技術報告

The Contribution of Eco-Product to the Stable Operation for Wind Turbines and Quantitative
Assessment of its Contribution to CO2 Emission Reduction
福嶋利保*1 濵野利幸*2

FUKUSHIMA Toshiho and HAMANO Toshiyuki

1. ‌はじめに算定は従来材 ( ベースライン材 ) と高機能材とのライフサ
イクル全体での CO2 排出量の差を比較することによって近年、地球温暖化防止策としてカーボンニュートラル社行った。定量的に評価するためには評価の前提条件を明確会の実現を目指す動きが世界的に加速し、具体的な方策・にし、使用する数値の出所も明確にする必要がある。そこ目標が表明されている。鉄鋼業界ではその実現に向け製鋼で本算出にはあたっては文献等の公知データや当社のファ工程、圧延工程、熱処理工程等で発生する CO2 排出量削減

クトデータ（実測値）を使用した。の取組みが始まっている。

２. ‌CO2削減の観点からみた風力発電の重要性について

当社は 2050 年カーボンニュートラルの実現に向けた
1)ロードマップを策定・公表した 。 当社は CO2 排出量を2030 年度までに 50％以上 (2013 年度比 ) の削減、2050年度カーボンニュートラル（実質ゼロ）を目標としている。

風力発電は再生可能エネルギーの主力としてさらなる拡その実現に向け、当社では自社の製造工程におけるエネル大が予想されている。特に洋上風力発電は陸上に比べて安ギー効率を高める「エコプロセス」やカーボンフリー電力定的に風力を確保し易い点や、大型の風力発電設備が設置等の「グリーンエネルギー活用」だけでなく、製品を使用し易い点等から、設置の増加が見込まれている。

する段階で CO2 排出削減に貢献する商品やお客様のエコまた洋上風力発電機は近年サイズが大型化する傾向であプロセスに貢献する商品である「エコプロダクト」等、ラり、Fig. 1 に示すように 2010 年に商用化された 3 MW

イフサイクル全体で CO2 排出量削減を推進している。カークラスで全高 100m 超え、2016 年の 8 MW クラスで全ボンニュートラルに貢献するエコプロダクトの一例として

高 180m 超え、近年開発が進められている 12MW クラス

は自動車 EV 化に伴う小型・軽量化や静粛性を重視した軸では全高 260m を超えるサイズとなる 2)。
風力発電機の概略構造は Fig. 2 に示すようにブレード・受、陸上・洋上を含む大型の風力発電用軸受等が挙げられる。これらの軸受の長寿命化による故障低減・メンテナンスフリー化や自動車部品等の耐久性向上による小型・軽量化に貢献する鋼材・ソリューションの研究・開発等を推進

સ߶ P

している。
風力発電増速機用軸受鋼は、当社の高清浄度技術を活かし、軸受の長寿命化を実現したエコプロダクトであり、風力発電の安定稼働を通じて CO2 排出量削減への貢献が見込まれる。本報告ではエコプロダクトによる CO2 排出削減貢献量を具体的かつ定量的に可視化することを目的とし、算定ロジック及び算定評価した結果について報告する。

*1*2

研究・開発センター
研究・開発センター

研究開発企画室
研究開発企画室

Fig. 1 洋上風力発電用の風車最大サイズ推移(IEA) 2)

企画グループ企画グループ長75

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特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

エコプロダクトによる風力発電の安定稼働への貢献とその CO2 削減貢献量の定量化

エコプロダクトによる風力発電の安定稼働への貢献とそのCO2削減貢献量の定量化

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

3.1

ハブ・ナセル・タワーといった部品から構成され、いずれ‌風力発電増速機用軸受鋼に要求される課題も大型の部品である。ナセル（保護カバー）内には、ギア

1) 故障率とダウンタイムを用いてブレードの回転を発電に必要な回転数まで増幅さ風力発電機の増速機の全体に占める故障率は調査実績 3)せる増速機、その回転を電力に変換する発電機、風速が強によると約 3 ％とわずかである。しかしながら、風発 1 基

すぎる場合に回転を停止するブレーキシステム、ナセルを当たりの故障・不具合による平均ダウンタイム ( 設備の稼風に正対させ風の効率を最適に保つヨーシステム等が格納働停止期間 ) が約 30 日であるのに対し、増速機の故障にされている。最近では増速機が無いダイレクトドライブ式

よるダウンタイムは、部品の製造、調達、輸送等に長期のの風力発電機も登場しているが、本報では増速機を有する期間が必要であることから、平均で約 170 日を要する。さタイプの風力発電機について、増速機用を対象とした軸受らに増速機の故障原因の調査結果から、その原因のほとん鋼について紹介する。

