発電所では、タービンを回すのに水蒸気が使われるのが一般的。
だけど、水の代わりに二酸化炭素を使うと、30パーセント高い発電効率でエネルギーを生み出せるという論文が
発表されたでつ。
米エネルギー省も期待する「超臨界CO2タービン」の可能性は高いでつなぁ～
二酸化炭素はすごい分子。
二酸化炭素といえば、動物が呼気として放出し、植物が吸収する物質であることや、気候変動のいちばんの原因で
あるとされていることが一般的。
だけど、二酸化炭素にはもっと多くの可能性があるでつ。
たとえば二酸化炭素によって、電力業界をもう少し環境にやさしいものにできると考えている技術者たちがいるでつ。
二酸化炭素の回収と貯留をひとひねりしたものに思われるでつが、そうではないでつ。
熱を電気に変える巨大な装置、タービン発電機のこと。
ほとんどの発電所は蒸気タービンを利用。
だけど、水を水蒸気に変えるには大量のエネルギーが必要。
室温では気体で存在する二酸化炭素なら、そうした問題を避けられるでつ。
おまけに、圧縮するのは水と比べてはるかに容易なので、タービンに大量に詰め込むことができるでつ。
超臨界流体（温度と圧力のバランス上、気体と液体の区別がつかない状態）になった二酸化炭素なら、いまより小型のタービンで
もっと多くの電力を生み出せるでつ。
水を使うのは効率が悪いでつ。
米国における電力の3分の2以上は、「ランキンサイクル」と呼ばれる熱サイクルで稼働する蒸気発生器によってつくり出されているでつ。
まずは、水をポンプで圧縮してから加熱する。加熱方式は、石炭の燃焼でもいいし、放射性物質の崩壊でもいいし、何千ものミラーで
反射させた太陽光でもいいでつ。
加熱によって水を沸騰させ、蒸気を発生させるでつ。
そして、さらにどんどん加熱していく。蒸気を限界まで高温にしてからタービンに送り込むと、タービンブレードが回転し、
取り付けられた発電器が電力を生み出す。その後、低圧となった水蒸気は復水器に送られ、水になってポンプに戻るでつ。
そして、このサイクルが新たに始まるでつ。
ランキンサイクルは、1世紀以上にわたってうまく機能してきたし、最近までは状況を変える理由が何もなかったでつ。
発電費用がかなり安く済み、石炭使用の結果（気候変動）が直ちにはわからなかったからでつ。
だけど、ランキンサイクルは効率が悪いでつ。
水を使用することがその主な理由。
「サンショット・イニシアティヴ」（米エネルギー省が太陽光発電システムのコスト削減に向けて2011年に開始した技術開発プロジェクト）は、
ランキンサイクルについて、氷から水に、あるいは、水から水蒸気に、といった具合に何かの相を変化させるのには、多くのエネルギーを
加える必要があるでつ。
つまり、ランキンサイクルを経る蒸気発生器は、水を沸騰させるための多量のエネルギーを無駄にしているわけ。
二酸化炭素を使えば、高効率で省スペースも可能になるでつ。
二酸化炭素を利用するタービンは、「ブレイトンサイクル」と呼ばれる、液相のプロセスがないサイクルを利用。
全体を通して気相を利用するので、結果的にエネルギーの利用効率が向上するでつ。
さらに二酸化炭素は、水と比べて圧縮が容易。
高エネルギー状態になった二酸化炭素を、少ない体積により多量に詰め込むことができるでつ。
二酸化炭素に熱と圧力を加えて超臨界状態の二酸化炭素にすると、水蒸気の10倍のペースで
エネルギーをタービンに送り込めるでつ。
その結果、超臨界二酸化炭素発電システムでは、エネルギーを電力に変える効率が30パーセント高まるでつ。
さらに、こうした発電器は小型でシンプル。
気相だけを扱うので、部品が少なくて済むからでつ。
ひとつだけ改良しうる点があるとすればそれは、何らかの方法で大気から集められた二酸化炭素を利用できると
さらにいいという点。
現在は、閉鎖系に滞留している二酸化炭素に頼っているでつ。
