エネルギー問題に発言する会用資料

石炭火力の置かれている現状と将来展望
2019年7月18日
東京大学生産技術研究所
研究顧問
金子祥三

化石燃料と石炭
1. 火力発電は有限な資源である化石燃料を用いて発電する。
従って“最少の燃料で、最大の出力”を得ること----すなわち高効率化
は火力発電に携わる者にとって永遠の課題である。
2. 近年、地球温暖化防止のためCO2排出量を最少にすることが求められている。このため高効率化は従来にも増して重要となっている。
3. 高効率により、より少ない燃料で同じ電気出力を得ることができる。
これは自動的に発生CO2量が減少することを意味する。
4. 高効率化の技術の変遷を見てみると、ボイラと蒸気タービンを組み合わせた単純サイクル（第1世代）が1900年代初頭に開発され、今日まで進化を続け火力発電の高効率化を牽引してきた。
5. 航空用ジェットエンジンの発展と共に、これを発電用に応用したガスタービンが急速に進歩し、天然ガスについては蒸気タービンを組み合わせた複合発電---コンバインドサイクル（第2世代）の時代となった。
6. この複合発電を石炭にも使えるようにしたのが石炭ガス化複合発電（IGCC）である。
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石炭の特徴石炭は化石燃料の中で最も埋蔵量が多く、かつ世界中に万遍なく賦存している。
2. 世界で石炭の埋蔵量が最大なのは米国で、これにロシア、中国が続き、いずれも経済大国である。
3. 石炭の価格は天然ガスや石油の1/2~1/3で、しかも長期にわたって安定している。これは石炭の大生産国が同時に大消費国でもあるため、自動的に価格安定メカニズムが働くためである。
4. 石炭は植物が地中に保存され、太古の時代から 長期に渡って熟成され、燃料となったものである。
5. 生成年代 の古いものから無煙炭、瀝青炭、亜瀝青炭、褐炭があり、古いものほど固定炭素が多く、揮発分が少ない。
6. 石炭は石油や天然ガスに比べ炭素の比率が高いため、CO2発生量が相対的に多い。石炭を100とすると石油80、天然ガス50の比率である。
7. 石炭を火力発電に使用する場合は、出来るだけ高効率にしてCO2発生量を減らす
と共に、大気汚染のもととなる硫黄酸化物(SOx)、窒素酸化物(NOx)、ばいじんを最少にするようにしなければならない。
8. このSOx、NOX、ばいじんを最少にする公害防止技術は日本が世界最高であり、各国に技術輸出され、世界中で日本の技術が使われている。
1.

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世界の石炭資源：瀝青炭(4323億t)：亜瀝青炭(2606億t)：褐炭(1512億t)

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圧
力
・
熱

ピート

地表に近くフラット褐炭 ⇒掘り易い瀝青炭

無煙炭

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エネルギーミックスの決定
地球環境保護CO2 削減エネルギー
セキュリティ
・安い燃料の安定確保
・国産エネルギー

共存解

安い電力料金

電力の安定供給
電力の質

すべてを満足する共存解は非常に狭い!
All Rights Reserved. Ⓒ Dr. Shozo Kaneko, IIS, University of Tokyo6 エネルギーミックスの共存解はこのグリーンのようなもの…

All Rights Reserved. Ⓒ Dr. Shozo Kaneko, IIS, University of Tokyo7日本のエネルギーミックス ［発電電力量ベース］
2013 実績
原子力 1%
再生可能11%
石油 11%

石炭 30%

2030 目標

再生可能
22-24%

原子力
20-22%

石油 3%
天然ガス
Gas 47%石炭 26%

天然ガス
Gas 27%

天然ガス：石炭＝50:50

化石燃料 88%

化石燃料

ベースロード電源＝ 31%

ベースロード電源＝ 48%

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8

日本のエネルギー価格（カロリー当り） 石炭比：（円/千kcal）

石油：3倍
LNG：2.5倍

JCOAL資料より作成

All Rights Reserved. Ⓒ Dr. Shozo Kaneko, IIS, University of Tokyo9天然ガス価格（2018~）
米国ヘンリーハブ価格

日本着LNG 価格

 日本着LNG価格＝ヘンリーハブ価格＋（6~9） $/MMBtu
出典：2019.3.18電気新聞より
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日本の電力の発電原価
石炭

