将来コスト

Oct 13, 2023

2023年5月28日午後10時37分、ハリー・バレンタインによって公開

約 10 年前、カナダのモントリオール南西にあるセントローレンス川の急流に水中水力タービンが設置されました。 ケベック州の電力当局は最終的に実証を中止し、この技術はキロワット時当たりの金額で測定した場合、従来の水力発電に比べてコスト競争力がないと宣言した。 水力タービン技術の将来は、他の再生可能技術と比較して、競争力のあるコストでより大きな出力を得ることができるかどうかにかかっています。

導入

機械の修理とメンテナンスに関連して行われたコストの比較では、陸上の場所では 1 ドルが費やされるのに対し、沖合の浮面の場所では 10 ドルから 100 ドルが費やされる一方、深海に沈められた技術には 1,000 ドル以上が費やされる可能性があることが示されました。

水力タービンの歴史は、約 4,000 年前、川を流れる水の運動エネルギーを機械動力に変換する水車から始まりました。 初期の設備は川岸に沿って設置されており、水車の下部が流れる水に部分的に浸かっていて、それによって水車が回転しました。

1980 年代、クリーンな再生可能エネルギーの探求により、水中風車や水力タービンを含むテストが行​​われました。その結果、淡水の密度は空気のほぼ 850 倍、海水の密度は 870 倍でした。 出力は、タービンを通過する流体の質量流量の関数です。 その結果、水力タービンは代替のクリーンな再生可能エネルギー技術として大きな期待を寄せられました。 初期の水力タービン建設業者のほとんどは、モントリオール南東部や海外の他の地域の場合と同様に、川底に置かれた支持フレームにタービンを設置しました。

タービンの設置

水中タービンの設置には、船上クレーンを備えたボートまたは船舶がタービンを設置場所まで運び、その後クレーンが各タービンアセンブリを川床または海底に降ろす必要がありました。 水中タービンのメンテナンスには、ダイバーが水中で作業するか、クレーンを装備した船で水中タービンアセンブリを水面まで回収する必要があり、かなりの費用がかかります。 タービンを海岸線の構造物に固定するか、メンテナンス要員が乗り込むことができる浮体式技術の下に固定することで、メンテナンスコストが削減されます。 カナダとスコットランドの企業は、タービンを搭載した浮体構造物を開発している。

スコットランドの Orbital Marine の浮体構造物にはそれぞれ 1 メガワットのタービンが 2 基搭載されていますが、カナダの Sustainable Marine の浮体構造物には 6 基のタービンが搭載されています。 カナダのビッグムーンの競合する浮体構造物には、最新の水車が搭載されています。 3 つの技術はすべて、沿岸の建設地点から沖合の設置地点まで曳航できるように設計されており、そこでは係留ケーブルが浮遊タービン アセンブリを固定します。

Big Moon は、アクスル シャフトと発電装置をエンクロージャー内の水上に配置します。 Orbital Marine と Sustainable Marine は、メンテナンス要員がタービンや発電設備にアクセスできるように浮体構造物を建設しています。

移動式ドライドック

移動式ドライドックとして知られる半潜水船は、被災した船舶を水面上に上げる前に船体の下に沈めることができます。 この技術は、大規模な浮遊海洋運動エネルギー変換技術を甲板上で逆さまにして、陸上の建設現場や組立現場から適切な沖合の現場まで運ぶのに応用でき、その後、潜水してタービン組立体を甲板から浮かせることができる。 バラストタンク、ポンツーン、クレーンケーブルを組み合わせると、タービンアセンブリを移動式乾ドックの甲板に浮かべる前に回転させるのに役立ちます。

設置場所に到着したら、適切な潮流の中で浮体式タービンアセンブリを固定するためのケーブルが取り付けられます。 移動式ドライドック技術により、競争力のあるコストで高出力を実現する大規模浮体式タービンアセンブリの将来の設計における柔軟性が向上します。 海洋変換電力技術の将来の市場発展は、競争力のあるコストで発電量を増加させるイノベーションにかかっており、定期的なメンテナンスや修理を行うための機械へのアクセスが容易であることが不可欠です。 この技術の市場が拡大すれば、タービンアセンブリを運搬できる専用の半潜水技術の開発コストが正当化されるだろう。

川の水車

従来の河川ベースの水力タービンには、川岸に沿って建てられた構造物が含まれており、車軸は陸地から離れて川の流れに対して垂直に伸びていました。 このような水車は、何世紀にもわたってさまざまな役割を果たしながら地域社会に貢献してきました。 カナダのビッグムーンは、強力な水流の中で動作できる最新の水車を開発しています。 浮体構造物は水車を中流に設置し、沿岸の建物は水車を海岸の隣に設置して、発電設備やタービンへのメンテナンスを容易にすることができます。