タービンの温度変化が課題は…
システムを実現するうえでの障害は何かというと、それは、タービンが受ける温度変化。
高エネルギー状態での大きな温度勾配になり、タービンに機械的ストレスが与えらるでつ。
つまり、亀裂や膨張、変形が起きない金属で二酸化炭素用タービンを製造し、
酷使に耐えるのに十分な大きさにすることが必要。
超臨界二酸化炭素タービンを使う発電所のプロトタイプを建設すると発表。
総額8,000万ドルのこのプロジェクトは、約6年後に操業開始し、数千世帯の電力需要を賄うのに十分な10メガワットの
エネルギーを生成する予定。
少なくとも10年間は、超臨界二酸化炭素用タービンが従来型の蒸気タービンに取って代わり始めることはないと考えているでつ。
それまでには石炭が使用されなくなるかもしれないでつが、それでも問題はないでつ。
この技術は、太陽熱発電所や原子力発電所など、熱を電気に変えるどんな発電所でも利用できるでつ。
超臨界CO2サイクル火力発電システムは燃料のガス（天然ガスか石炭ガス）と酸素を燃焼させてタービン発電機で発電。
この点は従来のガス火力発電と同様だでつが、発電に伴う排気ガスを冷却してCO2と水に分離することができるでつ。
さらにCO2を高圧の状態で回収して燃焼器に送り、ガスや酸素とともに燃焼させて発電に利用する仕組み。
現在のガス火力発電で主流になっているガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたコンバインドサイクル方式（ガスタービン複合発電）と
同等の高い発電効率になるでつ。
コンバインドサイクルと比べて1つのタービンで発電機を構成できるため、プラント全体の規模が小さくなって発電コストを低減できる
メリットがあるでつ。
しかもCO2を分離・回収する設備が不要になるでつ。
超臨界CO2サイクル火力発電システムでは、30メガパスカルの高圧の状態でCO2を回収できるでつ。
超臨界状態のCO2は温度と圧力を変化させると、気体のような拡散性と液体のような溶解性を発揮。
拡散性によって燃料のガスと一緒に燃焼させることや、溶解性を生かして他の物質に吸着して回収することも可能。
日本は火力発電に伴うCO2排出量を削減するために、次世代の火力発電技術の開発促進に力を入れているでつ。
2030年をめどに石炭火力で約3割、ガス火力で約2割の削減が可能な発電技術を実用化する計画。
それでも大量のCO2を排出することから、CO2を分離・回収する技術の開発を並行して進めているでつ。
最大の課題は分離・回収にかかるコストを低減させることで、2030年までに現在と比べて4分の1程度まで引き下げることを
目指している2030年の時点で実用化できる最先端の火力発電技術とCO2分離・回収技術を組み合わせた場合に、
100万キロワット級の発電設備でCO2分離・回収コストは年間に50億円程度になる見通し。
発電事業者にとっては次世代の火力発電によって燃料費を削減できるメリットがある一方で、
CO2を分離・回収するコストは小さくないでつ。
そうなるとCO2を100％回収できる超臨界CO2サイクル火力発電システムは有望。
政府が策定した次世代の火力発電のロードマップには、今のところ超臨界CO2サイクル火力発電は盛り込まれていないでつ。
テキサス州の実証運転の結果によっては、2030年に向けた有力な火力発電技術の1つになるでつ。
その技術は、直接燃焼方式による超臨界CO2サイクル火力発電システムは、直接燃焼方式による超臨界CO2サイクル火力発電システムとは、
簡単に言うと高温高圧の超臨界状態となったCO2でタービンを回して発電するシステム。
外部から間接的にCO2を加熱してタービンを回す方式の研究はいくつか例があるでつが、燃料を燃焼させて発生したCO2を直接送り込んで
タービンを回す今回の方式は世界初。