どが軸受に起因することが分かっている。
これらの故障状況の調査の結果に基づくと、風力発電の安定稼働には風力発電増速機用軸受の短寿命回避が特に重要であることがうかがえる。
2) 故障時の代替電源とそれによる CO2 排出風力発電機において増速機が故障し発電が停止した場
合、その停止期間中は、他の方法での代替発電によるバックアップが必要となり、国内の場合は主に火力発電による代替発電が行われる。Fig. 3 は各電源別のライフサイクル
CO2 排出量を示したものである。風力発電の CO2 排出は、火力発電の CO2 排出量より低いため、風力発電機が故障しFig. 2 風力発電機の構造模式図

代替電源が使用されれば、その期間はより多くの CO2 排出が生じることになる。
‌3. エコプロダクト（風力発電増速機用軸受鋼）について風力発電機における増速機の故障は、長期ダウンタイムの発生とダウンタイム中の火力を主体とする代替電源発電時の CO2 排出量の増加に影響を及ぼすと考えられる。各電

洋上風力発電は設置場所が洋上かつ高所であることによ源別のライフサイクル CO2 排出量の調査結果からも風力るメンテナンスの困難さが課題であり、その安定稼働によ発電増速機用軸受鋼の長寿命化は風力発電の安定稼働におる故障率の低減、メンテナンスフリー化が強く望まれる。

いて重要性が高い課題である。

風力発電機に使用される軸受用鋼材に対しては、これらの課題をクリアーするために一般鋼材以上の高い信頼性が求められ、それに応える高機能が要求される。

風力Fig. 3 各電源別のライフサイクルCO2排出量 4)76

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エコプロダクトによる風力発電の安定稼働への貢献とそのCO2削減貢献量の定量化‌エコプロダクト（風力発電増速機用軸受鋼）による貢献

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

3.2

風力発電増速機用軸受は設備の稼働期間中ブレードの回転を必要な回転数に増速するために回転し続けることから、転がり疲れに対する耐性を増して長寿命化することが設備の安定稼働に欠かせない課題である。当社は軸受の疲労破壊の起点となる非金属介在物を極限まで低減させる超高清浄度化技術を確立しており、さらにお客様における特殊熱処理（Super-TF ※）を組合せることにより、大幅な長寿命化を実現した。Fig. 4 に軸受鋼に特殊熱処理を組合わせた高機能鋼と従来鋼との寿命比を示す通り、軸受寿命比で約 4 倍もの長寿命化を達成している。
Fig. 5 故障率と経過年数の関係6)たことにより、風力発電設備 ( 増速機 ) の安定稼働、メンテナンスフリーの実現だけでなく CO2 排出量の削減にも貢献可能な材料である。
以降では、この風力発電増速機用軸受鋼を使用して風力発電の安定稼働を実施した際に得られる CO2 削減貢献量を以下に示すシナリオ比較により定量的評価した事例を報告する。
Super TF※軸受

4. シ‌ ナリオ比較による CO2 排出量の定量評価「Super TF」は、日本精工株式会社殿の登録商標であり、特殊環境下における軸受を長寿命化する熱処理技術です。

4.1‌シナリオ比較の考え方

一般的にはエコプロダクトはライフサイクルの各過程でFig. 4 高機能鋼と従来鋼の転がり疲れ寿命比較5)の環境負荷を少なくする等により、環境に配慮した製品やサービスを指すが、当社では「部品加工段階もしくは最終製品使用段階、あるいはその双方において CO2 削減に貢3.3 エ‌ コプロダクト(風力発電増速機用軸受鋼)の適用効果献する高機能鋼材」をエコプロダクトと定義し、日本鉄鋼現状の風力発電機の定格寿命は一般に 20 年程度と言わ連盟の「高機能鋼材の使用段階における削減量の評価につれている。増速機についてはその運転開始から経過年数といて」7) に沿って削減貢献量の評価を実施した。その概要

故障率の間に Fig. 5 に示す関係が提示されており、稼働初は従来鋼を使用する工程をベースラインシナリオ、エコプ期 4 年目以降に故障率の増加 ( 主に軸受損傷が原因 ) が認めロダクト（高機能材）をその代替として適用した工程を仮られる。他の国内レポートにおいても 9 年目以降の故障率想シナリオと設定し、両シナリオで想定される CO2 排出は増加傾向にあり、メンテナンス頻度が増加していることが量を比較し各シナリオによる差を定量的に評価する手法で報告されている。このように風力発電機が期待される寿命ある。製品の各段階におけるライフサイクルを考慮した際を満たせていない場合があることが現状では見て取れる。に、エコプロダクト適用による CO2 排出量の変化が想定さ

