浮体式洋上風力発電

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世界初の実用的な浮体式洋上風力発電タービンであるHywind。 外洋に曳航される前、ノルウェースタヴァンゲル市近郊にあるÅmøyフィヨルドにて組み立てられて浮かんでいる

浮体式洋上風力発電(ふたいしきようじょうふうりょくはつでん)とは、洋上風力発電の一種で、洋上に浮かんだ浮体式構造物を利用する風力発電である。水深50mを超えると着床式では採算性が悪化するので、50m~200mの海域では浮体式風力発電機が設置される。[1]

2011年現在、ノルウェースタヴァンゲル洋上10kmに浮かぶHywindのみが実用化されているが、今後の普及が期待されており、特に潜在的に最も主要なマーケットは日本であると、Hywindを供用したスタトイルハイドロ社は主張している[2]。 日本は欧州などと異なり遠浅の海岸が少ないため、浮体式の実用化が洋上風力発電普及の鍵になると見られている。[3][4]日本では、初の実証試験が長崎県五島市の椛島(かばしま)沖で計画されている。また、世界初の大規模事業として福島県沖に集合型風力発電所が建設される。[3][4]国土交通省経済産業省は、国内外で事業展開しやすい環境を整備するため、安全基準の策定、技術開発、国際標準化を進める。[5]

概要[編集]

外洋では風を遮るものが無いため、陸上や陸地に近い洋上よりも強く安定した風力が利用できるが[6]、水深が深すぎるために着底式の風力タービンが建設できないことがある。浮体式構造物を利用することで、そのような場所でも風力発電を行うことが可能となる。

浮体式洋上風力発電のコンセプトはマサチューセッツ大学のWilliam E. Heronemus教授が1972年に考えついたものであるが、風力発電の商業性が確立された1990年代半ばに至って再注目され、ようやく実現に向けての本格的な研究が始まった[6]。 既存の着底型の風力タービンによる洋上風力発電は水深30メートルのところまでに限られていたが、水深600メートルまでの外海における風力発電のリソースは比べ物にならないほど豊富であり、また海底電力ケーブルを介して海沿いにある都市まで送電するのは困難なことではない。

2009年現在までに、2つの浮体式洋上風力発電施設が操業された。

  • Blue H
Blue Hは2007年12月、イタリアの洋上21kmに建設された初の浮体式洋上風力発電施設であるが、プロトタイプ機であり規模は小さい。一年にわたる実験計画を達成して各種の運用データを収集した後、2008年末をもって退役した。[7]
  • Hywind
Hywindは2.3メガワットの発電能力を持つ、世界初の実用的な浮体式洋上風力発電施設である。ノルウェーの洋上10kmの北海にて2009年9月より運用を開始し、2010年10月年現在現在も運用中である[8][9]

実例[編集]

Blue Hで用いられているtension leg繋留システム。灰色で示されたtower-bearing structureは、左図では自由に浮かんでいる状態。右図ではケーブル(赤色)の張力によって海底の錘(薄い灰色)の方に引っ張られている状態。

Blue H[編集]

Blue HはオランダのBlue H Technologies社によって、イタリアのプッリャ州の南東、陸地から21キロ、水深113メートルの南アドリア海洋上に2008年に[10]設置された。実際に運用されたものとしては世界初となる浮体式洋上風力発電施設ではあるが[8]、発電能力わずか80キロワットであり実用的な物ではなく、風力と海の状態をテストするためのプロトタイプ機である。設置されてちょうど一年後の2008年末に退役した。

Blue H Technologies社はこのプロトタイプ機において、「tension-leg platform」と呼ばれる係留システムと、2枚のブレードによるタービンを利用した。2枚のブレードによる風力タービンは3枚のブレードよりも大きな翼弦をとることができ、末端のスピードをより大きく出来るメリットがあったが、一方で騒音公害も大きくなるデメリットがあった。しかし人家から遠く離れた外洋では、騒音公害を気にする必要が無いのである[7]

2009年年現在、Blue H Technologies社は退役したプロトタイプ機の後継となるフルスケールの商用の2.4 MWタービンをイタリアのブリンディジにて建設中である。2010年にはこのタービンを、プロトタイプを設置したのと同じ場所に設置する予定であり、それが38基(90MW)の浮体式洋上風力発電タービンからなるTricase洋上風力発電所における最初のタービンとなる予定である[7]

Hywind[編集]

Hywindで用いられているloose mooring catenary係留システム。カテナリーケーブルによって係留された円筒形の浮体式構造物が浮かんでいる。Hywindはballasted catenaryと呼ばれる係留方法を用いており、それぞれの係留ケーブルの中央に60トンの錘を設置し、張力を加えている

