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革新的な“低炭素”石炭火力発電の開発に向けて「大崎クールジェン」実証試験はじまる!

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革新的な“低炭素”石炭火力発電の開発に向けて「大崎クールジェン」実証試験はじまる!

 Jパワー(電源開発)と中国電力が国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の助成事業として広島県大崎上島町で行っている大崎クールジェンプロジェクトで、実証試験が始まった。最終目標は、石炭ガス化燃料電池複合発電(IGFC※)と二酸化炭素(CO2)の分離・回収技術を組み合わせた革新的な“低炭素”石炭火力発電を実現すること。資源をほとんど持たない日本にとって、エネルギー問題と環境問題の解決に貢献する“夢の技術”だ。

※IGFC:Integrated Coal Gasification Fuel Cell Combined Cycle

大崎クールジェンの全景

大崎クールジェンの全景

 瀬戸内海のほぼ中央に位置し、山田洋次監督のヒット映画「東京家族」(2013年公開)のロケ地として知られる大崎上島町。中国電力大崎発電所の敷地の一角(約10万平方メートル)で実証試験は行われている。実施主体はJパワーと中国電力が共同出資する大崎クールジェン(広島県豊田郡大崎上島町、相曽健司社長)。

 実証設備は、石炭ガス化炉、熱回収ボイラー、排熱回収ボイラー、ガスタービン、蒸気タービン、発電機などからなる。石炭ガス化炉、熱回収ボイラーなどからなる石炭ガス化設備は高さ約80メートルで、ビルの20階ほどに相当する巨大な設備だ。

 実証試験は3段階に分けて実施される。第1段階では、酸素吹石炭ガス化複合発電(IGCC※)の実証試験(16~18年度)を行う。炉内に酸素を吹き込みながら粉末状の石炭を蒸し焼きにし、一酸化炭素と水素を主成分とする可燃性ガスを生成。それを精製した燃料ガスを燃やしてガスタービンを回し発電するとともに、ガスの排熱を回収して蒸気を発生させ、蒸気タービンでも発電する。酸素吹ガス化炉は、従来の石炭火力発電所で利用されてきた瀝青炭と呼ばれる品位の高い石炭に加え、これまで十分利用されてきていない亜瀝青炭というより品位の低い石炭まで広く使用可能である。

※IGCC:Integrated Coal Gasification Combined Cycle

大崎クールジェンの全景

大崎クールジェンプロジェクト【資料提供:大崎クールジェン】

 第1段階の酸素吹IGCCの実証試験は今年3月28日から始まっており、1300℃級のガスタービンを用いた実証試験発電所の出力は16万6000キロワット、目標とする発電効率(送電端)は40.5%で、現在5000時間運転の長期耐久試験を実施中である。この目標を達成することで、将来の商用化に際して、液化天然ガス(LNG)火力発電で既に実用化されている1500℃級ガスタービンをIGCCに適用した際には、発電効率(同)が46~48%に達すると想定される。これはガスの温度が上がればガスタービンの燃焼効率が上がり発電効率も上昇するからで、現在開発中の1700℃級のガスタービンを適用することができれば、更なる発電効率の向上も見込めるという。

 第2段階では、石炭ガス化炉で生成したガスから効率的にCO2を分離・回収する実証試験(19~20年度)を行う計画だ。CO2分離・回収設備は、IGCC実証設備の西隣に追設。ガスに水蒸気を加えて一酸化炭素をCO2と水素に転換したうえで、CO2だけを分離・回収する。

究極の石炭火力「石炭ガス化燃料電池複合発電」

 第3段階では、第2段階までのIGCC、CO2分離・回収設備に燃料電池を組み合わせたIGFCの実証試験(21年度)を行う計画。おおまかな仕組みはこうだ。

 石炭から生成したガスでガスタービンを回し発電するとともに、ガス排熱などを回収して蒸気を発生させ蒸気タービンでも発電する。ここまではIGCCと同じだが、さらに、CO2分離・回収設備で生成した水素を使って燃料電池でも発電する。ガスタービン、蒸気タービン、燃料電池による高効率なトリプル複合発電を行うのがIGFCだ。商用段階の発電効率は55%以上(送電端)となり、微粉炭を燃やして発電する現在の一般的な石炭火力(超々臨界圧=USC)を14ポイント以上も上回る。

