新型発電サイクル、送電網接続の節目
中国は、超臨界二酸化炭素を利用する世界初の商用発電機を送電網に接続した。高効率火力発電の新たな段階を示すものだ。設備は貴州省六盤水市にある首鋼水城鋼鉄の工場内に設置され、製鉄工程で発生する高温の廃熱を電力に変換する。中国核工業集団（CNNC）傘下の中国核動力研究設計院が建設し、冀鋼国際工程技術がエンジニアリングを支援したこのプロジェクトは、出力各15メガワットの2基で構成される。作動流体には蒸気ではなく二酸化炭素を使う。メーカーによると、各ユニットは製鉄所で一般的な従来型の蒸気システムと比べ、廃熱を少なくとも50％効率よく回収・利用できるという。
目次
この技術が注目されるのは、超臨界二酸化炭素（sCO2）が小型タービン、迅速な起動、高温域での高い熱効率を可能にするためだ。こうした特性は、現在は煙突や冷却システムから逃げている熱を安定した電力源に変えられる重工業のニーズに合致する。また、効率のわずかな向上でもコスト削減や主要設備の小型化につながる次世代原子炉や集光型太陽熱発電にも適している。
貴州省のプロジェクトは、この技術が研究室の外でどう機能するかを試す場でもある。製鉄は最もエネルギー集約度の高い産業の一つで、焼結ラインや炉からは摂氏700度（華氏1292度）を大きく上回る温度の熱が大量に放出される。こうした熱を回収すれば、工場のエネルギー収支が改善し、地域の送電網からの電力購入を減らせる。蒸気サイクルに比べて水の使用量も抑えられるため、水の供給が逼迫する地域では利点となる。
超臨界CO2発電とは何か、なぜ重要なのか
超臨界二酸化炭素とは、臨界点であるおよそ摂氏31度、74バールを超える温度と圧力に保たれた二酸化炭素を指す。この状態では気体と液体の両方の性質を持つ高密度の流体となる。その密度を生かすことで、エンジニアはタービンや熱交換器を小型化できる。sCO2発電ブロックでは、流体が閉ループ内を循環し、熱源から熱を吸収してタービンを通過する際に膨張して発電機を回し、その後、冷却器で熱を放出して圧縮され、再び熱源へ送られる。このループはブレイトンサイクルと呼ばれ、ジェットエンジンで使われるガスタービンサイクルの一種だが、作動流体にCO2を用い、再生熱交換器によってループ内の熱を再利用する。
サイクルの仕組み
製鉄所では、焼結などの工程で発生した高温ガスが熱交換器を通り、sCO2ループにエネルギーを移す。加熱された二酸化炭素がタービン内で膨張し、発電機を回して電力を生み出す。膨張後もCO2には相当量の熱が残るため、再生熱交換器を通して流入する流体を予熱し、効率を高める。その後、流体は冷却器で残りの熱を放出し、圧縮されて熱交換器に戻り、サイクルを繰り返す。臨界点に近いCO2は通常の気体より圧縮しやすいため、圧縮に必要なエネルギーが少なく、正味効率の向上につながる。
効率と小型化の利点
従来の蒸気ランキンサイクルは成熟した信頼性の高い技術だが、非常に高い温度と圧力を用いなければ効率の向上に限界があり、設備も大型になる。中国のプロジェクトや各国の実証事業の報告によると、高温で稼働するsCO2サイクルは熱効率50％を超える可能性がある一方、同様の条件での最新の蒸気サイクルは40％前後にとどまる。廃熱利用の効率は熱源の温度や設備設計によって異なるが、sCO2方式は廃熱を電力に変換する割合を大きく高められる。CO2は蒸気よりはるかに高密度であるため、同じ出力ならタービンや配管を大幅に小さくでき、設備もコンパクトになる。
製鉄所が理想的な熱源である理由
製鉄所では、焼結、コークス製造、熱間圧延に膨大なエネルギーが使われる。焼結では、微細な鉱石を凝集させるため、しばしば摂氏700度を超える高温にする。その後、炉や排ガス流路を通じて工程外へ熱が運ばれる。超臨界CO2ループは、堅牢な熱交換器を通じてこの熱の流れを取り込み、本来なら無駄になるエネルギーの大部分を回収できる。
産業用途には、ほかにも利点がある。sCO2発電ブロックは、蒸気システムに比べて水の使用量が非常に少ない。大量のボイラー給水や湿式冷却塔が不要なためだ。作動流体としてのCO2は比較的不活性で、高温蒸気より多くの合金に対して腐食性が低く、材料面の課題を緩和できる場合がある。ループは閉鎖系で、通常運転時にCO2を大気へ放出しない。少量のCO2が失われることはあり、管理が必要だが、システムは新たなCO2の継続的な供給に依存しない。
工場の運営者にとって、こうした特性は発電設備の設置面積縮小、補機類の削減、運転の柔軟性向上につながる。蒸気方式より起動と停止を速くできるため、一日の中で温度が変動する工程にも役立つ。
原子力や太陽光発電にも拡大できるか