対して、風力発電機の増速機の軸受にお客様での特殊熱れる工程としては、Fig. 6 のように A ：素材製造、B ：部処理を組み合わせた当社高機能鋼を使用した場合、その材品加工、C ：輸送・組立、D ：製品使用時が挙げられ、A は料特性である長寿命化 (Fig.4、従来比で寿命４倍 ) と、運鋼材メーカーでの社内工程、B 以降は顧客での工程となる。

転開始から増速機の故障までの経過年数の関係 (Fig. 5) かベースライン
シナリオ

ら、増速機における軸受に起因する故障率は定格寿命 20
年内でゼロにすることが可能と考えられる。
この長寿命化効果によって故障発生が抑止されることで、従来鋼使用の場合の故障時に発生しうる代替発電に伴う多量の CO2 排出削減が可能になると考えられる。

Fig. 6 シナリオ概要イメージ

エコプロダクトとしての風力発電機増速機用軸受は高清浄度技術および特殊熱処理を適用してその長寿命化を図っ

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エコプロダクトによる風力発電の安定稼働への貢献とそのCO2削減貢献量の定量化

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

今回は、A ～ C の工程での CO2 排出量は従来鋼と高機能・算出方法 : 故障期間中の代替発電によって排出される鋼でほぼ同等とし、D の製品使用時にのみ CO2 排出量に変CO2 量を算出化が生じるとして、その変化量を定量評価し、その差分を⇒風力発電増速機用軸受鋼（当社材）使用にエコプロダクト（高機能材）の CO2 削減貢献量として算出

より風力発電機が安定稼働することで代替発した。なお、社外に対して客観性のある貢献量を提示する電が不要となることを想定ため、算出にあたっては文献等の「公知データ」と「当社・算出対象：日本国内で稼働する風力発電機のファクトデータ」に基づいた数値を使用した。

( 定格寿命 20 年 )・使用データ：公知文献、ファクトデータ ( 当社データ含む )4.2 エ‌ コプロダクトの CO2 削減貢献量の定義
4.4

風力発電は発電時に CO2 をほとんど排出しないグリー‌算出式とそのパラメーターンなネルギーであるため、通常発電時の CO2 発生量はわ

高機能鋼使用による年間 CO2 削減貢献量（t-CO2/ 年）

ずかであるが、故障で設備が停止すれば、火力発電等の代は、前述の通りベースラインシナリオにおける代替発電時替電源での発電が必要となり、その代替発電時には多くのに発生する CO2 排出総量に等しいと考えることができ、そCO2 が排出される。の量は（A）高機能鋼使用により代替発電が抑止された風力そこで、従来鋼を使用した風力発電増速機にて、故障発発電基数と、（B）風力発電 1 基当たりの代替発電時の CO2生に伴い代替発電が生じる場合をベースラインシナリオと排出量（t-CO2/ 基）の積として以下の〔1 式〕にて算出さし、高機能材である当社高機能鋼を使用することで、従来れる。

鋼使用時の増速機の故障がゼロになり、CO2 排出が多い代〔高機能鋼使用による CO2 削減貢献量 (t-CO2/ 年 )〕替方式による発電が不要となる場合を仮想シナリオとしてシナリオ構築を行った。

=（A）〔‌1 年間に高機能鋼が使用された風力発電基数 ( 基 /その結果、Fig. 7 に示すように高機能鋼使用による CO2削減貢献量は、ベースラインシナリオの代替発電時に発生年 )〕する CO2 排出総量に等しいと考えることができる。

×（‌B）〔ベースラインシナリオの代替発電時の CO2 排出量 (t-CO2/ 基 )〕・・・〔（1）式〕=（‌a）高機能鋼年間販売量（t/ 年））÷（b）高機能鋼使用量（t/ 基）
×（c）平均発電容量（KW/ 基）×（d）設備利用率（％）×（e）増速機故障時のダウンタイム（h）
×（ f）軸受起因の増速機故障率（％）×（g）国内エネルギーミックス排出係数‌- 風発排出係数（t-CO2/kWh）（a）高機能鋼販売量（t/‌年）…【当社ファクトデータ】
当社が 2021 年度に販売した高機能鋼の量。
（b）‌高機能鋼使用量（t/ 基）【顧客から得た概略値】

Fig. 7

風力発電設備 1 基の増速機に使用される軸受鋼の量。

‌ベースシナリオと仮想シナリオのライフサイクル
CO2排出総量の比較（c）‌平均発電容量・・・1,780（KW/ 基）風力発電設備 1 基当たりの発電容量。
2021 年 12 月末時点、設置基数