LNG

原子力

a. 資本費

2.1

1.0

3.1

b. 燃料費

5.5

10.8

1.5

c. 運転・保守費

1.7

0.6

3.3

合計=a+b+c

9.3

12.4

7.9

備考:単位: 円/kWh (=cent/kWh, 100 円 = 1 US$として)
出典: 資源エネルギー庁ホームページ（発電コスト小委員会WG資料より）
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一つのバスケットに卵を全部入れてはいけないリスクヘッジ
危険分散
交渉力オプション
 第1次、第2次オイルショックの体験を忘れてはならない！

 日本に石炭の選択肢を排除する
余裕はない！

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12

世界のCO2 削減の動き
 日本の削減目標：26％ 削減（ 2030 年までに2013年ベースから）
COP21とパリ協定
Target Year

1990 base2005 base2013 base

Japan

2030

18.0%

25.4%

26.0%

EU

2030

40%

35%

24%

USA

2025
[2030]*

14～16%

26～28%[ 30%]*

18～21%[ 25%]*[Note]*: President Obama Announcement on 3rd August, 2015 for COP21.
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各化石燃料の炭素と水素の比率
燃料

分子式

石炭

重量比
C:H
95:5

発熱量比
C:H
80:20

計算根拠

8100×0.95＋33910×0.05＝7695＋1696＝9391

81.9：18.1
石油

C6H6

85:15

60:40

8100×0.85＋33910×0.15＝6885＋5087＝11972

57.5：42.5
天然ガス

CH4

75:25

40:60

8100×0.75＋33910×0.25＝6075＋8478＝14533

41.8：58.2
 天然ガスからのCO2発生量は石炭の約半分になる
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14

さらなる高効率化への道 効率向上は火力発電にとって最も重要な技術である。高効率化によって、より少ない燃料で同じ電気出力を得ることができる。
これによって燃料消費量が削減され燃料費の節減になると同時に、CO2発生量も削減され、地球温暖化防止に貢献する。
 日本では次世代高効率火力発電ロードマップを決定し、第1世代から
第2世代、さらには第3世代への着実な進展を目指している。天然ガスについては着実に進んでいるが、石炭については遅れている。
 アジアでは電力不足が深刻であり、石炭火力の要求が強い。中国が技術・融資とも積極的である。
 石炭の高効率発電技術は現状では石炭ガス化複合発電(IGCC）
が最高であるが、これは日本が世界を圧倒的にリードしている。
福島復興IGCCはその象徴である。
All Rights Reserved. Ⓒ Dr. Shozo Kaneko, IIS, University of Tokyo15 火力発電の高効率化の歴史
プ
ラ
ン
ト
熱
効
率
（
％
）

高効率発電の歴史
天然ガス
70
固体酸化物燃料電池（SOFC)＋ガスタービン＋蒸気タービン

60

発電用
IGFC

50

MACC

a: ニューコメン

IGCC(0.5%)

40b: ジェームス・ワット

IGCC

(4%)

発電所 (3%)20

169at×566/566℃ 再熱サイクル

蒸気タービン

127at×538℃ 再生サイクル

動力用

42at×450℃

蒸気機関

10

1700

c
b

a
1750

250at×600/600℃ 超超臨界圧 (USC)

246at×538/566℃ 超臨界圧

c: 初期の火力

30

石炭

1800

1850

①James Wattの改良

1900

10at×268℃

1950

2000

2050

2100

→年

②Parsonsの蒸気タービン（軸流・多段） 1884年

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16

ボイラ

①第1世代

蒸気
電力

蒸気タービン

発電機

燃料

排熱回収
ボイラ
（HRSG）

②第2世代

排ガス

電力
発電機

燃焼器

蒸気

圧縮機

燃料

蒸気タービン
空気
ガスタービン

③第3世代

排熱回収
ボイラ
（HRSG）

電力

燃焼器

燃料

高温型燃料電池（SOFC）

圧縮機

空気

排ガス

電力

蒸気

蒸気タービン

ガスタービン

発電機

次世代高効率火力発電ロードマップ［出典］経産省ホームページより

シングル→ダブル→トリプルへ
トリプル発電：18m

天然ガス 65%：石炭 55%

3段跳び

ダブル発電：13m

天然ガス 55%：石炭 48%

2段跳び

シングル発電：8m

天然ガス 41%：石炭 42%［注］発電効率はいずれも高位発熱量基準、送電端

1段跳び(走幅跳び)All Rights Reserved. Ⓒ Prof. Kaneko Laboratory, IIS, University of Tokyo19

