風力タービンは無限に成長できるのでしょうか?

制作：中国科学普及協会

著者: チェン・ミンチェン (ポピュラーサイエンスクリエイター)

プロデューサー: 中国科学博覧会

2024年6月26日、中国が独自に開発した18MWの半直結型洋上風力タービンが広東省汕頭市沿岸風力試験基地で系統接続され、発電に成功し、系統接続型風力タービンの単体最大容量の世界記録を再び更新しました。このユニットの部品レベルの局在化率は100％に達し、年間平均発電量は7,200万kWhに達し、約4万世帯の年間電力消費量を満たすことができます。

2024年6月5日、広東省汕頭市沿岸風力発電試験基地に18MW半直結型高出力洋上風力タービンの設置に成功した。

（写真提供：東方電機株式会社）

それから数日後の6月30日、わが国が独自に開発した18MWの中速一体型洋上風力タービンが、1年以上にわたる徹底的な試験と検証を経て、遼寧省営口市華能仙人島火力発電所に無事設置され、風車直径260メートル、単機出力18MWという「2つの世界初」の記録を打ち立てたこの風力タービンが、まもなく商業利用されることになった。

洋上風力発電技術の研究は、我が国にとって、エネルギー安全保障や強力な海洋国家の構築といった国家戦略上のニーズを達成するための重要な手段です。 10年以上前、中国の洋上風力発電産業は始まったばかりでした。現在まで、中国の風力発電は、風力タービンの大型化に向けた世界的な潮流をリードしており、独立ブランド製品は絶えず革新を続け、風力発電技術と産業発展の「無人地帯」への参入をリードしてきました。

風力タービン：大きくなればなるほど良い方向へ

技術の進歩に伴い、高層ビルや橋、テレビなどの工業製品は徐々に大型化しており、風力タービンも同様です。 1981 年当時、世界最大の風力タービンの出力はわずか 55 キロワット (55kW) でした。 1995 年には、この数字はゆっくりと 500kW まで上昇し、1999 年には 2 メガワット (2MW) に達しました。しかし、それ以降、風力タービンの定格発電容量は 5MW、8MW、10MW、15MW、18MW、20MW、さらには 22MW まで急上昇しました。現在、大規模開発への傾向は衰える気配を見せていない。

大型風力タービンの電力はどのようにして増加し続けるのでしょうか?答えは、葉がどんどん長くなることです。ブレードが大きいほど、回転しながらより広い範囲の風からエネルギーを抽出し、より多くの電力を生成します。発電機が生成する電力の量は、回転時にブレードが横切るディスクの面積に直接関係します。

18MW セミダイレクトドライブ洋上風力タービンが生産ラインから出荷

（写真提供：福州イブニングニュース）

では、なぜ風力タービンはこれほど急速に大型化しているのでしょうか?この問題は、「風力タービン：大きさは？」と題された論文で議論されました。 2019年11月発行のNature誌に掲載されました。英国ダラム大学工学部のサイモン・ホッグ教授は、一言で言えば、核となる理由はただ一つ、それはエネルギーコストを削減することだと説明した。

風力タービンのサイズが大きくなるにつれて、設計、製造、輸送、設置、メンテナンスのコストは増加しますが、発電量も大幅に増加します。現在収集されている大量のユニットデータによると、ユニットサイズが大きいほど、キロワット時あたりのユニット平均コスト（キロワット時あたりの発電収益と総コストの比率）が低くなることが分かっています。この法則のおかげで、風力タービンはますます大型化しています。

限界の境界から飛び出すことができない

ブレードが長ければ発電量も増えますが、考慮しなければならない厳格な物理法則があります。重力などの要因により、地球上のあらゆる物体には最大サイズがあります。例えば、陸上で最大の動物であるゾウ、海で最大の動物であるシロナガスクジラ、あるいは最も高い山、最も高い建物など、世界中のあらゆるものに大きさの限界があります。したがって、風力タービンも例外ではなく、そのブレードのサイズを無制限に大きくすることはできません。

まず第一に、考慮すべき最初の要素は重量です。刃の重さは刃の長さの3乗に比例して増加します。同時に、構造の信頼性と安全性を確保するためには、各コンポーネントをより多くの材料で補強する必要があり、その結果、追加の重量が発生し、大型ユニットの設計に大きな課題が生じます。デンマークのヴェスタス社製の10MWユニットのブレード1枚あたりの重量は35トンで、ナセルは400トン近くに達する。米GE（ゼネラル・エレクトリック）が打ち上げる同機は、55トンのブレード、600トンのナセル、2,550トンのタワーを備える。

