつ。 

カーボンニュートラルな木質バイオマス燃料の専焼化により,環境負荷の更なる低減をめざし, お客様とともに再エネによる電源の立上げを通して,電力システムの安定・発展に寄与し,地球温 暖化の抑制,省エネルギー社会の実現に貢献するでつ。

微粉炭バイオマス高混焼率発電設備の運転実績⑧

図5に,バイオマス(木質ペレット)微粉,微粉炭の燃焼状況を示すでつ。

M-PM バーナによりバイオ マス,石炭共に,安定かつ適切に燃焼が行われていることが,各種計測結果から確認。

バ イオマスは石炭に比べて火炎輝度は低い状況であるでつが,バーナ単体で十分な安定着火が得られ ており,バイオマス専焼にも適用可能であることを確認したでつ。 

微粉炭バイオマス高混焼率発電設備の運転実績⑦

当該微粉炭バイオマス高混焼率発電設備は,10 万 kW 級石炭焚きボイラとして標準設計仕様 (耐圧部の伝熱面仕様を固定,パターン化)を採用。

接続配管や付帯設備を含めた全体 をパッケージ化することで,プラントの短納期化と高い信頼性を両立させているでつ。

本ボイラプラント 全体系統図を示すでつ(図4)。

木質ペレットについては,お客様の調達性及びミルでの粉砕性を考慮して,ISO 規格における 木質ペレット構成粒子径の中間グレードに相当する I2industrial(平均粒子径 d50=1.0mm)に対 応する仕様でつ。 

微粉炭バイオマス高混焼率発電設備の運転実績⑥

バイオマス高混焼率ボイラの燃焼システムは,実績が豊富な旋回燃焼(CUF:Circular Ultra Firing)及び二段燃焼方式を,またバーナは M-PM バーナ(M-PM:Multiple Pollution Minimum) (図3)を採用。

内部保炎形式である M-PM バーナの採用より,外部保炎形式である従来の自社製バーナより 更に環境負荷の低減化(低 NOx 化)が,木質ペレットにおいても確認。

・ 広く効果的な着火面 ⇒ 良好な着火を確保

・ 内部保炎かつ低 O2燃焼 ⇒ 火炎内部で還元物質(揮発分,チャー)が NOx を効果的に還元

・ 最適な位置,量の二次空気投入・混合により酸素濃度の最適化 

米国でピーク電源用のM501GAC形ガスタービンを受注再生可能エネルギーとの共存に向けて起動時間の短縮などを実現

大型ガスタービンの急速起動実現により、再生可能エネルギーとの共存を可能に

MHPS-TOMONI®も導入し、柔軟なピーク電源ソリューションを提供へ

空気冷却方式のG形ガスタービンである出力27万5,000kWの M501GAC(G-series Air-Cooled)1基を、ピーク電源用として米国中西部の電力会社向けに受注。

また、デジタルソリューションサービスである「MHPS-TOMONI®」も導入することで、より柔軟なピーク電源ソリューションを提供することができるでつ。

今回のガスタービンは、G形シリーズで培った信頼性の高い実証済みのガスタービン技術を深化させ、出力が不安定な再生可能エネルギーとの共存に向けて起動時間の短縮などを実現させたもの。

米国の西部および中西部では風力や太陽光など再生可能エネルギーが爆発的に成長しており、これら不安定な電力を補完するためのピーク電源の確保が課題となっているでつ。

その不安定さを補完するために、10分での急速起動、5万kW/分の負荷変化率を実現するとともに、NOx(窒素酸化物)排出量を濃度9ppm以下に抑制するもの。

再生可能エネルギーは単独では不安定で、供給網に必要な持続性および信頼性に足る電力を供給できないでつ。

大型ガスタービンは、500万時間以上の運転実績を有しており、この持続性および信頼性の高いガスタービンに柔軟性を組み合わせることで、顧客ニーズに応じた多様なエネルギーを供給することができるでつ。

北米を中心に、今後、ピーク電源用のガスタービンについても、より大出力の大型ガスタービンの採用が見込まれているでつ。

今回の501GAC形ガスタービンの受注を弾みとして、北米を含めた世界各地で再生可能エネルギー由来の発電と大型ガスタービンを使った発電の組み合わせによる高効率発電の市場を創造するとともに、その普及に力を注ぎ、電力の安定供給と地球環境負荷の低減に貢献していくでつ。

微粉炭バイオマス高混焼率発電設備の運転実績⑤

コンベンショナルタイプのボイラで木質ペレットを利用する技術は,混合粉砕方式と専用粉砕 方式があるでつ。

以下に特徴を示すでつ。

・ 混合粉砕方式: 木質ペレットを石炭と共にミルに投入し,粉砕されたバイオマスと石炭(微粉炭)が混合し た状態でバーナより火炉内へ投入される方法

・ 専用粉砕方式: 木質ペレット専用のミルと専用バーナを用いて火炉内へ投入される方法 専用粉砕方式では,ペレット用の燃焼設備を最適化することで,従来の石炭焚きボイラ設 備から大幅な機器の変更を行わず,ペレットの混焼比をより高くすることが可能となるでつ。

バイオマス高混焼率ボイラには,石炭で多数の納入実績がある竪型ミル(MV ミル)を採用し,前 述のとおり,同一ミルで石炭とバイオマス(木質ペレット)の切替運用が可能なシステム。

詳細図を図2に示すでつ。 

微粉炭バイオマス高混焼率発電設備の運転実績④

燃料の特徴は、 木質のバイオマス(チップ,ペレット,バーク等)は,一般的に,石炭の様な化石燃料に比べて 発熱量が低く,種類により水分は多様で,また低灰分,高揮発分であるなどの特徴があるでつ。

このうち,本バイオマス高混焼率ボイラに用いるバイオマス燃料は木質ペレット(ホワイトペレッ ト)であり,一般的な瀝青炭と比較して,水分が少なく,高揮発分であり,貯蔵や粉砕等において 自然発火などに対する十分な配慮が必要となるでつ。 

微粉炭バイオマス高混焼率発電設備の運転実績③

微粉炭バイオマス高混焼率発電設備(以下,バイオマス高混焼率ボイラ)の仕様(計画諸 元)を表1に,ボイラ組立図を図1に,それらの特徴を以下に示すでつ。

・ 本バイオマス高混焼率ボイラは,中小型容量においても高蒸気条件を適用可能でかつ多 数の納入実績があり信頼性が高い強制循環の単胴放射再熱形コンベンショナルタイプを 採用

・ 蒸気温度は,バーナノズルの角度及びスプレイ水で調整するシンプルな制御方式を採用 

・燃料粉砕燃焼システムは,石炭と木質ペレットのそれぞれを専用粉砕/燃焼するシステム として,同一ミル/バーナで改造なく石炭とバイオマス(木質ペレット)の切替運用が可能な システム (本設備でも初期は石炭専焼を確認し,その後改造なくバイオマス混焼を行っており,切 替はいつでも可能) 

微粉炭バイオマス高混焼率発電設備の運転実績②

再生可能エネルギー(以下,再エネ)のバイオマス燃料を火力発電設備で利用することは,カー ボンニュートラルの燃料利用な観点から,有効な手段の一つ。

,微粉炭バイオマス高混焼率発電設備で,再エネであるバイオマス燃料(木質ペレッ ト)を,定格負荷にて安定的にバイオマス混焼比率 30%運転できることを確認。

併せて定格 負荷でバイオマス混焼比率 34%(試運転段階)を達成するとともに,部分負荷では同 50%(試運 転段階)を達成。

これは,当社が福島県相馬市で相馬エネルギーパーク合同会社向けに受 注し,2018 年3月に竣工した出力 11 万 2000kW の発電設備での混焼試験において達成したもの。

