【研究会報告】高効率・高温ガスタービンの開発と工業化

「CO2削減とイノベーション」研究会　

正田氏（中央）

　　第15回研究会報告　2012.2.9

「高効率・高温ガスタービンの開発と工業化」　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

正田淳一郎　氏　

（三菱重工業㈱　原動機事業本部ガスタービン技術部　部長）



2009年9月、当時の日本国首相は、国連の演説において、「2020年までに温室効果ガス排出量を1990年比25%削減する」という目標を、国際公約として掲げた。昨年の大震災を承けて、公約撤回の動きもないではないが、この25％の削減案は、原子力発電所の新設を前提にしても大きな足かせといわざるをえない。そもそも日本の場合、CO2削減に関する意識がすでに高く、技術革新も相当に進んでいる、という現状があるからである。そこで、今回の研究会では、火力発電におけるガスタービンの高温・高効率化世界一を実現した、三菱重工業の正田氏にお越しいただき、その開発経緯とそれを支える問題意識、さらには将来的な展望について詳しくお話をうかがった。

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【講演要旨】

ガスタービン（C1）を用いた火力発電において、近年、増えているのが、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発電（C2）である。ガスタービンを使って発電した後、その排熱を利用してつくった蒸気で蒸気タービンを回転させ、もう一度電気をつくるという発電方式である。高効率のガスタービンは、高い排ガスエネルギーを有するので、そこに蒸気タービンを組み合わせれば、高いプラント効率を達成できる。すなわち、同じ量の燃料でも、通常の火力発電より多くの電力をつくることが可能になるため、結果としてCO2の排出量を抑えることにつながるわけである。

地球温暖化 防止の上からCO2削減が世界的な課題になっている今、三菱重工業がガスタービンの開発に力を注いでいる意義も、まずはこの点にある。しかし、理由はそれだけにとどまらない。化石燃料のなかで最も燃費のよいガスタービンは、コストを安く抑えることができる。加えて、発電量が変えやすいという点で運用性が非常に高く、必要に応じて発電量を調整しやすいため、再生エネルギー増加で発電量変動増加が予想されるなか、そのニーズも高まっている。さらには、震災の影響もあり、建設期間が非常に短く、緊急時などの対応性がよいことも、ガスタービンの特徴として注目を集めつつある。

ただし、高温で焚けば燃費がよくなり、CO2排出量も抑えられるとはいえ、高い温度で長時間、発電しつづけるという状況は、高温下でのガスタービン自体の耐久性、および、NOx(窒素酸化物)発生による環境負荷といった問題を生む。三菱重工では、タービンの羽根（C3）のデザイン、コーティング、材質に独自の工夫を施しているほか、空気と燃料を混合させて燃焼させる予混合燃焼器（C4）にも工夫を盛り込むなど、いくつかのキーテクノロジーによって問題を解決しつつ、低NOxでありながら、タービン入口温度1600℃、熱効率61.5％という、世界最高レベルの出力と効率を実現した。

また、開発プロセスとしては、研究・開発・実証実験の各部門を一つのエリア（高砂）に集約させており、組立工場の横に実際の発電所をつくって、初号機の運用を検証しつつ開発を進めている。さらに、国のプロジェクトとして補助金を得ながら要素技術開発を推し進め、それらを順次適用して性能向上に努めており、1700℃級超高温ガスタービン実現の可能性も見えはじめている。その一方で、太陽熱とガスタービンを組み合わせるなど、従来の技術的な蓄積を活かして新たな取組み（C5）への着手も進めている。

　（文責：藤井由紀子）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　↓　「CO2とイノベーション」研究会についてはこちらをご参照ください

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東大のコンソーシアムでの講演（青島矢一）

2012年4月19日

東大の藤本先生と新宅先生に、ものづくり経営研究センターのコンソーシアムに呼ばれて、話をしてきました。環境やエネルギー問題への対策を考えるときに、産業競争力という観点を失わないようにしなければいけないことを主張する内容で、これまでと変わりはありません。

資料の中に日本のエレクトロニクス企業の2012年3月期業績（予想）のデータがあるのですが、その部分が発表の度に下方修正されていくのは悲しいことです。ソニー、パナソニック、シャープを合わせた純損失が1兆7000億近いというのは大変なことです。