この方式の特徴は2つ。
1つ目は、単一のタービンだけで、ガスコンバインドサイクル発電システムと同等の発電効率を発揮すること。
ガスコンバインドサイクルでは、ガスを燃焼させた排気でタービンを回し、排気の熱を使って水蒸気を作り、この水蒸気でもタービンを回すでつ。
合計で2つのタービンを回して発電しているでつが、今回の方式では1つのタービンだけで同等の発電効率を得られるので、施設をコンパクトにできるでつ。
またタービン自体も、同程度の発電能力を持つガスタービンと比べて小さく作れるでつ。
もう一つの特徴は、発電施設のほかにCO2を分離、回収する設備を設置する必要がないこと。
ガスタービンを回した後のCO2は、高純度、高圧の状態でそのまますべて回収できるでつ。
実際にはガスタービンを回した後のCO2は、高温高圧のCO2を作る燃焼器に戻るので、発電施設の中でCO2が循環していることになるでつ。
タービンを回す高温高圧のCO2は、燃焼器で天然ガスなどの燃料を燃焼させて作るでつ。
このとき、大気で燃焼させず、純粋な酸素で燃焼させることで、大気を汚染する窒素酸化物を発生させないというところも特徴。
燃焼機から出てきたCO2は、高温高圧の超臨界状態になっているでつ。
その温度は1150℃で、圧力は30MPa。
一般的なガスタービンでは、同程度の温度で、圧力が2MPaほどのガスでタービンを回すでつ。
今回の方式では、ガスタービンと同程度の高温で圧力を大きく高めた超臨界状態のCO2でタービンを回すことで発電効率を大きく高めているでつ。
だけど、高温高圧に耐えるタービンを作ることは課題の1つ。
現在、検証運転を開始して、稼働データを収集、分析しながら技術を確立し、250MW級の発電所の商用運転を目指すとしているでつ。
二酸化炭素の削減には、クローズドするのが一番いいでつなぁ～
さてコリからのガスタービンの燃料として、水素と二酸化炭素が本命になってきたでつなぁ～
だけど、水の代わりに二酸化炭素を使うと、30パーセント高い発電効率でエネルギーを生み出せるという論文が
発表されたでつ。
米エネルギー省も期待する「超臨界CO2タービン」の可能性は高いでつなぁ～
二酸化炭素はすごい分子。
二酸化炭素といえば、動物が呼気として放出し、植物が吸収する物質であることや、気候変動のいちばんの原因で
あるとされていることが一般的。
だけど、二酸化炭素にはもっと多くの可能性があるでつ。
たとえば二酸化炭素によって、電力業界をもう少し環境にやさしいものにできると考えている技術者たちがいるでつ。
二酸化炭素の回収と貯留をひとひねりしたものに思われるでつが、そうではないでつ。
熱を電気に変える巨大な装置、タービン発電機のこと。
ほとんどの発電所は蒸気タービンを利用。
だけど、水を水蒸気に変えるには大量のエネルギーが必要。
室温では気体で存在する二酸化炭素なら、そうした問題を避けられるでつ。
おまけに、圧縮するのは水と比べてはるかに容易なので、タービンに大量に詰め込むことができるでつ。
超臨界流体（温度と圧力のバランス上、気体と液体の区別がつかない状態）になった二酸化炭素なら、いまより小型のタービンで
もっと多くの電力を生み出せるでつ。
水を使うのは効率が悪いでつ。
米国における電力の3分の2以上は、「ランキンサイクル」と呼ばれる熱サイクルで稼働する蒸気発生器によってつくり出されているでつ。
まずは、水をポンプで圧縮してから加熱する。加熱方式は、石炭の燃焼でもいいし、放射性物質の崩壊でもいいし、何千ものミラーで
反射させた太陽光でもいいでつ。
加熱によって水を沸騰させ、蒸気を発生させるでつ。
そして、さらにどんどん加熱していく。蒸気を限界まで高温にしてからタービンに送り込むと、タービンブレードが回転し、
取り付けられた発電器が電力を生み出す。その後、低圧となった水蒸気は復水器に送られ、水になってポンプに戻るでつ。