10 万 kW 級の大規模微粉炭焚き火力発電設備では国内最高となるでつ。

福島県相馬市で相馬エネルギーパーク合同会社向けのボイラの特徴と適用技術の 概要について紹介するでつ。 

微粉炭バイオマス高混焼率発電設備の運転実績①

福島県相馬市の相馬エネルギーパーク合 同会社向けに微粉炭バイオマス高混焼率発電設備を納入し,設計時の計画通りに定格負荷に て安定的にバイオマス混焼比率(熱量比)30%の運転ができることを確認。

コンベンショナルタイプの微粉炭バイオマス高混焼率発電設備で,カーボンニュートラルな木 質ペレットの混焼により石炭専焼時に比べて環境負荷の低減を可能としたでつ。

タイでガスタービン発電設備の拡張プロジェクトを受注 ~高効率発電プラントで新興国の電力供給に貢献~

タイのNava Nakorn Electricity Generating Co., Ltd社(以下「NNEG社」)から,「LM6000(※1)PF」ガスタービン1基を含む,6万kW級ガスタービン発電設備建設工事を,設計・調達・建設・試運転業務を請負うフルターンキーにて受注。

本件は,近隣のナワナコン工業団地において増加する電力需要に応えるため,NNEG社の既存のガスタービンコンバインドサイクルプラント(設備容量12万5千kW)を拡張するプロジェクト。

本発電プラントは,発電プラントのエンジニアリングおよび据付工事に強みを持つJEL社が2016年に,設計・調達・建設・試運転業務を請負うフルターンキーで施工したもので,その実績ならびにIHI/JELのタイでの豊富なコンバインドサイクル建設実績が評価され,今回の拡張工事の受注。

本発電プラントの主機である「LM6000PF」は,高効率を誇る航空転用型ガスタービンであり,単機出力4万kW級ガスタービンの中では,世界最高レベルの性能を有しているでつ。

連続運転はもちろん,Daily Start & Stop(日間起動停止)のような運用でも不具合が少ない,部分負荷運転時でも高効率で運用可能である,といった特長を有していいるでつ。

また,航空エンジン転用型であるため軽量で取り扱い易く,メンテナンス時はリース用のガスタービンに交換することでプラントの停止期間を最小限に抑えることができる等、様々なメリットがあるでつ。

IHIは今後も,高い発電効率と優れた環境性能を誇るガスタービンを中心とした発電機器・システムの提供や,メンテナンスおよび運用支援サービスをはじめとするライフサイクルビジネスの展開を通じて,高い経済成長が見込まれる新興国においても,環境負荷の低減と電力の安定供給の両立に貢献するでつ。

「LM6000」 B747などの大型旅客機に搭載されているGE社のジェットエンジン「CF6-80C2」を発電用に転用したもので,現在実用化されている4万kW級ガスタービンの中で,世界最高レベルの性能を発揮する高効率ガスタービン。全世界で1,200台を超える販売実績を持つ。

SOFC-MGT ハイブリッドシステムの 市場導入に向けた取り組みについて ⑤

SOFC とガスタービンとを組み合わせた GTFC については,平成 27 年7月に官民協議会により 策定された“次世代火力発電に係る技術ロードマップ”において,小型 GTFC(1MW 級)の商用 化,量産化を進め,SOFC のコスト低減を図り,中小型 GTFC(10 万 kW 級)の実証事業を経て, 2025 年頃に技術確立をすることが示されているでつ。

2016 年度より,NEDO 委託事業の“ガスタービン燃料電池複合発電技術開発”にて,従来(出 力 250kW 級,運転圧力 0.2MPa 級)に比べ,中小型 GTFC(出力 10 万 kW 級,運転圧力 1.0~ 1.5MPa 級)により近い容量・圧力条件の小型 GTFC(出力 1MW 級,運転圧力 0.6MPa 級)の市場 投入に向けた検証を MHPS 長崎工場にて開始。1MW 級実機は SOFC モジュール容器 を2基設置する計画であるでつが,本研究開発では 1MW 級に必要な半分の SOFC モジュール容器1 基のみで試験を行ってて,これをハーフモジュールと称しているでつ(図5)。

2018 年 9 月現在,ハーフモジュール実証機の据付けが完了し,発電前の試運転調整中(図6)。

今後,ハーフモジュールとしての実証運転を行い,1MW 級実機とした場合の商品性を見 据えたシステム仕様を検討していくでつ。

CO2排出量削減と電力の安定供給を両立させていくための実効性のある技術とし て,SOFC 複合発電システムを切り札と位置付けているでつ。

250kW 級機においては,2015 年度より,国内4か所に実証機を設置してて,市場投入に向け た実証を実施し,安定して稼働できることを確認しているでつ。

その結果を受け,2017 年度より,市場 投入を開始。

現在,商用機第1号を三菱地所(株)丸の内ビルディングに納めてて,今 年度中に運転を開始する予定。

更に,2016 年度より 250kW 級機から大容量化した 1MW 級機の検証を開始しており,現在 MHPS 長崎工場にて実証試験を実施中。

この実証試験で着実に技術を確立するとともに 早期実用化を進め,“安全で持続可能なエネルギー環境社会”の構築に大きく貢献していきたい と考えているでつ。。

SOFC-MGT ハイブリッドシステムの 市場導入に向けた取り組みについて ④

2015 年度より NEDO の助成事業“固体酸化物形燃料電池を用いた業務用システムの技術実 証”にて,市場投入に向けた実負荷環境での実証試験を実施。 

実証サイトは,トヨタ自動車(株)・元町工場,日本特殊陶業(株)・小牧工場,東京ガス(株)・千住 テクノステーション,大成建設(株)・技術センターの4地点(図4)。 

なお,本助成事業は課題設定型事業で,各サイトにてそれぞれ主となる課題・検証項目を設定 し,実証試験を行っているでつ。

各サイトでの実証内容は以下の通り。

各サイトで電力需要の変 化や起動停止による性能・耐久性への影響を評価。

・ トヨタ自動車向け実証機:起動停止試験(1回/月)継続中。

・ 日本特殊陶業向け実証機:連続耐久試験継続中。

・ 東京ガス向け実証機:起動停止試験(1回/週)を 31 回実施。

・ 大成建設向け実証機:自立運転機能検証試験済。

その結果を受け,2017 年より 250kW 級機の市場投入を開始

市場投入するモデルは 4サイトでの実証結果を反映したモデルとなるでつ。

商用機第1号を三菱地所(株)丸の内ビルディング に納めており,今年度中に運転を開始する予定。

2018 年8月現在,本体の据付工事まで 完了。

電源開発(株)が実施している NEDO 研究開発“燃料電池モジュールの石炭ガス適用性研究” 用に,2017 年度に電源開発(株)若松研究所に 250kW 級機を納めているでつ。

SOFC-MGT ハイブリッドシステムの 市場導入に向けた取り組みについて ③

円筒形SOFCの発電要素であるセルスタックの構造を図1に示すでつ。

セラミックス製の構造部材で ある基体管の外表面に,発電反応を行う素子(燃料極/電解質/空気極の積層体)を形成し,電子 導電性セラミックスのインターコネクタで素子間を直列に接続しているでつ。

このセルスタックを数百本 束ねカートリッジを構成し,カートリッジを圧力容器の中に格納したものを SOFC モジュールと呼ん でいるでつ(図2)。 

本システムは,SOFC,マイクロガスタービン(MGT)や再循環ブロワ等から構成。

SOFC と MGT の2段階にて発電し,更に排ガス系統に排熱回収装置を設置することで,蒸気,或いは温 水を同時に供給するコージェネレーションシステムとすることが可能(図3)。 

