文部科学省と国立大学附置研究所・センター 個別定例ランチミーティング

第13回

佐賀大学 海洋エネルギー研究所（2022.9.2)

12:05－12:10（ 5分）:研究所・センターの概要
12:10－12:25（15分）:海洋の温度差から安定した電力の創出―システムと熱交換器伝熱面形状の最適化に挑む―

12:25－12:45（20分）:質疑応答

安永 健

２．第3期活動目標とセンター実績
１．センター概要
拠点活動を戦略的に推進しています
海洋エネルギー研究所の役割（１）センター主要各分野研究推進〇 世界は今、新たな海洋再生可能エネルギー産業（海洋温度差・波力・潮流・洋上風力発電）の勃興期 ➡ 発電装置の開発は、熾烈な世界競争〇 政府が掲げる「温暖化ガスの排出量を 2050年に実質ゼロにする目標」において、最も期待されている再生可能エネルギーの一つである 「海洋再生可能エネルギー」は、我が国のエネルギー政策上（GXおよびカーボンニュートラル）の極めて重要な課題⇒ 佐賀大学「海洋エネルギー研究所」は、我が国唯一の海洋エネルギーに関する科学技術を戦略的に推進する先導的な共同利用・共同研究拠点として、世界的な海洋エネルギー産業の発展に資する研究開発・人材育成に貢献

研究所の沿革
2005年

2010年

（平成14年） 全国共同
学内共同利用施設
海洋エネルギー研究センター

1973年（昭和48年）
海洋温度差発電
研究開始

利用施設

共同研究拠点認定（第2期）2005年（平成17年）
波力発電
研究開始

（令和4年）（平成28年）（平成22年）

2002年 （平成17年） 共同利用・

2022年

2016年

（主な活動）
・沖縄県久米島50ｋｗ発電成功
・世界最高効率の高効率空気タービンの開発

共同利用・（主な活動）

共同研究拠点普及に貢献

認定（第3期）・水素貯蔵タンク国際標準規格に採用

等

2014年（平成26年）
潮流・洋上風力発電
研究開始

・空気タービンを世界的・洋上風力浮体式風車の新しい提案・最適化
・研究体制の改組

等

共同利用・共同研究拠点認定（第4期）
2022年（令和4年）
海洋エネルギー研究所
改称2

２．第3期活動目標とセンター実績
１．センター概要
拠点活動を戦略的に推進しています
研究所の全体像（１）センター主要各分野研究推進

佐賀大学海洋エネルギー研究所

研究所の体制長

理事（研究担当）

学

教員28名（専任12名、併任13名、特任3名）

研究所協議会
技術専門委員会
所長
研究所
運営委員会

海洋熱エネルギー
海洋流体エネルギー
学

際（令和4年4月1日現在）

温度差エネルギーシステム ｜海洋温度差発電・海水淡水化技術
熱エネルギー変換基盤｜伝熱・熱エネルギー基礎
海洋深層水利用｜海洋深層水の有効利用
波浪エネルギーシステム｜波力発電
潮流・海流エネルギーシステム｜潮流発電
洋上風力エネルギーシステム ｜浮体式風力発電
海洋エネルギー環境情報
海洋エネルギー貯蔵
海洋エネルギー制御
海洋エネルギー物質創生
海洋エネルギー人材育成｜リモートセンシング｜水素貯蔵・輸送｜遠隔監視・電力変換｜リチウム回収等｜海洋教育

平成29年10月には、研究体制の重点化を図るため、新たに洋上風力エネルギー分野を設置。また、令和2年11月には、社会実装への応用的研究が発電装置の個々の基礎技術だけでなく、システム全体の性能を考慮した開発が重要とし、分野にエネルギーのみから「システム」という名称を追加し統一※3

拠点としての適格性を有しています｜施設・設備等
研究所の有する施設・設備
研究環境支援を可能とする施設
研究所本部(佐賀県佐賀市）➡ 研究室、会議室
伊万里サテライト(佐賀県伊万里市）➡ 研究室、大型コンピュータ室、宿泊施設等

