海に浮かぶ巨大風車、強風の沖合で効率発電

　都市部を離れて海岸線をドライブしていると白い巨大風車をよく目にするだろう。経済産業省の見通しによると、総発電量に占める風力発電の比率は現状の0.5％から2030年には1.7％に伸びるという。風力は夜間でも稼働可能という強みを持ち、エネルギーの変換効率も太陽光の4倍程度と言われている。しかも北海道や東北、九州では年間を通して強い風も吹く。

2040年には洋上が風力の4割強に
●風力発電の導入目標（国内）

出所：日本風力発電協会

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風力発電導入量の国際比較
●国土が狭い日本は後進国

出所：Global Wind Energy Council

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　だが、電力会社に接続する風力発電設備（出力10キロワット以上）は既に2000基以上存在し、騒音や景観などの問題をクリアして建てられる立地は減ってきた。そうした中、風力の比率を今後引き上げていく上で鍵を握りそうなのが、洋上という選択肢だ。

　水深が50m程度までの海域ならば、海底に基盤工事を施し、風車のタワー（支柱）を固定する「着床式」（着底式）の設備を建てられる。洋上風力で20年以上前から世界をリードしている欧州でも着床式が用いられてきた。海底油田の開発実績が豊富な欧州勢にとって、この方式での工事は手慣れたものだ。

　一方で日本には、海岸から数km離れても水深は50m以下といったエリアは少ない。国内でも2000年以降に10基以上の着床式が作られ、一部は運転を開始しているが、大半は岸から2km以内にある。

　そこで注目を集めているのが、タワーを海底に固定しない「浮体式」。これなら、水深数百mでも設備を置ける。

　浮体式の設備は、建築物である陸上風車と異なって法律上は船舶（非自航船）扱い。造船ドックや波が静かな海域で組み立て、運転予定の海までタグボートが曳航する。複数の錨につながれた風車は、風が吹く限り稼働し続け、海底ケーブルを通じて送電する。環境省の調べでは、日本における浮体式の潜在的な発電量は陸上と着床式の合計の2倍以上だ。

沖合に風速8m超えの海が広がる（高度７０m）。NEDO提供の風況マップ

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　“船舶”で発電するメリットはいくつもある。まず沖合の方が強い風を得やすい。九州大学大学院工学研究院の宇都宮智昭教授は「現状、国内では風速6m以上吹く立地を確保するのも困難になってきているが、海に行けば8m以上の海域は珍しくない」と話す。風が持つ運動エネルギーは風速の3乗に比例する。この2mの違いは、風車を動かすエネルギーに換算すると約2.4倍の差につながる。

　しかも沖合は騒音問題とは無縁だ。環境アセスメントは陸上風力と同様に必須だが、風車を大型化しやすい。巨大なブレード（翼）を用いれば、効率的に風を受けられる。

茶柱の原理で浮く

　風車部分は陸上風力や着床式とほぼ差はない。巨大風車を海面に浮かせておく技術アプローチが異なる。

　浮体式洋上風力の設備は船舶ではあるものの、推進機能は持っていない。普通の船ならば台風が来たり海が荒れたら港に避難できる。だが、一度組み立てて稼働を始めた浮体式は簡単には動かせない。そもそも風の強い海域に設置する上に波や海流、海水による浸食まで計算に入れ、10年単位での運用に耐え得る設計が不可欠だ。

戸田建設が長崎県五島市と共同運用する浮体式洋上風力発電設備。茶柱の原理で体勢を立て直せる

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　現在、国内では2陣営が洋上風力発電設備を稼働させている。

　戸田建設が宇都宮教授と共同研究を開始したのは2007年。水槽での100分の1サイズの模型実験からスタートし、2010年に環境省の実証実験事業を受託。2013年には長崎県五島市に実証機を設置している。環境省の事業が終了した昨年4月に市と共同で発電設備の実用運転を始めている。

　戸田建設は「ハイブリッドスパー型」と呼ばれる方式を取った。スパーは円柱を意味する。「分かりやすく表現すると茶柱や（釣り道具の）浮き」（九州大学の宇都宮教授）の仕組みだ。茶柱が立つのは、茶葉に含まれるチャノキの茎の一端にお茶が浸透するからだ。重くなった一端が沈み始め、結果的に直立する。ハイブリッドと冠しているのは、タワー上部は鉄鋼製だが、下部に水圧や海水に強いコンクリートを用いているから。この構造によって重心を下げており、一度傾いても体勢を立て直そうとする。

茶柱の原理で海面に浮く
●戸田建設のハイブリッドスパー型

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安定感のある浮き輪を目指す
●福島洋上風力コンソーシアムのセミサブ型

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スパー型は喫水が深く、浅い港湾では組み立てにくい。一方 でセミサブ型は喫水が浅いのでその点をクリアできている

浮き輪に風車を載せる

　もう一つの陣営は経済産業省の委託事業である「福島洋上風力コンソーシアム」。幹事役の丸紅や三菱重工業、三井造船など計10社と東京大学が参画している。同陣営は現在、「セミサブ」と「アドバンストスパー」という主に2つの方式で、3基の風車を支えている。

新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）も低コストの浮体式の研究を開始

　「半潜水」を意味するセミサブは、浮体の上に風車を載せるタイプだ。「浮体は浮き輪の役割を果たす。金属でできているが、中身は空洞なので船のように海面に浮く」（東京大学大学院工学系研究科の石原孟教授）。アドバンストスパーはスパーとセミサブ両方の強みを兼ね備える。茶柱の原理でタワー自身が姿勢を制御するうえに、セミサブのような浮体で揺れも減らせる。

　なぜ複数のアプローチが必要なのか。答えは、方式によって建造場所の制限があるからだ。

　建造コストだけを比較すると単純な構造のスパー型に軍配が上がりそうだが、喫水が深くなるので水深が浅い日本の港湾では造れない。かといって港湾を出て組み立てると、波や潮の流れの影響によって技術的なハードルが一気に上がる。揺れる洋上で起重機船を使い、タワーとブレードを接続させようとすれば危険が伴う。

　静かな海面と一定の水深は両立しづらい。欧州勢は国境を越えた協力でこの問題を解決している。例えば、英スコットランド沖で稼働している浮体式洋上風力の設備はスパー型だ。建造時にある程度の深さが必要だが、同国の港は日本同様に浅い。そこで、北海を挟んで向かい合うノルウェーの港湾で造り、曳航してきたという。

　だが、浮体式洋上風力のウインドファーム（発電設備の集合体）を作り、商業運用までこぎ着けられていないのは欧州勢も同じ。浮体式では造船技術や海洋調査など島国の強みを生かしやすい。戸田建設のハイブリッド型スパーに不可欠なコンクリートは日本中のどこでも作れるものだ。

　現在、洋上風力の発電コストは陸上の2倍以上とみられている。コスト面でのブレークスルーは商業運用において最重要になる。業種を超えて優れた技術を持ち寄れば、日本勢にも次世代洋上風力発電の覇権を握るチャンスが生まれるはずだ。

（日経ビジネス2017年2月13日号より転載）