ガス火力発電所

カナダの天然ガスプラント
ガスは世界の電力の20%以上を発電している
ガスによる電力生産の割合

ガス火力発電所（ガス火力発電所、天然ガス発電所、メタンガス発電所とも呼ばれる）は、天然ガスを燃焼させて発電する火力発電所です。ガス火力発電所は世界の電力の約4分の1を発電しており、温室効果ガス排出の大きな原因となっています。[ 1 ]しかし、水力発電や連系線が利用できない地域において、変動する再生可能エネルギーの不足を補うために、季節性があり、出力調整可能な発電を提供することができます。2020年代初頭には、蓄電池がガスピーク発電所と競合するようになりました。[ 2 ]

基本概念：熱を機械エネルギーに変換し、さらに電気エネルギーに変換する

ガス火力発電所は、天然ガスに蓄えられた化学エネルギー（主にメタン）を熱エネルギー、機械エネルギー、そして最終的に電気エネルギーへと順次変換する化石燃料発電所の一種です。熱エネルギーを有用な仕事に変換するカルノーサイクルの限界を超えることはできませんが、余剰熱、つまり消費された化学エネルギーと生成された有用な仕事の差は、コージェネレーションプラントで建物の暖房、温水生成、または工業規模での材料の加熱に利用することができます。

植物の種類

ガスタービン

カリフォルニア州の複合サイクルガス火力発電所であるゲートウェイ発電所は、 2 基の GE 7F.04 燃焼タービンを使用して天然ガスを燃焼させます。
GE Hシリーズ発電ガスタービン：複合サイクル構成では、最高の熱力学的効率は62.22％です。

産業用ガスタービンは、フレーム、ベアリング、ブレードの構造が航空機用よりも頑丈である点で異なります。また、電力を供給する機器（多くの場合、発電機）や、残留エネルギー（主に熱）を回収する二次エネルギー装置と、より密接に統合されています。

ガスタービンは、タービンからの廃熱を排熱回収ボイラ（HRSG）で回収し、複合サイクル構成の従来型蒸気タービンに動力を供給すると、特に効率的になります。 [ 3 ] 605MWのゼネラルエレクトリック9HAは、温度が1,540°C（2,800°F）に達する状態で62.22%の効率を達成しました。[ 4 ] GEは、2018年に、積層造形と燃焼のブレークスルー の進歩により、826MW HAの複合サイクルでの効率が64%を超えており、2017年の注文の63.7%から上昇しており、2020年代初頭までに65%を達成する予定です。[ 5 ] 2018年3月、GE Powerは7HAタービンで63.08%の総効率を達成しました。[ 6 ]

航空転用型ガスタービンはコンバインドサイクルでの使用も可能で、より高い効率が得られますが、専用に設計された産業用ガスタービンほど高くはありません。また、コジェネレーション構成で運転することも可能です。その場合、排気は暖房や給湯に利用されるか、吸収式冷凍機を駆動して吸気を冷却し、出力を高めます。この技術はタービン吸気冷却と呼ばれます。

もうひとつの大きな利点は、数分以内にオン/オフを切り替えることができるため、ピーク時や予定外の需要時に電力を供給できることです。シングルサイクル（ガスタービンのみ）発電所はコンバインドサイクル発電所よりも効率が低いため、通常はピーク時発電所として使用され、電力需要と地域の発電能力に応じて、1日数時間から年間数十時間まで稼働します。ベースロードおよび負荷追従型発電所の容量が不足している地域、または燃料コストが低い地域では、ガスタービン発電所が1日のほとんどの時間定期的に稼働する場合があります。大型のシングルサイクルガスタービンは通常、100～400メガワットの電力を生産し、熱力学的効率は35～40％です。[ 7 ]

フィンランド、フォルッサにあるFingrid Oyjのガスタービン発電所

単純サイクルガスタービン

シンプルサイクルガスタービン（オープンサイクルガスタービン（OCGT）発電機とも呼ばれる）では、高温ガスでガスタービンを駆動し、発電します。このタイプの発電所は建設費が比較的安価で、起動も非常に早いですが、効率が低いため、ピーク時発電プラントとして1日に数時間しか稼働しません。[ 8 ]

複合サイクルガスタービン（CCGT）

CCGT発電所は、ブレイトンサイクルを採用した単純サイクルのガスタービン、排熱回収ボイラ、そしてランキンサイクルを採用した蒸気タービンで構成されています。最も一般的な構成は、2基のガスタービンが1基の蒸気タービンを支えるものです。[ 9 ]単純サイクル発電所よりも若干高価ですが、最大55%の効率と約30分のディスパッチタイムを達成できます。[ 10 ]

