潮流発電技術の現状と今後の展望

長崎大学 海洋未来イノベーション機構

海洋エネルギー研究開発部門きょうづか ゆうさく

経塚雄策

海洋インバースダム協会 第13回定例会2016年10月18日（火）

京都大学 宇治キャンパス CB215

本日の講演予定

• 博多湾における洋上風力実証実験

• 潮流エネルギーの特徴

• 欧州における開発の現状

• 我が国における開発の現状

• 環境省・NEDOの平成26-27年度事業

• 環境省の平成28-31年度事業(予定)

• 課題1 潮流乱流

• 課題2 付着生物

• まとめ

博多湾モデル（環境省委託事業）

直径18mの六角形浮体3kW風車2機水深：約5m

海の中道マリーナの沖合約1km

実証実験期間：2011年12月から1年間

六角形浮体 直径18m、円柱直径3.5m、喫水2.4m、排水量140トン風レンズ風車 3kW 2基 風レンズ直径3.4m、可倒式支柱、太陽光パネル搭載(1.5kW)

-6

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1:1

3

Tension(KgW) 2012.9.17

Tension(KgW)

浮体における発電量2012年11月

みなと百年公園における発電量2012年11月

7,577kWh

平均風速 5.0m/s

3,555kWh

平均風速 4.1m/s

潮流発電の(Short)歴史年 ヨーロッパ・北米 日本 経塚

1980

2000

2003

2008

2009

2010

2015

2015

アメリカ、カナダにおいて小型潮流発電装置が考案

地球温暖化対策北海油田が下り坂

Seaflow Project by MCT 300kWEMEC in Scotland設立

SeaGen S Project by MCT 1.2MW

FORCE(Fundy Ocean Res. Center Energy), Nova Scotia, Canada設立

OpenHydro 1MW Fundy Bay

Siemens、MCTを買収

Siemens、MCTをAtlantisに売却

MeyGen by Atlantis, 1.5MW x 4(First Commercial Power Gen.)

1983～1988 日大、来島海峡で実証実験ダリウス水車

1986 徳島大、鳴門海峡、クロスフロー水車

2008 OEAJ 設立

2011 東日本大震災、福島原発事故2011- NEDO海洋エネルギー支援拡大

実証実験、次世代技術、共通基礎

2014 海洋エネルギー実証フィールド選定（長崎3海域、潮流２＋洋上風力）

2014 環境省・NEDO連携事業開始2016 環境省・NEDO連携事業中止2016 環境省実証プロジェクト(OpenHydro)

2002 潮流シミュレーション in関門海峡

2005 生月大橋の橋脚を利用した潮流発電（4年間＋2年間）

2008 潮流シミュレーション、五島の潮流エネルギー試算

2011-2015NEDO 油圧式東大、佐世保、九大

2014-2015環境省1MW実用化川重、東亜、古河、九大

2016-2019環境省OpenHydro九電未来エナジー、他

13

世界で計画中の潮流発電プロジェクト

Scotland, UK

ROUND1: 1000MW

North Ireland, UK

ROUND2: 300MW

South Coast, Korea

Total: 950MW

Channel Is., UK

285MW

Nova Scotia, Canada

Funddy Bay: 500MW

Ontario, Canada

Lawrence Rv：15MW

Gujyaraat, India

Cambay Bay:100MW

New York, USA

East River：10MW

世界の潮流ポテンシャル: 260GW

潮流発電の特徴

予測可能

騒音なし

環境に優しい

高密度

陸から近い

変動する

厳しい海の環境

遠隔地が多い

総電力は大きくない

水産への影響

利点 欠点

• 抗力利用、揚力利用

・抗力利用・・・低速で大トルク、一般に低効率

・揚力利用・・・高回転、高効率

• 水平軸、鉛直軸

・水平軸・・・高効率, ヨー制御

・ダリウス、サボニウス・・・ヨー制御不要

• 振動翼 ・・・浅海域で有利、発電装置

• 渦励振利用・・・単純構造、基礎研究レベル

潮流発電装置の種類

潮流発電装置の種類水平軸タービン 鉛直軸タービン

振動翼タービン 増速ダクト付き装置

Bluewaterof Netherland

浮体式潮流発電装置

EMECにおける実証実験装置

EdayIs.