日本の一般会計の法人税収入は8兆円弱、消費税収入が10兆円ほどですから、日本の大手企業がかつてのようにきちんと利益をだせれば、様々な問題の一部が解決します。


ちなみに、僕は、法人税減税はあまり効果がないと思っています。かつて2002年から2007年の好景気（といわれた）時期の製造業の付加価値の分析をしたことがありますが、この時期、確かに利益率は増大しましたが、付加価値率は激減しています。つまり、経営者は、利益を捻出するために、人件費や設備投資を削減していたと思われます（付加価値率低下のもう１つの理由はアウトソーシングの拡大）。


こうした経営者のかつての行動から推察するに、法人税減税で増えた付加価値分は、おそらく利益を捻出する側に回されて、人材や設備への長期投資にはまわらないのではないかと思われます。さらに、一律の法人税減税は、国際競争に晒されていない国内企業にも恩恵を与えることになり、公平性に欠けると思います。


日本に企業を残したいということであれば、国内投資に対する投資減税など、直接的な効果を狙った政策の方がいいと思います。


話がそれてしまいましたが、環境・エネルギー政策を考える上で、産業競争力という視点が欠けているという問題意識は、東大の藤本先生と共有しています。藤本先生も、現在、本を書いているということでした。

藤本先生は、「1日で1章書けると思ったけど、1週間もかかってしまった」といってました。この方、恐ろしい生産性です。センター長であり、２つの学会の学会長もやりながら、会う度に新しい論文をくれます。


コンソーシアムには様々な企業の人が参加していました。話の後、何人かの人が名刺交換にこられて話をしました。興味をもってくださったようです。


地熱発電に関することでは、三菱重工の方と少し話をしました。地熱発電がなかなか拡大しないのには企業側の事情もあるようです。大手企業からすれば、地熱発電は売上規模が小さすぎます。火力発電用の大規模なガスタービンや蒸気タービンの方が圧倒的に一回の売上規模が大きいので、どうしてもそちらに企業の資源は配分されます。



地熱発電の場合には、収益はむしろメンテナンスから生み出されます。腐食などの問題から定期的なブレードの交換が必要になるからです。以前訪ねた別府の杉の井ホテルの小さな発電設備でも、4年に1回、4000万円くらいの補修費用がかかるといっていました。


地熱発電の場合には、燃料費が実質ゼロですから、初期投資の設備費用が鍵となります。それに対して火力発電の場合には、圧倒的に燃料費が高いので、多少設備が高くなっても燃費が向上すれば、相殺されてしまいます。だから技術開発を続けて、性能の高いものをつくって、高く売るという事業モデルが成り立ちます。地熱はそうはいきません。


こうしたことからどうしても地熱発電には力が入りにくいのだと思います。おそらく地熱発電事業は大手企業から分離して、別会社にした方がよいと思われます。様々な地熱発電をリモートで監視することも含めてソリューション提供できれば、十分収益性の高い事業になると思います。

（青島矢一）

International Mini-Conference on Sustainable Growth and Asian Energy Policyで考えた既存技術と新技術の関係（清水洋）

International Mini-Conference on Sustainable Growth and Asian Energy Policyに出席しました。

最初の発表者は、東京大学の金子祥三先生です。

タイトルは、Japan’s Energy Policy after 3.11, 2011

震災後の政策変化

n  震災前は、CO2削減のために電力の3分の1を原子力でまかなう計画であった。しかし、震災後、これは現実的ではなくなり、原子力への依存度を減らす方向に大きく動いている。ただ、再生可能エネルギーへの依存度を急には高められない。

石炭火力発電の果たす役割

n  現在、日本の発電所で使用されるエネルギーの58％は、冷却などによりロスしている。この効率性を上げることは大切になる。ガスタービンとスチームタービンを組み合わせたコンバインドサイクル発電は、高効率性という点で大きな可能性を持つ。

n  現在、川崎のコンバインドサイクル発電では、53％の効率性を達成している。つまり、エネルギーのロスが少ない。トリプルのコンバインドサイクル発電では、65％の高効率性の達成が見込まれる。

n  LNGはクリーンで良いのだが、タンカーで浦賀を通って東京に供給されている1日のLNGのリザーブは1週間分しかない。1週間、何らかの理由で供給がストップすると、LNGを使った発電は止まることになる。この点でも、石炭を使った火力発電の高効率性の果たす役割は大きい。

