蒸気時代の終わりか
産業革命以来、発電はほぼ2世紀にわたり変わらない単純な原理に頼ってきた。水を沸騰させて蒸気をつくり、タービンを回して電力を生み出す方式だ。ランキンサイクル技術は現在、世界の発電量の80％を占めている。2025年12月、中国は世界初の商用超臨界二酸化炭素発電機「超碳一号（Chaotan One）」を稼働させ、この長年の方式に一石を投じた。貴州省六盤水市の製鉄所に設置された施設は、超臨界状態まで加圧した二酸化炭素を使って産業廃熱を電力に変換し、火力発電の基本的な経済性を揺るがす効率向上を実現した。
システムは出力15メガワットのユニット2基で構成され、合計出力は30メガワット。首鋼水城鋼鉄の施設で送電網に接続された。これまで大気中に放出されていた焼結工程の廃熱を利用し、年間7,000万キロワット時超を発電するほか、製鉄所に約3,000万元（約426万米ドル）の収益をもたらす。さらに重要なのは、新たな施設を建設するのではなく、既存の産業インフラを改修して導入できる道筋を示したことだ。世界の電力需要が急増するなか、これは大きな利点となる。
超臨界CO2がもたらす変化
超臨界CO2は、液体と気体の中間的な状態にある。流体の温度が摂氏31度、圧力が73気圧を超えるとこの状態になり、圧力は海面下800メートルの水深に相当する。この状態のCO2は液体の密度と気体の流動性を併せ持ち、蒸気よりも強い力を生み、摩擦を大幅に抑えてタービンを駆動できる。熱エネルギーのおよそ33％を電力に変換する従来のランキンサイクルに代わり、この技術は理論上50％を超える効率が可能なブレイトンサイクルを採用する。
蒸気システムとは異なり、sCO2は完全な閉ループで稼働し、作動流体を継続的に循環させるため、大気中への放出がない。また、水を使う冷却システムも不要だ。水を使わない運転は、従来型の火力発電所が運用上の制約を受ける乾燥地域で特に有効となる。コンパクトな設計により、同等の蒸気システムと比べて設置面積を50％削減できる。構造も簡素化され、補機の数が少なく、応答速度も速い。
中国核動力研究設計院の首席科学者で、超碳一号の主任設計者を務めた黄彦平氏は、熱力学上の利点を鮮やかな比喩で説明した。
潤滑油を塗った自転車に乗る力持ちのようなものです。長い距離も楽にペダルをこげます。
閉ループ設計は、現代のエネルギーインフラが直面する重要な制約への対応にもなる。人工知能（AI）データセンターや先端製造業の拡大を背景に電力需要が急増するなか、AI施設への電力供給には、米国だけでも2030年までに発電能力を推定165％増やす必要がある。新設せずに効率的な発電設備を導入できることは、戦略的に重要性を増している。この技術は、従来は発電に採算が合わないとされていた中温の廃熱源からエネルギーを回収する。
17年をかけた開発
超碳一号の商用運転は、中国核工業集団（CNNC）傘下の中国核動力研究設計院が2009年に始めた研究計画の成果だ。開発では、1948年にこの概念が初めて提案されて以来、国際的な進展を阻んできた根本的な工学上の課題を解決する必要があった。突破口の一つとなったのは、直径約1ミリの流路を備えたマイクロチャネル熱交換器の開発だ。超臨界圧力下で効率よく熱を伝えるために不可欠だった。
製造工程では、金属板を溶かさずに高温・高圧で接合する真空拡散接合技術の革新が求められた。海外企業がこの技術の輸出を拒み、厳しい制限を伴う商用品目の管理リストに加えたため、黄氏のチームは829日間にわたって研究に取り組み、27回の最適化を通じて218種類の溶接条件を試した。失敗した試験サンプルは倉庫の半分を埋めた。最終的な接合に成功したのは、2021年の寒い冬の朝に実施された49回目の工程試験だった。実験室の監視画面に安定した緑色の曲線が表示され、成功が確認された。
もう一つの大きな課題はシール技術だった。高圧回転軸から漏れる危険があるため、メガワット級のsCO2タービンは実現不可能だというのが従来の見方だった。海外の専門家は黄氏に対し、100キロワットを超えるユニットの開発を断念するよう助言し、メガワット級システムは不可能とみていた。チームは複数のシール技術を分析し、超臨界CO2の環境に特化したドライガスシールシステムを開発。sCO2ターボ機械で世界初となるメガワット級ドライガスシールの実用化に成功した。
中国が米国に先駆けて送電網に接続した理由
中国が2025年12月20日の送電網接続を祝う一方、米国はサンディア国立研究所の「超臨界変革型電力（STEP）」計画を通じて、類似技術の試験を続けている。米国のアプローチは、商用化に先立つ徹底的な実験室での検証を重視する。2022年4月、サンディア国立研究所はsCO2を使って50分間にわたり送電網へ10キロワットを供給し、2024年10月までに送電網と同期した出力を4メガワットに引き上げた。しかし、米国での商用化目標は2030年代半ばに置かれている。
この違いは、イノベーションに対する考え方の違いを反映している。米国の研究者は、大規模化する前に理論上の問題をすべて解決し、材料の長期的な挙動を明らかにすることを優先する。広範な腐食試験や合金の適格性評価も行う。中国の開発は、国内で「石を探りながら川を渡る」と表現される実践的な手法に沿う。まず建設し、運用上の課題が出てくれば反復的な改善で対処する。この戦略によって迅速な導入が可能になった一方、より慎重な開発日程が抑えようとする長期信頼性への不確実性が残る。