SOFC-MGT ハイブリッドシステムの 市場導入に向けた取り組みについて ②

昨今,日本のエネルギー情勢は大きな転換期を迎え,高効率発電,電源セキュリティに対する 意識が高まったでつなぁ~

地球温暖化抑制のための CO2 排出量削減と,現代社会に不可欠 な電力の安定供給を両立させていくためには,火力発電等の集中電源により構築された高度な 電力網に,高効率な分散電源や再生可能エネルギー等の新エネルギーを,質・量ともにベストミ ックスで組み合わせていくことが重要。

また,地球規模でのエネルギー資源の保全のため にも,高効率発電システムを開発し,早期普及させることにより,化石燃料を徹底して有効活用す ることが必須かつ急務の課題となっているでつ。

日本における最終エネルギー消費は,産業部門が全 体の 40%を超え,更に民生用の業務分野を加えると 60%強を占めていることになり,業務産業分 野の燃料電池の普及は,日本のエネルギー事情を改善させる大きな手段の一つと考えられるでつ。

250kW 級の中容量分散型電源から,経済産業省主催の次世代火力発電の早期 実現に向けた協議会で示された大規模集中電源用のガスタービン燃料電池複合発電(GTFC) や石炭ガス化燃料電池複合発電(IGFC)に及ぶまで,非常に広い出力レンジで高効率が期待で きる SOFC 複合発電システムに着目し開発を進めているでつ。

SOFC-MGT ハイブリッドシステムの 市場導入に向けた取り組みについて ①

将来の低炭素社会に向けて,高効率な発電が可能な固体酸化物形燃料電池(SOFC)をガス タービンと組み合わせた SOFC-MGT ハイブリッドシステムの開発を進めているでつ。

250kW 級機にお いては,2015 年度より,国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の助 成事業にて,国内4か所に実証機を設置し,耐久性の検証,実負荷環境での起動停止試験や負荷変化試験などの市場投入に向けた実証を実施し,安定して稼働できることを確認。

その結 果を受け,2017 年より 250kW 級機の市場投入を開始。

更に,2016 年度より NEDO 委託 事業にて,従来から大容量化した 1MW 級機の検証を開始しているでつ。

現在、長崎工場にて実証試験を実施中でつ。

CO2 フリー社会の実現に向けた水素燃焼ガスタービン ⑩

本報の第3章に記載した内容は,新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の“水素社 会構築技術開発事業”の成果の一部。

同助成事業において水素・天然ガス混晶方式のガ スタービンの燃焼器の開発に取り組み,30vol%の混焼条件においてガスタービンの運転が可能 な目途を得たでつ。

引き続き,水素専焼方式の開発を進めているでつ

また,本報の第4章に記載した内容は,内閣府戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)“エ ネルギーキャリア”(管理法人:JST)の成果の一部。

同研究により,水素のエネルギーキャリ アの一つとして有望なアンモニアを利用したアンモニア分解 GTCC システムの開発を開始。

2050 年の再エネによる世界的な CO2 フリーの水素社会に向けて,また,その移行期における CCS を組み合わせた化石燃料由来の水素利用において,水素燃焼ガスタービンの果た す役割は大きいでつ

今後も,大量かつ安定的な水素需要を生む水素発電で,国際的な水素サプラ イチェーンの構築を牽引し,CO2 フリーの水素社会に貢献する所存でつ。

CO2 フリー社会の実現に向けた水素燃焼ガスタービン ⑨

海外では,例えば,化石燃料由来の水素製造時に発生する CO2を CCS によって処理するシス テムなど,水素供給の段階から輸送,貯蔵そして利用までを視野に入れた包括的な水素利用プ ランが示されているでつ。

特にヨーロッパでは既存の天然ガスパイプラインが発達しているという利点も あり,国境を越えた総合インフラとして,水素活用のプロジェクトが進められているでつ。

その中で,オランダのエネルギー企業であるヌオン社(N.V. Nuon)が運営する出力 132 万 kW 級の天然ガス焚きガスタービン複合発電(GTCC)を水素焚きに転換するプロジェクトに 参画。

同プロジェクトは,図8に示すオランダ最北部のフローニンゲン(Groningen)州に位 置するヌオン・マグナム(Nuon Magnum)発電所に,当社が納入した M701F 形ガスタービンを中核 とする発電設備3系列のうち1系列を 2023 年までに 100%水素専焼の発電設備へと切り替えるも のであり,これまでに初期フィージビリティスタディー(FS:実現可能性調査)を実施。

既存技 術である拡散燃焼器の適用を検討し,水素燃焼への転換が可能であることを確認。

天然ガス 焚きでは 44 万 kW の GTCC 発電設備1系列につき年間約 130 万トンの CO2 を排出するでつが,水素 焚きへの転換によりそのほとんどを削減することができるでつ。

引き続きガスタービン技術領域 での FS を担当し,具体的な改造範囲の計画等,同プロジェクトの実現に向けて協力を続けるでつ。 

CO2 フリー社会の実現に向けた水素燃焼ガスタービン ⑧

アンモニア分解GTCCがあるでつなぁ~

発電用大型ガスタービンで必要となる大量の水素を安定に利用可能とするためには,水素の 製造・運搬・貯蔵等を担うサプライチェーンが構築されることが前提になるでつ。

水素の運搬・貯蔵に 関しては,水素を液化して運搬・貯蔵する方法だけでなく,アンモニアや有機ハイドライド等のエ ネルギーキャリアを活用することが水素基本戦略(2)で提示されているでつ。

2017年度から内閣府SIP(戦略的イノベーション創造プログラム)に参画して,アンモニ アをエネルギーキャリアとしたガスタービンシステムの検討を実施。

アンモニアは,液化水 素の 1.5 倍の体積水素密度を有しており,液化石油ガスなどの既存の運搬・貯蔵インフラを転用 可能である等の特徴があるでつ。

同プログラムでは,アンモニアを燃料としてマイクロガスタービン(3)及 び小型ガスタービンで直接燃焼させる研究がなされているでつが,大型ガスタービンに適用するには 表1に示す課題があるでつ。

そこで当社では,図7に示すように,アンモニアを熱分解して水素に変換 し,ガスタービンで燃焼させるシステムを検討。

分解反応を起こすためには,アンモニア を触媒接触下で高温に加熱しつつ,原料アンモニア1モルあたり 46 kJ/mol の反応熱の投入が必 要となるでつが,この反応熱は生成する水素の発熱量増加(化学再生)になるため,原理的な効率低 下はないでつ。

原料アンモニアを分解させる際に残留する微量の残留アンモニアが燃焼器での NOx 生成の原因となるため,残留アンモニアの量を低減できる分解装置の機器構成,分解触媒の選 定等を同プログラムで進めているでつ。 

本システムには表2に示すように,高効率かつ大容量な GTCC システムに対して比較的少ない 改造で適用できる特徴があり,CO2 フリーアンモニアを用いることにより,大量の CO2 削減に寄与 することができるでつ。

本システムを適用することにより,現在開発中のガスタービン用水素燃焼器を活用できるだけでなく,開発したアンモニア分解装置は汎用的な水素サプライチェーンの構成機 器として活用することが可能。

CO2 フリー社会の実現に向けた水素燃焼ガスタービン ⑦

 拡散燃焼器 拡散燃焼器は,燃料と燃焼用空気を別々に燃焼器内に噴射するでつ。

予混合燃焼方式に比べ て火炎温度が高い領域ができやすく NOx 発生量が増えるため,蒸気・水噴射による NOx低減 対策が必要になるでつ

一方で,比較的,安定燃焼範囲が広く,燃料性状変動への許容範囲も大きいでつ

拡散燃焼器を図6に示すでつ

これまで,小型から中型のガスタービン発電設備において オフガス(製油プラント等で発生する排ガス)の燃料利用により幅広い水素含有割合(~ 90vol%)の燃料に関する実績を有するとともに,水素利用国際クリーンエネルギーシステム技 術研究開発(World Energy NET WORK(WE-NET))プロジェクトへの参画の際に,水素専焼 による燃焼試験にも成功。