Scotrenewable200kW (2011)

TGL 500kW(2010)

OpenHydro300kW(2006)

Atlantis1MW （2010）

Hammerfest1MW (2011)

OpenHydro1MW

Voith Hydro1MW (2011)

21

MeyGen Project (2015- ), Total 398MW

Phase 1a

1.5MW x 4

6MW

74MW

6MW

4km2

1.5MW x 260

AndritzHydro Hammerfest

NEDO海洋エネルギー支援予算額の推移(波浪, 潮流, 海流, 温度差)

• 2011 4億800万円

3.11 東日本大震災、福島原発事故

• 2012 17億4800万円

• 2013 14億1300万円

• 2014 27億5000万円

• 2015 15億円

最終目標（平成29年度）

• 共同研究事業（NEDO負担率：2/3）１）実海域における実証試験および性能検証

２）発電システムの確立

３）事業化時の発電コスト40円/kWh

• 委託事業（NEDO負担率：3/3）

１）スケールモデルによる性能試験および評価

２）要素技術の確立

３）2020年代の事業化時の発電コスト20円/kWh

NEDOの発電コスト目標額

NEDO/海洋エネルギー発電システム実証研究・潮流発電（浮体式） 三井海洋開発・潮流発電（着床式） 川崎重工・沖縄電力・潮流発電(垂直軸直線翼型） 大島造船所、サイエンスリサーチ・海流発電（水中浮遊式） IHI、東芝・海流発電（海中浮体式） 三菱重工

NEDO/次世代海洋エネルギー発電技術研究開発・海流発電（水中浮遊式） IHI, 東芝, 三井物産戦略研、東大・潮流発電（油圧式） 佐世保重工、東大、九大・潮流発電（橋脚利用式） ナカシマプロペラ、五洋建設、広工大・潮流発電（橋脚・港湾構造物利用式） 中国電力、広工大・潮流発電（相反転プロペラ式） 協和コンサルタンツ＋4機関・海流発電（海中浮体式） 三菱重工・潮流発電（橋脚・港湾構造物利用式） 中国電力、五洋建設、広工大・潮流発電（着床式） 川崎重工・九州大学

日本版MEC総合海洋政策本部

採択された潮流実証フィールド平成26年7月15日

・粟島周辺, 新潟県

・呼子北方海域, 佐賀県

・五島市・西海市, 長崎県

五島市、久賀島沖の潮流フィールド

奈留瀬戸

田ノ浦瀬戸

設備容量90MW

環境省「平成26年度潮流発電技術実用化推進事業」

代表事業者 実証場所 期間

東亜建設工業株式会社 長崎県五島市沖 平成26～27年度(中止)

三菱重工業株式会社 兵庫県淡路市岩屋沖 平成26～27年度(中止)

公募要領(抜粋) 平成26年5月(1)事業対象② 事業開始時点において、海域が決定しており、漁業者の合意が得られていること。④ １基で500kW程度以上の出力を有する潮流発電機を設置し、実証を行うこと。⑥ 実証期間の前後及び期間中に環境影響評価を行い、その検証を行うこと。⑦ 効率的かつ環境負荷低減に資するメンテナンス手法等を検討すること。

（2）予算額について平成26年度は5.5億円を上限として採択します。

（3）事業実施期間等について原則として5年間以内とします。

結果の公表 平成26年7月

• 東亜建設工業 (Toa Corporation)

海域調査、環境影響評価、設置・揚収の施工

• 川崎重工 (Kawasaki Heavy Industries)

潮流発電装置の開発

• 古河電工 (Furukawa Electric)

系統設備（変電所、海底ケーブル）の開発

• 九州大学 (Kyushu Univ.)