Hywindは、スタトイルハイドロ社によって2009年6月に供用された。実用的な大容量の浮体式洋上風力発電タービンとしては世界初の施設である[9][11]。2009年6月、120メートルの高さを持つTechnip社製の浮体式のタワーと、2.3MWの発電能力を持つSiemens Wind Power(シーメンス)社製の風力タービンが、海が穏やかなスタヴァンゲル市近郊にあるÅmøyフィヨルドにて組み立てられた後、Karmøy村の南西10キロ、水深220メートルの地点まで曳航され、2年間のテストに供された[10]

基礎部分を所有するのはスタトイルハイドロ社である。スタトイルハイドロ社のAlexandra Beck Gjorvは、「この実験はこれまでの洋上風力発電を別次元に引き上げる手助けとなるだろう(中略)浮体式洋上風力発電の潜在的なグローバル市場は巨大であり、そのコストをどれだけ下げられるかにかかっている」と語っている[12]。 スタトイルハイドロ社はまた、「浮体式洋上風力発電は未熟であり商用化は厳しい」とも発言している[13][14]。 この世界初の実用化された浮体式洋上風力発電タービンは、建設と設置に約4億クローネ(6200万ドル)もかかった[15][16]

Hywindは年間約9GWの電力を生み出すと期待されていたが[17]、実際には2010年度に7.3GWの電力を供給し、11メートルの波にも無傷で耐え[2]、ノルウェーの電力網に電力を供給し続けた[18][19]

分類[編集]

浮体式洋上風力発電は2つのタイプに分類できる。

  • single-turbine-floater (ひとつの浮体式構築物にひとつの風力タービンを設置)
  • multiple turbine floaters (ひとつの浮体式構築物に複数の風力タービンを設置)

係留システム[編集]

浮体式構造物を海中で係留する主なシステムは、広義には以下の3種である。より狭義には、tension-legとCatenary mooring systemsの2つといえる。

  • Tension leg mooring systems - 張力のかかった垂直の紐(テザー)による、傾いたり回転したりといった状態から復帰させる強い慣性モーメントを利用する。
  • Catenary mooring systems - 逆に張力や剛性の小さいカテナリーを用いて、定位置に留めさせる[20]
  • ballasted catenary - カテナリー式の係留ケーブルの真ん中に数トンの錘を設置し、ケーブルの張力を増やして海上の浮体式構造物の剛性を増やす。


Economics[編集]

"Technically, the [theoretical] feasibility of deepwater [floating] wind turbines is not questioned as long-term survivability of floating structures has already been successfully demonstrated by the marine and offshore oil industries over many decades. However, the economics that allowed the deployment of thousands of offshore oil rigs have yet to be demonstrated for floating wind turbine platforms. For deepwater wind turbines, a floating structure will replace pile-driven monopoles or conventional concrete bases that are commonly used as foundations for shallow water and land-based turbines. The floating structure must provide enough buoyancy to support the weight of the turbine and to restrain pitch, roll and heave motions within acceptable limits. The capital costs for the wind turbine itself will not be significantly higher than current marinized turbine costs in shallow water. Therefore, the economics of deepwater wind turbines will be determined primarily by the additional costs of the floating structure and power distribution system, which are offset by higher offshore winds and close proximity to large load centers (e.g. shorter transmission runs)."[6]

2009年現在 however, the economic feasibility of shallow-water offshore wind technologies is more completely understood. With empirical data obtained from fixed-bottom installations off many countries for over a decade now, representative costs are well understood. Shallow-water turbines cost between 2.4 and 3 million United States dollars per megawatt to install, according to the World Energy Council.[10]

2009年現在, the practical feasibility and per-unit economics of deep-water, floating-turbine offshore wind is yet to be seen. Initial deployment of single full-capacity turbines in deep-water locations began only in 2009.[10]

2010年10月現在, new feasibility studies are supporting that floating turbines are becoming both technically and economically viable in the UK and global energy markets. "The higher up-front costs associated with developing floating wind turbines would be offset by the fact that they would be able to access areas of deep water off the coastlne of the UK where winds are stronger and reliable." [21]

The recent Offshore Valuation study conducted in the UK has confirmed that using just one third of the UK's wind, wave and tidal resource could generate energy equivalent to 1 billion barrels of oil per year; the same as North Sea oil and gas production. Some of the primary challenges are the coordination needed to develop transmission lines.[22]

提案されている計画[編集]

浮体式ウィンドファーム[編集]

日本[編集]

