浮体式洋上風力発電
浮体式洋上風力発電(ふたいしきようじょうふうりょくはつでん)とは、洋上風力発電の一種で、洋上に浮かんだ浮体式構造物を利用する風力発電である。水深50mを超えると着床式では採算性が悪化するので、50m～200mの海域では浮体式風力発電機が設置される。
2009年にノルウェーのスタヴァンゲル洋上10kmに浮かぶHywindが世界で初めて実用化されて以降、ポルトガルのPóvoa de Varzim沖に設置されたWindFloatなど、世界各国で設置が進んでいる。今後もさらなる普及が期待されており、特に潜在的に最も主要なマーケットは日本であると、Hywindを供用したエクイノール社は主張している。
日本は欧州などと異なり遠浅の海岸が少ないため、浮体式の実用化が洋上風力発電普及の鍵になると見られている。日本では、2011年に初の実証試験が長崎県五島市の椛島（かばしま）沖で実施され、2014年には日本初の浮体式洋上風力発電所であるふくしま未来（発電機の名称はMitsubishi SeaAngel）が福島県楢葉町沖20kmに設置された。2015年にはふくしま未来に世界初の大規模事業として集合型風力発電所が建設される予定である。国土交通省と経済産業省は、国内外で事業展開しやすい環境を整備するため、安全基準の策定、技術開発、国際標準化を進める。
外洋では風を遮るものが無いため、陸上や陸地に近い洋上よりも強く安定した風力が利用できるが、水深が深すぎるために着底式の風力タービンが建設できないことがある。浮体式構造物を利用することで、そのような場所でも風力発電を行うことが可能となる。
浮体式洋上風力発電のコンセプトはマサチューセッツ大学のWilliam E. Heronemus教授が1972年に考えついたものであるが、風力発電の商業性が確立された1990年代半ばに至って再注目され、ようやく実現に向けての本格的な研究が始まった。
既存の着底型の風力タービンによる洋上風力発電は水深30メートルのところまでに限られていたが、水深600メートルまでの外海における風力発電のリソースは比べ物にならないほど豊富であり、また海底電力ケーブルを介して海沿いにある都市まで送電するのは困難なことではない。
2009年現在までに、2つの浮体式洋上風力発電施設が操業された。2017年、イギリスのスコットランド沖でノルウェーのエネルギー企業スタットオイルが世界初の浮体式商用洋上風力発電所を稼働させた。
Blue HはオランダのBlue H Technologies社によって、イタリアのプッリャ州の南東、陸地から21キロ、水深113メートルの南アドリア海洋上に2008年に設置された。実際に運用されたものとしては世界初となる浮体式洋上風力発電施設ではあるが、発電能力わずか80キロワットであり実用的な物ではなく、風力と海の状態をテストするためのプロトタイプ機である。設置されてちょうど一年後の2008年末に退役した。
Blue H Technologies社はこのプロトタイプ機において、「tension-leg platform」と呼ばれる係留システムと、2枚のブレードによるタービンを利用した。2枚のブレードによる風力タービンは3枚のブレードよりも大きな翼弦をとることができ、末端のスピードをより大きく出来るメリットがあったが、一方で騒音公害も大きくなるデメリットがあった。しかし人家から遠く離れた外洋では、騒音公害を気にする必要が無いのである。
、Blue H Technologies社は退役したプロトタイプ機の後継となるフルスケールの商用の2.4 MWタービンをイタリアのブリンディジにて建設中である。2010年にはこのタービンを、プロトタイプを設置したのと同じ場所に設置する予定であり、それが38基(90MW)の浮体式洋上風力発電タービンからなるTricase洋上風力発電所における最初のタービンとなる予定である。
Hywindは、スタトイルハイドロ社（現：エクイノール）によって2009年6月に供用された。実用的な大容量の浮体式洋上風力発電タービンとしては世界初の施設である。2009年6月、120メートルの高さを持つTechnip社製の浮体式のタワーと、2.3MWの発電能力を持つSiemens Wind Power(シーメンス)社製の風力タービンが、海が穏やかなスタヴァンゲル市近郊にあるÅmøyフィヨルドにて組み立てられた後、Karmøy村の南西10キロ、水深220メートルの地点まで曳航され、2年間のテストに供された。
基礎部分を所有するのはエクイノール社である。エクイノールのAlexandra Beck Gjorvは、「この実験はこれまでの洋上風力発電を別次元に引き上げる手助けとなるだろう（中略）浮体式洋上風力発電の潜在的なグローバル市場は巨大であり、そのコストをどれだけ下げられるかにかかっている」と語っている。
エクイノールはまた、「浮体式洋上風力発電は未熟であり商用化は厳しい」とも発言している。
この世界初の実用化された浮体式洋上風力発電タービンは、建設と設置に約4億クローネ(6200万ドル)もかかった。
Hywindは年間約9GWhの電力を生み出すと期待されていたが、実際には2010年度に7.3GWhの電力を供給し、11メートルの波にも無傷で耐え、ノルウェーの電力網に電力を供給し続けた。
浮体式洋上風力発電は2つのタイプに分類できる。
浮体式構造物を海中で係留する主なシステムは、広義には以下の3種である。より狭義には、とCatenary mooring systemsの2つといえる。
"Technically, the [theoretical] feasibility of deepwater [floating] wind turbines is not questioned as long-term survivability of floating structures has already been successfully demonstrated by the marine and offshore oil industries over many decades. However, the economics that allowed the deployment of thousands of offshore oil rigs have yet to be demonstrated for floating wind turbine platforms. For deepwater wind turbines, a floating structure will replace pile-driven monopoles or conventional