次世代火力発電協議会 ( 第 1 回会合 ) 資料 2-1 火力発電技術 ( 石炭 ガス ) の技術開発の現状 国立研究開発法人新エネルギー 産業技術総合開発機構 平成 27 年 6 月
1. 火力発電技術開発の全体像 2. LNG 火力発電 1.1 LNG 火力発電の高効率化の全体像 1.2 主なLNG 火力発電の高効率化技術開発 3. 石炭火力発電 2.1 石炭火力発電の高効率化の全体像 2.2 主な石炭火力発電の高効率化の技術開発 4. その他の更なる高効率化に向けた技術開発 1
1. 火力発電技術開発の全体像 2
1. 火力発電技術の全体像 火力発電技術については 大きく分けて LNG 火力ではガスタービンの高温化技術 石炭火力においては USC の高効率化 石炭ガス化発電技術 (IGCC IGFC) の技術開発が実施されている IGCC IGFC には LNG 火力で開発される高温ガスタービン技術が適用可能であり ガスタービンと同様に IGCC/IGFC においても同様の高温化 高効率化が図られていく ( 出典 ;CCT ワークショップ 2013 NEDO 資料 2013.8) 3
2.LNG 火力発電 2.1 LNG 火力発電の高効率化の全体像 4
2.1 LNG 火力発電の高効率化の全体像 大容量 ( 数 10 万 kw 以上 )LNG 火力発電設備として 高温ガスタービンを開発 1600 級の商用化など 世界に先駆けてガスタービンの高温化を実現 更なる高温化に向けて 1700 に向けた技術開発が実施中 中小容量 (10 万 kw 程度 )LNG 火力発電設備として ガスタービンのみでコンバインドサイクルの熱効率に匹敵する高湿分空気利用ガスタービン (AHAT) の技術開発が実施中 <LNG 火力発電の効率向上 > 熱効率(% )(送電端 H H V )60 55 50 45 40 1100 級 ( 約 43%) LNG 火力発電 ( 約 38%) 1350 級 ( 約 50%) 既存の発電技術 コンバインドサイクル発電 大容量機向け 1500 級 ( 約 52%) 1600 級 ( 約 54%) 今後の技術開発 1700 級 ( 約 57%) 中小容量機向け 高湿分空気利用ガスタービン (AHAT) ( 約 51%) 一般電気 卸供給事業者の技術別 LNG 容量 卸電気は LNG 保有無し 従来型 LNG コンバインドサイクル LNG 2390 万 kw (35%) 4525 万 kw (65%) 35 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 年 ( 出典 ; 総合資源エネルギー調査会 (METI) 資料 2015.3) 5
6 ( 参考 ) これまでの既存のロードマップエネルギー基本計画技術ロードマップ ( 平成 25 年 12 月 ) 高効率天然ガス火力発電 これまでの策定されてきたロードマップにおいては 1700 ガスタービン及び AHAT の実用化として 2020 年代の実用化が見込まれている
2.2 主な LNG 火力発電の高効率化技術開発 7
タービン入口温度( 2.2 主な高効率化技術開発 1700 級ガスタービン技術開発 ガスタービン技術は かつて日本は米国等に後れを取っていたところ 78 年から 87 年にかけて 260 億円の予算を投入し 高温化技術の後れを挽回 以降 大型ガスタービンの高温化は日本が世界をリード 我が国のガスタービン技術開発は 1600 級ガスタービンで世界最高の熱効率 55%(HHV) を達成 現在では 1700 級ガスタービン ( 目標熱効率 57%(HHV) の技術開発が実施中 1700 超高温ガスタービンプロジェクト 1500 1300 ムーンライト (260 億円 ) ATS (800 億 ) HEET NGT (1000 億 ) (500 億 ) 年タ)1100 米国 DOE ファンド ( ) プロジェクト費用 1980 1990 2000 2010 年 ガスタービンのタービン入口温度の上昇 ガスタービンコンバインドサイクル (GTCC) の構成 出典 : 平成 25 年度次世代電力供給システム分野に係る技術に関する施策 事業評価検討会 ( 出典 ;NEDO の HP 実用化ドキュメント ) 8
2.2 主な高効率化技術開発 AHAT( 高湿分空気ガスタービン ) 高湿分空気ガスタービン技術は 中小容量機 (10 万 kw 程度 ) でコンバインドサイクルの効率をしのぐことが可能な日本オリジナルのガスタービン単独発電技術 コンバインドサイクルの蒸気タービン蒸気量に匹敵する湿分を加えて ガスタービン排熱を熱交換器で回収し ガスタービンで利用する 中小容量機での発電効率 51% を目指して 技術開発が実施中 ( 出典 ; 日立 住精工 電中研資料 2013.11) 9
3. 石炭火力発電 3.1 石炭火力発電の高効率化の全体像 10
3.1 石炭火力発電の高効率化の全体像 我が国の石炭火力は 現在 微粉炭火力の超々臨界圧 (USC) が最高効率の技術として実用化 今後 微粉炭火力の効率向上を進めるとともに 新たに 低品位炭も使用可能な石炭ガス化火力 (IGCC IGFC) の技術開発が進められている ( 出典 ; 総合資源エネルギー調査会 (METI) 資料 2015.3) 11
12 ( 参考 ) これまでの既存のロードマップエネルギー基本計画技術ロードマップ ( 平成 25 年 12 月 ) 高効率石炭火力発電 これまで策定されてきた既存のロードマップにおいては A-USC IGCC 共に 2020 年代の実用化 IGFC は 2030 年代の実用化を目指すこととされている