多くの先進炉設計では、sCO2タービンに適した出口温度が得られる。高温ガス炉、溶融塩炉、高速ナトリウム炉はいずれも加圧水型原子炉より高い炉心温度を目指しており、sCO2ならその熱を効率よく利用できる。小型タービンは、設置スペースとシンプルさが重視される小型モジュール炉にも適している。
熱を溶融塩に蓄え、その熱で発電ブロックを動かす集光型太陽熱発電でも同様だ。中国の実証計画では、敦煌にある展示規模の太陽塔発電所を蒸気方式からsCO2発電ブロックに改修し、サプライヤーの対応力や運転特性を評価することを目指している。この取り組みで重要となるのは、溶融塩からCO2へ熱を移す信頼性の高い熱交換器と、臨界点近傍のCO2を扱える圧縮機系統の2点だ。どちらも難易度の高い課題だが、材料、シール、制御システムの進歩によって実現に近づいている。
熱交換器やターボ機械が実プラントで耐久性を示せば、より大型のsCO2発電ブロックへの道筋が明確になる。サイクル効率が上がれば、同じ送電量をより小さな太陽光集熱場や原子炉心で実現でき、水の使用量も減るため、設置場所の制約も緩和される。
中国の建設とプロジェクトの担い手
貴州省の設備は、CNNC傘下の中国核動力研究設計院が長年続けてきたプログラムの成果だ。同研究院は10年以上にわたり、sCO2ループ、タービン、軸受、シール、制御に取り組み、部品試験を公表するとともに、試験設備を建設してきた。重工業への導入に向けたエンジニアリングでは、冀鋼国際工程技術が協力した。設置先の首鋼水城鋼鉄は、用地と高温廃熱源へのアクセスを提供した。
各ユニットの出力は15メガワット。2基を設置することで冗長性を確保するとともに、実際の生産条件下で運転制御の方法を試せる。CNNCはこのプロジェクトを、重工業や発電分野での将来の設備導入に向けた基盤と位置づけ、各地で複製できるモジュールの標準化を目指している。廃熱発電の経済性は、設備を量産し、カスタマイズを最小限に抑えて設置できるほど高まるため、横展開は重要だ。
専門家の見方
中国以外でも、研究機関や企業チームがsCO2の部品やサブシステムの実証を着実に進めている。米テキサス州では、米エネルギー省が支援し、企業連合が主導する出力10メガワット（電気出力）の「超臨界変革型電力（STEP）」実証プラントが2024年に第1段階を完了し、ターボ機械と制御を統合した状態で定格速度の運転を実証した。同計画を支援するサウスウエスト研究所の研究者らは、圧縮機、タービン、加熱器、冷却器、制御ソフトウェアを一つのプラントとして同時に稼働させる統合試験の重要性を強調する。
中国の核分野を研究するカーネギー国際平和財団の上級研究員、マーク・ヒブス氏は、中国は技術面での主導権を示すため、急ピッチで開発を進めていると述べた。
中国は非常に速いペースで動いています。自国の計画が止められないものだと世界に示すことに、とても意欲的です
テキサス州の実証事業に携わり、サウスウエスト研究所の機械部門を率いるティム・アリソン氏は、統合型sCO2発電ブロックを定格速度で運転した節目について説明した。
統合システムを運転したことは、注目に値する成果です。チームが部品ごとの試運転を成功させたのに続くもので、プラント制御、圧縮機、熱交換器、加熱器、タービン、CO2インベントリーに加え、施設の電力・ガス供給系統と冷却水システムを含む全設備の連携運転を実証しています
なお残る工学的課題
高温・高速に耐える小型高効率タービンの建設が、中心的な課題だ。学術・産業界の研究では、タービンローターは毎分約3万～4万回転し、ブレードやケーシングは摂氏600度を超える温度にさらされるとされる。内筒やローターにはニッケル基合金や先進鋼材が一般的に使われ、外側のケーシングには応力とコストを考慮してフェライト系鋼が用いられる。強度、耐食性、熱膨張のバランスを取ることで、部品同士が接触せずに隙間を小さく保つ必要がある。
シールと軸受も同様に重要だ。ドライガスシールは軸部分からのCO2漏れを抑え、一部の設計では潤滑システムを簡素化し、熱の問題を避けるため、油軸受の代わりにガス軸受を検討している。出力25メガワット級のタービンに関する研究では、バランスピストンを冷却ガス部に配置することでローター長を短縮し、漏れ経路を減らし、機械損失を低減できることが分かった。ローターの小型化は安定性を高め、ケーシングの簡素化にもつながる。油軸受をガス軸受に置き換えた別の方式では、軸長をさらに短縮し、独立した冷却・潤滑システムも不要になった。こうした改良は効率と信頼性の向上に役立つ。
過渡状態におけるサイクル制御も、現在盛んに研究されている分野だ。小規模な実証では、ポンプの回転数、投入熱量、負荷の変化により、システムが安定する前に圧力や流量が一時的に設定値を超える場合があることが示された。エンジニアは質量流量、圧力比、回転速度の組み合わせを整理し、最大出力と効率が得られる安定領域を特定する。小型sCO2ターボ発電機の試験では、最適条件下で電気出力が数十キロワットに達し、総合効率は約59％と測定された。これは技術の可能性と、精密な制御の必要性の両方を示している。