CO2 フリー社会の実現に向けた水素燃焼ガスタービン ⑥

水素専焼用マルチクラスタ燃焼器は、図5に示すでつ。

水素がさらに高濃度になれば,逆火のリスクは高まるでつ

水素混焼 DLN 燃焼器のように旋回流 を使って燃料と空気を混合させるには比較的大きな空間が必要であり,逆火のリスクが高くなる ため,狭い空間で短時間に混合させる必要があるでつ

そこで,火炎を分散し,より細かく,小さく燃 料を吹き出す混合方式を考えたでつ

従来の DLN 燃焼器の燃料供給ノズル(8本)に対して,より 数多くのノズルを有する図5のマルチクラスタ燃焼器をベースとして,1本のノズルの孔を小さく し,空気を送るとともに,そこに水素を吹いて混合させる方式を採用。

旋回流を利用せず, より小さなスケールで空気と水素を混合でき,高い逆火耐性と低 NOx 燃焼が両立する可能性 を有しており,現在,燃料ノズル構造の基礎検討を進めているでつ

ガスタービンの要素技術をオールジャパンで開発

そもそもガスタービンとは、天然ガスなどの燃料を燃やして動力を得るエンジンのこと。

主に大量の空気を吸い込み圧縮する「圧縮機」、高圧の空気と燃料を燃焼させる「燃焼器」、そして、高温高圧になった燃焼ガスを使って回転する「タービン」の3つで構成されているでつ。

タービンの回転力を使って発電機の軸を回転させ、その回転エネルギーを電力に変換することで発電しています。また、タービンの回転力の一部は圧縮機の回転にも使われるでつ。

タービンの回転力を電力として取り出す代わりに、タービンから出る排気エネルギーによって排気自身を加速させ、ジェットとして噴出することで推進力を得ているのが、航空機のジェットエンジンでつ。

ガスタービンの性能は、「比出力」と「熱効率」の2つで決まります。比出力とは、ガスタービンに流入する空気の単位流量当たりに取り出せる動力のことで、比出力が大きければ大きいほど小型で大出力になるでつ。

一方、熱効率とは、燃料が持つ熱エネルギーから取り出せる動力の割合のこと。

具体的には、取り出した動力を燃料が持つ熱エネルギーで割った値になるでつ。

同じ出力の機械を動かす場合、熱効率の高いものほど少ない燃料で動かすことができるでつ。

一般に、比出力を大きくするには、タービンの入口温度と取り込む大気温度の比を大きくするでつ。

また、熱効率を高めるには、圧縮機での圧力比を高くするでつ。

圧力比とは、大気の圧力と圧縮機で圧縮した空気との圧力の比のこと。

それゆえ、ガスタービンの高効率化を図るには、高温化と高圧力比化を行う必要があるでつ。

固体酸化物形燃料電池(SOFC)とマイクロガスタービン(MGT)のハイブリッドシステムシリーズ名称を「MEGAMIE(メガミー)」に決定

大型の燃料電池であることを想起させる「メガ」と大地や美を司る「女神」を掛け合わせ、“力強さとスマートさ、温かさ”を表現したでつ。

SOFCとMGTを組み合わせたハイブリッドシステムの知名度向上、さらなる市場浸透をはかるでつ。

業務・産業用として製品化した固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)とマイクロガスタービン(MGT)の組み合わせによる加圧型複合発電システム(ハイブリッドシステム)について、シリーズの名称を「MEGAMIE(メガミー)」に決定。

昨今の世界的な環境意識の高まりを受け、新たにシリーズ名称を設けることで知名度を向上させ、同システムのさらなる市場浸透をはかっていくでつ。

このネーミングは、安定した稼働性能を発揮する大出力の燃料電池であることを想起させる「メガ(MEGA)」と、大地や美を司る「女神(MEGAMI)」を掛け合わせ、“力強さとスマートさ、温かさ”を表現したもの。

また、最後のEは、Environment(環境保全)、Energy security(安定供給)、Economy(経済性)の3つの”E”を意味し、MHPSが顧客に提供する価値や社会に対して果たすべき役割を表しているでつ。

2016年度まで国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の助成事業により250kW級ハイブリッドシステムの実証に取り組み、国内4ヵ所に実証機を設置して安定稼働を確認。

業務・産業用の実用モデルを開発し、2017年夏に販売を開始。

本年初頭には、初号機を三菱地所株式会社が東京・丸の内で所有・運営する丸の内ビルディング(丸ビル)の分散型電源として受注し、2019年2月の本格稼働開始に向けて工事を進めているでつ。

このハイブリッドシステムは、都市ガスを燃料とし、約900℃の高温で作動するセラミックス製SOFCとMGTの両方で発電するものでつ。

燃料を燃焼させることなく、SOFC内部で都市ガスを改質して水素や一酸化炭素を取り出し、空気中の酸素と化学反応させることで発電。

さらに、後行程でMGTを使って発電することで燃料を有効活用。

また、コージェネレーション(熱電併給)の場合には、残りの排熱を蒸気または温水として回収するため、総合効率の大幅な向上を実現するとともに、従来の発電システムに比べて顧客の工場・ビルからのCO2排出量を半分近く削減することができ、低炭素社会の実現に寄与するでつ。

SOFCとMGTを組み合わせたハイブリッドシステムのシリーズ名称決定を弾みに、同システムの普及促進に向けた提案営業を活発化するとともに、性能や利便性のさらなる向上に取り組み、持続可能性の高い低炭素社会にふさわしいエネルギー創出に貢献するでつ。

台湾電力の天然ガス焚きGTCC発電所向けに低NOx化・性能アップ工事を受注南部・大潭Stage1両設備のM501F形ガスタービン7基を対象に

台湾公営の台湾電力(台湾電力股份有限公司、Taiwan Power Company:TPC)の南部火力発電所(高雄市)および大潭(ダータン)火力発電所(桃園市)に対する設備改修工事を、フルターンキー方式で受注。

納入したM501F形ガスタービン7基について、低NOx(窒素酸化物)化と性能アップをはかり、予備品の供給も手掛けるもので、デジタルソリューションサービスである「MHPS-TOMONI®」も導入して火力発電設備の運転最適化を支援。

工事の完了は、2019年8月を予定

両発電所とも、天然ガス焚きのガスタービン・コンバインドサイクル(GTCC)発電設備が改修対象。

南部発電所では、2003年に納入した1基分で出力は約25万kW。

大潭発電所では、2005年に納入したステージ1(Stage1)設備で、2系列6基分の出力は約140万kW。

いずれも、運転開始以来台湾における電力供給で大きく寄与してきた発電設備で、建設時と同じく三菱商事株式会社の契約名義に基づき同社と共同で取り組みでつ。

今回の工事は、低NOx化については新型の燃焼器(FMk8)に交換することを中心に実施。

これにより、NOxは約60%低減します。性能アップは増出力・増効率が狙いで、ガスタービン翼のアップグレードが柱となるでつ。

併せて、補機の設計・製作・調達・据え付け・試運転なども担当。

台湾では、旺盛な電力需要に対して供給が追いつかず、需給逼迫状況が続いています。需要ピークに対して、供給力にどの程度の余裕があるかを示す供給予備率を増やす必要があり、ガス火力発電には依然として大きな期待が寄せられているでつ。

その一方で、環境負荷の低減策も求められており、発電設備の低NOx化・高効率化対応ニーズも高まってきたでつ。
こうした事情を受け今回の商談では、激しい競争にさらされたものの、当社の低NOx燃焼器技術や性能アップ提案、既存GTCC設備の納入実績を踏まえた信頼性などが高く評価され、受注に至ったでつ。