 発電効率に優れたIGFCは環境性能にも優れており、CO2排出量は一般的な石炭火力と比べて約30%減る見込みだ(燃料電池を付加しないIGCCでも同約15%の削減が期待できるという)。

大崎クールジェンの全景

【資料提供:大崎クールジェン】

JパワーとIGCC開発の歴史

 実は、Jパワーは、IGCCとCO2分離・回収の技術開発に10年以上前から取り組んでいる。同社の若松研究所(北九州市)で2002年度から14年6月まで実施された「EAGLEプロジェクト」がそれで、NEDOとの共同開発事業として行われた。

 このプロジェクトの実証試験は3段階に分けて実施。最初のステップ1(02~06年度)では、IGCCの心臓部である石炭ガス化炉の開発に取り組んだ。石炭を高効率でガス化し、かつガス化の過程で発生するスラグ(溶融した石炭灰)が炉内でつまることなく安定的に排出されることが目標で、世界最高レベルの石炭ガス化率82%を実現した「EAGLE石炭ガス化炉」を開発した。

 EAGLE炉は、炉内に噴出された微粉炭が、旋回流によって長く炉内にとどまるよう工夫されており、これにより高い石炭ガス化率を実現した。さらに、炉には上下2段のバーナ(粉末状の石炭と酸素をガス化炉に送り込むための吹き出し口)があり、上下の酸素供給量を適切に制御することで、高いガス化効率とスラグ安定排出の双方を実現している。

大崎クールジェンの全景

多目的石炭ガス製造技術(EAGLE)パイロット試験プラント

 ステップ2(07~09年度)とステップ3(10~13年度)では、CO2分離・回収技術の確立に向けたパイロット試験が行われた。ステップ2では、化学反応を利用してCO2を分離・回収する「化学吸収法」の試験を石炭ガス化プラントとして世界で初めて実施し、従来の化学吸収法に比べて約30%のエネルギー削減に成功した。ステップ3では、高圧ガスからCO2を回収するのに適した「物理吸収法」の試験を行った。これは、高温高圧の1500℃級ガスタービンを採用した次世代CO2分離・回収型IGCCへの適用をにらんでのことだ。

 EAGLEプロジェクトでのこうした成果が、大崎クールジェンプロジェクトに引き継がれている。

石炭火力のイノベーション

 世界の総発電量の4割強は石炭火力で、日本でも約3割が石炭火力となっている。国際エネルギー機関(IEA)の推計では、2035年の世界の総発電量は人口増加などにより11年と比べて1.7倍に膨らむ。このうち、石炭火力は発電電力量シェアで33%を占め、引き続き世界最大の電源であり続ける見通しだ。

大崎クールジェンの全景

電源別発電電力量の構成比(2014年)

 石炭は可採埋蔵量が豊富で、価格も低く安定していることがその背景にあるが、一方で石油や天然ガスと比べて燃焼時のCO2排出量が多く、環境負荷が大きいという欠点も抱えている。世界の電力需要が増大し、その多くを石炭に頼らざるを得ない状況を考えれば、環境負荷が大幅に低減するIGCC、IGFCといった究極の石炭火力発電技術の開発は待ったなしといえる。

 ちなみに、米国、中国、インドの既存の石炭火力発電を全てIGCCに置き換えた場合のCO2排出削減効果は約21億トンで、IGFCに置き換えた場合は約28億トンの削減効果があると試算されている。これは日本の年間総排出量(約14億トン)の実に2倍に相当する。

 Jパワー火力計画室の飯田浩道室長は「IGCC、IGFCは日本のみならず海外のCO2排出削減にも資する技術」と指摘。「酸素吹IGCC実証機はさまざまな分野の方々の英知を結集して完成しました。日本の多くの技術を集約し、安全で信頼性のある高効率発電システムを実現することが私たちの役割。実証試験でプロジェクトの成果が試されることになりますが、プロジェクトに携わる多くの人々のつながりが成功に導くと考えています」と意気込む。

大崎クールジェンの全景

Jパワー火力計画室の飯田浩道室長

 東京都江東区とほぼ同じ広さの風光明媚な町、大崎上島町(約43平方キロメートル)から石炭火力発電のイノベーションが始まる。

大崎クールジェンプロジェクトについてはこちら

提供:J-POWER(電源開発株式会社)

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