海域調査の助言・支援、潮流シミュレーション

環境省Min. of Environ

NEDOMin. of ETI

連携事業Collaboration

候補地・上潮流速1.5m/s以上・下潮流速1.5m/s以上・水深40m～50m・露岩 or 砂層厚0.5m未満

1 2km0

奈留瀬戸②奈留瀬戸①

田ノ浦瀬戸①

田ノ浦瀬戸②

（奈留瀬戸③）

上げ潮時流速大潮最大：2.6m/s14日平均：1.2m/s

下げ潮時流速大潮最大：2.7m/s14日平均：1.2m/s

離岸距離：0.4km

離岸距離：1.2km

上げ潮時流速大潮最大：3.5m/s14日平均：1.5m/s

下げ潮時流速大潮最大：2.1m/s14日平均：1.0m/s

離岸距離：0.6km

離岸距離：0.4km

実証実験サイトの１次選定案

田ノ浦瀬戸の候補海域 奈留瀬戸の候補海域（最終候補）

実証実験サイトの２次選定案

発電機設置候補地

海底ケーブル布設想定ルート（奈留瀬戸）

潮流発電システムの概要

一括設置法 分割設置・撤収法

大型起重機船曳船揚錨船警戒船ROV船

中型起重機船曳船DP船ROV船

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rE

rDCFMILCOE

ただし

It: t年の投資コストMt: t年のメンテナンスコストFt : t年の燃料費Ct : t年の炭素コストDt: t年の廃棄コストEt : t年の総発電量(1+r)-t : t年の現価係数

コスト評価：均等化発電原価LCOE (Levelized Cost Of Energy)

経済性評価手法― SI OCEANのコスト試算―

39出所：SI Ocean”Cost of Energy and Cost Reduction Opportunities(2013)”

1EUR=135JPY

発電コスト

[円/k

Wh

]

導入量[GW]

10MW発電時のコスト低減アプローチ(送電端コスト）

発電端コスト 85.8円 82.7円 77.6円 45.1円 35.8円

41（左）発電コスト（送電端）内訳、（右）発電コスト比率

10MW発電ファームのコスト内訳（2MW x ５基、33mタービン、5年メンテナンス）

42

発電コストの比較 （10MW潮流発電の場合）

環境省「平成28年度潮流発電技術実用化推進事業」

代表事業者 実証場所 期間

九電未来エナジー（株） 長崎県五島市沖 平成28～

公募要領(抜粋) 平成28年6月(1)事業対象② 事業開始時点において、海域が決定しており、漁業者の合意が得られていること。③ 当該海域において、潮流等の海象調査を行うこと。④ １基で500kW程度以上の出力を有する潮流発電機を設置し、実証を行うこと。実証海域以外の国内の他の海域において適用可能な設計とすること。実証期間中は、発電効率や機械の挙動等のデータを収集すること。

⑥ 実証期間の前後及び期間中に環境影響評価を行い、その検証を行うこと。⑦ 効率的かつ環境負荷低減に資するメンテナンス手法等を検討すること。

（2）予算額について平成28年度は9億円を上限として採択します。

（3）事業実施期間等について4年間を上限とします。

結果の公表 平成28年7月25日

44

• 九電未来エナジー（代表）

送電線、地上変電所、系統連繋

• 新日鉄住金エンジニアリング

潮流発電装置製作、施工

• 長崎海洋産業クラスター

海域調査、環境アセス、施工・メンテナンス

• オープンハイドロ・テクノロジー・ジャパン

OpenHydro社の日本法人

環境省Min. of Environ

評価委員会

アドバイザー長崎大学九州大学

（予想）

協力・連携

長崎大学 海洋未来イノベーション機構

長崎総科大 海洋エネルギー研究所

長崎県

DCNS/OpenHydroの活動

OpenHydro 2MW

・フランス、ドーバー海峡 2MW x 2 設置済み

・カナダ、ファンデー湾 2MW x 2 設置予定

ローター直径：16m

RPM:10～16

λ = Rω/U

= 2.8 ～ 4.5

(if U=3m/s)

全幅：35m

全高さ：27m

47

Site-2 (d=35m)