4.3‌CO2 削減貢献量の算出条件

総容量2574 基 8）4581MW8）9）（d）設備利用率・・・23.9（％）‌

高機能鋼使用による CO2 削減貢献量の算出を行うにあたって、以下の前提条件を適用した。

風力発電設備を定格出力で運転を続けた発電電力量に・対象部品：風力発電機増速機用軸受

対して、実際に発電した電力量の割合。
（e）‌ダウンタイム・・・4,080（h）10）・対象鋼種：風力発電増速機用軸受鋼（当社材）

増速機起因の故障による風力発電設備の平均停止日数。

・期待効果：軸受長寿命化による増速機の故障率低減（ f ）故障率（％）‌・・・3.0（％）10）⇒故障期間中の火力発電をベースとした代替発電にて排出される CO2 の削減が可能と想定

全コンポーネントに占める増速機の故障率

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エコプロダクトによる風力発電の安定稼働への貢献とそのCO2削減貢献量の定量化（2019）, 19-276）	‌田中和宏，足立慎一，宗像明彦，飯田誠

代替発電の CO2 排出係数は、国内における火力発電等の風力エネルギー利用シンポジウム 37 巻（2015）,

各種発電方式を合わせて供給する電力をまかなう発電方法

381-384

であるエネルギーミックス（E.M.）の考え方を用いて、国7）	‌一般社団法人日本鉄鋼連盟 , 高機能鋼材の使用段階に内の電源構成割合 11) と各電源の電力供給量 1kWh 当たりの CO2 排出量12)

おける削減貢献量の評価について ,（2017）に基づいて算出した。各電源の CO2 排出8）	‌一 般社団法人日本風力発電協会 ,2021 年末日本の量には、ライフサイクルを考慮して、発電時の燃料燃焼時

風 力 発 電 の 累 積 導 入 量 , 入 手 先 <https://jWpa.jp/

だけでなく、設備の設置・運用時の CO2 排出量も含まれて

information/6225/>いる。

9）	‌経 済 産 業 省 , 風 力 発 電 競 争 力 強 化 研 究 会 報 告 書 ,（2016）, 12

4.5‌算出結果10）	‌デロイトトーマツコンサルティング共同 風力発電業

高機能材 ( 風力発電増速機用軸受鋼 ) による風力発電の界の構造調査（2018 年 3 月 16 日）

安定稼働による CO2 排出削減貢献量を（1）式を用い、文11）	‌資源エネルギー庁 , 総合エネルギー統計

献等の公知データや当社ファクトデータに基づいて算定し需給実績 2018, 参考 4,（2018）

13)

た結果、約 1.5 万（t-CO2/ 年）であった。

12）	‌関西電力：原子力発電について

なお、算定においては日本国内の電源構成や、風力発電

子力 ,エネルギー

エネルギー問題と原入手先 <https://WWW.kepco.co.jp/energy_

故障時には火力を中心とした電源が速やかにバックアップ

supply/energy/nuclear_poWer/noWenergy/need.

として稼働すること等を前提とした。

html>,（参照 2022-8-1）13）	‌HAMANO Toshiyuki and FUKUSHIMA Toshiho,5.‌おわりにContribution from Materials to the Stable
Operation of Bearings in Wind Turbine Gearboxes,
28th IFHTSE 2023

エコプロダクトである風力発電増速機用軸受鋼を対象に、CO2 排出削減貢献量の算出を行った。算出にあたり、「一般風力発電増速機用軸受」と「顧客における特殊熱処理を組み合わせた当社風力発電増速機用軸受（当社高清浄技術を適用）」とのライフサイクル全体でシナリオを比較する手法を用いた。算出に必要なデータは公知文献や当社のファクト数値を用い、国内エネルギーミックス等の前提で定量的な CO2 排出削減貢献量は約 1.5 万（t-CO2/ 年）13)であった。
当社は、カーボンニュートラル社会の実現に向けて社内の製造工程で発生する CO2 量削減だけでなく、エコプロダクトを通じた製品ライフサイクル全体での CO2 削減への貢献を目指し、研究・開発を推進して参ります。

6. 参考文献1）	‌山陽特殊製鋼レポート 20212）	‌IEA, Offshore Wind Outlook 2019: World Energy
Outlook Special Report, Figure 3,（2019）, 203）	‌国立研究開発法人

新エネルギー・産業技術総合開発

機構：風力等自然エネルギー自術研究開発風力発電高度化研究開発スマートメンテナンス技術研究開発（分析）（リスク解析等）,（2018）4）	‌日本原子力文化財団

原子力 ･ エネルギー図案集「【2-1-9】種電源別のライフサイクル CO2 排出量」5）	‌K . L. Lee, NSK Technical Journal, No.691,

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特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究（g）CO‌ 2 排出係数（t-CO2/kWh）