火力発電所の効率基準

石炭

新設基準

既設基準

既設報告要領（発電電力量ベース）

（発電端、
HHV）

（発電端、
HHV）

A指標

42.0 %

41 %

＝

燃

天然ガス

B指標

A指標

B指標

石炭火力実績値
目標値（41%）

料［平成30年、31年改正]
平成28年4月1日施行

50.5 %

48 %+天然ガス火力実績値

目標値（48%）＝石炭火力実績値×石炭比率
×石炭比率

×天然ガス比率

＋

石油等

39.0%

39 %

目標値（39%）＝A指標＋石油火力実績値×石油比率＝B指標【目標

石油火力実績値

種＋天然ガス火力実績値
×天然ガス比率

×石油比率

44.3%

以上】

【目標 1.00以上】

1.対象事業者①売電比率 50%以上②事業者発電容量 1万kW以上③当該発電設備容量 1000kW以上

2.発電効率換算①副生物利用： 入力＝（投入全エネルギー）－（副生物のエネルギー量）②コジェネレーション： 出力＝（電力エネルギー量）＋（活用熱エネルギー量）③バイオマス： 入力＝（投入全エネルギー）－（バイオマス燃料のエネルギー量）

3. 見直し制度の施行

・平成28年4月1日、 最終達成目標 2030年度
・平成30年4月1日、石炭の副生物・バイオマス混焼時の補正に上限値を設定
・平成31年4月1日より石炭のバイオマス混焼による効率補正は新設には適用されない

4. 燃料種に関する補足説明・燃料種の分類判定は50%以上のものとする。また天然ガス利用で設備容量が20万kW未満、起動
時間が15分以内、定格出力効率44.5%以上（発電端、HHV）のものは適用免除。

All Rights Reserved. Ⓒ Dr. Shozo Kaneko, IIS, University of Tokyo20単純蒸気サイクルの効率と向上策
Rankine Cycle
温度

蒸気温度上昇
→効率上昇

ボイラ
燃料
G

蒸気タービン

蒸気タービン

多段再熱化

復水損失

復水温度低下ｴﾝﾄﾛﾋﾟ

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火力プラントの蒸気条件の変遷
国産USC技術
650

35

600

蒸気温度 （℃）

550(1100F)593

蒸気温度
538℃(1000F)

500

600

610
30

566℃(1050F)
24.6
24.2

25

蒸気圧力

510

450

31.1（Gas Firing）

20

18.7

482

16.7

450

15
12.6
10.1
8.7

400

5.9 6.0
350

300
1945

4.0

10

亜臨界圧

超臨界圧

超超臨界圧
(USC)

蒸気圧力 （MPa）

米国よりの技術導入

5

0
1955

1965

1975

1985

1995

2005

年
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900

Co-base800

ガスタービン材料

 許容応力のベースは10万時間クリープ強度→新材料の開発には最低11年かかる！

Ni-base
日本開発
材料

Cr量

700
25％
9～12％

600
米国開発
材料

A-USC材料

USC材料

2.25％
SC（超臨界圧）
材料

蒸気温度650℃の主蒸気管

500
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23

A-USCの開発状況はどうか？
大量の安価なNi合金が供給できるか？
----経済性の壁を乗り越えられるか？

 35MPa 700/720/720℃
 2段再熱Ni合金使用範囲
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24

Ni合金の材料費

蒸気温度
使用材料

超臨界圧SC 超超臨界圧USC

A-USC(Super-Critical)(Ultra-Super-Critical)(Advanced USC)

566 ℃

600 ℃

700 ℃

(1050°F)(1112°F)

P22

P92(1292°F)(60Ni-18Cr10Co-5Mo-)
相当材(2.25Cr1Mo)
コスト指数

1

(9Cr- 0.5Mo1.8W-V-Nb)