汚れた産業ガスから清浄なCO2ループへエネルギーを移す熱交換器には、汚れの付着や熱応力への耐性が求められる。CO2ループ内の再生熱交換器は、大きな圧力損失を招かずに熱を再利用できる、コンパクトで表面積の大きな設計が必要だ。圧縮機はCO2の臨界点近傍で効率的に稼働しなければならない。この領域では温度がわずかに変わるだけで密度が大きく変化し、制御が迅速に対応できなければ性能が損なわれる。
環境・政策面での意義
中国は2030年までに二酸化炭素排出量をピークアウトさせ、2060年までにカーボンニュートラルを達成すると表明している。重工業を支える電力の脱炭素化は、その計画の要だ。sCO2による廃熱回収は2つの面で貢献する。化石燃料由来の電力網から工場が購入する電力を減らし、従来の蒸気サイクルで大量の冷却水が必要となる地域では水の使用量も抑える。原子力や太陽熱発電では、効率の向上がクリーン電力のコスト低下に直結する。
一部のアナリストは、炭素回収との相乗効果の可能性も指摘する。理論上は、回収したCO2を閉ループの作動流体として利用し、その一部を有効活用できる。ただし、発電サイクルではターボ機械を保護し腐食を抑えるため、清浄で乾燥したCO2が必要だ。また、ループは閉鎖系であり、新たなCO2を継続的に消費するわけではない。炭素回収との連携は、CO2を燃焼・変換する原料として使うことではなく、取り扱い、貯蔵、精製の工程を共有する形が中心となる。
新しい発電機は、資源制約への対応にもつながる。冷却水が乏しい乾燥地域では、大幅な節水が可能だ。コンパクトな発電ブロックは船舶や遠隔地の工業施設にも設置でき、現地の熱を現地の電力に変えることでエネルギー安全保障を強化できる。
世界的な開発競争と今後の展開
米国、欧州、アジアの各チームが、sCO2関連部品の信頼性向上とプラント統合を進めている。テキサス州のSTEPプロジェクトは、部品ごとの試運転から統合運転へと進み、第1段階で発電を実現した。これにより、技術の大規模化と再現への信頼が高まった。貴州省で送電網に接続された中国の設備は、産業工程で稼働する初の商用設備であり、製鉄の廃熱発電における24時間運転、保守サイクル、経済性のデータを提供する。
性能に関する主張が月単位、年単位の運転でも裏付けられれば、今後は製鉄所やセメント工場への導入が広がる可能性が高い。集光型太陽熱発電のプロジェクトでは、タービン建屋の縮小と出力向上を狙い、sCO2発電ブロックが検討されている。先進炉の設計者は、蒸気プラントの大型設備を小型タービンや再生熱交換器に置き換えるため、sCO2を標準的な発電方式として想定している。遠隔地向けの移動式原子力電源にも小型設備は有利で、CO2の高密度によって同じ出力のタービンを小型に保てる。
設備のサプライチェーンも重要になる。高性能熱交換器、ドライガスシール、高速発電機を複数の供給業者から調達できなければならない。CO2環境で使用する圧力容器、配管、シールに関する規格や基準も整備が必要だ。商用展開に向けて、安全な運転やトラブル対応の訓練も欠かせない。実証と横展開を継続的に進めれば、コスト低下につながり、工場の運営者による大規模導入を後押しできる。
要点
- 中国は貴州省六盤水市の製鉄所で、出力15メガワットの超臨界CO2発電機2基を送電網に接続した。
- 製鉄の焼結工程で発生する廃熱を利用して発電するシステムで、蒸気方式に比べて廃熱の変換効率が少なくとも50％高いとされる。
- sCO2サイクルは臨界点を超えたCO2を閉ループ内で循環させ、小型タービンと高温域での高効率を可能にする。
- 発電ブロックは水の使用量が少なく、狭いスペースにも設置できるため、重工業、船舶、遠隔地のエネルギーシステムに適している。
- 先進炉や集光型太陽熱発電は、サイクルに必要な高温を供給できるため、sCO2発電ブロックの有力な導入先となる。
- 主な工学的課題は、耐久性の高い熱交換器、臨界点近傍で効率よく動く圧縮機、堅牢なシールや軸受を備えた高速タービンの開発だ。
- 米国テキサス州の実証事業では、出力10メガワット（電気出力）の統合型sCO2プラントが稼働し、第1段階で発電を実現。中国以外でも技術の進展を示した。
- 中国のプロジェクトは、sCO2を使った産業廃熱発電について、初の商用規模のデータを提供する。
- 節水と効率向上は、中国の排出量ピークアウトとカーボンニュートラルの目標を支え、重工業のエネルギー利用改善にもつながる。
- 普及の鍵は、サプライヤーの対応力、運転の信頼性、複数の工場へ横展開する経済性にある。