2.2 主な石炭火力発電の高効率化の技術開発 13
微粉炭火力発電技術 (USC,A-USC) について 微粉炭火力発電技術は 燃焼技術 発電技術を年々向上 蒸気温度や蒸気圧力を上げて効率を向上 現在の商用技術は USC で発電効率約 40% 程度を達成 ( 送電端 HHV 25Mpa 600 /620 ) USC の更なる高温化技術として A-USC(35MPa 700 発電効率 46~48%( 送電端 HHV)) の技術開発が実施中 ( 出典 ; 電源開発資料 ) 14
IGCC( 石炭ガス化複合発電 ) について IGCC は 石炭をガス化しコンバインドサイクル発電を行う次世代の石炭火力技術として 技術開発 実証が実施 若松 EAGLE プロジェクト ( 2002 年 ~ 2013 年 ) 勿来 IGCC 実証 (2007 年 ~ 2012 年 ) が実施 現在では IGFC( 燃料電池複合発電 ) を目指した大崎クールジェンプロジェクトが実施中 また 福島復興 IGCC プロジェクトなども計画されている ( 出典 ; 第 6 回東京大学エネルキ ー環境シンホ シ ウム MHPS 資料 2014.10) 15
4. その他の更なる高効率化等に向けた技術開発 16
IGFC 向け石炭ガスのクリーンナップ技術開発 石炭ガス化ガス中の微量成分の把握 微量成分を除去する技術を把握 燃料電池に対し 有害な微量成分の許容濃度や被毒挙動を把握 燃料電池用ガス精製技術の検討 石炭 ガス化炉 湿式ガス精製 精密ガス精製 燃料電池 2017 年度終了大崎クールジェンプロジェクトに反映 17
次世代ガス化技術 (IGCC 水蒸気噴流床ガス化技術開発 ) 噴流床ガス化炉における水蒸気ガス化 酸素製造装置の効率化 乾式ガス精製の要素技術の向上によって 発電効率 60% 程度の技術開発を実施 実用化時期 :2030 年以降 生成ガス 乾式ガス精製による効率向上 技術革新による酸素製造動力の削減 空気 酸素分離膜空気側 酸素側 酸素 石炭 水蒸気ガス化による冷ガス効率向上 水蒸気噴流床ガス化 実績のある噴流床ガス化技術で実施 乾式ガス精製空気発電機水蒸気冷却水 ガスタービン 排熱回収ボイラ 蒸気タービン 18
CO 2 回収型次世代 IGCC 技術開発 CO 2 分離 回収設備やシフト反応器の不要な CO 2 回収型 IGCC 技術 CO 2 回収後も 42% の送電端効率が期待できる革新的な IGCC 基盤技術の開発 (CO 2 分離 回収に相当する効率損失は 2 ポイント ) CO 2 分離 回収に相当するコスト :3 円 /kwh から 2 円 /kwh への低減が期待できる技術 合成ガス 燃焼器 GT ST G 電力 ガス化炉 石炭酸素 CO: 66% H 2 : 24% CO 2 : 5% 酸素 CO 2 リサイクル CO 2 GT: ガスタービン ST: 蒸気タービン G: 発電機 CO 2 リサイクル CO 2 回収 技術確立時期 : 2035 年 19
ケミカルルーピング燃焼技術開発 中小型石炭火力発電所向け (100 MW ~ 500 MW) 空気分離装置不要 排ガスがほとんど CO 2 で CO 2 分離 回収設備不要 CO 2 回収後も送電端効率 46% を目指す技術開発 CO 2 分離 回収に相当するコスト : 4 円 /kwh から 2 円 /kwh への低減が期待できる技術 空気反応塔 石炭 窒素 MO X MO X 燃料反応塔 窒素 蒸気 ( 発電用 ) HRSG サイクロン サイクロン 蒸気 HRSG 窒素 : (98%, dry) CO 2 : (98%, dry) HRSG: 排熱回収ボイラ 空気 MO X-1 技術確立時期 : 2030 年 20
バイナリー発電 ( オーガニックランキンサイクル ) 低沸点の媒体を熱源( 廃熱 温水 蒸気など ) で加熱し 蒸発させてタービンを回し 発電する方式 媒体にはペンタンやアンモニア系媒体 代替フロンなどが利用される 未利用廃熱は回収が困難な300 以下が大半を占め 市場は大きい ( 欧州では普及が進む ) 熱主電従システムで 総合エネルギー効率は高い 課題点は制度緩和( 電気事業法にORC 発電の位置づけが無いなど ) 低コスト化など バイナリー発電のフロー図 ( 出典 ; 神戸製鋼所 ) ( 出典 ;H24 次世代型熱利用設備導入緊急対策事業 (METI) 資料 ) ( 出典 ; 三菱重工 ) 21
火力発電の負荷変動対応 再生可能エネルギーの導入量が増えると 火力発電による出力調整( 速い出力変化や起動時間など ) が求められるが 起動停止の増加や急激な出力変化は疲労劣化を助長させる可能性がある 出力変化の速度は 一般的にGTCCは早く 汽力( 貫流 ドラム ) は遅めである 起動時間も GTCCは40~80 分程度と早いが 石炭等の汽力プラントはさらに時間を要する さらに低出力域では出力変化速度は小さく設定されるなど 各方式の特徴を十分に把握しておく必要がある ( 出典 ; 総合資源エネルギー調査会 (METI) 資料 2015.4.16) 22
負荷変動対応 ( ドイツの例 ) PV WP ガス 瀝青炭 褐炭 再生可能エネルギーが 20% 以上導入されているドイツの発電所の運転状況 左表は 2014 年の各発電所の出力の様子 ( 注意 ; 上は電力量 下は出力 ) 再生可能エネルギーの変動により 石炭火力が激しい出力変動を余儀なくされている様子が分かる 原子力 ( 出典 ;Fraunhofer Institute 資料 2014.12) 23