三菱重工技報 VOL.45 NO.1: 2008

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特集論

火力プラントの高効率化への取組み

文Approach on High Eff iciency Power
Generation
一 ノ 瀬 利 光＊1

菱 田 正 志＊2

Toshimitsu Ichinose

伊 藤 栄 作＊3

Masashi Hishida

Eisaku Ito

地球温暖化対策の具体的施策が問われる中，CO2 排出量が膨大な火力プラントの高効率化は早急に達成しなければならない重要課題である．本論文では火力のメインエネルギー源である石炭及び天然ガスを効率良く利用可能な超々臨界圧石炭焚きボイラプラント，IGCC 及び GTCC の高効率化に向けた取組みの概要について紹介する．

1．はじめに地球温暖化対策の具体的施策が大きくクローズアッ
14 000CO2 排出量削減が強く望まれている．世界の化石エネ

12 000

費は，運輸，民生他部門と並んで約 1/3 を占め大きい．
今後 20 〜 30 年間は，この割合を持続しながら発電量の絶対値は更に増加し続けるとみられている．火力発電プラントの高効率化は CO2 対策の一つとして非常に重要な課題である．

発電量（TWh）

プされており，化石燃料を使った火力プラントからのルギー消費において発電用プラントを含む産業用の消10 000

年平均伸び率（％）
1980〜2005 2005〜2030
石炭

3.5

2.6

天然ガス

5.34.2▲1.21.2

石油

8 000
6 000
4 000
2 00001971

世界のエネルギー需要の伸びは CO2 排出量増大を1980

1990

意味しており，CO2 対策では常に経済的な考慮が望まれる．火力プラントの高効率化は実用化に向けた技術的検証が十分になされれば，イニシャルコストの発生はあっても総合的な経済性に優れた有効な手段であ

：原子力
：石油火力
：再生可能ほか：石炭火力：天然ガス火力：水力

2000 2005 2010

2020

2030

西暦（年）

図１

世界の燃料別発電量の推移

世界の発電量は更に急増し，メインは石炭と天然ガスを使ったプラントである．

る．本論文では，背景としての世界の発電量の現在及び今後を再認識するとともに，火力発電プラントのメイン機種である石炭及び天然ガス焚きに関して高効率( )国によるものであり，特にアジアだけで約５割（中2．火力プラント発電量の推移

国，インドだけで約４割）を占めるとみられており，（1）燃料別発電量の推移

途上国向けの CO2 対策は必須事項である．
(1)

図１に世界の燃料別発電量の推移を示す ．世界（3）燃料価格の推移の発電量は増大を続けており，特に今後更なる増加

図３はここ 10 年間の化石燃料価格の推移を示しが予測されている．主な要因は，現在から 2030 年たものである 2 ．世界の発電量が増加傾向を示した

までの伸び率が最も高い天然ガス火力（4.2 ％）と2000 年頃から石炭を除く燃料価格の上昇傾向が現石炭火力（2.6 ％）である．それぞれ，環境性（天れ，アジアにおける発展途上国のエネルギー依存度

然ガスからの CO2 発生量は石炭に比べ約４割少なが高まった 2004 年半ばからは石炭を含め全燃料価い）及び経済性（石炭の価格は天然ガスの約 1/2 以格が更に急増している．今後も上昇が見込まれるた下）からの選択である．

めプラントの高効率化は発電原価低減対策としても技術本部長崎研究所主幹 工博
長崎造船所ボイラ技術部長＊3
技術本部高砂研究所ターボ機械研究室主席＊2

図２は世界の地域別発電使用燃料量の推移を示したものである 1 ．今後の増加量の約８割は発展途上化への取組みの概要を述べる．

＊1（2）地域別発電使用燃料量の推移( )4 000：アフリカ：オセアニア

年平均伸び率（％）
1980〜2005 2005〜2030

6 000
5 000

：欧州非 OECD
：中南米
：中東

世界

1.9

1.9

アジア

4.5

2.9

北米

1.1

1.0

3 000

14 000
12 000
10 0002 000

402008 000

141021その他
欧州

アジア 北米 欧州 その他

6 000

北米

4 000
2 000

アジア
1980

1990

2000 2005 2010

2020

2030西暦（年）
1980

1990

2000 2005 2010

2020

2030

図４西暦（年）

図２

2005〜2030年増加量
60 5501971

1 00001971

7（％）

発電使用燃料量（石油換算百万トン）

：アジア
：北米
：欧州 OECD

CO2 排出量（炭素換算百万トン）

三菱重工技報 VOL.45 NO.1: 2008

世界の CO2 排出量の推移

2005 年から 2030 年には 1.6 倍に増加．この増加分の半分以上がアジアである．

世界の地域別発電使用燃料量の推移

今後の増加量のほとんどは発展途上国で，特にアジアだけで約５割を占める．

ネルギー効率向上を目的に蒸気条件の高温高圧化が
進 め ら れ て い る． 超 々 臨 界 圧（USC：Ultra Super

7

CIF 価格（円/Mcal）

6：LPG：原油：LNG

Critical）条件の最新の石炭火力の効率は 43 ％（発電：無煙炭：原料炭：一般炭端，HHV 基準）であり，従来に比べ CO2 排出原単位を３〜４％低減可能としている．図５に示す東京電

