成果報告書詳細
管理番号20160000000495
タイトル平成26年度-平成27年度成果報告書 エネルギー・環境新技術先導プログラム 再生可能エネルギー大量導入時代の系統安定化対応先進ガスタービン発電設備の研究開発  
公開日2016/6/22
報告書年度2014 - 2015
委託先名一般財団法人電力中央研究所 国立研究開発法人産業技術総合研究所 三菱重工業株式会社 三菱日立パワーシステムズ株式会社 株式会社IHI 川崎重工業株式会社 株式会社東芝
プロジェクト番号P14004
部署名イノベーション推進部
和文要約 CO2削減のためには、太陽光発電等の再生可能エネルギーの大量導入が有効であるが、再生可能エネルギーによる電力供給は自然変化の影響を受け不安定である。運用に際しては、電力消費・供給のバランスを取ること、および供給変動吸収を図り安定化を確保することが不可欠である。2015年7月、国は長期エネルギー需給見通しを発表し、2030年の電源構成における太陽光発電の割合が発電電力量で7%(749億kWh)と示された。太陽光発電の利用率は13%程度であり、これを実現するためには、ガス火力とほぼ等しい膨大な設備容量(6,400万kW程度)が必要になる。
 太陽光発電の出力は天候によって大きな影響を受け、曇りと晴れが繰り返されるような天候時は、日中に急激かつ大きな出力変動が生じる。また、太陽光発電は日中しか稼働しないので、夕方から夜にかけて急激に発電量が減少する。それを補完するため、太陽光発電導入設備容量の大容量かつ急速起動・高速負荷応答の性能を有する電力供給手段が必要になる。このような状況下で電力安定供給を可能とするため、負荷変動を吸収する様々なエネルギー貯蔵技術の研究開発が行われており、それらはそれぞれの特性に応じて適切に使い分けなければならない。蓄電池は、大容量化を図るにはコスト高で、連続した大出力は期待できないため、その適用は周波数変動などの秒・分オーダーの事象への対応に限られる。現在、実対応している揚水発電は、起動性と負荷追従性に優れるが、汲み上げた水がある時だけ発電できる一次的な発電量限定の手段にすぎない。そのため、時間オーダーにおける大きな負荷変動を補完するためには、火力機がその役割を担わざるを得ない。中でも、他の火力機と比較して起動性や負荷追従性に優れるガスタービン(以下GT)の活用は有望である。負荷変化速度に優れる、航空機用のジェットエンジンを発電用に改良した航空転用GTが市場投入されているが、出力が小さいため多数設置する必要があるほか、系統安定化用途では天然ガス焚き乾式低NOx燃焼器の適用実績が少なく開発が必要など、課題も多い。よって、揚水発電並みの容量を持つGT複合発電設備が、唯一そのポテンシャルを持つと考えられる。
 本研究では、再生可能エネルギーの大量導入時代を見据えた系統安定に貢献する技術開発として、起動性や負荷追従性を重視し、過渡応答性に優れ、繰返し負荷に耐えるGTの実現に向けた開発課題を明確にすることを目的に、いち早く着手すべき課題として以下の5項目を取り上げて調査・検討を行い(カッコ内は実施担当機関)、その研究成果から2030年において開発すべき性能目標をとりまとめた。
【本研究における検討事項】
・急速負荷変動のGTプラントへの影響検討・評価(電中研、産総研、東大、京大)
・負荷変動を吸収するもしくは負荷変動に対するマージンを拡大する技術(三菱重工、MHPS、東大)
・負荷変動に急速に追従する技術、急速起動を可能にする技術(IHI)
・負荷変動を予測して発電量を変化させる技術(川崎重工)
・過渡応答、繰り返し負荷による材料劣化への対応技術(東芝、長岡技科大、首都大学東京、物材機構)
 なお、本研究の推進にあたっては、上記実施機関に電気事業者6機関を加えて構成した研究開発推進委員会を設け、GTユーザの意見も反映させている。
 さらに、技術の開発・普及を図るため並行して進めるべき事項として、開発したGTを活用した事業が成立できるような制度(例えば容量市場等)の整備、系統連系実証を可能とする運転検証特区の設立、国内に限らずアジア地域やアフリカ地域を主市場と捉えた市場開拓など、直接のGT技術開発ではない様々な検討の必要性についても整理した。
英文要約Title: Advanced Research Program for Energy and Environmental Technologies/ Research and Development of Advanced Gas Turbines for the Firming Grid in the Renewable Energy Age
In order to reduce CO2 emissions, one effective idea is to increase the usage of renewable energy. In July 2015, METI explained their long-term energy supply and demand outlook and this showed that in 2030 solar power makes up 7% (74.9 billion kWh) of all generated energy. In order to achieve this, a substantial amount of solar power generation capacity -- roughly equal to gas-fired plants (about 64 million kW) -- is required because the utilization rate for solar power is about 13%.
Solar power generation output is greatly influenced by the weather. Abrupt and large fluctuations occur depending on whether it is cloudy or sunny over a given period of time. In addition, because solar power is only possible during the day, the amount of power generated will reduce rapidly during the evening. Given this, in order to ensure a stable power supply, research and development on energy storage technologies designed to absorb load variations is being conducted. Storage batteries increase capacity, but have a high cost and cannot be expected to output large amounts of energy continuously. Its application is limited to a response to events that are on the order of seconds or minutes such as frequency variation. Pumped-storage power generation, on the other hand, currently shows good results for load follow-up and start-up performance. However, it can only be used for power generation when there is a water source available. Therefore, in order to combat large load variations on the order of hours, thermal power generation is forced to play a role. Among them, the use of gas turbines (hereinafter GT) is promising. An aero-derivative GT which is modified for power generation based on aircraft engines has an excellent load change rate; however many units are required to respond large power output fluctuations because it has smaller power output capacity compared with combined cycle power plants. Thus, a GT combined cycle plant with a capacity comparable to pumped-storage power generation is the only option considered to have potential.
The purpose of this research is to clarify the development challenges in designing GT with a focus on rapid start-up and load following capability as well as excellent transient response. The following items were studied and target values for GT performance in 2030 elucidated in these research results.
[Considered in this study]
* Analysis of the effect of rapid load change on gas turbines (CRIEPI, AIST, the University of Tokyo, Kyoto University)
* Technology for rapid response and margin increase related to load changes (Mitsubishi Heavy Industries, MHPS, The University of Tokyo)
* Technology for rapid load following and rapid start-up (IHI)
* Prediction of load fluctuations and development of technology to appropriately change the power output (KHI)
* Technology to suppress material degradation resulting from thermal transient response and cyclic stresses (Toshiba, Nagaoka University of Technology, Tokyo Metropolitan University, NIMS)
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