Site-1

奈留瀬戸：サイト-2において潮流観測

2016年4月14日～5月28日（44日間）

・平均流：AWAC (1MHz) 4分間平均値10分間隔

・乱流：AD2CP（１MHｚ） 8Hzサンプリング5分間計測、20分間隔

480

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

2016/4/14 12:00 2016/4/19 12:00 2016/4/24 12:00 2016/4/29 12:00 2016/5/4 12:00 2016/5/9 12:00 2016/5/14 12:00 2016/5/19 12:00 2016/5/24 12:00

ABS_U (d=20m)AB…

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2016/4/14 12:00 2016/4/19 12:00 2016/4/24 12:00 2016/4/29 12:00 2016/5/4 12:00 2016/5/9 12:00 2016/5/14 12:00 2016/5/19 12:00 2016/5/24 12:00

U_20m U_20m

-2

-1

0

1

2

3

4

2016/4/14 12:00 2016/4/19 12:00 2016/4/24 12:00 2016/4/29 12:00 2016/5/4 12:00 2016/5/9 12:00 2016/5/14 12:00 2016/5/19 12:00 2016/5/24 12:00

V_20m

V_20…

平均流速 by AWAC

49

-2

-1

0

1

2

3

4

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

V

U

Hodograph 20m

50

Average

0.28

Rated

power

Rated velocity: 3m

PCAuP 3

2

51

大潮（上潮時）

小潮（上潮時）

主流方向

横方向

鉛直方向

52

Bottom

Bottom

Middle

Middle

Surface

Surface

大潮（上潮時）

大潮（下潮時）

潮流乱流の影響

53

UTI ii /

乱流強度（Turbulence Intensity: TI)

i : Standard deviation of iu

: Mean speed of tidal current U

where

Vertical Profile of Turbulence Intensity

h = 24mh = 13m

h = 3m

Flood Tide

Turbulence Intensity vs. streamwise Velocity

Power Spectrum of Velocities at h = 14m

during Spring Flood Tide

f -5/3

Vertical

Transverse

Streamwise

付着生物に関する課題平戸市生月大橋の橋脚を利用した潮流発電実験(H21-24)

生月大橋

平成25年4月18日回収平成24年8月27日設置

8ヶ月後

水平軸プロペラ模型による実験（回転、塗装の有無による比較）

A

Installation Point

Tabira Port

Experimental deviceLxBxD=1.35mx0.6mx0.2mHung 2m above sea bottom

Breakwater

Hung by the chain

h=9.5mWave AbsorbingBlocks

3m

2m

田平港防波堤

付着板試験装置 試験装置吊下げ状況

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

-2 -1 0 1 2

ｖ２

ｖ１

潮流ホドグラフ上潮時の最大流速1.7m/s

下潮時の最大流速1.0m/s

年間の水温変化最高：約26℃最低：約13℃

試験板上段：塗装板下段：無塗装板

設置から丸2年2015年9月16日撮影

試験板無塗装12か月板

左：外海側右：堤防側

シリコン系塗装板：A設置から18か月後2015年4月9日から2016年3月14日まで

大きなアカフジツボが付いて成長している

外海側 岸壁側シリコン系塗装板 2016年7月11日撮影

外海側 岸壁側船底塗料板 2016年9月12日撮影

新技術への期待• 磁力カップリング

• 無線送電 or 新型水中コネクター

・海水シールの問題がない・メンテナンス・コストの低減・増速機能も可能（1:10)

・水中コネクターが不要（無線送電の場合）・新型水中コネクター（現在進行形・・・）・メンテナンス・コストの低減化

内側が２次軸タイプ

非磁性材料板による非接触動力伝達

空気海水

ステンレス、アルミ、アクリルで隔壁

まとめ・今後の課題

五島における環境省事業の支援(MW級装置）海域調査および環境アセスメント（特に、生物関係）

離島を対象とした低コスト・高効率な潮流発電地産地消の電力、低流速域で使えるシステムの開発

発電コスト水中コネクターの開発、設置保守回収の施工法などトータルシステムとしてコスト低減を図る必要がある

技術的な課題低流速域で使用可能な発電システムの開発潮流発電ファームの最適配置、生物汚損の影響評価（メンテナンス周期との関係）