流れの速い河川に沿った橋脚の上流側は、垂直軸水力タービンのハウジングを確保するためのコスト競争力のある場所です。 タービン ハウジングの底部が川底に置かれている場合でも、橋脚がハウジング アセンブリの重量に耐えることができる場合があります。 横軸または垂直軸水車の水車周囲 120 度のセクターを川の流れにさらすことにより、軸流タービンに競争力のある変換効率が提供されるはずです。 競争力のあるコストで出力を増加させるために、延長された長さのドライブシャフトに垂直軸水車またはタービンを積み重ねる可能性があります。

より大型でより強力なタービン

過去 20 年間にわたり、さまざまな急流水流に設置された複数の異なる建設業者の水中水力タービンがタービンブレードの破損に見舞われ、特にカナダのファンディ湾周辺の水路では破損が多発しました。 あるタービンメーカーは、タービンブレードを中心軸から外側に延ばす代わりに、大径の管状パイプハウジングに取り付けられた回転リングから内側にタービンブレードを延ばしています。 この設計の先例は、中央の車軸と大径の管状ハウジングを組み合わせてタービンブレードの総半径を潜在的に 2 倍にし、掃引面積と出力を 4 倍に高める基礎を提供します。

水力タービン出力変換の将来は、競争力のあるコストで出力を増加できるかどうかにかかっています。 厳しい流れの中で持続的に作動できる大口径タービンブレードの開発が不可欠となる。 以前の水車タイプの水力タービンは、強力な水流の中で動作すると破損事故が発生しやすかった。 カナダのビッグムーン社が、ファンディ湾の厳しい流れでの持続的な運転に耐えられる最新の水車を開発できれば、その技術の拡大バージョンは、将来、河川ベースの設備や洋上浮体式発電運転に応用できる可能性があります。

最も強力なフローティング ツイン タービンは 2 メガワットの電力を供給しますが、将来のフリーフロー タービンはさらに大きな出力を供給する可能性があります。 水力学エネルギー変換に関して多くの研究が行われており、その中には周囲の水流に対して垂直に、そして周囲の水流よりも高速で移動する水中急降下凧などの概念が含まれています。

フローティング垂直軸オプション

双二重二重反転垂直軸タービンを搭載した浮体構造のオプションは、コスト競争力と効率性の高い発電技術の可能性を提供します。 上流のデフレクターは、水流に逆らって上流に移動するタービンの領域を保護しながら、水流に乗って下流に移動する各タービンの 120 度のセクターを露出させることができるため、寄生抵抗が低減され、効率が向上します。 垂直軸動作により、各タービンの重量を支える発電機とメイン上部ベアリングを浮体構造内の水上に配置し、メンテナンス作業員が簡単にアクセスできるようになります。

円形レールとテーパ付きホイールをベースにした上部ベアリングは、タービンまたは水車の各スタックの重量を支えることができます。 設計では、ローラー ホイールを定期的に交換できるように、油圧ジャッキで各タービンをわずかに持ち上げることができるようにする必要があります。 セラミック製のガイドとローラーを備えた特大の下部ベアリングは側面荷重に耐え、ダイバーや将来の遠隔制御技術によって定期的に交換されます。 軸流タービンを使用する競合する浮体式システムでは、ベアリングや発電機のメンテナンスを可能にするために、90 度傾けるか、180 度横転させる必要がある場合があります。

結論

最新のフリーフロー水力タービンはカーボンフリーの電力を生成する大きな可能性を示していますが、そのような技術を使用して近隣の市場向けに電力を生成している場所は世界的にほとんどありません。 古典的な水車に代わる最新バージョンの技術の開発は、数十年にわたって続けられています。 カナダのファンディ湾の周囲を流れる激しい水流により、実際にいくつかの最新の水力タービンが破壊されました。 この技術は、過酷な気象条件での耐久性、高出力、メンテナンスの容易さ、および延長された耐用年数にわたる他の再生可能技術に対するコスト競争力の組み合わせを実現する必要があります。

ファンディ湾周辺の厳しい現状では、水力タービン技術をさらに開発するには高度な技術革新が必要です。 このようなイノベーションにより、カナダ国内のサービスおよび国際サービスにおける流体力学技術の市場応用が拡大する可能性があります。

ここで表明された意見は著者のものであり、必ずしも The Maritime Executive の意見ではありません。