三菱重工技報 Vol.50 No.2 (2013) 船舶・海洋特集

技 術 展 望52

天然ガスを燃料とする環境負荷低減船舶
Environmental Friendly Ship with LNG as Fuel

雲 石 隆 司 *1
Takashi Unseki

今まさに船舶に対する環境保全・改善への要請が高まっており，国際海事機関（IMO）において NOX，SOX のみならず，トン・マイル当たりの CO2 排出量も規制（EEDI：Energy Efficiency DesignIndex）することが批准されている。それらに対応する有望策の一つとして，これまで使用していた重油燃料を LNG 燃料へと変換することが検討，実施されている。本報では当社開発の LNG 燃料を適用することで環境負荷の低減を図ったコンセプト船を紹介する。

|1. はじめにIMO の 2016 年より適用される NOX 排出３次規制は１次規制比 80％減と機関内部の燃焼技術改善のみでは達成困難なレベルと考えられ，各種技術の組合せ，あるいは別のアプローチが必須である。また CO2 排出規制（EEDI）は機関の NOX 排出削減技術にとっては相反するものである。SOX 規制に関しては 2015 年より ECA（大気汚染物質放出規制海域）域内においては燃料中の硫黄分含有量が 0.1％以下に規制され，Global 域でも 2020 年から 0.5％に規制されるため低硫黄燃料への転換，脱硫装置等，技術革新が求められている。それら規制に対する解決策の一つとして，これまで主として使用していた重油燃料を LNG 燃料に転換することで，NOX を大幅に削減できる可能性があり，また LNG は硫黄分を含有していないため SOX フリーである。更に燃焼による CO2 発生も低減傾向にあるためその将来は有望である。当社は LNG 燃料を船舶に適用する際の課題を整理し，LNG を燃料とすることで，環境への負荷を大幅に低減した ROPAX（Roll-on/Roll-off Passenger）と VLCC(Very Large Crude Oil Carrier)を開発した。

|2. IMO 環境規制
2.1 ECA海洋においては 2005 年開催の IMO MEPC53（第 53 回海洋環境保護委員会）においてバルト海と北海の一部を ECA に指定。続いて 2009 年 MEPC59 では米国，カナダの沿岸 200 海里もECA に指定され，今後も段階的な規制強化，及び指定海域も拡大される。特に 2016 年から適用される NOX３次規制では ECA 域内において１次規制対比 80％削減を目標としている（図１）。また，SOX に関しても 2015 年より ECA 域内においては燃料中の硫黄分含有量が 0.1％以下に規制される（図２）。

*1 船舶・海洋事業本部 船海技術総括部 技監・主幹技師

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図１ IMO NOx 規制

図２ IMO 及び CARB(カリフォルニア大気資源局)の Fuel Sulfur 規制

2.2 燃料油使用による ECA 対策技術
各機関製造者において検討されている対策技術概要は以下のとおりである。SOX 対策については低硫黄燃料への切り替え以外に，排ガスを海水または清水（中和剤注入）により洗浄し，排ガス中の SOX を規制値まで低減する装置が検討，搭載されている（図３）。
NOX 対策については機関形式により対策，検討内容も多岐にわたり，排ガス脱硝装置（図４），排ガス再循環システム（図５）等，複数の技術が検討されている。

図３ 排ガス脱硫装置

図４ 排ガス脱硝装置

図５ 排ガス再循環システム

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2.3 LNG 燃料使用による ECA 対策技術
燃料油を LNG 燃料に転換することにより，特に４サイクル機関では最も厳しい規制に適合するだけでは無く，それを超える環境特性を有することが確認されている。特に Spark Igniter 着火方式のガス機関においては排ガス中の SOX 及び PM はほぼ 100％削減が可能であり，NOX 及びCO2 も各 90％以上，20％以上の削減が可能（図６）。ただし，現状の４サイクル機関の大きな課題
は，１～２％のメタンスリップ（未燃焼メタンの排出。メタンは温暖化係数 CO2 対比 25 倍）が発生することで，これを削減するための技術が検討継続されている。

図６ ４サイクル機関マリン Diesel Oil と LNG 燃料の Emission 比較|3. LNG 燃料船の課題
3.1 LNG タンク方式
タンク方式については表１に示すように５種類の形状／形式が想定される。それぞれに長所，短所があり，また付帯設備にも大きく差が出てくるために，適用する船舶の運航形態，燃料消費量，LNG タンクスペースの制限等を考慮してタンク方式を選定する必要がある。
表１ LNG タンク方式比較
IMO Type B

