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『次代を担うエネルギー・資源』火力発電の可能性９　～地域分散型エネルギーシステムの実現に向けて～スターリングエンジンの最近の動向～』

こんにちは。
前回は、地域分散型エネルギーシステムの実現のための、地域に適した多種多様な熱源に対応できる発電方式として、外燃機関の中で最も可能性があるのは「スターリングエンジン」であるということが分かりました。
今回は、スターリングエンジンの最近の動向、導入事例を見ていきます。
実用的なスターリングエンジンは、これまで潜水艦のエンジンや、ヨットのバッテリ充電用など、ごくわずかで、特殊な用途にしか用いられてきませんでした。しかし、

・内燃機関のように爆発的な燃焼が起こらないため静か。
・連続燃焼ができるため、不完全燃焼を起こさず、排気がきれい。
・枯渇が予想される化石燃料を使わずに済む。

などの利点がオイルショック以降見直され、環境先進国で研究開発が盛んに行われるようになりました。
現在は、太陽熱発電、発電しながら温水を供給する家庭用コージェネ、バイオマス燃焼発電などの分野で、フィールド試験のみならず、試験販売さらには商品化が行われ、量産化も開始されようとしています。

上の表は、これからご紹介するスターリングエンジンの特長をまとめたものです。
表の番号順に見ていきたいと思います。
※「約35kW」、「35kW程度」などのものも「35kW」と表示してあります。
応援よろしくお願いします。

　

◆太陽熱発電
①アメリカの試験発電プラント（出力25kW×6基）
リンクより
これは、直径12mのパラボラ状の反射鏡（集光器）を用いて、アームの先端に取り付けたスターリングエンジンの受熱部に太陽光を集光し、加熱することで発電するものです。アメリカ、ドイツにおいて開発されています。太陽電池に比べて設置面積当たりの発電効率が約2倍であり、価格も太陽電池並み（70万円／kw）に抑えるとされています。

このイメージのように、カリフォルニアのMojava砂漠に4年間で20,000基（500MWe）～43,000基（850MWe）設置するという、大規模な発電プロジェクトがアメリカで開始されようとしていましたが、残念ながら資金不足で頓挫してしまったそうです。

理由は色々あるようですが、やはり資金を集められなかった模様。集められなかったのは、太陽熱発電の他方式（タワー方式とかトラフ（雨樋）方式）に比べやはりイニシャルコストも運転コストも高くつくことや、方式が新しいため出資者が保険への加入を求めたがこの保険がかなり高額になったこととかで、結局ペイしそうもなくなったらしい。
Southern California Edisonと言うUtility(電力会社)とのPPA(Power Purchase Agreement)も取れており、他の許可も全部取れていたようで、残念です。
この663メガワットの発電プロジェクトは、K Road Power社と言う小さなデベロッパーが買取り、太陽光パネルを敷き詰める方式に変更になった模様です。

リンクより
土地が少ない日本において、これほど大規模なものは実現不可能ですが、前々回の記事で試算した、地域人口30万人の小規模地域発電所の必要発電量1,000kWを得るためには、1,000／25=40基必要になります。
これが450ヶ所なので、地域合計では40×450=18,000基必要になります
『次代を担うエネルギー・資源』火力発電の可能性７～「これからは、エネルギーの消費者が供給者になること」～

ざっくりと試算すると、仮に現状の世帯電力使用量（年間5,862ｋｗｈ）で考えれば、1,000ｋｗクラスの発電力を持つ小規模地域発電所が地域当たりで、450ヶ所必要となります。

一台あたりに必要な設置面積は、写真から最低でも15m×15m=225㎡程度。
40基だと225×40=9,000㎡。
太陽電池だと0.15kW/㎡程度なので、9,000㎡敷き詰めたとして1350kW。
ざっくりとした計算ですが、太陽電池のメンテ用通路スペースなどを考慮すると、必要設置面積あたりの出力は太陽電池と同じぐらいになりそうです。）
あくまで補助的な発電システムとして、下のような小型のものを、建物の屋上などに設置すれば、日本でも有効に利用できそうです。