3

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20

25

A-USCかIGCCか？
二段再熱

A-USCの
効率

現IGCC
の効率
送電端効率 (%)
(HHV)
一段再熱
現在最新
USC

IGCCおよび A-USCによる効率向上

出典：蒸気タービン（新改訂版)
図2.27(p.33）に金子加筆

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26

第2世代：ダブル複合発電：ガスタービン+蒸気タービン
 1984年ころ日本が世界に先駆けて100万KW級のダブル複合発電を実用化

複合サイクル［ガスタービン＋排ガスボイラ＋蒸気タービン＋発電機］

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複合発電サイクル
入口ガス温度上昇
→効率上昇
温度

燃料

Brayton Cycle

有効仕事

ガスタービン

空気G

発電機

排熱回収ボイラ
圧縮機

ガスタービン2

排ガス

Rankine Cycle

蒸気タービンG

有効仕事

蒸気タービン
復水損失

ｴﾝﾄﾛﾋﾟ

一粒で二度おいしい！

読売新聞記事（2019.1.19）

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29

The Future is bright!

北京の大気汚染（ 2015年）--- PM2.5 ほかが原因

石炭は汚いのか？
 大気汚染のほとんどが家庭用石炭と自動車が原因！

最新鋭の石炭火力発電所
 脱硝装置も脱硫装置も日本が独自技術で開発した。
 この技術が世界中で使用され、クリーンな石炭火力を実現している
ボイラ

脱硝装置
DeNOx

石炭バンカー

微粉炭機

空気予熱器

脱硫装置
DeSOx

電気集塵器

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31多くの人が大気汚染と温暖化ガスを混同している！

大気汚染:
酸性雨, スモッグ, etc.
SOx, NOx
ばいじん(PM)

地球温暖化
温室効果ガス：
無害、無色、透明

CO2

 反石炭の人はわざとこれを混同させている！
（Obama政権の石炭規制、PPCA，など）
All Rights Reserved. Ⓒ Dr. Shozo Kaneko, IIS, University of Tokyo32 ガス化によって石炭も天然ガス並みにクリーンにできる！

石炭ガス化

IGCC
高効率化

石炭ガス

石炭

CO2削減
天然ガス並みにクリーン

最少化• Dust (PM)
• SOx
• NOx

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石炭ガス化複合発電（IGCC）(Integrated coal Gasification Combined Cycle)

プラント効率(送電端):46-48%(HHV)!

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34

発電用IGCC－日本の選択
1.乾式給炭2.空気吹き
3.2段噴流床
4.ガス上昇流
5.水冷壁構造 世界最高の熱効率
 安定した連続運転 高い信頼性と安全性

3段階で容量増大→確実な成功を目指す
PDU

PILOT

実証機

2T/日

200T/日1700T/日All Rights Reserved. Ⓒ Dr. Shozo Kaneko, IIS, University of Tokyo35

石炭ガス化複合発電(IGCC)国家プロジェクトの歴史
容量

噴流床ガス化

③ 実証プラント[T/日] [MW]300

1700T/D（250MW）

開発は３段階で行われた!

設計

1700 250

200

E.I.A

① PDU

建設

運転

② パイロットプラント

1000 150

100
50
200 250

2T/D PDU（CRIEPI, MHI）

200T/D（25MW）
Pilot Plant
年

1980

1990

2000

2010

IGCC実証機(250MW)建設地

福島県

勿来Nakoso
いわき市

福島県いわき市勿来地区
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37

IGCC実証機建設前の状況(2005年1月27日)

All Rights Reserved. Ⓒ Dr. Shozo Kaneko, IIS, University of Tokyo38大物輸送（ガス化炉圧力容器）(2005年10月18日）

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ついに完成！

IGCC実証機外観
40

IGCC実証機の主要成果

スムーズな溶融スラグ排出と NOx, SOxの値
NOx： 3.5ppm, SOx： 6.8ppm

Photo : Courtesy of Joban Joint Power Co., Ltd.