久米島サテライト(沖縄県久米島町）➡ 実験室
嬉野サテライト(佐賀県嬉野市）➡ 実験室（温泉水発電実証：令和２年）

研究環境支援を可能とする設備

伊万里サテライト平成15年設置

海洋温度差発電関係（6装置）
海洋流体エネルギー関係（4装置）
海水からの物質回収関係（1装置）
水素貯蔵関係（3装置）
化学分析機器（8装置） 計22装置
学術資料（成果報告書等）、データベース等

２次元造波水槽

回流水槽

海洋温度差発電実験装置

温度成層回流水槽

久米島サテライト平成26年設置
海水淡水化実験装置

リチウム回収実験装置

水素製造・貯蔵4実験装置

２．第3期活動目標とセンター実績
１．センター概要
研究所の研究概要（学際的研究分野）
主要４研究分野の特性と戦略（１）センター主要各分野研究推進
主要4分野から発展した分野（学際的研究分野）

海洋温度差研究所の研究分野と要素技術開発海洋環境監視（リモートセンシング，海洋調査等）
地方創成（久米島モデル）
海洋温度差・海水淡水化

分野

温泉水発電
深層水利用・海水淡水化・資源回収（リチウム等）

波力

潮流

極限温度差への挑戦

波力

洋上風力

エネルギー貯蔵・
物質創成等

波と浮体の連成への挑戦
不規則波（渦）への挑戦

生物防汚技術遠隔運用技術系統連系技術

装置大型化

浮体安定化

海洋環境保全

水素基盤技術

材料工学

海洋生物学

制御工学

電気工学

機械工学

流体工学

海洋工学

海洋環境学

資源回収

構造強度

熱工学

要素技術

エネルギー変換

伝熱性能向上

CO2削減
地球温暖化防止

潮流

水素基地

水素自動車

洋上風力

研究所の学際的研究分野

燃料電池船

学問領域

研究所の学問領域と要素技術開発

化学工学

水素変換・運搬52. 拠点としての活動状況 等 ～ ｜活動状況｜特色・強み～
研究所の研究活動状況
特色・強み・実績（１）海洋温度差発電

 海洋温度差発電装置（30KW）の開発、正味出力の確認【世界初】 ➡ 有効性を証明
 世界最高水準の研究設備の評価【 『再生可能エネルギー白書』 】
 世界に先駆けて、実海水のみを用いた海洋温度差発電実証設備（沖縄県久米島：発電機100KW）の開発協力・発電成功【平成25年～29年: 当時世界唯一：5年連続運転に成功】
 新しいシステム（多段ランキンサイクル）を開発し、二段ランキンサイクルに関する実証実験を実施【国際特許取得（平成30年･米国）】※１※2
 研究成果を活かした国際プロジェクトに採択【 SATREPS ･令和元年、CTCN ･令和２年】※1 SATREPS: JST/JICAの地球規模課題対応国際科学技術協力※2 CTCN：国連関連機関である「気候技術センター・ネットワーク」（２）波力発電・潮流発電

 高効率空気タービンの開発【中間羽根付き衝動タービン：世界最高効率： 52％】
➡ 世界的普及に貢献(研究所の技術が インド、中国、欧州等で導入実績）
 上記タービン搭載の固定式及び浮体式波力発電装置の水槽実験・実海域実験➡ 同上 NEDO 波力発電プロジェクト 実証研究
➡ 実用化促進に貢献
 装置の最適設計に必要な新しい粘性流体解析法を提案➡ 日本船舶海洋工学会賞 (論文賞)・日本造船工業会賞等（平成28年度受賞）
 長崎湾において実海域検証試験（潮流発電）を実施➡ 世界トップレベルの効率を確認（３）洋上風力発電
 スパー型浮体式風車の新しいコンセプト（トラス スパー型）を提案➡ 低コスト構造で動揺低減を可能に ➡ 実用化促進に貢献ダウンウィンド式風車の研究開発は、国内および海外でリーダーシップを発揮し牽引