concrete bases that are commonly used as foundations for shallow water and land-based turbines. The floating structure must provide enough buoyancy to support the weight of the turbine and to restrain pitch, roll and heave motions within acceptable limits. The capital costs for the wind turbine itself will not be significantly higher than current marinized turbine costs in shallow water. Therefore, the economics of deepwater wind turbines will be determined primarily by the additional costs of the floating structure and power distribution system, which are offset by higher offshore winds and close proximity to large load centers (e.g. shorter transmission runs)."
, the practical feasibility and per-unit economics of deep-water, floating-turbine offshore wind is yet to be seen. Initial deployment of single full-capacity turbines in deep-water locations began only in 2009.
, new feasibility studies are supporting that floating turbines are becoming both technically and economically viable in the UK and global energy markets. "The higher up-front costs associated with developing floating wind turbines would be offset by the fact that they would be able to access areas of deep water off the coastlne of the UK where winds are stronger and reliable."
The recent Offshore Valuation study conducted in the UK has confirmed that using just one third of the UK's wind, wave and tidal resource could generate energy equivalent to 1 billion barrels of oil per year; the same as North Sea oil and gas production. Some of the primary challenges are the coordination needed to develop transmission lines.
浮体式洋上風力発電を実用化するため、環境省は日本初の実証実験を長崎県五島市の椛島沖で計画している。まず、100kW以下の試験機を設置して各種の調査を行い、2MW級の実証機の開発を目指している。京都大学が事務局となり、環境影響評価手法の検討、基本設計などを行った結果、浮体式洋上風力発電に適していると判断され、地元の賛同が得られたことから当地が選ばれた。海上保安庁の海底地形図によると、水深は約100mであり、浮体を設置できる。また、NEDO局所風況マップによると、年平均風速は7.0m/秒（高度70m）であり、十分な事業可能性があるとされている。
計画のスケジュールは次の通りである。
さらに、東日本大震災に伴う福島第一原子力発電所事故が発生した福島県の復興支援のため、浮体式洋上風力発電所が計画されており、2011年度第3次補正予算案に実証試験の予算の一部が盛り込まれる。建設候補地は未定だが、東京電力広野火力発電所の送電線を利用できるいわき市沖が有力視されている。発電機や軸受けなど約2万点に及ぶ部品の製造や、発電、建設・保守など、関連産業を誘致することを目指している。早ければ2013年度から2MW級風力タービン6基の建設が始まり、2016年までの5年間、100億円～200億円かけてデータ収集・海底ケーブル送電・系統連系などの実証実験が行われる。2020年までに80基まで増やすことを計画している。事業者は公募で決定され、三菱重工業、IHI、富士重工業、三井造船、清水建設、東京大学などが参画する予定である。
2018年、実証試験が進められていた3基のうち1基は、機器の不具合で設備利用率が低い状態が続いていること等から、施設を撤去する検討が始められた。
The US State of Maine solicited proposals in September 2010 to build the world's first floating, commercial wind farm. The RFP is seeking proposals for 25 MW of deep-water offshore wind capacity to supply power for 20-year long-term contract period via grid-connected floating wind turbines in the Gulf of Maine. Successful bidders must enter into long-term power supply contracts with either Central Maine Power Company (CMP), Bangor Hydro-Electric Company (BHE), or Maine Public Service Company (MPS). Proposals are due by May 2011.