今回の受注を弾みとして、IPP(独立電力事業者)を含めた台湾電力業界全体のニーズである低NOx化・性能アップに向けた提案に努めるとともに、受注拡大の試金石ともなる今工事の完遂に全力を挙げて取り組み、台湾における電力の安定供給と環境負荷の低減するでつ。

CO2 フリー社会の実現に向けた水素燃焼ガスタービン ⑤

(1) 水素混焼用 Dry Low NOx(DLN)マルチノズル燃焼器 水素混焼による逆火発生リスクの上昇を防ぐことを目的として,従来の DLN 燃焼器をベース として新たに開発した水素混焼用燃焼器の概要を図4に示すでつ。

燃焼器内部に圧縮器から供給 された空気は,旋回翼(スワラー)を通過することで,旋回流となるでつ

燃料は,スワラーの翼表面 に設けられた小さな孔より供給され,旋回流の効果で急速に周囲の空気と混合されるでつ

一方, 旋回流の中心部(以下渦芯)には,流速の低い領域が存在することが明らかとなっているでつ

旋回流中での逆火現象は,この渦芯に存在する流速の遅い部分を火炎が遡上することで発生す ると考えられるでつ

新型燃焼器では渦芯の流速を上昇させるため,ノズルの先端から空気を噴射 することを特徴。

噴射された空気は,渦芯の低流速領域を補い,逆火の発生を防止 。

フルスケールの新型燃焼器1缶を使用した実機圧力下での燃焼試験を実施した結果,水素 30vol%を混合した条件においても NOx は運用可能な範囲内にあり,逆火の発生や燃焼振動 の著しい上昇を伴わずに運用できる目途を得たでつ。 

CO2 フリー社会の実現に向けた水素燃焼ガスタービン ④

発電用大型ガスタービンは,これまで高効率化を図るために,タービン入口温度(燃焼温度)を 上昇させながら開発が進められたでつ。

燃焼温度の上昇により指数関数的に増加する NOx 排出量に 対応するため,当社の発電用大型ガスタービンに搭載される Dry Low NOx(DLN)燃焼器は予混 合燃焼方式を採用。

予混合燃焼方式では燃料と空気をあらかじめ混合して燃焼器内に投入。

従来の拡散燃焼 方式に比べて火炎温度を均一にできるため,NOx低減用の蒸気や水噴射が不要で,サイクル効 率の低下も生じないでつ。

一方で,安定燃焼範囲が狭く,燃焼振動や逆火(フラッシュバック)の発生リ スクがあり,未燃分も排出しやすい傾向があるでつ。

天然ガスと水素を混焼,あるいは水素専焼させた場合,燃料成分の変化により火炎の性質が 変化するでつ。

水素は天然ガスと比較して燃焼速度が高いため,天然ガスのみを燃焼させた場合と比 較して,逆火現象の発生リスクが高くなるでつ。

したがって,水素ガスタービン用の燃焼器は逆火発生 の防止に向けた改良を中心に,低 NOx 化や安定燃焼化を図り,商品性の向上(低コスト,長寿命 等)と合わせて開発・実用化する必要があるでつ。

以下に,当社の水素混焼・専焼に対応する水素ガスタービン用燃焼器の開発状況について述 べるでつ。

図3にそれらの概要を示すでつ。 

CO2 フリー社会の実現に向けた水素燃焼ガスタービン ③

国連気候変動枠組条約第 21 回締約国会議(COP21)で採択された“パリ協定”の温室効果ガ ス削減目標達成に向けた取組みが世界各国で始まり,再生可能エネルギー(以下,再エネ)の導 入が加速。

図1(1)に IEA(国際エネルギー機関)の報告書における,現在から 2060 年まで の世界の累計 CO2削減量の見通しを示すでつ。

再エネの利用による CO2削減量を全体の約3割と見 込んでいるでつ。

 風力,太陽光,水力などの再エネによる発電は,気候・気象条件,昼夜などの時間帯によって 発電量が変動することや,世界の各地域で発電量が偏在していることから,効率よく電力を利用 するために発送電システムの柔軟性と安定性が求められるでつ。

一方で,再エネを水素に変換し貯 蔵・輸送して利用することが,エネルギーの変動に対して有効であると考えられており,再エネの 大規模発電地域から離れた日本においても水素のサプライチェーンの構築とそれに関わる技術 開発が重要かつ,急務。

また,先の報告書(1)では,天然ガスをはじめとする化石燃料の改質により製造される水素の利 用が 2030 年頃から増え始め,2050 年までの累積 CO2削減量の 14%を担うことが見込まれてい るでつ。

製造時に大量に発生する CO2 を回収して地中に貯留する Carbon dioxide Capture and Storage (CCS)と合わせて,再エネ主体に移行する過渡期においては,化石燃料の改質と CCS との組み合わせから製造される水素の利用技術も必要。

図2に示すように,これら再エネ由来/化石燃料由来の水素を最大活用し,強みの発 電製品を水素バリューチェーンに適用することに取組んでいるでつ。

その中で発電用大型ガスタービ ンは,高効率で発電できるだけでなく,低純度な水素(製造コスト・技術のハードルが比較的低 い)が利用可能であり,大量かつ安定的な水素需要を生むでつ。

水素社会に向けて,インフラの拡 充,多様な利用方法を含んだ水素利用ビジョンが示される中で当社の発電用大型ガスタービン の果たす役割は,今後より一層大きくなるものと考えられるでつ。

CO2 フリー社会の実現に向けた水素燃焼ガスタービン ②

1980 年代からの電力需要の急激な増加に対応するために,燃料に天然ガス/LNG(Liquefied Natural Gas:液化天然ガス)を用いた GTCC が注目されたでつ。

これまで大容量・高効率化が進められ てきたでつ

GTCCは化石燃料を使用する火力発電方式の中で最もクリーン,かつ高効率な設備。

日本の一次エネルギーの主な変換先は電力で,全体の実に 43%を占めるでつ

その中で,火力 発電による電力供給割合は 85%にも及ぶ(2015 年現在)。

このため GTCC は,今後も旺盛なエネ ルギー需要に対応する一方で,資源の有効利用や低炭素社会の実現のために,より一層の CO2 削減が求められているでつ。日本では低炭素社会に向けた水素基本戦略として,2030 年頃に水素発電の商用化を目指す ことを掲げているでつ

この先 10 年余りの短期間での商用化(技術開発から電力事業者への設備導 入)をより現実的に進めるため,当社では,既存のガスタービン設備を使い水素発電ができるシス テムを考案。

このシステムは,ガスタービン用燃焼器以外の発電設備の大規模なリニューア ルを必要としないでつ

そのため,水素転換へのコストのハードルを下げ,水素社会へのスムーズなシ フトを促すことが期待されるでつ

現在,国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構 (NEDO)にご支援をいただき,発電用大型ガスタービンにおいて,燃料の LNG に水素を 30%混 ぜて使用することができる燃焼器の開発に成功。

水素の燃焼により懸念される NOx の排出 も,従来レベルに抑制できる。70 万 kW 相当(タービン入口の温度 1600℃の GTCC)の出力に対応できる技術で,従来の GTCC と比較し,発電時の CO2排出を約 10%削減できるでつ