米国INFINIAにより開発された3kWe級発電システムを示す。その高さは6.4m，集光部の直径は4.6mであり，エンジンには新たに開発した3kWe級フリーピストンエンジン発電機を用いている。INFINIAは本システムを2008年末より1,000基製造する準備を進めている。

◆バイオマス燃焼発電
木質ペレットやおが屑などの木質バイオマスを燃料としたスターリングエンジン発電機の用途開発が欧米や日本で盛んに行われています。
②家庭用コージェネ（出力1kW,3kW+熱供給）

これは、株式会社スターリングエンジンが開発中の間伐材を利用したスターリングエンジン発電機です。

■間伐材で家庭発電所を　!!　（2009.7.25）
全ての家庭を発電所とします。
１．全国に４４億㎡(2007年現在)存在する森林を、毎年適正に間伐することによって得られる約１億㎡の木の幹、枝をチップ、ペレットとし燃料とします。（建材などに利用される分は別除）
２．当社が開発したスターリングエンジンシステムで、バイオマス発電、給湯を行います。（CO2ゼロ）
　3kwは小型業務用、集会所用、温室用など、
　1kwは家庭用
　　地域の周辺の森林からの間伐材を使用するので、家庭での電気代、プロパン、灯油代は大幅に圧縮。現在の電気代、プロパン、灯油代は地方の4人家族で年間　22－25万円の支出となります。この方式により、年間　15－20万円程度で納まり、家計上、毎年5－7万円の節約ができます。
３．山林で間伐された木材等は里に引きおろし、小型動力の破砕機で破砕、乾燥してチップ、ペレットとしてバキュームカーでの輸送、配達も可能。現在林地残材として放置されている毎年2000万㎡の間伐材もその対象になります。
４．間伐、輸送、破砕による燃料加工、チップ、ペレットの輸送販売は全て、地元の人間、企業が行うことにより、地域産業の振興に貢献します。
５．適正な間伐と森林の整備により、山口県、広島県などで起きている土石流などの自然災害がかなり防止できると共に、豊かな水により、下流域河川、近海での漁業、農業が回復する。同時に国民の健康維持にも大きく貢献します。
６．日本全体の森林の価値は70兆円と日本学術会議から平成13年に政府に答申されています。
　この貴重な遺産を保全し、治山治水の果実を確保し、子孫に継承するためには、毎年、その価値７０兆円の３－５％程度の予算を計上すべきです。　　
７．森林資源の豊富な、アルプスもある山岳国家オーストリアは、原子力に頼らないエネルギー政策を国民投票で決議し、石油依存からの脱却を志向し、再生エネルギーの利用を強化してきました。森林賦存量　10億㎡を毎年２％間伐し、2000万㎡を主として家庭の電気、給湯、暖房に使用して、家計の負担を大幅に減らしてきています。政府はそれを実行するための、作業道路網の整備、必要な機材への補助を行い、成功を収めています。
当社は従来型の、大規模、集中型のエネルギー拠点は、バイオマスに不向きであると確信しています。(一部例外もあります）
小型、独立、分散型の地域密着型のエネルギー拠点が、バイオマスエネルギーを普及する核となる方式であり、その究極の姿が”家庭発電所”です。
自治体、森林組合、ＮＰＯ、山林オーナー、市民の方々で、ご関心をもたれる方には、その地域に合った具体的な提案をさせていただきます。またスターリングエンジンの機能について実機を視察されたい方は歓迎いたします。

株式会社スターリングエンジン
持続可能な範囲内で自然を利用することが、森林の整備、自然災害の防止にもつながり、地域産業の復興にも役立つ。理想的で実現可能性も感じます。
しかし、まだ以下のような課題があり、普及が進んでいないのが現状です。さらなるブレイクスルーが待たれます。