Some vendors who could bid on the proposed project have expressed concerns about dealing with the United States regulatory environment. Since the proposed site is in Federal waters, developers would need a permit from the Minerals Management Service, "which took more than seven years to approve a yet-to-be-built, shallow-water wind project off Cape Cod," and is also the agency under fire in June 2010 for lax oversight of deepwater oil drilling in Federal waters.
"Uncertainty over regulatory hurdles in the United States ... is 'the Achilles heel' for Maine's ambitions for deepwater wind."
WindFloat is a floating foundation for offshore wind turbines designed and patented by Principle Power. It is to be tested in autumn 2011 off the coast of Portugal with a Vestas V80 2MW wind turbine.
The foundation attempts to improve dynamic stability at shallow draft by dampening wave and turbine induced motion utilizing a tri-column triangular platform with the wind turbine positioned on only one of the three columns. The triangular platform is then "moored with 4 lines, 2 of which are connected to the column stabilizing the turbine, thus creating an asymmetric" mooring to increase stability and reduce motion.
As the wind shifts direction and changes the loads on the turbine and foundation, pumps will shift ballast water between foundation chambers.
The project is managed by the joint venture WindPlus (led by electricity provider Energias de Portugal).
Vestas turbines will be the standard for the project.
Construction cost is expected to be below $30 million, and funded by the project partners and Fundo de Apoio à Inovação.
This technology could allow wind turbines to be sited in offshore areas that were previously considered inaccessible, areas having water depth exceeding 50 meters and more powerful wind resources than shallow-water offshore wind farms typically encounter.
Nautica Windpower uses a patented technology aimed at reducing system weight, complexity and costs for deep water sites. Scale model tests in open water have been conducted and structural dynamics modeling is under development for a multi-megawatt design. Nautica Windpower's Advanced Floating Turbine (AFT) uses a single mooring line and a downwind two-bladed rotor configuration that is deflection tolerant and aligns itself with the wind without an active yaw system. Two-bladed, downwind turbine designs that can accommodate flexibility in the blades will potentially prolong blade lifetime, diminish structural system loads and reduce offshore maintenance needs, yielding lower lifecycle costs.
The International Energy Agency (IEA), under the auspices of their "Offshore Code Comparison Collaboration" (OC3) initiative, has completed high-level design and simulation modeling of the "OC-3 Hywind" system, a 5-MW wind turbine installed on a floating spar buoy, moored with catenary mooring lines, in water depth of 320 meters. The spar buoy platform would extend 120 meters below the surface and the mass of such a system, including ballast would exceed 7.4 million kg.
Risø and 11 international partners started a 4-year program called DeepWind in October 2010 to create and test economical floating Vertical Axis Wind Turbines up to 20MW. The program is supported with €3m through EUs Seventh Framework Programme.
Partners include TUDelft, SINTEF, Statoil and United States National Renewable Energy Laboratory.
VertiWind is a Vertical Axis Wind Turbine design created by Nenuphar http://www.nenuphar-wind.com/ and currently being tested by Technip http://www.technip.com/. See http://www.nenuphar-wind.com/press