これは,水素 社会構築のための大きな一歩。

本報では,水素燃焼ガスタービンを軸とした,水素 社会実現に向けた取組みを紹介するでつ。

CO2 フリー社会の実現に向けた水素燃焼ガスタービン ①

ガスタービン複合発電(以下,GTCC)はそのクリーンかつ高効率な特性から,現在,発電に占 める割合が大きくなっているでつ。

そのため CO2 フリー社会の実現には,発電用大型ガスタービンに おける水素の大規模利用が重要。

天然ガスと水素の混焼方式と 水素専焼方式の大型ガスタービンの開発を進めてるでつ。

現在,水素 30vol%の混焼試験に成功。

さらに,水素のエネルギーキャリアの一つとして有望なアンモニアの GTCC での利用につ いても研究を開始。

また,ヨーロッパにおける GTCC プラントの水素焚き転換プロジェクトにも 参画。

これらの活動を通して,水素の供 給・輸送・貯蔵に関する国際的な水素サプライチェーン構築を牽引し,水素社会の実現に貢献するでつ、

カタールのラスラファンC独立発電・造水事業向けで2期LTSAを締結M701F形ガスタービン8基が対象

 

カタールのラスラファン工業地区(Ras Laffan Industrial City)のラスラファンC独立発電・造水事業(IWPP)で運転中のガスタービン・コンバインドサイクル(GTCC)発電設備のうち、当社製M701F形ガスタービン8基の2期長期メンテナンス契約(LTSA)を締結。

契約期間は2019年から15年間。

この発電設備は、2008年に受注したもので、プラント全体で273万kW級の発電能力を持ち、6,300万ガロン(約24万キロリットル、1米ガロン=約3.78リットル)/日の造水能力を持つ海水淡水化プラント設備の動力源としても使用。

2010年以降の運転開始後は、LTSAに基づきガスタービンの保守などを担当してきましたが、契約更新時期を控えて2期LTSAを締結したもの。

本契約は、1期LTSA契約履行を通じて当社のメンテナンス能力が高く評価され、顧客であるRGPC社(Ras Girtas Power Company)との間で締結したもので、引き続き定期点検向けに部品供給・補修、運転の遠隔監視サービスなどを提供。

カタールは、豊富な天然ガス資源を背景とする社会・産業基盤整備に向けた動きが活発で、ラスラファンの発電・海水淡水化事業は、中東地域における大規模インフラ整備プロジェクトの代表格。

水素エネルギーチェーンの「つくる・はこぶ・ためる・つかう」という4つのフェーズの構想⑤

水素を巡る技術開発は、基本戦略の決定を先取りする形で進んでいるでつ。

16年2月には、水素製造、輸送・貯蔵、利用からなるサプライチェーンを構築し、30年頃の商用化を目指す技術研究組合「CO2フリー水素サプライチェーン推進機構(HySTRA=ハイストラ)」が発足。

参加するのは川崎重工、岩谷産業、シェルジャパン、J-POWERの4社。HySTRAは、新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の水素サプライチェーン構築実証事業の実施主体。

世界の水素関連企業がサンフランシスコに集結。 テクノロジー業界のリーダーたちも交え、エネルギー転換へ向けて推進

「Hydrogen Council 第 3 回 CEO 会合は約 18 ヶ月前に本イニシアチブが設立されて 以降の偉大な活動の軌跡です。50 社以上の産業界のリーダーはエネルギー転換における水素の役割を 示すため本日ここに集結しました。水素の利用拡大と真のエネルギー転換を実現するために今アクションを 起こさなければなりません。エネルギー転換は環境・経済・社会にとって持続可能なものでなければなりませ んが、水素はその全ての条件を満たすことが出来ます。 カリフォルニアの ICT イノベーションの中心地において水素の役割を示すため、Hydrogen Council は”Hydrogen Meets Digital”と題する新たな資料を提示しました。これは水素が貢献可能な 4 つの 典型的なアプリケーションについて調査したものです。McKinsey の解析補助を受け、如何にして水素と デジタル技術が協調してエネルギー転換を推進するかを示しています。 このレポートは、ICTイノベーターが直面する緊急の課題に対し、水素のもつメリットが如何に貢献できるか を示しています。近い将来、エネルギー効率向上により全体のエネルギー消費は低減されますが、データ センターをはじめとしたデジタル関連のエネルギー消費は2050年までに倍増することが予想されます。 これは、再生可能エネルギーを貯蔵し、輸送し、必要な時に供給するエネルギーキャリアが必要になること を暗示しており、そのためには水素とバッテリーが必要不可欠な存在です。水素はバッテリーの10倍の エネルギー密度を持ち、水素の充填はバッテリー充電の20倍の速度で行えるため、エネルギーキャリアとして より優れています。柔軟な製造が可能なため、電力系統のバランスを整えることができます。また、燃料 電池はバッテリーに比べ長時間の電力供給が可能なため、充電による待ち時間を減らし、稼働率を向上 させ、充填インフラの数も減らすことが可能です。 2030年までに水素は150万台の自動運転タクシー、70万台の自動運転シャトルバス、8千台の垂直 離着陸タクシー(VTOL)、360万台の貨物トラックにエネルギー供給を行い、データセンターに1TWhの 非常用電力を供給する可能性があります。結果として、デジタル化により、昨年カウンシルが発表 した ”Hydrogen Scaling Up“ レポートに記載の他、2030年にはさらに年間700万トンの水素需要と、 640万台の燃料電池利用分の市場を広げることが可能です。 Air Liquide社CEO兼会長であり、カウンシルの共同議長のブノワ・ポティエ氏は次のように語りました。 「水素はエネルギー転換において主要な役割を果たすたけでなく、デジタル化革命におけるエネルギー供給 の鍵となります。我々はICT業界のリーダーを招き、デジタル分野において水素が提示できるソリューションに ついて議論しました。我々は共に持続可能な将来を担う具体的なソリューションを提供可能です。」 川崎重工は、当カウンシルの一員として水素の大量利用社会の実現に必要な技術開発を行い、水素 エネルギーの普及を推進してきました。技術開発は、水素製造から輸送、貯蔵、利用までの水素エネルギ ーサプ ライチェーン全般にわたり、その製品化に取り組んでいます。 2018年4月には、市街地における水素燃料100%のガスタービン発電による熱電供給を世界で初めて 達成しました1。また、2020年には、日豪間の船舶による液化水素サプライチェーン実証を開始します2。 2018年には、豪州政府の資金支援が決定し、豪州側の実証も正式にスタートし、日豪両国でプロジェ クトは建造段階へステージを進めています。 川崎重工は、これからも水素を安全に、安定的に、そして経済的に利活用できる社会の実現に向け、 製品開発を推進いたします。

Hydrogen Councilは、2017 年初め、スイス・ダボスで開催された World Economic Forum の 場で発足しました。グローバルなエネルギー移行に関して、水素技術が果たす役割を推進していく、世界初 のグローバルなCEOによるイニシアチブです。現在のメンバーは、33の様々な国のリーディングカンパニー (3M, Airbus, Air Liquide, Air Products, Alstom, Anglo American, Audi, BMW GROUP, China Energy, Cummins, Daimler, EDF, ENGIE, Equinor, Faurecia, General Motors, Great Wall Motor, 本田技研工業, Hyundai Motor, 岩谷産業, Johnson Matthey, JXTGエネ ルギー, 川崎重工業, KOGAS, Plastic Omnium, Royal Dutch Shell, Sinopec, The Bosch Group, The Linde Group, thyssenkrupp, Total, トヨタ自動車, Weichaiの各社)と、20 の バリューチェーン上の企業(AFC Energy, Ballard Power Systems, Faber Industries, First Element Fuel (True Zero), W. L. Gore, Hexagon Composites, Hydrogenics, 丸紅, McPhy, 三菱商事, 三菱重工業, 三井物産, Nel Hydrogen, Plug Power, Re-Fire Technology, Royal Vopak, Southern California Gas, 三井住友銀行, 住友商事, 豊田通商の各社)です。 Hydrogen Councilメンバー企業全体では、収入全体で1.8兆ユーロ、世界全体で 380万人以上の 社員を有しています。 