・スターリングエンジン自体のコストがまだ高い
・木質ペレットの製造コストが高く、ペイするには補助金が必要
・木質ペレットなど固形バイオマス燃料使用の場合には、発電効率が下がる。
・シーリング問題(エンジン内部に密閉したヘリウムガスが、漏れてくる。)がまだ、完全に解決していない。
・高熱にさらされるため、熱交換器の磨耗が激しい。
・煙道ガスに含まれる灰のために、高温腐食がある。

③コージェネ（出力3kW+熱供給）～寒冷地利用～

ピストン型の外燃機関を国産化、木質バイオマスでコージェネ
明星大学理工学部の濱口和洋教授と産業技術総合研究所発のベンチャー、E＆E SYSTEM（群馬県太田市）は、木質バイオマスの燃焼熱を利用してエンジンを駆動させるスターリングエンジンを開発した。
木質ペレットを燃焼することで生じる約1000℃の燃焼ガスで気筒を暖める。冷却には水を使う。この温度差で２つのピストンを上下させ、クランクを動かす。クランクがフライホイールを回転させ、エンジンに接続した発電機を回す。さらに、排熱を利用してコージェネレーション（熱電併給）システムにした。
　スターリングエンジンが開発されたのは1816年と歴史は古いが、ガソリンエンジンや蒸気タービンに押されて普及しなかった。だが５～６年前から、欧州で環境性能が見直され、家庭用コージェネとして導入準備が進められている。米国では太陽熱発電所で採用されている。だが、国産のスターリングエンジンはほとんどない。
　開発した新製品の出力は３kWで、価格は300万円程度の見通しだ。寒冷地域など熱の利用量の多い地域向けのコージェネシステムとして、来年８月からサンプル出荷を開始。2010年中に販売を始め、2015年に年間10億円の売り上げを目指す。
　スターリングエンジンは作動媒体のガスを密閉するために、ステンレス製の高圧容器が必要だが、「量産すれば既存のガスエンジンコージェネと同程度まで安くできる」（濱口教授）。
　発電効率は30％。「さらなる効率アップも可能だがコストが高くなる。商品化を考えると30％程度が適当だ」（E＆E SYSTEM）。熱回収後の総合エネルギー効率は80％まで高まる。

リンク
スターリングエンジンは冷却水への放熱量（ロス）の割合が大きく、このロスを少なくするために、暖房比率の高い寒冷地向けとされているそうです。
④コージェネ（出力35kW+熱供給）～温泉利用～
35kWの電力を得るとともに廃熱の合計215kWthを熱回収します。電力と熱回収を合わせた総合効率は86％程になります。
東京・あきる野市の温泉施設「瀬音の湯」において地域から出る製材所の残材を用いたボイラと組み合わせて施設への熱源および電力を供給するために利用されています。
コージェネレーションについて詳しく知りたい方には、以下のサイトがおすすめです。
燃料電池、ガスエンジンとの比較もされていて分かりやすくまとめられています。
・「スターリングエンジンを用いたコージェネレーション」

◆工場排熱利用
⑤低温度の排熱利用（出力5～10kW）
　
工場排熱を利用したスターリングエンジンを前に、仕組みを説明する赤沢社長（奈良県大和郡山市で）＝奥村宗洋撮影
（財）省エネルギーセンターが２０００年度に行った「工場群の排熱実態調査」によると、排熱ガスの温度は４００度未満が９５％を占めています（５００度以上は３％しかなく、鉄鋼、化学、石油関連の工場などに限られています。）。排熱で蒸気を作り、タービンを回して発電する方法もありますが、６００度以下では効率が悪く、代替の方法による発電が期待されていました。
低温度を利用した発電は、スターリングエンジンでも効率が悪く、実用化されていませんでしたが、日本でスターリングエンジンの積極的な開発を行っている（株）eスターが、新たな技術でこの壁を破り、実用化に目処が立ったようです。