浮体式洋上風力発電を実用化するため、環境省は日本初の実証実験を長崎県五島市の椛島沖で計画している。[23]まず、100kW以下の試験機を設置して各種の調査を行い、2MW級の実証機の開発を目指している。京都大学が事務局となり、環境影響評価手法の検討、基本設計などを行った結果、浮体式洋上風力発電に適していると判断され、地元の賛同が得られたことから当地が選ばれた。[1]海上保安庁の海底地形図によると、水深は約100mであり、浮体を設置できる。[1]また、NEDO局所風況マップによると、年平均風速は7.0m/秒(高度70m)であり、十分な事業可能性があるとされている。[1]

試験機 
長さ11mのプロペラ3枚を持ち、全高71mのうち41mが海上に出る。約70世帯の年間消費電力を賄える。[23]
実証機 
長さ40mのプロペラ3枚を持ち、全高180mのうち100mが海上に出る。約1400世帯の年間消費電力を賄える。[23]

計画のスケジュールは次の通りである。[1]

  • 平成23~24年度 気象海象調査、安全性調査、環境影響評価
  • 平成23~25年度 設計と実証機製造
  • 平成25~27年度 設置と実証運転開始
  • 平成26~27年度 事業性等の評価

さらに、東日本大震災に伴う福島第一原子力発電所事故が発生した福島県の復興支援のため、浮体式洋上風力発電所が計画されており、2011年度第3次補正予算案に実証試験の予算の一部が盛り込まれる。[3]建設候補地は未定だが、東京電力広野火力発電所の送電線を利用できるいわき市沖が有力視されている。[4]発電機や軸受けなど約2万点に及ぶ部品の製造や、発電、建設・保守など、関連産業を誘致することを目指している。[3]早ければ2013年度から2MW級風力タービン6基の建設が始まり、2016年までの5年間、100億円~200億円かけてデータ収集・海底ケーブル送電・系統連系などの実証実験が行われる。[3][24][25]2020年までに80基まで増やすことを計画している。[25]事業者は公募で決定され、三菱重工業IHI富士重工業三井造船清水建設東京大学などが参画する予定である。[3]

アメリカ[編集]

The US State of Maine solicited proposals in September 2010 to build the world's first floating, commercial wind farm. The RFP is seeking proposals for 25 MW of deep-water offshore wind capacity to supply power for 20-year long-term contract period via grid-connected floating wind turbines in the Gulf of Maine. Successful bidders must enter into long-term power supply contracts with either Central Maine Power Company (CMP), Bangor Hydro-Electric Company (BHE), or Maine Public Service Company (MPS). Proposals are due by May 2011.[26] [27]

Some vendors who could bid on the proposed project have expressed concerns about dealing with the United States regulatory environment. Since the proposed site is in Federal waters, developers would need a permit from the Minerals Management Service, "which took more than seven years to approve a yet-to-be-built, shallow-water wind project off Cape Cod," and is also the agency under fire in June 2010 for lax oversight of deepwater oil drilling in Federal waters. "Uncertainty over regulatory hurdles in the United States ... is 'the Achilles heel' for Maine's ambitions for deepwater wind."[27]

Floating design concepts[編集]

WindFloat[編集]

Nuvola apps kaboodle.svg 映像外部リンク
Nuvola apps kaboodle.svg WindFloat concept

WindFloat is a floating foundation for offshore wind turbines designed and patented by Principle Power. It is to be tested in autumn 2011 off the coast of Portugal with a Vestas V80 2MW wind turbine.[28]

The foundation attempts to improve dynamic stability at shallow draft[29] by dampening wave and turbine induced motion[30] utilizing a tri-column triangular platform with the wind turbine positioned on only one of the three columns. The triangular platform is then "moored with 4 lines, 2 of which are connected to the column stabilizing the turbine, thus creating an asymmetric" mooring to increase stability and reduce motion.[31]

As the wind shifts direction and changes the loads on the turbine and foundation, pumps will shift ballast water between foundation chambers.[32]

The project is managed by the joint venture WindPlus (led by electricity provider Energias de Portugal).[29]

Vestas turbines will be the standard for the project.[29]

Construction cost is expected to be below $30 million,[8] and funded by the project partners and Fundo de Apoio à Inovação.[33]

This technology could allow wind turbines to be sited in offshore areas that were previously considered inaccessible, areas having water depth exceeding 50 meters and more powerful wind resources than shallow-water offshore wind farms typically encounter.[34]

Nautica Windpower[編集]