海洋温度差発電装置（２段 サイクル）

久米島プラント【海洋深層水利用学会賞】

高効率空気タービン

波力発電
NEDO プロジェクト

洋上風力発電潮流発電タービンと長崎県での実証実験風景 非水密軽量構造に転換

6

GXとオープンイノベーションによる「知の世界展開」⇒ 研究所は、海洋エネルギーに関する学際的な「基盤研究」と「実証研究」の推進、国内および海外における佐賀大学の有する技術の『知の世界展開』で貢献⇒ 海洋エネルギーに関する社会実装は企業や国内および国際的な公的機関が推進し、研究所は、 学術的な面で貢献⇒ 研究成果の「見える化」は、NASAが提唱した「TRL」などを用いて、知的資産および学術的な成果を公開し、残された課題および期待される成果を明確にする。

研究所（佐賀大学）の役割

企業や公的機関の役割

佐賀大学の学術研究「基盤研究」と「実証研究」

佐賀大学の海洋エネルギー研究所の継続発展と世界展開(1) 佐賀大学の「熱交換器」、「洋上風力設計」、「波力発電タービン」等の基盤研究と実証研究(2) 先導的高度技術（要素技術）の継続発展(3) 人材育成・知的資産（特許等）(4) I EA（国際エネルギー機関）でOTECの委員長

学術面で貢献実用化（社会実装）とその運用課題解決の依頼

企業や公的機関が推進
企業

公的機関

公共設備・施設

ビジネス

学術協定締結による貢献

オランダマレーシア インドネシア

フランス

アメリカ

海洋エネルギーの「実用化」推進インド

海洋エネルギーに関する学術研究と実用化
技術成熟度※
基礎研究
1

2

3

4

事業化

実証

応用研究、開発
56

7

8

9

大学
※技術成熟度（Technology Readiness Level(TRL),1989年にNASAが初めて提唱）

企業や公的機関7海洋温度差発電
２４時間安定して発電可能（ベース電源としての役割を目指す）
純国産の技術として世界を牽引

第2次 開発ブーム期に世界で先駆けて発電開始。
海洋エネルギーとして日本で最初に系統連系

8拠点としての適格性を有しています｜特色・強み
海洋温度差発電の主な実績と今後の展望
海洋温度差発電

海洋温度差発電装置（30KW）の開発、正味出力の確認【世界初】➡ 有効性を証明
世界最高水準の研究設備の評価（『再生可能エネルギー白書』）
世界に先駆けて、実海水のみを用いた海洋温度差発電実証設備（沖縄県久米島：発電機100KW）の開発協力・発電成功【平成25年～30年:当時世界唯一：5年連続運転に成功】➡ 実用化促進に貢献
新しいシステム（多段ランキンサイクル）を開発し、二段ランキンサイクルに関する実証実験を実施【国際特許取得（平成30年･米国）】
研究成果を活かした国際プロジェクトに採択（SATREPS※１･令和元年、CTCN※2･令和２年）
海外の海洋温度差発電の動向（IEA 国際エネルギー機関）※1 SATREPS: JST/JICAの地球規模課題対応国際科学技術協力※2 CTCN：国連関連機関である「気候技術センター・ネットワーク」:

KUMEJIMA MODEL

海洋温度差発電研究のロードマップ（年）

9海洋温度差発電に関する「知の世界展開」

複合利用PJT：SATREPSマレーシアPJT（参考資料）拠点の成果の国際若手人材育成と社会実装
国際科学技術共同研究推進事業 地球規模課題対応国際科学技術協力プログラム
Science and Technology Research Partnership for Sustainable Development

マレーシアにおける革新的な海洋温度差発電 （OTEC） の開発による低炭素社会のための持続可能なエネルギーシステムの構築<研究開発目標><期間>2019年4月 – 2025年3月
・ ハイブリッド OTEC（佐賀大学特許出願）の技術確立
・ ハイブリッド OTEC を用いた海洋深層水複合利用（マレーシアモデル）の確立
・ マレーシアにおける若手人材育成<実施体制>
代表機関 日本側 佐賀大学 ：Saga University
Saga University(SU)

University of Tokyo(UT)

National Institute of Advanced
Industrial Science andTechnology(AIST)
Xenesys Inc.

