先日開催された中国洋上風力発電工学技術会議において、洋上製品ラインのゼネラルマネージャーが基調講演を行いました。同氏は、中国の洋上風力タービンの現在のボトルネックはブレードとメインベアリングにあると強調しました。洋上風力タービンに対する需要が高いことを踏まえ、メーカーは既存のサプライチェーンに基づき投資収益を保証するソリューションの提供に注力し、中国における洋上風力発電の持続可能な発展を支援することが不可欠であると述べました。

風力タービンブレードの開発過程

欧州と中国における風力タービンブレードの進化について概説した。1991年から2015年までの間、中国はタービン出力とブレードサイズにおいて欧州の後塵を拝していた。しかし、2017年までに中国は直径171メートルの風力タービンを開発し、欧州の164メートルを上回った。2019年までに、欧州と米国はともに直径220メートルのさらに大型のタービンを導入した。このタービンサイズの同等性は、中国と欧州が洋上風力タービン開発において現在同等のレベルにあることを示している。

風力エネルギーにおける課題と革新

著名な国際科学誌によると、洋上風力タービンの大型化に伴い、風力発電業界は空気力学、構造力学、流体力学の分野で大きな課題に直面している。これらの基礎科学分野の研究は、タービンの直径の拡大に追いついていない。航空機の翼幅が1世紀経っても80メートルを超えていない航空業界とは対照的に、風力発電業界はわずか40年足らずでタービンの直径が200メートルに達している。

工学および技術の進歩における段階的な発展の重要性が強調された。ブレードの長さを長くするには、材料および製造技術における画期的な進歩が必要となる。ブレードサイズを大きくするために既存の技術だけに頼るだけでは、洋上風力発電のさらなる発展を支えるには不十分である。

炭素繊維ベール材料の必要性

より長い洋上風力タービンブレードをサポートするために、業界は炭素繊維ベール材料という未開拓の領域に踏み込まなければなりません。この移行は、中国がヨーロッパの企業からブレード設計のライセンスを取得し、コア材料と設備をドイツまたは日本の企業から調達しなければならなかった10年前の状況を反映しています。大規模な金型投資、長い期間、未成熟なプロセス技術が開発をさらに複雑にし、大型ブレードの加工効率は主流のブレードの3～4倍も大幅に低下します。これは、中国における現在の大規模な洋上風力発電設備の設置シナリオの下でプロジェクトの実現可能性を確保する上で大きなボトルネックとなっています。炭素繊維ベールは、強度と軽量性の両方のニーズに対応するため、次世代の風力タービンに不可欠です。

メインベアリングサプライチェーンにおける課題

メインベアリングもまた、設計上の課題、サプライチェーンの問題、設置の複雑さから生じるボトルネックとなっている。具体的には、大型洋上風力タービンのメインベアリングのサプライチェーンは、次の3つの主要な課題に直面している。

1. メインベアリングリングの直径は2メートルを超えることが多く、市販されているほとんどの工作機械の加工能力を超えてしまう。

2. 主要な供給業者は2社しかなく、少なくとも1年前から供給能力の予約が必要となる。

3. 国内のサプライヤーは現在、このような大型ベアリングの設計および加工能力を欠いている。

   
   

ベアリング技術におけるソリューションとイノベーション

主軸受構成にデュアルSRB技術を採用することで、直径1.5メートル以内の5～6MW級タービンを支えることが可能になります。このソリューションは、強固なグローバルサプライチェーンに支えられており、設計と製造に現地サプライヤーが関与できます。一方、デュアルTRBやDRTRBなど、より大きな直径を必要とする技術は、容量と効率の面で大きな課題を抱えています。

洋上風力タービンの性能最適化

課題はあるものの、同社はプラスの投資収益をもたらす洋上風力発電ソリューションを提供できると確信している。中国の洋上風力発電所の均等化発電原価（LCOE）の包括的なマップが作成され、タービンの定義を導き、開発者が収益性の高いプロジェクトを特定するのに役立つ。焦点はタービン容量ではなくLCOEであり、発電量が最も重要な要素である。

地域適応とLCOE感度分析

LCOEを最適化するには、地域によってタービン出力とローター直径の組み合わせが異なります。同社は、福建省のような風速の高い地域、広西チワン族自治区のような風速の低い地域、浙江省のような風速が中程度の低い地域について、LCOEの感度分析を実施しました。その結果、風速の高い地域では6～8MWのタービンが最適であり、風速が低い地域から中程度の低い地域では4～6MWのタービンが最適であることが分かりました。風速が低いほどローター直径は大きくなり、風速が高いほど小さくなります。これらのタービンにおいて、カーボンファイバーベールを使用することは、望ましい性能と効率を達成するために不可欠です。

洋上風力発電所における航跡損失への対処

中国の洋上風力発電所は、配置密度が高く、風速が低く、大気の状態が安定しているため、ヨーロッパの発電所よりもウェイク損失が大きくなっています。約1.5GWの洋上風力タービン容量の評価では、ウェイク損失の初期推定値が約2%低かったことが明らかになりました。グループウェイク制御技術によるウェイク損失の低減努力により、発電量が3～4%増加しました。洋上風力発電所の配置密度が高くなるにつれて、グループウェイク制御技術の価値はますます高まります。ブレード設計にカーボンファイバーベールを導入することで、性能が向上するだけでなく、ウェイク損失の影響も軽減されます。