潤滑油を使わない空調システムの開発に携わってきた（株）eスターの赤沢さんは、その技術を応用すれば何とかなると考えていたが、簡単ではなかった。試行錯誤の末、ピストン運動を滑らかに回転運動に変える「スコッチ・ヨーク機構」という技術を採用し、オイルを使わないエンジンを生み出した。
2009年６月から出力５００ワットのエンジンで実験し、低温での発電の実用化にめどが立った。2009年１２月からは、２４時間運転すれば一般家庭十数軒～二十数軒の電力を賄える５～１０キロ・ワットのエンジンで試運転を続ける。製造業者からの注目度も高く、実験中にもかかわらず、すでに５社から導入の打診があった。赤沢さんは「すべての工場で、スターリングエンジンによる排熱発電が常識という日が来てほしい」と夢を描く。

2010年5月6日 読売新聞

◆温泉熱、地熱等の利用
⑥低温度差スターリングエンジン（出力0.7kW）
温泉熱、地熱等の自然エネルギーを利用するエンジンは、完全に無公害なエンジンになりうる。このような観点から、埼玉大学とサクション瓦斯機関製作所で、100℃程度の温度差で作動する出力0.7kWの低温度差スターリングエンジンの研究開発が行われました。

◆都市ガスの利用
⑦家庭用コージェネ（出力1kW）

イギリスをはじめとするヨーロッパでは都市ガスを燃料とした一般家庭向けCHPユニットへの期待が高まり，すでに試験販売されたユニット，さらに2008年～2009年にかけて商品化予定のユニットもあります。

イギリスのエネルギー供給会社であるPowergenは、イギリスEastManchesterの一般家庭にすでに450台導入し実績を重ねている。なお、PowergenはWhisperTechと今後8万台のユニットを購入する契約を結んでいる。低い発電端効率はエンジンの長寿命化とコスト低減を目的に作動ガスに2MPaの窒素を使用していることにある。このユニットの直流発電タイプは，すでにヨットのバッテリ充電用として販売されている。

熱源が化石燃料の天然ガスとなっていますが、日本近海には多くのメタンハイドレート（天然ガスが固体結晶化したもの）が埋蔵されている可能性が高いため、これを採掘・利用することができれば、これからの都市部の家庭用発電ユニットとしての活躍が期待されます。

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・太陽熱利用システムは、建物の屋根の上などを利用して、補助的な発電装置として利用。
・木質バイオマスは、地方での間伐材の利用により、１軒～数軒を単位とした本格的な発電装置として利用。コージェネにより排熱も利用して熱・温水を作ることも可能。熱は電気のように長距離を移動させることができないため、地域分散型のコージェネならではの利点となる。
・全国の工場排熱を利用して、工場や周辺の家庭の発電システムとして利用。
・天然ガスにより都市部での発電、熱供給。
このように、地域特性にあった自然エネルギーと、現在無駄になっている排熱を利用することで、必要なエネルギーの多くをカバーできる可能性があることが分かりました。
誕生して200年。その間、断続的であっても、数多くの技術者によって研究開発が続けられ、ようやく活躍するべき時がやってきました。
その作動原理は、原発のような人間の手に負えないようなものではなく、空気の温度差による圧縮・膨張を利用するという、小学生にでも理解できる単純なものです。
技術的な問題はほぼ解決しており、主に普及を阻んでいるものはコストです。
これは量産化されれば、解決する問題です。
あとは、スターリングエンジンの良さをどれだけ認知してもらえるかにかかっています。この記事がスターリングエンジンの普及の一助となれば幸いです。

次回は、日本近海に眠ると言われている天然ガス「メタンハイドレート」の可能性に迫ります。

【主な参考サイト】
・「地球温暖化防止のための分散型発電の本命，スターリングエンジン」　2008/8
・「木質バイオマス発電の夢と現実」

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List　   投稿者 satie ｜ 2011-04-30 ｜ Posted in E08.火力発電の可能性 ｜ 8 Comments »　

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