IMO Type B or C

外部防熱式

外部防熱式

外部防熱式

IMO Type C

独立 方形タンク

独立 球形タンク独立 円筒形タンク

真空断熱 CE 式
船上設置式

LNG トレーラ式

形状

・10bar 設計可長所

・タンク形状自由・10bar 設計可・10bar 設計可・内部構造シンプル

・高圧化可能・内部構造シンプル

・内部構造シンプル・PBU 方式/Gas 圧縮・内部構造シンプル

・PBU 方式/Gas 圧縮 ・PBU 方式/Gas 圧縮機不要

機不要

・港を選ばず/陸上施機不要

設不要
・BOG/タンク圧制短所御要・内部構造複雑・ 高 圧 化 /BOG

要検討ratio 減
・陸側 BOG 処理装
置・タンク形状自由度無し（積付け効率悪い）
・BOG/タンク圧制御（許容圧次第）・ローディング時間長 ・ローディング時間長
いい・胴径製作制限

・胴径製作制限（許容圧次第）・固縛/安全対策
・ローリー搭載/固定・高圧化/BOG ratio 減
・陸側 BOG 処理装置

・容量小/複数装備

・スロッシング対策

・スロッシング対策

方法
・船内配管接続方法
・安全対策

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3.2 LNG 焚き推進プラント
LNG 燃料主機関として表２の様にガス専焼機関，Dual Fuel 機関（2 Cycle 低速，4 Cycle 中速），及び蒸気タービンの候補がある。一般商船の場合，タービンプラントの採用可能性は少ないと考えるが，ガス専焼機関採用の場合は Dual Fuel（ＤＦ）機関には要求されない，LNG タンク，及び推進システムのバックアップを装備することを IMO IGF コードにて規定している。ちなみに既存機関として最も燃費の良い重油燃料低速 Diesel 機関をベースに DF 低速 Diesel 機関，DF 中速Diesel 機関，及び LNG 焚きリヒート蒸気タービン(Re-heat Steam Turbine)の環境負荷比較を図７に示す。CO2 排出に関しては燃費の良い DF 低速 Diesel 機関が最も低い。対照的なのが蒸気タービンで CO2 はわずかに増加するが，その他はほぼゼロに近い。
表２ LNG 燃料焚き 機関比較
ガス専燃機関Dual Fuel 機関

Dual Fuel 機関リヒート

4 Cycle(中速)

4 Cycle(中速)2 Cycle(低速)

蒸気タービン

パイロット燃料油

パイロット燃料油

不要

点火方式

スパークイグナイタ

LNG タンク

２-Tank 以上要

NOx-Tier III 対応

可能

補助推進システム

要

Gas fuel 遮断時の減速航行対応
その他

バックアップ推進システム必要

1-Tank で可可能

後処理等，可能

追加対策要

不要

不要

不要

燃料油運転に燃料油運転に燃料油運転に切替え切替え

切替え

ディーゼルモードで低負荷（約 20％）の燃費不利

以下で（低圧縮比）

Gas 燃焼不可

LNG タンク
スペース大

図７ LNG 燃料機関 Emission 比較|4. LNG 燃料船のコンセプト設計 ROPAXLNG 燃料適用の ROPAX のコンセプト設計を以下に紹介する。
乗客：600 人乗り，トレーラ：150 台，常用速力：23 ノット（航続距離：450 海里）

4.1 LNG タンクの選定
LNG タンク方式については内航 ROPAX の運航形態，燃料消費，タンクスペースの制限から真空防熱加圧タンクを採用した。加圧型とすることで PBU（Pressure Built Unit）方式で LNG 燃料を主機関に供給することが出来，また BOG（Boil Off Gas）の処理装置も不要なため，他のタンク方式に比べ比較的にシンプルな設計となっている。設置場所については安全面を考慮すると旅客区画から離れた船尾暴露甲板上への設置が望ましいが，今回想定の内航 ROPAX では LNG タンク，及び以降に述べる電気推進システムの重量が数百トンレベルとなり，復元性，トリム性能の確保，及び推進性能への影響を最小限に抑える観点から，船体中央付近の機関室船首側に隣接した甲板下スペースに配置している（図８）。

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図８ ROPAX LNG 燃料推進プラント配置

4.2 LNG 焚き推進プラント
ROPAX の機関室配置要件，及び航行中の機関負荷変動によるノッキング，さらにはガス失火を避けるため Dual Fuel 4 サイクル中速機関と２軸電気推進システムの組合せとした（図９）。今回のコンセプト設計船と既存船の環境負荷を比較すると表３となる。重油燃料焚き中速 Diesel 直結２軸の推進プラントから，LNG 燃料焚き Dual Fuel 中速 Diesel２軸電気推進プラントに変更することで，電気変換ロスによる燃費悪化を含めても，CO2 で 25％，NOX で 87％，SOX では 98％の削減が図られている。これらは IMO 規制値を遙かに下回る環境特性を示している。

Dual Fuel 発電機関

図９ ROPAX LNG 燃料推進プラント
表３ ROPAX Emission 比較
ROPAX Emission 試算
中速 Diesel ２機２軸 CPP

HFO.：3％S，MDO：0.5％
DF Diesel 電機推進 ２機２軸(Controllable Pitch Propeller)

FPP (Fixed Pitch Propeller)

旅客定員
車両台数

約 600 名12m トレーラ
乗用車

約 155 台約 50 台

航海速力－
約 23 ノット

主機関

12 000kW×2sets

－

主発電機関

－

8 400kW×2sets

補助発電機関

1 270kW×3sets

航海時間
年間航海数
年間の燃料消費Emission

5 400kW×2sets
19.5 時間
300 航海FO.