5力（株）広野発電所５号機（2004 年 7 月営業開始）は，

4

主蒸気圧力 24.5 MPa，主蒸気温度 600 ℃／再熱蒸気3

温度 600 ℃の世界最高水準機であり，高効率発電を達2( )成している 3 ．高蒸気条件に対応するため，蒸気ター

1

ビンには高温材料・冷却技術に加え 600 MW 級初の0'97/01 '98/01 '99/01 '00/01 '01/01 '02/01 '03/01 '04/01 '05/01 '06/01 '07/01

２車室タービンの採用及びスチール 48 インチ ISB（インテグラルシュラウド構造）翼の採用，またボイラに

年/月

図３

は高温材料，ライフル管を使った垂直管型火炉のほか

燃料価格の推移

アジアにおける発展途上国のエネルギー依存度が高まった 2004 年半ばから石炭含め燃料価格が急増．今後も上昇が見込まれる．に，A-PM（アドバンストポリューションミニマム）バーナ，MRS（三菱ロータリセパレータ）ミルを使った低 NOx，低未燃分燃焼技術等の最新技術が採用されている．石炭火力の高効率化は蒸気条件の向上であ重要である．
（4）CO2 排出量の推移( )図４は世界の CO2 排出量の推移を示している 1 ．
化石燃料を使用した結果，2005 年の炭素換算 75 億トンから 2030 年には約 1.6 倍の 117 億トンまで増加すると言われている．この増加分の半分以上がアジアであり，北米，欧州と続く．CO2 排出量低減の一つの対策は新設及び既設火力プラントの高効率化であり，早急に有効な技術開発が望まれる．

低 NOx A-PM バーナ
燃焼状況

3．高効率化への取組み
火力発電プラントで使用するメインの燃料は石炭及び天然ガスであり，両者の高効率利用は CO2 低減対策に不可欠である．
石炭焚き発電プラントでは単機容量の増大と熱エ

図５

超々臨界圧石炭火力プラント（東京電力（株）広野発電所５号機 600 MW）

世界最高水準の蒸気条件 24.5 MPa，600/600 ℃で高効率発電を達成．また，A-PM バーナ等の採用で高環境性を実現している．

三菱重工技報 VOL.45 NO.1: 20088

図７1 500 ℃級 GTCC プラント（東京電力（株）川崎火力発電所１号系列）

最新の G 型ガスタービンを採用した高効率発電プラン
ト．

( )図６250 MW 級空気吹き IGCC 実証機（（株）クリーンコールパワー研究所建設）

高効率石炭利用の有望新技術であり，現在高効率・高信頼性検証中．

を示す 5 ．GTCC の高効率化は燃料が天然ガスであることも相まり CO2 対策に有効であることから，さらにガスタービンの高効率化を狙った 1 700 ℃級の開発（国プロ）が進められている．当社もこれに参画し，効率 62 〜 65 ％（送電端，LHV 基準）の実用化を目り，次世代の超々臨界圧プラントとして欧州・欧米諸国と同様に我が国でも 700 ℃級の A-USC 技術開発を国プロで推進する動きがある．効率は 46 ％（送電端，指している．

4．まとめ

以上のように，火力プラントからの CO2 排出量はHHV 基準）を目論んでいる．
一方，石炭のもう一 つ の 高 効 率 利 用 法 に 石 炭ガ膨大であり，今後の世界のエネルギー需給の伸びからス 化 複 合 発 電（IGCC：Integrated Gasiﬁcation

考えても早急に排出量低減に向け取り組まなければな

Combined Cycle）がある．IGCC は石炭の部分燃焼らない重要課題である．当社は CO2 問題に影響度の（ガス化）により CO 及び H2 等の可燃性ガスを製造

大きい石炭及び天然ガス焚きプラント等の高効率化にしガスタービンで燃焼する技術であり，海外では既に積極的に取り組み，環境保全貢献に努めている．個々

300 MW 級の酸素吹き IGCC 大型プロジェクト（化プラントの技術開発の状況と貢献度を後述するので参学製品原料製造用）が進められている．我が国では照いただきたい．

発電用としてより高効率，高信頼性の空気吹き IGCCの確立に向けて開発を進めている．図６に，国内電力会社が共同で設立した（株）クリーンコールパワー研究所が国の補助を受けて建設し，技術検証中の 250 MW( )級空気吹き IGCC 実証機の外観を示す 4 ．1 500 ℃級
G 型ガスタービンを適用した IGCC の発電効率は 48〜 50 ％（送電端，LHV 基準）であり，一刻も早い商用機の登場が望まれる．
天然ガス利用のガスタービンコンバインドサイクル（GTCC）発電の効率は，これまで 1 100 ℃（D 型），1 350 ℃（F 型），1 500 ℃（G 型）とガスタービン入参 考 文 献（1）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，2007 資料．
（2）財務省貿易統計（2007）（3）門馬弘昌ほか，最新鋭石炭焚き 600 MW 発電プ
ラント 東京電力（株）広野火力発電所５号機 の営業運転開始，
三菱重工技報 Vol.41 No.5（2004）（4）（株）クリーンコールパワー研究所ホームページ．
（5）塚越敬三ほか，高効率ガスタービンの運転実績と今後の開発動向，三菱重工技報 Vol.44 No.4
（2007）

口温度の高温化で継続的に向上させてきた．1 500 ℃
級 GTCC で は 効 率 58 〜 60 ％（ 送 電 端，LHV 基準）を達成している．図７は 1 500 ℃級 50 Hz 機のM701G2 が設置された東京電力（株）川崎火力発電所第１号系列（１軸コンバインドプラント×３）の外観

一ノ瀬利光

菱田正志

伊藤栄作