第二に、材料の性能の限界も考慮する必要があります。理論的には、風力タービンのブレードを構成する材料が十分な構造支持力を備えている場合にのみ、ブレードの継続的な成長を支えることができます。現在、風力タービンブレードの主梁には炭素繊維材料システムが広く採用されています。これは最も強力な材料システムであると言えるでしょう。今後、ブレードの選択肢としてこれより優れたものはほとんどなくなるでしょう。炭素繊維の限界に基づくと、最大のブレードはまもなく150メートルを超え、最大ブレード長は275メートルになると予測する人もいます。

18MW中速完全統合型洋上風力タービンを設置

（写真提供：CCTVニュース）

もう一度、損失の状況を考えてみましょう。現在の設計では、空気は非圧縮性であると想定されており、ブレード先端の線速度は毎秒 90 メートルに制限される必要があります。したがって、インペラが大きいほど、速度は遅くなります。しかし、それでもブレード先端が高速移動すると、ブレードが雨滴や波に衝突し、深刻な浸食リスクが発生します。 3年以内に洋上風力タービンのブレード先端形状が損傷し、発電効率が大幅に低下します。

最後に、輸送の問題があります。ビッグベンほどの大きさのブレードは、1枚ずつまとめて輸送する必要があり、そのためには巨大な港、巨大な船、クレーンが必要になります。陸上では道路幅や暗渠などの制約により、ブレードの陸上輸送がボトルネックとなっていました。そのため、現在、超大型風力タービンのブレードはすべて海上に設置されています。

大規模開発の方向性

風力タービンの規模が拡大し続けるにつれて、風力タービンが直面するさまざまな問題がますます顕著になってきています。しかし、現在、ほとんどのエンジニアは、単にブレードを長くし、タワーを上げ、コアコンポーネントを強化するという「変化に対する絶え間ないアプローチ」を採用しています。デザインコンセプトに変更はございません。 10 倍の大きさの大型ユニットと小型ユニットの間には、本質的な違いはありません。

風力タービンの中核部品であるブレードは、風力タービンの大規模開発のプロセスにおいて常に避けられない部分でした。主流の風力タービンは 3 枚のブレードを使用していますが、実際には 2 枚のブレードでもほぼ同じ風力エネルギーを吸収し、同様の量の電力を生成することができます。当然のことながら、風力タービンに 2 枚ブレード ソリューションを使用すると、全体の重量が大幅に軽減され、それに応じてブレードの長さを長くすることができます。しかし、2 枚ブレード ソリューションでは重大な不均衡な負荷が発生し、ユニットの長期にわたる安定した動作に支障をきたすため、市場にはほとんど登場しません。

前述のブレードの輸送問題に関して、最も直接的かつ効果的な解決策は、ブレードを 2 つ以上のセクションに分割することです。しかし、セグメント化されたブレードは、単一のブレードと比較して、セグメント化された接続領域の信頼性と安全性を確保するために、より重く、より高い負荷レベルを持つことが多く、大規模なユニットには適しておらず、設計がより困難です。それにもかかわらず、現在多くの風力発電会社がセグメントブレードの研究開発に積極的に投資しており、今後数年間で次々と発売される予定です。

結論

わずか 10 年前、風力発電はまだ新しいものであり、当時の主流の見解では、それが商業的に運用できるとは考えられていませんでした。しかし現在、風力発電は人類が経験したことのないスピードでエネルギー・電力市場を席巻しています。風力タービンのサイズも大きくなっていますが、今後5〜10年以内にその最大サイズが限界に達するか、限界に近づくことが予想され、私たちは歴史を目撃しようとしています。

参考文献

[1] VACLAV SMIL: 風力タービンはどんどん大きくなっていますが、限界があります。最大のブレードはまもなく100メートルを超え、275メートルの話をする人もいますが、物理法則を考慮する必要があります。

[2] サイモン・ホッグ：風力タービンはすでに超高層ビルほどの大きさになっていますが、今後どれだけ大きくなるかには限界があるのでしょうか？

[3] 風力タービンはすでに超高層ビルほどの大きさになっていますが、今後どれだけ大きくなるかには限界があるのでしょうか？