実証機の運転実績
世界最速で2000時間連続運転達成！
3,500

2007

2005

連続運転時間 (hrs)

3,000
2,500

Buggenum(SHELL/284MW)

勿来実証機(2008)

1998

2,000

2007
1,500

Tampa
1998 (GE/322MW)

1999

1,000
500

Wabash River(E-gas/296MW)

2007
Puertollano(Prenflo/335MW)

0
0

5

10
運開から の経過年

1520

出典：GTC2008，MHI,CCP発表資料より引用

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43

IGCCのメリット
１．効率20%アップで、CO2排出量は石油並み
２．将来固体酸化物型燃料電池（SOFC)を追加し、トリプル複合発電として更なる増出力・高効率化が可能
３．非溶出性ガラス質スラグ
４．温排水が従来の30%減→漁業への影響最小
５．所要敷地面積が従来の30%減
６．木質系バイオマスの利用も可能
７．天然ガス100%専焼運転も可能
IGCCの溶融スラグ

 IGCCの石炭灰はフライアッシュではなく、ガラス質の非溶出性スラグで体積は1/2

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2011年3月11日
津波来襲！

Photo : Courtesy of Joban Joint Power Co., Ltd.
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被災直後の状況 メガフロート

Courtesy of Clean Coal Power R&D Co.
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被災直後の状況 メガフロート

Courtesy of Clean Coal Power R&D Co.
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47

2011年7月---わずか4ヶ月で復旧し運転再開！

Photo : Courtesy of Joban Joint Power Co., Ltd.
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48

勿来10号機3917時間の連続運転世界記録を達成!

負荷(%）

2013年連続運転の記録

運転開始：2013年6月26日

日付

運転開始：2013年12月7日
連続運転時間：3917時間

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石炭ガス化複合発電 IGCC
勿来 10号機250MW

ガス化炉：1700 Ton/日、NOx、SOx、ばいじんが一桁の数値
2000時間連続運転達成（2008年）
5000 時間耐久運転達成（2010年）
2011.3.11の大震災後、4か月で復旧、8月11日以降3カ月連続運転（2238時間以上）
2013.6.28に勿来10号機として商用運転を開始後、  5か月以上ノンストップ
12月8日現在で3917時間の連続運転世界記録を連続運転を達成
達成した。
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50

福島復興IGCCプロジェクト

第2世代の石炭火力---商用規模IGCCが2020年の東京オリンピックに運転！

 広野IGCCパワー : 54万kW IGCC！
Fukushima
Daiichi 勿来IGCCパワー：54万kW IGCC！
成美堂出版：地図で読む東日本大震災より

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51

IGCCは2020年に営業運転開始
 福島復興IGCC
 54万kW2基
 2020年、2021年営業運転開始

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52

COP24 クルチカ議長との面談

 BSフジ放送（2019.3.2および2.24）
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東欧・中欧の石炭・褐炭への依存度（2015年)
石炭および褐炭による発電電力量 (TWh-%): [%]石炭および褐炭による発電電力量 [TWh] / 国内電力消費量 [TWh]

国名
ポーランド
セルビア

チェコ
ブルガリア
ドイツ
ギリシャ
ルーマニア
トルコ

石炭

褐炭

49
0
8
3
20
0
3
15

合計

32
75
53
49
26
38
26
12

81  多くの東欧・中欧
75 諸国が石炭および褐炭に依存。
61  これらの国はまだ
52 発展途上で、外国から高価な天然ガス
46 を輸入する余裕無し
38
29* Data for 2015, Source:
27 European Association for Coaland Lignite ”EURACOAL”

石炭の確認可採埋蔵量③②①

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55

日本の化石エネルギーの海外依存度（2007年度）
日本の自給率は僅か4%---先進国で最低！

※SHIPPING NOW 2009-2010より引用

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資源の無い国という大きな重荷…

 資源の無い国には、好き勝手な選択の自由は無いのだ!
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世界には電気の恩恵を受けられない人が10億人…

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電気はあっても買えない人も……

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59

世界中の多くの人々に
安くて信頼性の高い電力を供給
これが日本の使命である
そのためにはモデルプラントを国内でしっかりと確立する必要がある。

+15m

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イラクハルサ発電所建設現場（1977年2月）

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61

The future is bright…

Thank you!