Hydrogen Councilはこれまで2つの調査報告を出しています。”How hydrogen empowers the energy transition“(2017年1月) では、エネルギー転換における水素の役割を、導入ポテンシャル・ 現状・導入への課題について記載しています。”Hydrogen, scaling up” (2018年11月) では、世界 で初めて水素の長期導入ポテンシャルと導入ロードマップを記載したものです。 詳細はウェブサイトをご覧ください。www.hydrogencouncil.com

水素エネルギーチェーンの「つくる・はこぶ・ためる・つかう」という4つのフェーズの構想④

日本国内では17年12月、政府によって「水素基本戦略」が決定されたでつ。

水素エネルギーは再生可能エネルギーと並ぶ将来エネルギーと位置づけられ、取り組み目標も提示。
ここで掲げられたのは、①燃料電池自動車・バスと水素ステーションの普及促進②年間1,000万t程度(発電容量で約3,000万kW)の水素燃料の調達を目指す、③安価な原料である褐炭や海外の再生可能エネルギーの積極利用と、そのための国際的な水素サプライチェーンの開発、など。

水素エネルギーチェーンの「つくる・はこぶ・ためる・つかう」という4つのフェーズの構想③

さらにアメリカやEUでは独自の戦略づくりが進み、世界最大級のCO2排出国である中国でも、水素エネルギーの活用を含めた自動車開発を国家戦略にするなど、世界的規模での水素エネルギー推進体制が整ってきているでつ。

電力・水素複合エネルギー貯蔵システム」の実証運転を開始

水素貯蔵システムと電力貯蔵装置を組み合わせて、通常時の再生可能エネルギーの有効利用と非常用電源としての機能を併せ持つ
「電力・水素複合エネルギー貯蔵システム」を新たに考案・開発し、仙台市茂庭浄水場にて実証運転を開始したでつ。
再生可能エネルギーから得た電力を用いて水素を製造、利用するPower to Gasの一形態である本システムの実用化により、災害時に停電が発生しても安定して継続運転が可能な次世代の浄水場の実現を目指しますでつ。
東日本大震災時は、非常用電源として、多くの自家用発電機が使用されましたでつが、メンテナンス不足による動作不良や燃料不足など、さまざまなトラブルが発生。
仙台市でも、1978年の宮城県沖地震の経験から、主要な浄水場には24時間の停電に対応可能な非常用自家用発電装置を設置していたでつが、東日本大震災時は、停電時間が24時間をはるかに上回り、県内の石油備蓄基地の被害や物流の遮断により燃料確保が困難を極め、浄水場の機能維持に大変苦慮する結果となったでつ。
また、福島第一原子力発電所の事故を受け、地球温暖化対策とエネルギー政策の両面から、再生可能エネルギーの利用拡大が進められているでつが、2012年にスタートしたFIT法により、再生可能エネルギーの導入量、特に太陽光発電については予想以上のペースで増加してて、系統への接続が保留されたり、
新規接続契約が停止されるなどの課題が顕在化しつつあるでつ。
このような背景の下、NEDOは、2014年度から「水素社会構築技術開発事業」の1テーマとして、仙台市水道局協力のもと同市茂庭浄水場をモデルに水素を利用して安定的なエネルギーを供給するための技術開発を実施。
本事業では、経済・技術成立性を見通す全体コンセプトを検討し、これに基づく技術の検証を行っているでつ。
国立大学法人東北大学と株式会社前川製作所は、大容量化や小型化に優れた水電解装置・燃料電池・水素貯蔵システムと、耐久性、即応性、高効率性に優れた電気二重層キャパシタ等の電力貯蔵装置を組み合わせた新しいシステムを考案・開発。
新規開発した「電力・水素複合エネルギー貯蔵システム」は、平常時の太陽光発電の有効利用だけでなく、非常時のエネルギーの長時間安定供給も可能にするもの。
そして、今般、仙台市茂庭浄水場の20kW太陽光パネルを用いた実証システム(図1)が完成し、実証運転を開始。
図1に示すように、本実証システムにおいては、直流母線電圧のコンセプトを水素の貯蔵管理にも広げ、電気系の直流母線(DC BUS)に対応し、
ガス系において水素母線(H2 BUS)※3という呼び方を用いているでつ。

再生可能エネルギーから得た電力で水素を製造、利用するシステム(Power to Gas)の一形態でもある本システムの実証運転を通して、東日本大震災の教訓の一つ。
「外部からの燃料調達に依存しない大容量非常用電源」技術の確立を行い、災害時に停電が発生しても安定した継続運転が可能な新たな浄水場の実現を目指すでつ。

茂庭浄水場においては、再生可能エネルギーとして太陽光発電を利用。

浄水場において、通常時の再生可能エネルギーの有効利用や非常時のエネルギーの長時間安定供給を実現するには、即応性、大容量性、耐久性、コンパクト性、
高効率性を兼ね備えたエネルギー貯蔵装置が不可欠でつが、これまでこの様な条件を満たす単体のエネルギー貯蔵装置はなかったでつ。

そこで「電力・水素エネルギー貯蔵システム」においては、大容量性やコンパクト性に優れている水素貯蔵システムと、即応性、耐久性、高効率性に優れている
電力貯蔵装置を組み合わせて、これを実現。

不安定な再生可能エネルギーの出力変動に対し、本システムにおいては二つの手法を用いて高精度な補償を行うでつ。

具体的には、本提案システムでは、再生可能エネルギー出力と目標出力(負荷消費電力)の差の時間変化分を未来予測技術により長周期成分と短周期成分に分離。
そして、それを基にして長周期成分については、エネルギーが余剰の場合、水電解装置を用いて水素を製造発生させ、逆にエネルギーが不足の場合には、燃料電池を
用いて発電することにより変動分の補償するでつ。

他方、短周期成分については、即応性に優れた電気二重層キャパシタを電力貯蔵システムとして用いることにより、高精度な補償を実現。
この様な補償方法とすることで、直流母線電圧を一定に保つことができ、安定した電力供給を可能。
その結果、浄水場の以下の様なニーズを満たすことが可能になるでつ。

水素エネルギーを用いることにより、非常時に必要となる3日分のエネルギーを省スペースで貯蔵。

非常時(停電時)でも太陽光発電から水素を生成することにより,外部からの燃料調達無しでも運転を継続。

通常時は、再生可能エネルギーの活用と水素貯蔵により、ろ過砂洗浄等の負荷平準化やピークカット/シフトを実現(ろ過砂洗浄作業:夜間から昼間へ)
非常時(停電時)でも、所内負荷に電力を安定して供給するでつ。

本事業で提案された「電力・水素エネルギー貯蔵システム」を用いて、通常時の再生可能エネルギーの有効利用や非常時の長時間エネルギー安定供給を実現するために、
実証システム(規模は実適用時の約1/50)を用いて、主に以下の項目を検証。

  ① 燃料電池や水電解装置の応答性、制御性、耐久性
  ② 高精度変動補償に適した太陽光発電出力の予測方法と最適な変動補償方法
  ③ 太陽光発電出力の変動補償に適した電力・水素貯蔵システムの入出力制御方法
  ④ 長時間連続運転に適した電力貯蔵システムと水素貯蔵システムの運転制御方法
⑤ 燃料電池と水電解装置の同時運転を可能とする水素貯蔵システムの運転制御方法
「電力・水素エネルギー貯蔵システム」の実証運転を予定通り、確実に実施。
さらに、今回の実証運転を通して得られる本事業の種々の結果を踏まえて、新たな浄水場向けのエネルギーシステムの早期実現に向け、実規模システムのコスト低減に有効なシステム構成機器の容量選定指針やシステム運転制御方法の確立を進めるでつ。