マレーシア側 UTM

UTM

Universiti Teknologi Malaysia(UTM)
Universiti Putra Malaysia(UPM)
Universiti of Malaya(UM)
Universiti Kebangsaan Malaysia(UKM)
Universiti Malaysia Terengganu(UMT)
Infrakomas

ハイブリッドOTECを用いた海洋深層水複合利用(マレーシアモデル)

キックオフ会議（SU & UTM Vice-presidents・在マレーシア日本大使 等)

11国連関連機関（UNIDO）の再エネ事業に採択
気候技術センター・ネットワーク（ClimateTechnology Centre ＆ Network：CTCN）のナ
ウル共和国でのOTECのFS＜国際公募＞

https://www.ctc-n.org/technical-assistance/projects/otec-ocean-energy-technical-pre-feasibility-study

我が国の再生可能エネルギーの技術として初採択
参照： https://www.saga-u.ac.jp/koho/press/2021062821985

国連関連機関（UNIDO）の再エネ事業に採択
Nauru Ocean Energy Technical Pre-Feasibility Study
UNIDO (United Nations Industrial Development Organization)
CTCN※1 (Climate Technology Centre & Network)

As an executing agency to promote technology transfer related to climate change, it was
decided to establish it at COP16 (2010) and started operation and service provision in 2013.
※1： Government of Japan contributes$4.6 million

The Japan Team (OECC, IOES, University of Tokyo cooperating) is
the first in Japan to adopt for renewable energy
CTCN：気候技術センター・ネットワーク（Climate Technology Centre ＆ Network：
日本政府から約12.7百万米ドルが拠出されている（2021年3月時点）
https://www.env.go.jp/earth/ondanka/ctcn.html

CTCN and the Nauru government aim to put OTEC into practical use
13with support of the GCF※2(Green Climate Fund)※2： Government of Japan contributes $1.5 billion

GCF：緑の気候基金（Green Climate Fund：：先進国及び開発途上国（計43か国）からGCFへの拠出表明総額が約103億米ドル、日本は15億米ドル（約1,540億円）を拠出
https://www.env.go.jp/earth/ondanka/gcf.html

東京電力によるナウル共和国海洋温度差発電プロジェクト(1981年)

国際海洋温度差発電協会設立（OTEA：Ocean Thermal Energy Association)
1. 設

立：2020年10月

2. 参加国：38以上の国と地域（アメリカ、イギリス、中国、台湾、韓国、日本など）
3. 参加者：400人以上（研究者、企業、政府系機関など8月1日）

4. 活 動：・海洋温度差発電に関する情報共有と情報発信
・国際的な海洋温度差発電のR＆Dの推進および支援
・海洋温度差発電の実用化の推進と支援
・国際海洋温度差発電シンポジウムの開催と支援
・国際的な学会賞の選考・授賞（“Uehara Prize”）（海洋温度差発電分野では国際的に最も権威がある賞）

・その他
5. 組 織：会長：日本
副会長：イギリス（欧米地区）、シンガポール（アジア太平洋地区）
ExCO: 17の国と地域の代表

http://www.ocean-thermal.org/
14

学術成果を活かした民間との「GXの社会実証」と「社会的インパクト」への貢献

日経新聞：令和４年３月30日 １面
15

ご清聴ありがとうございました。

文部科学省と国立大学附置研究所・センター個別定例ランチミーティング
第13回

佐賀大学海洋エネルギー研究所

海洋の温度差から安定した電力の創出―システムと熱交換器伝熱面形状の最適化に挑む―
2022年9月2日

海洋エネルギー研究所 海洋熱エネルギー部門
海洋温度差エネルギーシステム分野
助教 安永 健

11

自己紹介
＜経歴＞

2003
同志社大学 工学部 卒業
2008
佐賀大学大学院 後期課程 修了 博士（工学）2008-2015 三菱重工業株式会社2015-現在 佐賀大学海洋エネルギー研究所 助教＜研究トピック＞

・低温度差発電の熱力学基礎理論（熱輸送論、有限性）
・海洋温度差発電（OTEC）の最適設計（正味出力最大化）
・プレート式熱交換器の伝熱面形状最適化
・海洋熱利用の海水淡水化装置の最適設計（造水量最大化）
・超撥水性被膜を用いた伝熱性能促進

