火力発電最先端技術→2021年までに確立

日本の電力の中核を担う火力発電が大きな変革期を迎えている最大の課題であるCO2(二酸化炭素)の排出量を2030年までに削減するためには、発電効率を向上させた最新の設備に切り替えていく必要があるからださらに2030年以降の経済成長に向けて、水素を利用できる革新的な技術を開発して海外の市場にも展開していく(図1)。

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政府は2015年7月に策定した「次世代火力発電に係る技術ロードマップ」を1年も経たずに改訂する方針だ。同年12月に世界各国と合意したCO2削減目標を達成するには、電力業界全体で2030年度にCO2排出係数を0.37kg-CO2/kWh(CO2換算キログラム/キロワット時)まで引き下げなくてはならない(図2)。

この目標値は現在の水準と比べて電力1kWhあたりのCO2排出量を30%以上も削減することを意味する。電力会社をはじめ発電事業者と小売事業者の双方が早急に対策に取り組まなければ目標達成はむずかしい。CO2排出量を削減できる次世代の火力発電の技術開発を加速させることが求められている

政府は5月中に有識者による協議会で検討を重ねたうえで、火力発電の最新動向をふまえて6月中にロードマップの改訂版を公表する。LNG(液化天然ガス)火力と石炭火力を対象に、現行のロードマップをベースにしながら優先度の高い技術の開発方針を具体的に提示する見通しだ(図3)。

さらに従来はロードマップに入れていなかった水素発電に関しても、技術開発の方向性を盛り込む。水素発電はLNGと水素を混焼して発電する方法と、水素だけを燃焼させて発電する方法がある。いずれの発電方法もCO2排出量を削減するうえで有効だ。

2つのテーマで実証試験を2020年度に

次世代の火力発電の技術開発はNEDO(新エネルギー・産業技術総合開発機構)が中核になって推進していく。当面の開発テーマは6つあって、すべてのプロジェクトを2021年度までに完了させる予定だ(図4)。それぞれのテーマに対して発電効率などの数値目標を設定して取り組む。

1つ目のテーマは石炭火力の「IGCC(石炭ガス化複合発電)」と「IGFC(石炭ガス化燃料電池複合発電)」の開発である。中国電力とJ-Power(電源開発)が広島県の火力発電所の構内で実施する「大崎クールジェンプロジェクト」が対象だ。このプロジェクトでは3段階に分けて実証試験を進めて、2020年度にCO2分離・回収型のIGFCの実証試験を開始する(図5)。

現在は第1段階の「酸素吹IGCC」の実証プラントを建設中で、2016年度中に実証試験に入る計画だ(図6)。当初の発電効率は40.5%を見込んでいて、現時点の石炭火力で最新鋭の「USC(超々臨界圧)」と同程度になる。その後に第2段階でCO2分離・回収設備を加える。第3段階では燃料電池を組み合わせたIGFCへ進化させて発電効率を47%まで引き上げていく

一方のLNG火力では「高効率GT(ガスタービン)」の開発が最も重要なプロジェクトである。三菱重工業が中心になって、燃焼温度が1700℃級のガスタービン発電機の開発を進めている。2020年度から実機を使って実証試験を開始する予定だ(図7)。

火力発電は燃焼温度が高いほど発電効率が高くなる1700℃級のガスタービン発電機を使って複合発電(コンバインドサイクル)を実現できると、発電効率は57%に上昇する見込みだ現時点のLNG火力で最先端のガスタービン発電機は燃焼温度が1500℃級で、複合発電による発電効率は52%程度である。1700℃級になれば5ポイントほど発電効率が高くなり、最新の発電設備と比べてもCO2排出量を1割くらい削減できる

石炭火力のCO2を回収する技術革新

発電効率を向上させるのと合わせて、CO2を回収して排出しない技術の開発も進める。特にCO2排出量の多い石炭火力では有効な対策になる。そのうちの1つが「ケミカルルーピング燃焼技術」である。

この燃焼方法では発電設備の内部で金属酸化物(MOx)を循環させながら、石炭と空気が金属酸化物と反応して生じる熱を使って蒸気で発電する(図8)。排気ガスはCO2と窒素が分かれて出てくるために、CO2を分離する必要がなく回収できる

CO2の分離・回収に必要なコストを現在の4分の1程度まで引き下げることが目標だこの目標を達成できると、電力1kWhあたり2円程度でCO2を回収できる。発電能力が10万~50万kWの中規模な石炭火力発電所に適している

もう1つの効率的なCO2回収方法は「クローズドIGCC」である。IGCCで石炭をガス化する時に酸素を混ぜて燃焼させると、排気ガスの大半がCO2になる。このCO2をガス化炉と燃焼器に戻す方法で、ガス化と燃焼の効率を高めることができる(図9)。CO2を回収しながら発電効率を向上させる一石二鳥の技術だ

NEDOが立てた目標は発電効率が42%のクローズドIGCCを実用化することである。そのための要素技術を2020年度までに確立させて、2030年代に商用レベルのクローズドIGCCを実現する。

実用化に向けて建設費を低減することも重要な課題になる。これから開発する1700℃級のガスタービン発電機を使ったIGCCと比べて、建設費の増加を15%未満に抑えることが目標だ低コストでCO2も回収できる革新的な石炭火力の開発に大きな期待がかかる

スマートジャパン2016.05.12

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