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日本は世界第6位の広大な排他的経済水域(EEZ)を持つ潜在的な海洋エネルギー資源大国である。
中でも太平洋岸を流れる黒潮(日本海流)は、我が国固有の巨大海流エネルギー資源であり、それを利用して海中で常時安定的に発電しようという研究開発が進んでいる。国立大学法人東京大学と株式会社IHI、株式会社東芝、株式会社三井物産戦略研究所が共同で取り組む「水中浮遊式海流発電」がそれだ。2011年11月には新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の「次世代海洋エネルギー発電技術研究開発」の委託研究として採択されている。
目指すは、2030年に20円/kwhという再生可能エネルギーの中でも最も安い発電コストの実現。プロジェクトを主導する東京大学大学院新領域創成科学研究科の高木健教授に、海洋エネルギー利用の最前線と将来の展望を語ってもらった。

昼夜や季節、天候などに左右されない海流発電

――東日本大震災以来、再生可能エネルギーへの関心が高まり、海洋エネルギーの研究開発が日本でも本格的に始まっています。その中で、いま注目されている水中浮遊式海流発電にはどんな特徴や利点があるのかお聞かせください。

高木健氏高木 国土の狭い日本の陸地に、大規模な発電装置を設置することは現実的には困難です。そこで陸地に代わるものとして、日本を取り囲む広大な海洋の利用が着目され、いろいろな実証実験がいま行われています。その一環として、我が国固有の巨大海流である黒潮のエネルギーを利用しようというのが水中浮遊式海流発電です。

海流のエネルギーを利用するには、流れが速く量的にも豊富であることが必須ですが、先進国でその条件を満たすのは、世界でも黒潮と米国フロリダ半島のメキシコ湾流ぐらいで、欧州にはありません。日本は実に恵まれた位置にあるのです。

 

図1:黒潮の流速分布例

図1:黒潮の流速分布例(出典:東京大学 高木研究室)

海流エネルギーは風力や太陽光エネルギーに比べ、昼夜や季節、天候などによる流れの速さや向きの変動が少ないことが特徴です。ただ、海流は一定して同じ場所を流れるわけではなく、数週間単位とか年単位、時には10年単位で位置が変動しずれることがあります。それでも変動が少なく発電できる場所が日本には何カ所かあることが、我々の調査で分かってきました(図1)。

――日本が地の利を生かし、実用化で欧米に勝つチャンスがあるわけですね。

高木 そうです。この分野でフロリダ半島に先んじることができれば、発電の可能性があるインドネシアやアフリカなど他の国際市場でも有利に戦える――そういう希望を持って取り組んでいます。

いま再生可能エネルギーの利用に熱心なのは欧州で、いろいろな技術の国際標準化を先に達成して日本など世界に売り込もうとしています。そうした欧州の土俵で戦ったら日本は勝てません。そのため日本はより高度で先進的な独自技術を持つ必要があるのです。

日本が自前のエネルギーである再生可能エネルギーの開発に急を要しているのは、石油や天然ガスの輸入によって国富が海外に流出するのを防ぐためです。ですから外国から発電装置を輸入したり外国企業が発電したりするのでは意味がありません。その点、海流発電は日本におけるエネルギーのベストミックスを考える上で、基幹電力のポートフォリオの一角を占めるほど大規模で、国際市場にも展開できる本命になり得ると考えています。

ただ、実際に発電する場所や発電装置の機能を決めるには、海洋をサイエンスとして捉えてきた従来の研究では不十分で、エンジニアの立場からもっときめ細かく現場を調べる必要があります。

海中浮遊式海流発電システムは船舶の航行を妨げず、安定した姿勢を保つ

――水中浮遊式海流発電の具体的な仕組みを説明していただけますか。

図2:水中浮遊式海流発電システム

図2:水中浮遊式海流発電システム(出典:株式会社IHI)