米エネルギー省は2017年、超臨界CO2発電を戦略的な先端技術に位置づけ、MITテクノロジーレビューは2018年に、画期的な技術トップ10の一つに選んだ。早くから注目されていたにもかかわらず、規制当局の慎重姿勢と包括的なリスク低減の重視により、米国での商用化は遅れている。
廃熱を収益に変える
超碳一号は、これまで長年にわたり課題となっていた、小・中規模の中温熱源の利用に取り組む。従来型の蒸気システムでは、一定の温度を下回る廃熱の回収は採算が合わないことが多く、大量のエネルギーが活用されないまま残されてきた。sCO2サイクルは熱力学的性能を高め、放散されるはずだったエネルギーを回収する。施設全体を再建することなく、重工業の脱炭素化を進める現実的な道筋となる。
製鉄所では、溶鉱炉に投入する前に鉄鉱石の粉を加熱する焼結工程で生じる余熱を利用する。この熱は以前は廃棄されていた。導入施設は、超臨界CO2発電機が従来の廃熱回収用蒸気技術に比べて発電効率を85％高め、正味出力を50％増やせる一方、設置面積を半分にできることを示している。
直接的な経済効果に加え、この技術は産業廃熱をクリーンな電力に変えることで、中国の「双碳」目標を後押しする。水を消費しない仕組みは、渇水が産業拡大の制約となることが多い中国南西部で特に有用だ。大量の冷却水を必要とする蒸気発電所とは異なり、閉ループのsCO2設計は乾燥した環境でも効果的に稼働できるため、廃熱回収が採算に合う地域を広げる。
耐久性への懸念と技術的リスク
この成果に対し、独立系アナリストは初期の性能指標を無批判に受け入れるべきではないと警告する。CleanTechnicaのアナリスト、マイケル・バーナード氏は、超碳一号で今後2～5年以内に測定可能な性能劣化が起きる確率を40～70％と評価した。この評価は、200気圧の圧力と高温で稼働する超臨界CO2システムに内在する、相互に影響し合う複数の故障要因に基づく。
精密熱交換器には拡散接合が用いられ、極度の圧力に耐えるマイクロチャネルを形成する。接合部が劣化すると修理は事実上不可能で、ユニット全体の交換が必要となる。浸炭は、超臨界条件下で炭素が鋼合金に入り込む現象で、材料をもろくし、流路内の表面粗さを変化させる可能性がある。その結果、圧力損失が増え、時間の経過とともにサイクル効率が低下し、稼働開始時にうたわれた85％の効率向上が徐々に損なわれる。
シールの完全性も弱点となりうる。水素のように小さく動きやすい高圧CO2分子を封じ込めるには、熱や機械的な負荷の変化にさらされる回転軸やフランジを完全に密封する必要がある。シールの故障が運転中断の約50％を占める水素ステーションの過去のデータからみると、数年間の連続運転を通じて完全な密封状態を保てるという見通しは楽観的かもしれない。わずかな漏れでも作動流体の量が変わり、圧縮機が最適な運転点から外れ、補機動力が増える。
産業由来の汚染物質もリスクを高める。製鉄所の排ガスには、熱交換面を汚す粒子状物質、金属酸化物、硫黄化合物が含まれ、石灰の付着と同様に、徐々に効率を低下させる。バーナード氏は、この産業環境で汚れによる性能低下が2～5年以内に起こる確率を60～85％と推定する。内部のCO2ループが正常でも、タービン入口温度が下がる可能性がある。
製鉄の先へ、次の応用分野
中国核工業集団（CNNC）はすでに、超臨界CO2技術と溶融塩エネルギー貯蔵システムを組み合わせる計画を発表しており、2028年までの実証運転を目指す。この複合方式は、溶融塩に熱エネルギーを蓄え、需要のピーク時に効率の高いsCO2サイクルで電力に変換することで、再生可能エネルギーの変動性に伴う課題に対応する。プロジェクトは、中国の第5次重要初号機エネルギー設備リストに選定された。
集光型太陽熱発電所との相性の良さも、成長の可能性を広げる。太陽熱施設で得られる高温はsCO2ブレイトンサイクルに適しており、現在の蒸気方式の太陽熱発電所を上回る変換効率が期待できる。原子力分野での応用も見込まれ、コンパクトなターボ機械は小型モジュール炉や高温ガス炉などの先進炉設計に利点をもたらす。
黄彦平氏は、エネルギー貯蔵、廃熱回収、産業用蒸気供給など、幅広い用途を想定している。この技術革新は、効率的な変換が長年難しかった中規模の熱源を主な対象とし、発電設備では採算が合わなかった市場を開く。今後数年間で耐久性が証明されれば、分散型発電と産業の脱炭素化の経済性を世界的に大きく変える可能性がある。
要点
- 世界初の商用超臨界CO2発電機「超碳一号」が2025年12月、中国貴州省で運転を開始
- 出力30メガワットの施設は製鉄所の廃熱を利用し、従来の蒸気システムより発電効率を85％高める
- 超臨界CO2は摂氏31度、73気圧を超える条件で、液体のような密度と気体のような流動性を示す
- 開発には17年を要し、真空拡散接合やメガワット級ドライガスシール技術の開発が突破口となった
- 閉ループシステムは冷却に水を必要とせず、新設せずに既存の産業施設へ導入できる
- アナリストは、熱交換器の劣化、シール漏れ、産業由来の汚染により、2～5年以内に性能が低下する確率は40～70％と警告する
- 米国はSTEP計画を通じて類似技術の試験を続けており、商用化は2030年代を目標とする
- 今後は溶融塩エネルギー貯蔵、集光型太陽熱発電、先進原子炉との組み合わせが見込まれる