Nautica Windpower uses a patented technology aimed at reducing system weight, complexity and costs for deep water sites. Scale model tests in open water have been conducted and structural dynamics modeling is under development for a multi-megawatt design.[35] Nautica Windpower's Advanced Floating Turbine (AFT) uses a single mooring line and a downwind two-bladed rotor configuration that is deflection tolerant and aligns itself with the wind without an active yaw system. Two-bladed, downwind turbine designs that can accommodate flexibility in the blades will potentially prolong blade lifetime, diminish structural system loads and reduce offshore maintenance needs, yielding lower lifecycle costs. [36]

OC3-Hywind[編集]

The International Energy Agency (IEA), under the auspices of their Offshore Code Comparison Collaboration (OC3) initiative, has completed high-level design and simulation modeling of the OC-3 Hywind system, a 5-MW wind turbine installed on a floating spar buoy, moored with catenary mooring lines, in water depth of 320 meters. The spar buoy platform would extend 120 meters below the surface and the mass of such a system, including ballast would exceed 7.4 million kg. [37]

DeepWind[編集]

Risø and 11 international partners started a 4-year program called DeepWind in October 2010 to create and test economical floating Vertical Axis Wind Turbines up to 20MW. The program is supported with 3m through EUs Seventh Framework Programme.[38][39] Partners include TUDelft, SINTEF, Statoil and United States National Renewable Energy Laboratory.[40]

VertiWind[編集]

VertiWind is a Vertical Axis Wind Turbine design created by Nenuphar http://www.nenuphar-wind.com/[要文献特定詳細情報] and currently being tested by Technip http://www.technip.com/.[要文献特定詳細情報] See http://www.nenuphar-wind.com/pressTemplate:Better source

コスト[編集]

  • エネルギー密度の低い発電手段ほど、浮体が沢山必要になる
  • 浮体風力発電所は陸上に比べ騒音問題がないが、浮体原子力発電所に比べ10倍の浮体を必要とする。但し浮体太陽発電発電所に比べれば1/10以下の浮体で済む
  • 2011年現在での浮体風力発電コストは20円/kwh前後である。

関連項目[編集]

参考文献[編集]