【用語解説】
  ※1 電気二重層キャパシタ
    電気二重層という物理現象を利用した、優れた充放電サイクル特性(寿命)や急速充放電特性を有する蓄電デバイス(コンデンサ)
  ※2 直流母線電圧
    電力・水素複合エネルギー貯蔵システムの基幹となる電線(直流)の電圧(DC BUS Voltage)
  ※3 水素母線(H2 BUS)
    電気系の直流母線(DC BUS)に対応する水素の基幹フロー配管
スマートコミュニティには、貯蔵技術が不可欠でつなぁ~

3万kW級の可搬型航空転用ガスタービン発電設備を受注PWPSが米国の石油・天然ガス掘削企業U.S. Well Services, LLC から

◆ 「FT8® MOBILEPAC®」を2018年中に納入開始へ

◆ 石油・天然ガス掘削用の高圧水力破砕設備向けで初採用

米国の石油・天然ガス掘削企業大手であるU.S. Well Services, LLC(USWS)と、航空転用型パッケージタイプの3万kW級ガスタービン発電設備「FT8® MOBILEPAC®」の包括購買契約を締結。

石油・天然ガス掘削用高圧水力破砕モーターの動力電源として採用されたもので、米国内の石油・天然ガス生産設備向けでの受注は、PWPSにとってこれが初めて。2018年中に納入を開始し、2019年3月末までに計8台の納入を予定。

USWSは、テキサス州ヒューストンに本社を構え、シェール層などの非在来型石油・天然ガス貯留層での高圧水力破砕掘削サービスを提供。

今回受注したFT8® MOBILEPAC®は移動可能なコンパクトモデルで、短時間での起動および迅速な輸送・設置が可能。

これらの利点を活かして、USWSが特許を取得している電動破砕設備に電力を供給。

「FT8® MOBILEPAC®は、設備の据え付けと撤去に必要な時間と人的資源を大幅に節約できることから、従来の高圧水力破砕プロセスに変革をもたらすでつ。同ガスタービン発電設備は破砕作業にとって理想的なテクノロジーといえます」

「今回のFT8® MOBILEPAC®の包括購買契約を通して、私たちの掘削能力や機動力などが向上し、顧客に大きなメリットをもたらすことができると考えています。私たちは、世界的に知名度の高い航空転用ガスタービンサプライヤーであるPWPSとの戦略的協力関係に、大きな期待を寄せています」。

PWPSは、本社を米国コネチカット州グラストンベリー(Glastonbury)に置き、米国の航空機エンジンメーカーであるプラット・アンド・ホイットニー(Pratt & Whitney:P&W)が供給するエンジンを転用したガスタービンのエンジニアリング・組み立て・販売・サービス、EPC(設計・調達・建設)などを手掛けるMHPSのグループ会社。

2013年にP&W傘下から三菱重工業株式会社の完全子会社となり、本年からMHPSの米国法人傘下に移管されたもの。

世界の50ヵ国・地域以上に2,000台を超える発電用・機械駆動用ガスタービンを供給した実績を有しており、高効率のハイエンド機を得意とするMHPSのガスタービン事業に、分散型電源としても優れたPWPSの航空転用ガスタービンが加わることで、MHPSグループのガスタービン事業は幅広いニーズに応える製品群をラインアップするに至っているでつ。

PWPSと緊密に連携し、定置用ガスタービンと航空転用ガスタービンの双方を手掛ける強みを活かしながら、環境の変化や再生エネルギーの増大にも柔軟に対応するソリューションプロバイダーとして、エネルギーの有効利用と環境負荷の低減に貢献するグローバル展開をさらに加速していくでつ。

まぁ~自社開発できない悲しいとこでつなぁ~

水素エネルギーチェーンの「つくる・はこぶ・ためる・つかう」という4つのフェーズの構想②

水素協議会は、世界初となる水素利用の具体的な調査報告書を公表。

2050年までにエネルギー消費量の5分の1を水素が担うようになり、CO2排出量を年間約60億トン削減。

この量は地球温暖化対策に必要なCO2削減量の約20%に相当し、温暖化をプラス2℃までに抑えることに貢献できると試算。

また2.5兆ドルに相当するビジネスと、3,000万人以上の雇用を生み出す可能性も示したでつ。

18年3月には新たに3M(米)、ボッシュ(独)など11社も協議会に加盟したでつ。

AIを活用した次世代火力運用サービスの協働開発に係る実証試験結果およびNEDO助成事業としての採択について

AIを活用した国内外の火力発電所向け運用高度化サービスを協働で開発することとし、基本合意書を締結。

また、2017年度中に、ボイラ燃焼調整の最適化等のシステム(以下、本システム)を構築し、2018年度中には、関西電力が保有する舞鶴発電所にて実証試験を実施するでつ。

関西電力とMHPSは、舞鶴発電所1号機にて本システムの実証試験を実施してたでつが、このたび、実証試験の条件下において燃料使用量等の削減により、年間1億円程度の運転費用削減効果が期待できるとの結果となったでつ。

これらは、発電所の運転データと機械学習等のAI技術を用いてコンピュータ上にデジタル・ツイン(注1)を構築し、燃焼用空気の噴射方法などの運転条件を変更した際の影響を検証し、その検証結果を実際の発電所に適用することで、舞鶴発電所の運用効率化に繋げるものでつ。

また、本年度は、発電所運用の中で想定される多様な運転状態の効率化制御に対し本システムの有用性を確認するとともに、実用化に向けた制御システム構築および実証試験を行う計画で、これが国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の助成事業として採択するでつ。

関西電力は、「K-VaCS®(ケイバックス)(注2)」として提供している火力発電に係るエンジニアリングサービスのコンテンツ拡充に向け、またMHPSは「MHPS-TOMONI® (注3)」による稼働率・経済性向上等に向け、今後も付加価値の高い新たな商品・サービスの開発に努めていくでつ。

それぞれの知見を活かし、最新のIoTやAI技術を駆使した火力発電所向け運用高度化サービスの開発を通じて事業拡大を図るとともに、社会インフラの高度化に貢献していくでつ。

 

  1. 実際の存在する機器を、そのままデジタル上に再現すること。
  2. Kansai-Value Creation Serviceの略で、火力発電所に係る新設プロジェクトの基本計画から運転開始後の設備運用保守管理に至る全てのステップにおいて、顧客の価値を創造する関西電力のソリューションサービスのこと。
  3. MHPSが提供する火力発電設備の運転最適化を支援するデジタルソリューションサービス

水素エネルギーチェーンの「つくる・はこぶ・ためる・つかう」という4つのフェーズの構想①

世界が水素の活用に本格的に動き出したと断言していいでつなぁ~

2017年1月、エネルギーや運輸、製造の世界的なリーディングカンパニー13社が、水素エネルギーの実現に向けた理念と長期目標を共有するグローバル・イニシアチブ「Hydrogen Council(水素協議会)」を発足。
参加企業は、川崎重工、トヨタ自動車、本田技研工業、岩谷産業をはじめとする日本メーカーの他、エア・リキード(仏)、アルストーム(仏)、アングロ・アメリカン(英)、BMWグループ(独)、ロイヤル・ダッチ・シェル(英蘭)などでつなぁ~

圧縮空気による電力貯蔵(CAES−G/T)

CAES−G/Tは、Compressed Air Energy Storage Gas Turbineの略語。

夜間の電力で圧縮機を回して圧縮空気を地下空洞などに貯蔵し、昼間にこれを取り出して燃料とともに燃焼させガスタービン発電を行うでつ。
このシステムでは貯蔵していた圧縮空気を使用するので、発電時ではタービン出力がすべて発電に使用されるでつ。

したがって、通常のガスタービンに比べて2倍以上の電気出力を得ることができるでつ.。
日本では地下貯槽の機密性確保の方式として、水封方式が経済面より有力視され、現場実験が行われているでつ。