製品進化とマネジメント風景第6話風力発電の進化とマネジメント

2019.10.15 コラム

先日、友人と一杯やりながら話をしていた時の話です。「最近、化石燃料を使う火力発電が、その環境への影響によって、しばしば新聞でもやり玉にあげられるようになったね。やはり再生可能エネルギーの方向に行かないとダメだろうね。再生可能エネルギーと言えば、日本は、水力発電が得意だけど、風力発電は余り得意でないみたいだね。どうしてかね？　日本は水が豊富で水車文化はあるけど、風車文化は無いということ？」などと、他愛のない雑談をしていました。

そこで、ふと、２年前に欧州で開催された電力と航空推進に関する学会に出席し、発表した時のことを思い出しました。そこでは、化石燃料を使う火力発電が、かなり厳しいやり玉にあげられていたのです。電力会社に投資する立場として保険会社の発表があったのですが、「今後、化石燃料ベースの火力発電には投資しない」と言う話をしていました。その時は、少しヒステリックな印象を受けていましたが、2年後、日本の新聞紙上でも同様の話がされるようになりました。

日本における一般的な感覚と欧州人の感覚には少しギャップがあると感じたので、現実の発電量に関するデータを調べてみました。すると、確かに世界と日本で進んでいる方向性が違うことを認識し、考えを改めなくてはと思うようになりました。

欧州では、風力発電が、太陽電池より投資効果が良いということで存在感があります。実際、2015年の世界の発電量データを見ると、風力は太陽の3倍以上です。日本では太陽光発電量の方が大きいので逆です。

デンマークは、突出した存在ですが、全発電供給量の約半分を風力発電により供給しています。ドイツ、英国では10％強、米国とフランスでも5％程度が風力発電で供給されているのに対して、日本は0.5%とか1%のレベルです。これは異常に少ない印象を受けます。風力発電は不安定という声があります。確かに、大規模な風力発電システムを、既存の電力系統に接続する際には注意すべき問題が色々とあります。しかし、パワー半導体技術が向上し、蓄電池のコストが下がり始めている現在、ハードルはかなり下がっているように見えます。

日本では、太陽光発電の方が3-4%と存在感があります。風力と太陽の両方を合わせれば4%台になるので、何とか、米国、フランスレベルになります。現在の技術レベルで考えると、風力発電量が少すぎると感じますが、将来を考えると、太陽光発電とどちらが勝つか分かりません。太陽光発電分野では、日本発の技術で低コストなペロブスカイト系が急速に発展しつつあります。シリコン系との組み合わせにより、ブレークスルーが起こる可能性もあります。今後の技術向上によって、投資効果で風力発電を抜くかもしれません。

ただ、当分の間は、投資効果的に風力発電に利があります。火力発電に対するプレッシャーも強まっており、スロースターターだった日本も、そろそろ風力発電を本格的に増やして行かざるを得ないのではないでしょうか。そう感じたので、風力発電について少し詳しく調査して整理することにしました。

風車の起源ははっきりしませんが、少なくとも1000年以上前から使われていたようです。アジアで垂直軸風車が発明され、灌漑用の揚水のために使われ始めたと言われています。それがヨーロッパに渡り、改良を経て、オランダ風車に見られる水平軸風車に進化していきました。つまり、水が不足気味で灌漑が必要な地域において、揚水ニーズがあり、そのニーズを満たすために風車が発明され、普及したという仮説がありそうです。この仮説は、日本は水が豊富だから風車が発達しなかったのだという言い訳には使えそうです。横道にそれたので戻します。

風力発電というコンセプトが出てきたのは19世紀末頃からです。この頃には電気が使われ始めており、都市では電化生活を楽しむ人も増えましたが、電気が回って来ない場所も多く、風車で発電した電気をバッテリーに貯めて照明に使用するようになりました。当時のバッテリーは鉛蓄電池ですが、コストが高かったので、水を電気分解して水素を貯め、それを燃やしてセラミックを加熱し、その発する光を照明に用いることも実施されていました。

その後、20世紀になり、石油と内燃機関の利用が普及すると、発電もそちらに主流が移り風力発電はマイナーな存在に戻ってしまいました。当時の技術では、石油と内燃機関の組合せには敵わなかったのです。しかし、第1次世界大戦、第2次世界大戦が起こって、石油の供給が滞ると、その度に電力供給不足を救う救世主として見直されました。戦争が終わって石油供給が元に戻ると忘れられるということを繰り返しながらも、デンマークを中心に地道に技術が蓄積されていきました。

そして1950年代には、10KW級の出力は出せるレベルに成熟しました。更なる大出力化を目指し、商用電力系統に接続する100KW級超を目指した大型風力発電プロジェクトがいくつも実施されましたが、デンマーク等の一部を除き、皆、失敗しました。風車および風力発電は、見かけよりも、ずっと複雑で高度な技術課題を持つ製品システムだったのです。デンマークでは、水平軸3枚ブレードを持つ200KW級ゲサー風力発電機の開発に成功しましたが、それでも、国内の議論では、内燃機関と石油の組合せと比べて将来性が無いと判断されてしまいました。

しかし、1973年に起こった第一次石油危機で状況が変わりました。例によって、再び風力発電に注目が当たるようになったのです。ただし、今回は、風力発電が進んでいたデンマークだけでなく、米国やドイツなどの世界的に発言権の強い国々でも、政府主導の大型プロジェクトが進められました。これは、風力発電における変化の兆しでした。