といった内容で、石炭火力発電の重要性がよく分かる発表で、大変勉強になりました。

この発表の中には、イノベーションという観点から様々な興味深いポイントがありました。

その中の1つが、既存技術と代替技術の間の競争とイノベーションです。

n  ネイザン・ローゼンバーグも言うように、新しい代替技術は、新しい技術内での競争があるばかりではなく、既存技術との間でも厳しい競争に直面します。多くの場合、新しい技術が誕生したばかりの時には、既存技術の累積的なイノベーションによる効率性の向上に、なかなか勝てません。

n  しかし、新しい技術の間だけでなく、既存技術との競争によって双方のイノベーションが促進されるわけです。

n  新しい技術へのトランジションをどのように行なっていくのかは、企業のマネジメントの観点だけでなく、国レベルの重要な政策課題でもあります。特に、アメリカと比べると、労働市場や資本市場の流動性がそれほど高くない日本では、技術の転換を組織の中で行なっていく必要性が高いのです。つまり、技術のトランジションのマネジメントがより重要だと言えます。

n  また、既存技術にとっては、新しい代替技術が支配的になった時に、どのように補完関係を構築していくかが重要なポイントとなります。石炭火力発電の場合も、現在果たしている役割と将来的にそれが果たす役割では変わってくるでしょう。将来的にはリニューアブル・エナジー技術に対して、どのような補完関係を築くのかは大きなイシューとなるはずです。この点に関しても、戦略的なマネジメントが大切になってきます。

（清水洋）

三菱重工業高砂製作所見学（青島矢一）

3月16日　

三菱重工業の高砂製作所を訪問してガスタービンの製造工程を見学しました。

なかなかきれいな敷地

正面玄関の前の大きなタービン翼

以前、開発者の正田氏をお迎えして、東京で講演会を開きました。その時に、既に、日本の製造業の強さが凝縮していることを感じていましたが、今日は、その印象がさらに強固なものとなりました。

開発リーダーの正田部長とガスタービン初号機

ガスタービンに求められる最も重要な性能は燃費です。燃費を上げるには高温に耐えられるタービンを設計製造することが鍵となります。この点、三菱重工の最新のJ型ガスタービンは1700℃で作動する世界一の性能を誇ります。

高温で作動可能なタービンを実現するには、タービンの羽の冷却効率を上げることと、耐熱性を高める必要があります。ここに三菱重工のノウハウが詰まっています。そしてそのノウハウは簡単に真似できそうにありません。説明は受けてもよくわかりません。だから事業としてうまくまわっているわけです。戦略論の基本です。

鋳造で作られるタービンの羽の中には、空気が通る溝が形成されており、そこに空気を流して羽の表面からうまく吹き出させることによって冷却します。こういえば簡単なのですが、これをつくるのが難しい。羽の外側は、マッハ１のスピードでまわっており、しかも、1500℃を超える高温下で動作しています。鋳造品であること自体、信じられません。

似合ってる（新津くん、延岡さん、青島）

耐熱性を高めるために表面には特殊なコーティングが施されます。そういえば簡単ですが、このコーティング材料とコーティング方法がノウハウの塊です。とてつもない高温の中でも、割れたりはがれたりしないようにコーティングすることは極めて難しいわけです。

燃焼器にも、燃料のガスと空気を均一に混合させる様々なノウハウがあります。全体で300tにもおよぶタービンを、ミリ単位の精度で組み立てる上でも、目に見えない様々なノウハウがあります。タービンの羽とケーシングとの隙間はミクロン単位に抑えられます。冷却空気をタービンに送り込むにも微妙な調整が必要になります。などなど、次から次へと様々なノウハウが出てくるのですが、どれをとっても、言葉ではわかったつもりでも、その本当の中身は素人には見えません。

こうした微妙なノウハウが積み上がって、三菱重工の強みが形成されています。「日本のものづくりここにあり」といった感じです。こうした事業をみていると日本の製造業の将来も明るく思えてきます。ただ、こうした事業が日本から減っているのが問題です。