蒸気タービン

ガス蒸気発電所は、ガスを燃料としてボイラーを燃焼させ、蒸気を発生させて蒸気タービンを回転させます。この種の発電所の多くは、20世紀を通じて石炭火力発電所の直接的な代替として建設されました。これらの発電所は、シンプルサイクルガスタービン発電所のような急速起動能力を欠き、コンバインドサイクル発電所よりもはるかに効率が低いです。老朽化と欠陥のため、米国ではガス火力発電所の廃止の大部分を占めていますが、ガスバーナーへの転換によって排出量を削減しながら、石炭火力発電所の寿命を延ばすための選択肢として依然として存在しています。[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]

往復エンジン

往復動型内燃機関は20MW未満である傾向があり、他のタイプの天然ガス火力発電機よりもはるかに小さく、通常は非常用電源として、または風力や太陽光などの変動性のある再生可能エネルギーのバランスをとるために使用されます。[ 14 ]

温室効果ガスの排出

比較的効率的なガス火力発電所（複合サイクルガスタービンをベースにしたものなど）は、発電量1キロワット時あたり約450グラム（16オンス）のCO2を排出します。[ 15 ] [ 16 ]これは石炭火力発電所の約半分ですが、原子力発電所や再生可能エネルギー発電所よりははるかに多くなっています。[ 15 ]しかし、より柔軟なシンプルサイクルタービンは、排出強度がかなり高く、1キロワット時あたり670グラム（24オンス）のCO2に達することもよくあります。 [ 17 ]また、古いガスタービンの中には、最も排出量の多い石炭火力発電所に匹敵する排出強度を持つものもあります。[ 18 ]

しかし、ガス火力発電所のライフサイクル全体の排出量は、ガス生産および配管に関連するガス漏れからのメタン排出と、炭素回収・貯留が採用されている場合のアミンガス処理後の廃CO2の大量放出によって増加する。[ 19 ]

炭素回収

炭素回収貯留システムを備えた発電所はごくわずかである。[ 20 ]

水素

ガス火力発電所は水素で稼働するように改造することができる。[ 21 ]また、ゼネラル・エレクトリックによると、CCSよりも経済的に実現可能な選択肢は、ガスタービン燃料にますます多くの水素を使用することである。[ 22 ]水素は、水素経済への第一歩として、まず天然ガスから水蒸気改質または加熱して炭素を沈殿させることによって生成することができ、その結果、炭素排出量が削減される。[ 23 ]しかし、低炭素水素（天然水素など）は肥料の製造など、脱炭素化が難しいものに使用する必要があるため、発電に十分な量にならない可能性があると考える人もいる。[ 24 ]

経済

既存のプラント

2019年現在、いくつかのガス火力発電所は、停止と起動が迅速にできないため廃止されています。[ 25 ]変動性のある再生可能エネルギーのコストが低下しているにもかかわらず、既存のガス火力発電所のほとんどは、特に炭素価格のない国では、ディスパッチ可能な発電と、建設以来シェールガスと液化天然ガスの価格が下がっているため、依然として収益性があります。 [ 26 ] EUなどの炭素価格がある場所でも、既存のガス火力発電所は、汚染を理由に石炭火力発電に対する規制が強化されていることもあって、経済的に実行可能です。[ 27 ]

政治

石炭火力発電を置き換える場合でも、新しい発電所を建設するという決定は物議を醸す可能性がある。[ 28 ]