アンモニア／水を用いた発電装置

沖縄県100kW実証試験装置

2

海洋エネルギー研究所（IOES）の研究分野とポテンシャル研究分野

波力

50

100%

4080%
57.6%

30

20

塩分濃度差

40%

38.6%

100

潮流・海流

60%

2.2%

海洋温度差

波力

塩分濃度差

1.6%

潮流

20%

0%

各分野が占めるポテンシャル量の割合 [%]海洋温度差

世界のポテンシャル量 [PWh/year]

洋上風力

ポテンシャル量Data) IRENA, Innovation outlook: Ocean Energy Technologies (2020)

海洋温度差発電(OTEC)の潜在エネルギー量は、
世界の海洋エネルギー※の約58％その賦存量は世界の電力使用量の約2倍※洋上風力を除く

3海洋温度差発電発電(OTEC)とは

海洋温度差発電：Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC)
OTECは、海洋表層と水深約600～1000mの温度差（約20～25℃）を利用し発電するシステム。
表層海水が年間を通して温かい赤道付近の地域（特に島しょ国）がOTECの好適地。

Drawn using Data from World Ocean Atlas 2009（WOA2009)

国内の発電ポテンシャル量[GW]

1000Data) NEDO (2011)

5000Data) NEDO (2011)4

海洋温度差発電(OTEC)の特徴

海洋温度差発電：Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC)
再生可能

安定

・地表の7割を占める海が太陽エネルギーを蓄熱（熱源）・95%以上の海水が海洋深層水（冷却水）

再エネ・24/7 発電が可能（小グリッドのベースロード）・系統安定化装置が不要
・高い設備利用率

副産物

・海水淡水化による造水・海洋深層水を資源として活用

発電だけでなく、飲料水の製造、海洋深層水を水産、冷熱源（省エネ）、食品、化粧品 等の資源として活用することができる

5

海洋温度差発電(OTEC)のプロジェクト
海洋深層水(水深600～1000m)の取水が可能で、表層海水が年間を通して温かい赤道付近の地域（特に島しょ国）がOTECの適地

Figure:IEA-OES (http://www.oceanenergysystems.org/oes-projects/status-of-otec-and-its-resource-assessment/) Modified by presenter近年のOTECの実証試験装置

100 kW since 2013沖縄県海洋深層水研究所実証試験装置

105 kW since 2015
ハワイ自然エネルギー研究所実証試験装置

近年のOTECの実証試験装置

1,000 kW in 2019
実証試験装置をバージへ設置(韓国)2019年9月 釜山沖（韓国）で試験
約17℃の温度差で338 kW の発電に成功 （世界記録）
本事業は、試運転後キリバスに輸送・設置予定。
新型コロナウイルスの影響で、移設は未完了。
Photo courtesy： Dr. Hyeon Ju Kim, KRISO

8

システム性能の大局的視点から機器の最適化
1. 熱力学モデルの構築

2. システム
最適設計

3. 機器の高性能化

１．熱力学モデルの構築
・発電ポテンシャル量の算出
・発電装置の性能評価手法の確立
・構成機器の性能評価手法の確立
２．発電システム最適設計
・装置の低コスト化（サイクル構成, 熱バランス等）
・運転時の出力最大化
・構成機器の性能評価手法の確立
3．機器の高性能化
・機器の高性能化（低コスト化）
・運転時の出力最大化
・構成機器の性能評価手法の確立

プロセス全体の正味出力を最大化する、という視点から、発電装置、構成機器の研究・開発を実施
9

「熱輸送を考慮した新しい熱力学モデル」の構築•

熱輸送および熱源流量、温度の有限性を考慮した、新しい熱力学モデルを構築※•

熱効率に従来の熱機関へ投入する熱量ではなく、海水が保有する熱エネルギーを用いることで、熱効率と出力のパラドックスを解消•エクセルギーの基準状態に平衡温度を用いる（最大出力とエントロピー生成量の最小化条件が一致）※FTT：Finite-Time Thermodynamics (Non-equilibrium Thermodynamics)

佐賀大学 30 kW OTEC実験装置
海洋エネルギー研究所のOTEC実験装置を用いて、実験的に検証を実施
Yasunaga, T., Ikegami, Y., (2020), Transactions of JSME (in Japanese), Vol.86, No.886, 19-00383.
Yasunaga, T., Ikegami, Y., (2020), Entropy, Vol.22, No2, 211