高木 一定の流れのある海中に、発電装置をロープで海底から係留しておく簡単な仕組みです(図2)。発電機を納めるポッド(外郭)には大きな浮力があるので、地上の風力発電のように装置を支える柱はいりません。1基の発電装置にはタービンが2つあり、それぞれ逆方向に回転して回転トルクを相殺し、安定した姿勢を保つことができます。

ロープをつなぐアンカーを海底に固定するには、泥や砂地であれば、空き缶を逆さまにしてドンと打ち込むと抜けなくなるのと同じ原理を使って固定します。岩盤であればパイルを打ちこんで固定する方法を採用します。いずれも海洋の石油ガス田開発の現場でよく使われる方法です。日本には近海に石油ガス資源が存在しないためにアンカー設置技術がなく、当面は欧州などから導入することになりますが、基盤技術として獲得したいと思っています。

発電装置を海底に結び付けるロープは、鋼鉄製ではなく繊維ロープを使います。水と同じぐらいの軽さで1,000トン以上の力に耐えます。素材としての繊維自体は日本のメーカーが供給していますが、長いロープに編んで売っているのは外国メーカーなので、割高でもそれを買ってくるしかありません。何とか国産でできないか、日本のメーカーにも相談しているところです。

発電装置は海面から約50メートルの水深に安定させます。タービン翼の先端は海面から約25メートル下になり、船の航行に影響を与えません。25メートルというのは、マラッカ海峡の水深が25メートルであり、世界のすべての大型タンカーがそこを安全に通っていることから決めた数字です。

アンカーの深さは、技術的には海底油田並みに2,500~3,000メートルでも可能ですが、深すぎると電線代が高くなってコストに影響するので、現在は約500メートルまでを想定しています。

すでに45%を超えるエネルギー変換効率を達成。目指すは59%

――このプロジェクトには東大の他にIHI、東芝、三井物産戦略研究所が参加しています。どのような役割分担をしているのでしょうか。

高木 東大はシステム全体のコンセプトを考え、コスト競争力のある発電がそもそも成り立つのかとか、装置を引っ張る力はどれぐらいかとか、基礎的な研究をしています。小型模型を使った実験もしています。海中の発電装置はいろいろな動きをするので、それをシミュレーションするシステム開発も手がけています。

東芝は発電機とタービン翼の開発を進め、IHIは浮体構造物全体の開発とタービン製造を担当しています。三井物産戦略研究所は海流発電を経済的な観点から検討しています。国内だけでなく国際展開も視野に入れています。

――NEDOのプロジェクトの期間は2011~15年で、今ちょうど中間段階ですが、技術開発はどこまで進んでいるのでしょうか。

高木 数値計算上のチェックは終わり、小型の模型実験によりこの方式で発電が成り立つことを証明できました。模型は約50分の1の大きさで、タービン直径は88センチメートル、両軸間の距離は直径の約1.2倍です。仮に2つあるタービンの1つが故障しても、浮力で海面に浮上するといった基本的な性能を確認しました。

現状では、定格流速が毎秒1.5メートル、直径約40メートルのタービン翼で1,000kwの発電を達成できる見通しを得ています。実際には設置場所の流速に合わせて発電装置を設計することになります。発電装置のエネルギー変換効率については59%が理論上の限界とされているので、それに近づけるよう努力しており、すでに風力発電の効率である45%以上を達成しています。

text:木代泰之

後編はこちらから

高木健氏

たかぎ・けん
高木 健

東京大学大学院新領域創成科学研究科 教授
1985年4月大阪大学大学院工学研究科造船学専攻後期課程中退、大阪大学工学部助手、大阪大学工学博士、米国カリフォルニア工科大学客員研究員を経て、1995年12月大阪大学工学部助教授。
1998年4月~1999年1月英国ブリストル大学客員研究員、2008年8月より現職。
研究分野は、海流発電に関する研究、海運CO2削減に資する政策評価指標に関する研究、次世代深海探査技術を用いた深海の調査観測技術に関する研究など。


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※日本IBM社外からの寄稿や発言内容は、必ずしも同社の見解を表明しているわけではありません。


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