  1. ^ a b c d e 浮体式洋上風力発電実証事業実施候補海域の選定について(お知らせ)”. 環境省 (2010年12月21日). 2011年11月4日閲覧。
  2. ^ a b Statoil wants Hywind in Japan Teknisk Ukeblad, 4 April 2011. Accessed: 4 April 2011.
  3. ^ a b c d e f “福島沖に洋上風力発電所計画 政府、復興支援の目玉に(1/2ページ)”. SankeiBiz. (2011年9月13日). http://www.sankeibiz.jp/macro/news/110913/mca1109130502006-n1.htm 2011年11月3日閲覧。 
  4. ^ a b c “福島沖に洋上風力発電所計画 政府、復興支援の目玉に(2/2ページ)”. SankeiBiz. (2011年9月13日). http://www.sankeibiz.jp/macro/news/110913/mca1109130502006-n2.htm 2011年11月3日閲覧。 
  5. ^ “福島沖に浮体式洋上風力 国交省・経産省、環境整備へ”. 電気新聞. (2011年10月24日). http://www.shimbun.denki.or.jp/news/construction/20111024_01.html 2011年11月4日閲覧。 
  6. ^ a b c Musial, W.; S. Butterfield, A. Boone (2003-11). “Feasibility of Floating Platform Systems for Wind Turbines”. NREL preprint (NREL) (NREL/CP-500-34874): 14. http://www.osti.gov/bridge/servlets/purl/15005820-0aqZAv/native/15005820.pdf 2009年9月10日閲覧。. 
  7. ^ a b c “Floating Wind Turbines, Deep Water Installation”. Offshore Industry 2 (4): 48–51. (2009). "In December 2007, Blue H launched the world's first floating wind turbine 21.3 km off the southern Italian coast at a depth of 113 m. The concession ran out at the end of 2008 and Blue H decommissioned the unit successfully." 
  8. ^ a b c Deep water wind turbines, The Institution of Engineering and Technology, 2010-10-18, accessed 2011-11-06.
  9. ^ a b Madslien, Jorn (2009-09-08). Floating challenge for offshore wind turbine. BBC News. http://news.bbc.co.uk/2/hi/business/8235456.stm 2009年9月14日閲覧。. 
  10. ^ a b c d Patel, Prachi (2009年6月22日). “Floating Wind Turbines to Be Tested”. IEEE Spectrum. http://www.spectrum.ieee.org/green-tech/wind/floating-wind-turbines-to-be-tested 2009年6月25日閲覧。 
  11. ^ Ramsey Cox (February/March 2010). “Water Power + Wind Power = Win!”. Mother Earth News. 2010年5月3日閲覧。
  12. ^ “First offshore wind turbine goes to sea”. UPI. (2009年6月6日). http://www.upi.com/Business_News/2009/06/06/First-offshore-wind-turbine-goes-to-sea/UPI-40901244312888/ 2009年6月7日閲覧。 
  13. ^ Jensen, Mette Buck. Vestas goes for floating wind turbines (in Danish) Ing.dk, 14 September 2009. Retrieved: 11 November 2010.
  14. ^ StatoilHydro inaugurates floating wind turbine Statoil, 8 September 2009. Retrieved: 11 November 2010.
  15. ^ Statoil Draws On Offshore Oil Expertise To Develop World's First Floating Wind Turbine. NewTechnology magazine. (2009-09-08). http://www.ntm.nickles.com/issues/story.aspx?aid=1000340202 2009年10月21日閲覧。. 
  16. ^ Turker, Tux (2009年5月19日). “Maine task force to identify offshore wind energy sites”. Energy Current. http://www.energycurrent.com/index.php?id=3&storyid=18144 2009年6月7日閲覧。 [リンク切れ]
  17. ^ Terje Riis-Johansen, Minister of Petroleum and Energy, Norway (2009年10月9日). “Speech: Opening of Hywind – the world’s first full-scale floating wind turbine”. Norway Ministry of Petroleum and Energy. 2009年10月21日閲覧。
  18. ^ “Technip and StatoilHydro Announce Inauguration of World's First Full-Scale Floating Wind Turbine”. OilVoice. (2009年9月13日). http://www.oilvoice.com/n/Technip_and_StatoilHydro_Announce_Inauguration_of_Worlds_First_FullScale_Floating_Wind_Turbine/767657b69.aspx 2009年9月19日閲覧。 
  19. ^ Hywind floating wind turbine”. Statoil (2009年9月8日). 2009年9月29日閲覧。
  20. ^ Floating Offshore Wind Turbines: Responses in a Seastate -- Pareto Optimal Designs and Economic Assessment, P. Sclavounos et al, October 2007.
  21. ^ Floating turbines promise to deliver reliable wind, says report, guardian.co.uk, 2010-10-11, accessed 2010-11-02. "The higher up-front costs associated with developing floating wind turbines would be offset by the fact that they would be able to access areas of deep water off the coastlne of the UK where winds are stronger and reliable. That is the conclusion of a major feasibility study..."
  22. ^ [1], The Offshore Valuation, 2010-11-08, accessed 2010-11-08.
  23. ^ a b c “五島沖で浮体式風力発電、環境省が実証実験へ”. 読売新聞. (2011年8月2日). http://kyushu.yomiuri.co.jp/nature/ecology/20110802-OYS8T00594.htm 2011年11月4日閲覧。 
  24. ^ “Japan plans floating wind power for Fukushima coast”. Reuters. (2011年9月13日). http://www.reuters.com/article/2011/09/13/us-japan-wind-idUSTRE78C41M20110913 2011年11月4日閲覧。 
  25. ^ a b “Japan Plans Floating Wind Power Plant”. Breakbulk. (2011年9月16日). http://www.breakbulk.com/wind-renewables/japan-plans-floating-wind-power-plant 2011年11月3日閲覧。 
  26. ^ Maine seeks 30MW of offshore wind and tidal pilots, BrighterEnergy.org, 20100903, accessed 2010-09-12.
  27. ^ a b State point man on offshore wind clearly energized, Maine Sunday Telegram, 2010-06-06, accessed 2010-06-13, "In September, the state plans to send out bids to build the world's first floating, commercial wind farm off the Maine coast."
  28. ^ Shahan, Zachary. 1st-of-its-kind floating wind turbine technology to be deployed by Vestas & WindPlus Clean Technica, 23 February 2011. Accessed: 23 February 2011.
  29. ^ a b c Shankleman, Jessica. Vestas floats plan for WindPlus offshore demo Business Green, 18 February 2011. Accessed: 23 February 2011.
  30. ^ Vestas, WindPlus to deploy floating wind turbine structure Composites World, 21 February 2011. Accessed: 23 February 2011.
  31. ^ Balogh, Emily (2008年12月18日). “Deepwater Offshore Wind Power Generation Using Oil and Gas Platform Technology”. RenewableEnergyWorld.com. http://www.renewableenergyworld.com/rea/news/article/2008/12/deepwater-offshore-wind-power-generation-using-oil-and-gas-platform-technology-54314 2009年9月3日閲覧。 
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  33. ^ Press Release Principle Power, 18 February 2011. Accessed: 23 February 2011.
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External links[編集]