10

発電システムの最適設計
海洋深層水取水量を最小化する設計手法の確立
久米島で導入が検討されている日量10万の海洋深層水取水管敷設計画に合わせ、同候補地における正味出力1MW規模のOTECの試設計を実施
0Depth [m]200400600: Kumejima Sep. 2014
: Kumejima Jan. 2016
: Kumejima Jan. 2003 JODC
: Palau Dec. 2001
: Fiji Oct. 2006

80010000

久米島の海底地形図

1020

Temperature [oC]

海水温度分布30

2段システムを用いた実証設備

2段システムフロー図Data) Urata, K., et al., (2021), Deep Ocean Water Research (in Japanese), Vol.22, No.2, pp.39-47.

FFTを活用した目的関数を用いて特定の条件で試設計し、発電に必要な海洋深層水の大幅な取水量低減の可能性を示した
今後、商用機の実績（性能、仕様、コストデータ）によってコスト関数が得られれば、更に低コストな設計手法への反映が可能
11

機器の高性能化 ～熱交換器伝熱面形状最適化～
熱力学（FTT）モデルを伝熱面形状最適化時の目的関数へ導入
個別の機器の性能を、正味出力へ与える影響として評価
特に熱交換器の性能は、伝熱性能と圧力損失のトレードオフ
伝熱性能の向上 ⇒ 熱機関の出力向上
圧力損失の増加 ⇒ 海水ポンプ動力の増加
OTEC設計時の熱交換器の選定や性能比較に用いる性能指標が必要① 伝熱性能, 作動流体側圧力損失 →熱機関の出力W② 熱源側圧力損失→海水ポンプ動力P
min 1⁄𝜔𝜔𝜔𝜔 = 𝑓𝑓 𝑊𝑊, 𝑃𝑃, 𝐴𝐴, 𝑚𝑚

熱力学(FTT)モデルを用いて、伝熱面積A、海水流量m 当たりの正味出力としてモデル化し、熱交換器の性能指標を構築
Yasunaga, T., Miyazaki, A., Fontaine, K., Ikegami, Y., (2021). Proc. 6th Int. Symposium on ORC Power Systems, Technical University of Munich

12機器の高性能化 ～熱交換器伝熱面形状最適化～
熱力学（FTT）モデルを伝熱面形状最適化時の目的関数へ導入
変数

ヘリンボーン型
プレート面形状最適化

目的関数

プレート長さ

LP

プレート幅

LW

シェブロン角β

プレート間隔b

波形波長Λ

プレート厚さδP

面形状の最適化

プロジェクト要因の反映（各プロジェクト特有の要因をモデルへ反映）
Fine-Tuning

𝟏𝟏/𝝎𝝎

海水側の伝熱・流動抵抗を基に、最適化問題で伝熱面形状を決定

熱交換器
性能検証

最適化された面形状の性能の検証（蒸発・凝縮性能検証、システム設計の実施）

13

今後の研究課題と研究成果の社会的インパクト
熱交換器の伝熱面最小化の更なる発展（１）伝熱面形状と数値流体解析(CFD)を活用した最適化
ーCFD （単層強制対流）と最適化計算の連成計算プログラムの構築
ー機械学習の適用（２）熱交換器性能の実験的検証―3Dプリンタを活用したプレート伝熱面の製造・試験―蒸発・凝縮を伴う熱交換器の性能予測式の作成（３）伝熱促進技術の適用―超撥水面膜を適用した相変化を伴う伝熱性能促進

本熱力学(FTT)モデルを他のシステムへ適用
世界的に豊富に存在するが、未だ利用度の低い熱エネルギー・資源の効果的活用へ貢献

工場廃熱

温泉・地熱

未利用の低熱源（150℃以下）（排熱エネルギーの約7割）

潜在的なエネルギー・資源の活用に向けた研究開発の礎

発電ポテンシャル量の算出、性能評価方法の標準化

オーガニック・ランキン
サイクル(ORC)の高性能化等へ貢献したい14