今日の見学では、ノウハウの塊という以外にも、いろんな成功の秘訣が見えてきました。その１つは、研究所、開発、製造の協業です。よくいわれることですが、実際にうまくいってるという印象でした。研究所ではシミュレーションや試作機を使った実験を通じて、様々なデータと科学的知見が蓄積されており、それが、次世代の開発にフィーバックされています。現場のノウハウといっても、科学的裏付けがあります（おそらく全てではないでしょうが）。

また高砂にはT地点と呼ばれる実証発電設備があります。これは実証設備とはいっても、40万kw近い出力を持つコンバインドサイクルの実発電所です。実際にIPPとして関電に電気を供給しています。

ただ主たる目的は、飽くまでも、新機種の実証試験にあります。新機種を顧客に出荷するまでには、様々な試験が繰り返されるわけですが、性能要件が厳しくなるにつれて、精度の高い実証試験が求められてきています。そこで実際の発電所をもって実証をしているわけです。大変な投資額なのですが、実証精度を高める上でも、また顧客（この場合には関電）のニーズを把握する上でも重要な設備となっています。

研究、開発、製造、実発電レベルの実証設備を全て同じ敷地内にもっているのは、世界でも三菱重工だけです。性能を高めるにはここまでやるのかといった感じで「脱帽」です。

日本らしい成功事例です。久々に元気になりました。こうした産業領域は減っていると思いますが、まだいける領域もあると思います。

エネルギー供給という点からすれば、燃料費が相対的に安い天然ガス火力発電は、当面重要な役割を果たすことになると思います。コンバインドサイクルでエネルギー効率が60％くらいまでいくのであれば、CO2排出という点でも石炭火力の半分くらいになります。

原発の減少分を埋めるには当面、この日本の強みが凝縮したガスタービン技術を活かすことが必要だと思いました。日本経済の活性化とも両立します。もちろん、今後の天然ガスの値段によってその経済性は大きく変わってきますので、一方で再生可能エネルギーの可能性を模索する必要はあります。ただ、その場合にも、出力が不安定な再生可能エネルギーの山谷を補完するために、出力調整の素早いガスタービンの役割は当面大きくなると思います。

（青島矢一）

三菱重工のガスタービン（青島矢一）

2012年2月9日

大河内賞ケース研究プロジェクトで、三菱重工のガスタービン技術に関する講演会がありました。

この極限技術の飽くなき追求。日本の製造業の強さが凝縮した事例です。

原子力発電所の運転再開は簡単にはいかないでしょうし、再生可能エネルギーといっても原子力発電を代替するにはほど遠い状況ですので、当面は火力発電に頼らざるを得ません。火力発電の中でも、相対的に、発電コストが安く、CO2 排出も少ないのが、天然ガス火力発電です。

天然ガス火力発電は、立ち上げもはやく、出力調整も比較的容易いので、今後増えていく再生可能エネルギーの変動を吸収する上でも、有望な技術です。

原子力発電の落ち込みの穴埋めをしつつ、なるべく発電コストとCO2排出を抑えようとするなら、火力発電所の効率を高めることを優先するのが、普通の考え方だと思います。

今回の講演でもあったように、さらに高温に耐えるタービンを開発してエネルギー効率を上げるとともに、蒸気タービンを組み合わせたコンバインドサイクルを展開することは当面、進んでいくと思います。その後は、さらに、燃料電池を組み合わせたシステムなどの開発が進められているようです。

ガスタービンが期待できるのは、それが、日本企業が比較的強い技術領域、産業領域だからです。今後日本が一定の削減義務を負い続けることは避けられないでしょう。

経済の縮小を受け入れないとするなら、日本国内で、真水で削減目標を達成することは難しいでしょうから、海外でのCDMプロジェクトなどを通じた排出権の獲得が必要になります。日本のガスタービンは、重要な輸出製品であるとともに、そうしたCDMプロジェクトにおいても活用できるはずです。

ただ、今回の発表を聞いていて、少し、危惧する点もあります。三菱重工のガスタービン事業の成功は、明らかに、80年代の日本の製造業の勝ちパターンを代表しています。しかしエレクトロニクス産業では、今世紀に入って、その勝ちパターンが通用しなくなり、家電企業の多くが苦境に立たされています。