（k-t/年）

26LNG（k-t/年）－0.2

CO2（k-t/年）

82

62-25％

NOx（t/年）

1 398

233-83％SOx（t/年）

1 432

28-98％

23

LNG 燃料採用により，NOX Tier-III/SOx 全ての規制を満足三菱重工技報 Vol.50 No.2 (2013)

57|5. LNG 燃料船のコンセプト設計 VLCCLNG 燃料適用の VLCC のコンセプト設計を以下に紹介する（図 10）。
Cargo Capacity：35500m3，常用速力：15.5 ノット，LNG 燃料容量：日本-ペルシャ湾(PG)往復

図 10 LNG 燃料 VLCC 外観図

5.1 LNG タンクの選定
VLCC の LNG タンク容量は日本-PG の往復を考慮すると 8000m3 を超える大型になるため，真空防熱方式は採用できない。しかし配置場所である暴露上甲板は特段のスペース制限が無いため，横円筒型外部防熱 Type-C タンクを採用した。

5.2 LNG 焚き推進プラント
VLCC に要求される推進馬力，燃費効率，排熱回収・発電プラントを考慮し，DF 低速 Diesel機関を採用した。LNG 燃料は LNG を高圧ポンプにて加圧し，常温まで昇温して供給する方式とした。Cargo Pump Turbine 駆動蒸気を供給する補助ボイラは Dual Fuel 仕様とし，LNG タンクから発生する BOG をガスヒータ経由ボイラに供給・燃焼させ，発生した蒸気をタービン発電機を駆動・発電させて，その電力を軸加勢モータにより推進加勢させ，回収する（図 11）。

図 11 VLCC LNG 燃料 推進プラント

今回のコンセプト設計船と既存船の環境負荷を比較すると表４となる。重油燃料焚き低速Diesel 推進プラントから，LNG 燃料焚き仕様（Plant-A）に変更するだけで，CO2 で 14.4％，NOXで 12.6％，SOX では 92％の削減を図ることが出来る。これに対し，最新の推進性能を更に折り込むことで，CO2 で 29.5％，NOX で 19.1％，SOX では 92.6％の削減を図ることが出来る（Plant-B）。
IMO NOX３次規制を満足するためには EGR (Exhaust Gas Recirculation) 等，他の技術組合せが必要である。

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表４ VLCC Emission 比較
VLCC Emission 試算
主機関仕様

低速 Diesel 重油焚き

航海速力

DF 低速 Diesel LNG 焚き

Plant-A

Plant-B

約 15.5 ノット

主機関

発電機関

DF 低速 Diesel LNG 焚き

27 000kW×76rpm
1 100 kW×1set

2 000 kW×1set－STG－－

2 000 kW×1set

D/G

1 100 kW×2sets

1 400 kW×2sets

1 400 kW×2sets

1 000 kW×1set

1 000 kW×1set

326 000

326 000

SGM
Cargo Capacity

355 000

年間航海日数
燃料消費

Emission

25 000 kW×63rpm

T/G

300 日

FO.

（t/d）

90

5.2

LNG（t/d）

－81.8

5.5

CO2（k-t/年）

84 60572 401-14.4％

59 649-29.5％NOX（t/年）

1 913

1 672-12.6％

1 548-19.1％

SOx（t/年）

1 811

145-92.0％

135-92.6％

66|6. まとめ燃料を LNG に転換するにあたり，船舶仕様の変更のみならず，LNG 燃料運搬，供給設備等のインフラ整備も含め，相当な投資を伴うため，それを進めることは一朝一夕には行かない。一方，
今後使用される燃料油にも環境に配慮した仕様が要求され，それに伴い低硫黄油の付加価値に加え，CO2 サーチャージも加算されると推測されていることから，価格の大幅な上昇も予測されている。そのため LNG 燃料転換の採否検討においては将来の燃料油価格，及び LNG 燃料価格推移予測が非常に重要なファクターになる。これまで，ガスの価格はある価格差を保ちつつ，原油価格のトレンドに沿って推移してきた。今後は更に低価格のシェールガスが燃料市場に投入されることで，石油燃料から環境特性の高い LNG 燃料への転換促進に繋がる可能性が高くなってきている。