米国では、NASAの航空宇宙の技術が風車設計に適用されました。航空機の翼設計技術は、風車の発電効率を数倍アップするのに貢献しました。また、プロペラの可変ピッチ機構も、ブレーキ役を果すとともに、過大な風速で風車が壊れるのを防ぐ部分で大いに貢献しました。航空機からの技術波及効果は大きいという話は良く聞きますが、風力発電でもその具体例があるわけです。しかし、米国やドイツの大型プロジェクトは、必ずしも良い成果を得ることが出来ませんでした。技術マネジメントにおいて、風力発電の技術リスクを甘く見ていたのです。

これに対し、デンマークでは中小企業が中心となって、地道に実証試験を繰り返しながら、ゆっくりと大出力化を進めて成功を収めました。前述しましたが、風力発電システムは見かけ以上に技術開発的に難しい問題があり、当時の理論・シミュレーションでは敵う相手ではなかったのです。技術的に難しい問題を克服して前に進むには、技術実証を通して現実をフィードバックしながら、ゆっくりと進化する以外に道がなかったのだと思います。

今日の風車のスタンダードは、3枚ブレード水平軸のアップウィンド型、可変ピッチ機構付きが主流だと私は認識しています。異なる意見もあるでしょう。その他のタイプもまだ存在しており、完全に雌雄が決したわけではありませんので。ただ、私がそう書いたのは、風力発電システムは、理論で表現出来ない難しい技術課題を抱えており、そういう中において、このデンマーク型タイプは、最も数多くの試練を超えて生き残り、大出力化まで到達できた型（アーキテクチャー）だからです。

今や、風力発電はMW級発電の時代となりました。陸上では、風車の発する騒音問題により、最大は2MW程度に抑制されています。しかし、洋上ではその制限が外れます。既に相当の洋上発電が建設されました。風車の最大記録はどんどん更新されるので、正確ではないかもしれませんが、耐久性まで含めて考えると、5MW級くらいまでの風力発電機は実証されたと言って良いのではないかと思います。一方、2019年になって、デンマークと日本企業が連携して9MW級の風力発電機の運転に成功したと言う報が出ていましたので、最大出力については今後も更新されていくでしょう。

洋上風力発電機において課題となるのは、まず、保守を含めたライフサイクルコストです。陸上に比べて建設コストが上がります。陸上よりも風が強く、風力発電量は風速の3乗で増加するので発電量を増加しやすいものの、やはり大型化、大出力化してスケールメリットを出さないとコストをカバーできません。

風車の出力は風車面積、即ち半径2乗に比例しますが、部品は3次元であり3乗に比例します。回転体を含むエネルギー発生装置は大抵そうですが、大型化すると、部品が重くなって出力密度が低下します。だから、部品の軽量化技術開発をします。

大型化で技術課題になるだろうと予想されるのが、増速機と風車ブレードです。増速機のスタンダードは歯車式の増速機ですが、大型化すると非常に重くなります。軽量化しようとする、耐久性上の問題が出てくるでしょう。他には、増速機を無くしたダイレクトドライブ多極機発電機を使う、油圧システムによって増速する等の代替技術が議論されています。風車ブレードは、1970年代に適用が開始されたガラス繊維強化複合材が今でも使われています。炭素繊維強化複合材の技術は向上しましたが、値段が高いのです。とは言え、知り合いの複合材料専門家の人の話では、風車ブレードも長さが100mを超え、さすがにガラス繊維だけでは強度不足になってきたので、炭素繊維も使われ始めたそうです。炭素繊維を使うということはコストアップを意味しますから、大型化・大出力化による価値向上がコストアップを上回る、あるいは、繊維のコストアップを成形法のコストダウンでキャンセルアウトするなどが、適用の必要条件となります。

再生エネルギー利用の方向性には後戻りはないと思います。送電網の容量不足に対する解決策の道筋が見えれば、日本でも、今後、洋上風力発電のラッシュが来る可能性があります。一部の建設会社は既に準備をしているようです。

ただ、日本には、台風と雷という風車の強敵が居ます。実際、昨年の台風20号によって風車が倒れる事故がありました。今、大型の台風19号が近づいていますが、風力発電システムにとっては大きな試練です。日本で風力発電がメジャーになるには、コストを抑えつつ、これらの強敵に負けない技術の確立が求められます。逆に言えば、日本は風力発電に対して厳しい環境であるがゆえに、ここで実証された製品は世界の大抵の場所で通用するものになるとも言え、後発でも逆転のチャンスがあるように思います。

なお、太陽光発電という永遠のライバルとのコスト競争は、今後も、ずっと続いていくことでしょうから、相対的な競争力の比較評価は欠かせません。

風力発電システムの事業に係っている貴社は、どの部分を担当しようとしていますか？　風力発電機は技術的にかなりタフな製品です。製品単体のリスク、発電サービス単体のリスクに加えて、両者の間にある相互作用リスクもあります。他社との差別化のために、製品とアフターサービスのシナジーを創る必要もあるでしょう。これらの課題に対して、貴社はどのようなアプローチを採り、どのように技術、生産、サービスの成熟度向上をマネジメントしていきますか？

参考文献

風力発電の歴史　牛山泉　2013年
世界の再生可能エネルギーと電力システム（風力発電編）　2017年
太陽光・風力発電と系統連携技術　甲斐隆章ほか　2015年