同じことが起きないだろうか、という危惧です。

三菱重工のガスタービン事業は（おそらく）利益をだしており、成功しているのだから、そんなことは杞憂かもしれません。しかし、技術進歩が物理的限界に近づけば、自然の成り行きとして、投入する開発努力や資源の割に、性能向上のペースが鈍化します。

顧客が考えるのは、結局ところ、経済性ですから、投資の割に性能があがらなければ、いずれ差別化できなくなり、限界がきます。その時に、後発企業による安い汎用技術が市場を席巻するようなことにはならないだろうか。

そうなると、エネルギー変換効率以外の競争軸がでてくるのではないか。たとえば、再生可能エネルギーの供給変動を吸収することが鍵となれば、多少エネルギー効率が悪くても小型のタービンを複数並べた方がいいのではないだろうか。など・・。

このあたり、工場見学にいき、今後調査を進めながら、考えていこうと思います。

（青島矢一）

【研究会報告】大震災の教訓とエネルギー問題の課題と解決策

「CO2削減とイノベーション」研究会　
　　第10回研究会報告　2011.5.23　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

「大震災の教訓とエネルギー問題の課題と解決策」　金子祥三　氏

　（東京大学生産技術研究所　特任教授）

2011年3月、東北地方を襲った大震災の影響で、東日本太平洋岸に立地する発電所のほとんどが停止する、という状態に陥った。今後、おそらく日本のエネルギー計画は大きな見直しを迫られることになるだろう。震災後はじめての開催となった今回の研究会では、本研究会の発足メンバーである金子氏に改めて講演をお願いした。火力発電プラントの設計に過去従事されてきたお立場から、発電所の被災状況を分析いただき、あわせて、原子力発電の喪失分をどうするか、今後の日本のエネルギー動向と火力発電の将来像についても語っていただいた。

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【講演要旨】  

　

東日本大震災における発電所の被災状況をみると、大半の被害は、地震よりも津波によるものと考えることができる。

特に、火力発電所の場合、もともと地震に強い構造を持つが、燃料のほとんどを海外から輸送している関係上、多くの発電所が海岸に立地しており、今回、そのことが津波による浸水、冠水の被害を大きくしてしまった。

現在のところ、水没してしまった発電所の復旧には約半年～2年の期間を要する見込みで、2011年3月末の時点では、火力発電所（広野・常陸那珂・鹿島）と共同火力分（相馬共同火力新地・常盤共同火力勿来・クリーンコールパワー）とで1126万kW、原子力発電所分もあわせると、東京電力の総発電能力の30％強を喪失している状況にある。

　

2010年6月に閣議決定したエネルギー基本計画では、2030年の電源構成について原子力の比率を50％とする一方、火力の発電電力量を半減させることでCO2の発生量を半分に抑える、という見通しを立てていた。しかし、今回の震災を踏まえると、今後は原子力発電所の新設をあきらめ、既設のものだけで動かしていくという選択もやむをえなくなる。

とすれば、その原子力エネルギーの喪失分をいかに代替するか、という問題が当然起こってくる。再生エネルギーへの期待が高まっているが、残念ながら、太陽光発電、風力発電では容量的に難しく、天然ガスもセキュリティ上に難点がある。やはり、改めて重要になってくるのが火力発電で、いかに燃料を確保し、火力発電を高効率化していくかが肝要となる。

火力発電の高効率化の現状としては、蒸気タービン入口蒸気の高温・高圧化 が目指されているが、蒸気タービン単独では、すでに40％強の効率まで達しており、これ以上の高効率化には耐高温材料が鍵とならざるをない。しかし、日本には耐高温材料の具体的な開発プロジェクトがなく、材料による高効率化は残念ながら望めそうもない。


ところが、ガスタービンと蒸気タービンを複合させたダブル複合発電 であれば、無理をすることなく効率を上げていくことができる。

それだけでなく、将来的にはトリプル複合発電も視野に入れて、そこにさらに燃料電池を組み合わせていけば、究極の高効率化も可能である。


今回の震災を契機に、従来のエネルギー計画を見直す必要に迫られているが、現状では再生エネルギーにも限界や制約がある以上、火力発電の技術革新が今後の日本のエネルギー動向を支えることになるだろう。

（文責：藤井由紀子）

≪講演会資料≫　講演会資料のうち一部を抜粋して公開しています

magicc掲載用／金子氏資料抜粋

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（藤井由紀子）