そして、このサイクルが新たに始まるでつ。
ランキンサイクルは、1世紀以上にわたってうまく機能してきたし、最近までは状況を変える理由が何もなかったでつ。
発電費用がかなり安く済み、石炭使用の結果（気候変動）が直ちにはわからなかったからでつ。
だけど、ランキンサイクルは効率が悪いでつ。
水を使用することがその主な理由。
「サンショット・イニシアティヴ」（米エネルギー省が太陽光発電システムのコスト削減に向けて2011年に開始した技術開発プロジェクト）は、
ランキンサイクルについて、氷から水に、あるいは、水から水蒸気に、といった具合に何かの相を変化させるのには、多くのエネルギーを
加える必要があるでつ。
つまり、ランキンサイクルを経る蒸気発生器は、水を沸騰させるための多量のエネルギーを無駄にしているわけ。
二酸化炭素を使えば、高効率で省スペースも可能になるでつ。
二酸化炭素を利用するタービンは、「ブレイトンサイクル」と呼ばれる、液相のプロセスがないサイクルを利用。
全体を通して気相を利用するので、結果的にエネルギーの利用効率が向上するでつ。
さらに二酸化炭素は、水と比べて圧縮が容易。
高エネルギー状態になった二酸化炭素を、少ない体積により多量に詰め込むことができるでつ。
二酸化炭素に熱と圧力を加えて超臨界状態の二酸化炭素にすると、水蒸気の10倍のペースで
エネルギーをタービンに送り込めるでつ。
その結果、超臨界二酸化炭素発電システムでは、エネルギーを電力に変える効率が30パーセント高まるでつ。
さらに、こうした発電器は小型でシンプル。
気相だけを扱うので、部品が少なくて済むからでつ。
ひとつだけ改良しうる点があるとすればそれは、何らかの方法で大気から集められた二酸化炭素を利用できると
さらにいいという点。
現在は、閉鎖系に滞留している二酸化炭素に頼っているでつ。
タービンの温度変化が課題は…
システムを実現するうえでの障害は何かというと、それは、タービンが受ける温度変化。
高エネルギー状態での大きな温度勾配になり、タービンに機械的ストレスが与えらるでつ。
つまり、亀裂や膨張、変形が起きない金属で二酸化炭素用タービンを製造し、
酷使に耐えるのに十分な大きさにすることが必要。
超臨界二酸化炭素タービンを使う発電所のプロトタイプを建設すると発表。
総額8,000万ドルのこのプロジェクトは、約6年後に操業開始し、数千世帯の電力需要を賄うのに十分な10メガワットの
エネルギーを生成する予定。
少なくとも10年間は、超臨界二酸化炭素用タービンが従来型の蒸気タービンに取って代わり始めることはないと考えているでつ。
それまでには石炭が使用されなくなるかもしれないでつが、それでも問題はないでつ。
この技術は、太陽熱発電所や原子力発電所など、熱を電気に変えるどんな発電所でも利用できるでつ。
超臨界CO2サイクル火力発電システムは燃料のガス（天然ガスか石炭ガス）と酸素を燃焼させてタービン発電機で発電。
この点は従来のガス火力発電と同様だでつが、発電に伴う排気ガスを冷却してCO2と水に分離することができるでつ。
さらにCO2を高圧の状態で回収して燃焼器に送り、ガスや酸素とともに燃焼させて発電に利用する仕組み。
現在のガス火力発電で主流になっているガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたコンバインドサイクル方式（ガスタービン複合発電）と
同等の高い発電効率になるでつ。
コンバインドサイクルと比べて1つのタービンで発電機を構成できるため、プラント全体の規模が小さくなって発電コストを低減できる
メリットがあるでつ。
しかもCO2を分離・回収する設備が不要になるでつ。
超臨界CO2サイクル火力発電システムでは、30メガパスカルの高圧の状態でCO2を回収できるでつ。