The End参考資料

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 2040年までの世界のエネルギー消費増加

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 ASEANの一次エネルギー消費

 ASEANの一次エネルギー消費はまだまだ石炭中心
 エネルギー自給率は下がり、輸入が増える
出典：日本エネルギー経済研究所、アジア/世界エネルギーアウトルック2016より

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日本の石炭資源
 合計：200億トン（昭和30年通産省推定）
 その後90億トンに下方修正された。
経済性を加味した可採埋蔵量は10億トンといわれる。

北海道：100億トン

宇部：8億トン
九州：80億トン

常磐：12億トン

（万ton）
6,000

日本の石炭生産量の推移
過去最高5631万トン（1940年）

戦後最高5541万トン（1961年）

5,000
4,000

3,000

2,000

1,000

JCOAL資料より作成

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日本の石炭供給量の推移

出典：JCOAL資料より

All Rights Reserved. Ⓒ Dr. Shozo Kaneko, IIS, University of Tokyo68石炭の生成出典：JCOAL資料より

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石炭の生成年代

出典：JCOAL資料より

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米国の2大石炭産地
西部炭

東部炭

石炭紀の時代（3億5000万年前）
東部炭(アパラチア炭)[Source] Map by Christopher Scotese
要説地質時代、京都大学学術出版会より

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白亜紀の時代（9500 万年前）
西部炭(PRB 炭)[Source] Map by Christopher Scotese
要説地質時代、京都大学学術出版会より

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米国西部炭の競争力

産地

価格($/MMBTU) 比率

5.5

イリノイ炭

2.75
2.5
2.00

ロッキーマウンテン
地域

1.5

3

PRB炭

0.5

1

中央アパラチア炭北アパラチア炭

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5
4

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褐炭炭層に残存する木片

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堆積盆(Basin）での石炭の生成

雨季には水没乾季には植物が群生

画像はNHK“世界遺産:ブラジル・パンタナール保護地域”より引用

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筑豊炭田の堆積盆地
直方

田川
飯塚

All Rights Reserved. Ⓒ Dr. Shozo Kaneko, IIS, University of Tokyo77日本にもかって炭鉱があった

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石炭の資源量と可採埋蔵量
 資源量（Resources）：
2兆7767億トン

 可採埋蔵量(Reserves)：
8609億トン

出典：JCOAL資料より

All Rights Reserved. Ⓒ Dr. Shozo Kaneko, IIS, University of Tokyo79石炭の可採年数

出典：JCOAL資料より

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世界の石炭輸出入の流れ

出典：JCOAL資料より

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世界の一次エネルギーに占める石炭の割合

出典：JCOAL資料より

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主要国の一次エネルギー構成

出典：JCOAL資料より

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各国の石炭および褐炭の生産量

出典：JCOAL資料より

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世界各国の石炭の輸入と輸出

出典：JCOAL資料より

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主要国の電源構成

出典：JCOAL資料より

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世界の石炭需要見通し

出典：JCOAL資料より

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電力市場におけるメリットオーダー（ドイツの例）
再生可能エネルギー
導入前

（可
燃変
料費
費
）

€/MWh

売電量Q1

P1

原子力
褐炭火力
石炭火力
天然ガス火力 1991年 電力買取法
 2000年 EEG 再生エネルギーに優先権を与えるための法律

軽・重油火力

再生可能エネルギー
最優先運転

売電量Q2
再生可能エネルギー
大幅増加後
電力市場価格P1 → P2

原子力は優先運転P2
発電電力量

燃料費の高い天然ガス
火力は運転困難

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世界の石炭資源保有国
順位

国名

1
2
3
4
5
6
7

米国
ロシア
中国
オーストラリア
インド
ドイツ
ウクライナ

確認可採埋蔵量（百万トン）

世界での比率(%)

237,295
157,010
114,500
76,40060,60040,60033,873

22.6
14.4
12.6
8.9
7.0
4.7
3.9

[注] 石炭量は無煙炭・瀝青炭・亜瀝青炭・褐炭の総量

 米国は世界の石炭資源の4分の１を保有する世界最大の資源国
 米国西部炭のみで米国の全エネルギー消費の300年分が賄える
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世界の褐炭資源保有国
順位

国名

確認可採埋蔵量（百万トン）

1
2
3

ドイツ
オーストラリア
米国

40,60037,20030,176

4
5

中国
セルビア

18,60013,400

6
7

カザフスタン
ロシア

12,10010,450ドイツは世界最大の褐炭資源国である
ドイツ国内の褐炭だけでドイツの全電力消費を300年間賄うことができる
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聖バーバラ：炭坑の守り神

Saint Barbara, The protector of miners未来は明るい！

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