参照

参考文献

  1. ^ 「クリーン燃料？メタン漏れが天然ガスの気候に優しいイメージを脅かす」ロイター通信、 2018年6月29日。 2019年2月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2019年6月30日閲覧。
  2. ^マクファーレン、サラ、トゥイデール、スザンナ（2023年11月21日）。「巨大バッテリー、ガス発電所の経済性を低下させる」ロイター。2023年11月21日閲覧。
  3. ^ Langston, Lee S. (2012年7月). 「数字で見る効率性」 . 2013年2月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  4. ^ Kellner, Tomas (2016年6月17日). 「最新のギネス世界記録が、サッカーファンが去った後もフランスを明るく照らし続ける理由」（プレスリリース）General Electric . 2017年6月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2016年6月21日閲覧。
  5. ^ 「HA技術、業界初64%の効率を実現」（プレスリリース）GE Power. 2017年12月4日. 2018年12月4日時点のオリジナルよりアーカイブ。2024年11月12日閲覧。
  6. ^ 「GEのHAガスタービン、効率で2番目の世界記録を達成」（プレスリリース）。GE Power。2018年3月27日。
  7. ^ Ratliff, Phil; Garbett, Paul; Fischer, Willibald (2007年9月). 「顧客メリットをさらに高める新型シーメンス・ガスタービンSGT5-8000H」(PDF) . VGB PowerTech . シーメンス・パワー・ジェネレーション. 2011年8月13日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2010年7月17日閲覧。
  8. ^ 「シンプルサイクルガスプラント - エネルギー教育」energyeducation.ca . 2019年6月28日閲覧。
  9. ^ 「天然ガス火力複合サイクル発電所の発電ブロックが大型化 - Today in Energy - 米国エネルギー情報局（EIA）」www.eia.gov。2019年6月28日閲覧。
  10. ^ 「複合サイクルガス発電所 - エネルギー教育」energyeducation.ca . 2019年6月28日閲覧。
  11. ^ブラッドフォード、アンドリュー（2020年10月28日）「ガス発電所の廃止見通し」ファクトセット。2025年3月3日閲覧。
  12. ^ Cassell, Barry (2014年6月11日). 「オクラホマ・ガス・アンド・エレクトリック、マスコギーの石炭火力発電からガス火力発電への転換を検討」 . power-eng . 2025年3月3日閲覧。
  13. ^ Ethridge, Benjamin (2022年1月20日). 「Spruce 2 Gas Conversion」（PDF） . 2025年3月3日閲覧。
  14. ^ 「再生可能エネルギーのバランスをとるために、天然ガス焚きレシプロエンジンの導入が拡大している - Today in Energy - 米国エネルギー情報局（EIA）」www.eia.gov。2019年6月28日閲覧。
  15. ^ a b Rueter, Gero (2021年12月27日). 「風力発電はどの程度持続可能か？」 . Deutsche Welle . 2021年12月28日閲覧。現在、新たに建設される陸上風力タービンは、発電量1キロワット時（kWh）あたり約9グラムのCO2を排出します…海上に建設される新しい洋上発電所は、発電量1キロワット時あたり7グラムのCO2を排出します…太陽光発電所は、発電量1キロワット時あたり33グラムのCO2を排出します…天然ガスは1キロワット時あたり442グラムのCO2を排出し、石炭火力発電は864グラム、褐炭（褐炭）発電は1034グラムのCO2を排出します…原子力発電は、ウラン採掘や原子炉の建設・運転による排出量を考慮すると、1キロワット時あたり約117グラムのCO2を排出します。
  16. ^ Rosselot, Kirsten S.; Allen, David T.; Ku, Anthony Y. (2021年7月5日). 「中国における国産石炭火力発電と輸入天然ガス発電の温室効果ガス影響の比較」 . ACS Sustainable Chemistry & Engineering . 9 (26): 8759– 8769. doi : 10.1021/acssuschemeng.1c01517 . ISSN 2168-0485 . S2CID 237875562 .  
  17. ^マコーネル、ディラン（2017年2月24日）「電力網は容量不足を訴えているが、ガス供給のバルブを開けるべきか？」ザ・カンバセーション。 2024年10月25日閲覧。
  18. ^ Gordon, Josh (2020年11月3日). 「アダム・バンド氏はガスは石炭と同じくらい汚いと言っている。彼は正しいのか？」 RMIT ABC Fact Check . 2024年10月25日閲覧。
  19. ^ Spath, Pamela L.; Mann, Margaret K. (2000年9月).天然ガス複合サイクル発電システムのライフサイクルアセスメント(PDF) (レポート). Golden, CO: NREL . 2025年9月2日閲覧。
  20. ^ Chemnick, Jean (2022年5月9日). 「EPAが新規ガスプラントで二酸化炭素回収を義務付ける理由」 E &Eニュース. 2022年5月9日閲覧。
  21. ^グリムウッド、トム（2018年11月30日）「北部を水素燃料で運営する計画」ユーティリティ・ウィーク誌。
  22. ^ Morehouse, Catherine (2019年6月11日). 「GE：カーボンフリーグリッドにおけるガスタービンの保全において、水素は炭素回収・貯留（CCS）よりも優れている」 . Utility Dive . 2019年6月28日閲覧。
  23. ^サンプソン、ジョアンナ（2019年2月11日）「Hビジョン：グリーンな未来のためのブルー水素」 Gas World 2019年5月9日閲覧。
  24. ^クラウンハート、ケイシー（2024年4月25日）「水素はほぼあらゆる用途に利用できる可能性がある。しかし、おそらく利用すべきではない」 MITテクノロジーレビュー。 2024年10月5日閲覧。
  25. ^ Geuss, Megan (2019年6月26日). 「カリフォルニア州の築10年の天然ガス発電所、石炭火力発電所と同様の扱いを受ける」 Ars Technica . 2019年6月28日閲覧。
  26. ^ Ram, R. Sree (2019年6月28日). 「Torrent Powerの株価、グジャラート州での契約締結後、急上昇」 . mint . 2019年6月28日閲覧。
  27. ^ 「天然ガス価格の急落は、米国とEUにおける2019年のグリーンなスタートを示唆」 www.worldoil.com 2019年6月28日閲覧。
  28. ^ Harrabin, Roger (2019年10月7日). 「英国、ドラックス発電所計画の阻止を却下」 . 2019年10月20日閲覧。
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