超臨界状態のCO2は温度と圧力を変化させると、気体のような拡散性と液体のような溶解性を発揮。
拡散性によって燃料のガスと一緒に燃焼させることや、溶解性を生かして他の物質に吸着して回収することも可能。
日本は火力発電に伴うCO2排出量を削減するために、次世代の火力発電技術の開発促進に力を入れているでつ。
2030年をめどに石炭火力で約3割、ガス火力で約2割の削減が可能な発電技術を実用化する計画。
それでも大量のCO2を排出することから、CO2を分離・回収する技術の開発を並行して進めているでつ。
最大の課題は分離・回収にかかるコストを低減させることで、2030年までに現在と比べて4分の1程度まで引き下げることを
目指している2030年の時点で実用化できる最先端の火力発電技術とCO2分離・回収技術を組み合わせた場合に、
100万キロワット級の発電設備でCO2分離・回収コストは年間に50億円程度になる見通し。
発電事業者にとっては次世代の火力発電によって燃料費を削減できるメリットがある一方で、
CO2を分離・回収するコストは小さくないでつ。
そうなるとCO2を100％回収できる超臨界CO2サイクル火力発電システムは有望。
政府が策定した次世代の火力発電のロードマップには、今のところ超臨界CO2サイクル火力発電は盛り込まれていないでつ。
テキサス州の実証運転の結果によっては、2030年に向けた有力な火力発電技術の1つになるでつ。
その技術は、直接燃焼方式による超臨界CO2サイクル火力発電システムは、直接燃焼方式による超臨界CO2サイクル火力発電システムとは、
簡単に言うと高温高圧の超臨界状態となったCO2でタービンを回して発電するシステム。
外部から間接的にCO2を加熱してタービンを回す方式の研究はいくつか例があるでつが、燃料を燃焼させて発生したCO2を直接送り込んで
タービンを回す今回の方式は世界初。
この方式の特徴は2つ。
1つ目は、単一のタービンだけで、ガスコンバインドサイクル発電システムと同等の発電効率を発揮すること。
ガスコンバインドサイクルでは、ガスを燃焼させた排気でタービンを回し、排気の熱を使って水蒸気を作り、この水蒸気でもタービンを回すでつ。
合計で2つのタービンを回して発電しているでつが、今回の方式では1つのタービンだけで同等の発電効率を得られるので、施設をコンパクトにできるでつ。
またタービン自体も、同程度の発電能力を持つガスタービンと比べて小さく作れるでつ。
もう一つの特徴は、発電施設のほかにCO2を分離、回収する設備を設置する必要がないこと。
ガスタービンを回した後のCO2は、高純度、高圧の状態でそのまますべて回収できるでつ。
実際にはガスタービンを回した後のCO2は、高温高圧のCO2を作る燃焼器に戻るので、発電施設の中でCO2が循環していることになるでつ。
タービンを回す高温高圧のCO2は、燃焼器で天然ガスなどの燃料を燃焼させて作るでつ。
このとき、大気で燃焼させず、純粋な酸素で燃焼させることで、大気を汚染する窒素酸化物を発生させないというところも特徴。
燃焼機から出てきたCO2は、高温高圧の超臨界状態になっているでつ。
その温度は1150℃で、圧力は30MPa。
一般的なガスタービンでは、同程度の温度で、圧力が2MPaほどのガスでタービンを回すでつ。
今回の方式では、ガスタービンと同程度の高温で圧力を大きく高めた超臨界状態のCO2でタービンを回すことで発電効率を大きく高めているでつ。
だけど、高温高圧に耐えるタービンを作ることは課題の1つ。
現在、検証運転を開始して、稼働データを収集、分析しながら技術を確立し、250MW級の発電所の商用運転を目指すとしているでつ。
二酸化炭素の削減には、クローズドするのが一番いいでつなぁ～
さてコリからのガスタービンの燃料として、水素と二酸化炭素が本命になってきたでつなぁ～
