ORC発電がなぜスクリュー膨張機ではなくタービン膨張機を選ぶのか、全方位から解析する

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いわゆるORC（有機ランキンサイクル）発電とは、有機媒体が熱交換器を通じて余熱から熱を吸収し、一定の圧力と温度を持つ蒸気を生成する。この蒸気が膨張機に入り膨張して仕事を行い、それによって発電機が発電するというものである。タービンから排出された蒸気は凝縮器内で冷却水に熱を放出し、液体状に凝縮され、最終的に作動媒体ポンプによって再び熱交換器に戻り、このように絶えず循環します。ORC発電技術は欧米で早くから始まり、発展を経て規模を築き上げ、低温低熱発電分野における重要な応用となっている。現在、西洋の先進国では、低温・低熱の有効利用率が60％に達しているが、我が国では現在30％～40％程度で、その差はかなり大きい。実用面において、我が国のORC発電技術は導入が比較的早かったものの（1977年に西蔵の羊八井で低熱発電にORC技術が初めて使用され、設備容量は1MW）、その発展は遅く、国内でORC技術を持つメーカーもごくわずかである。善能エコロジーグループと長江動力グループが共同で開発したタービンORC発電システムは、現在、工業系の余熱処理や炭鉱のガス処理分野で実質的な活用がなされており、国内でタービンORC技術を実際の現場で適用している数少ない事例の一つです。その中で、武漢の漢氏環保は長動のORC発電システムを導入しており、今回の疫病において大量の医療廃棄物の処理において中核的な役割を果たしました。ORC発電技術は主に低温・低熱分野で利用されているが、過去約20年間、我が国の経済建設は急速なペースで進展してきた。エネルギー危機の到来や環境保護に対する要求の高まりに伴い、ORC発電についての言及が増えてきている。ORC発電技術は、工業廃ガス、余熱、石炭鉱山のガス燃焼、地熱、太陽熱など、多くの分野で活用することができます。専門家の予測によると、光熱分野はORC発電の将来における非常に大きな応用分野となるだろう。しかし、今年に3つの省庁が共同で発表した「非水系再生可能エネルギー発電の健全な発展を促進するためのいくつかの意見」では、新たに建設される太陽熱発電プロジェクトはもはや中央政府の補助金の対象外とすることが提案されている。将来の太陽熱発電の見通しは不透明であるため、筆者は産業廃熱が依然としてORC発電における最も重要な応用分野であり続けると考えている。私たちが言う工業余熱の範囲は非常に広く、一般的には各種工程装置から排出される高温の煙ガス、高温の工程装置用冷却水、そして一部の高温廃水や廃ガスなどが含まれます。長い間、これらの熱は再利用コストが高い、技術が未熟であるといった理由からそのまま捨て去られることが多く、大量のエネルギーが無駄になっていました。その後、大型火力発電機組では、再熱や二次再熱といった技術によって高温の煙ガスを有効に活用し、これは効果的なエネルギー再利用方法と言える。しかし、化学工業、鉄鋼、セメントなど、エネルギー消費が多く汚染も深刻な企業にとっては、このような処理方法ではまだ不十分です。ORC技術の登場により、産業分野における余熱の活用に新たなアプローチがもたらされました。その高い結合性と高い余熱利用率のおかげで、多くの企業において省エネ・コスト削減の手段として注目されています。専門家の分析によると、ORC発電の市場が開かれれば、その規模は数兆円規模になるという。しかし、現在国内におけるORC技術の適用事例が少ないため、多くの企業が手を出すことをためらっています。本稿では、現在の国内におけるORC発電技術について分析し、皆様にいくつかの考え方を提示します。筆者の知識や文章力には限界があるため、不明な点があれば一緒に議論できればと思います。私たちはORC発電の原理、膨張機の選定、作動媒体の選定、経済性について総合的に分析します。一、ORC発電の原理
前文でこのプロセスについて簡単に紹介しましたが、ここで補足を行います。私たちが日常的に言うタービン発電機セットで使用される作動媒体は水（Water）であり、その原理はWRCと簡潔に表すことができる。ORCで使用される作動媒体は有機系のもので、一般的には沸点が低く、熱交換効率が高く、価格が安い材料が選ばれます。有機工質は、廃水や廃ガス、あるいはその他の熱（これらを総称して廃熱と呼ぶ）を吸収することで循環可能な蒸気に変わり、回転部品を駆動して仕事を行い、それによって発電機を動かして電力を生成する。まとめると、必要な機器は主にORC発電機、蒸発器、凝縮器、冷却システム、および一部のポンプやバルブ機器です。ORC発電機の出力は一般的に低いため、必要な機器も比較的シンプルで、設置も容易であり、主要な機器は国内で製造されている。その中で最も重要な機器は、ORC発電機組で使用される膨張機であり、ORC発電機組全体への投資はシステム全体の投資の6割以上を占めている。全体のシステムにおける主要な技術的課題は2つあり、1つは膨張機の選定、もう1つは作動媒体の選定です。 二、膨張機の選定 膨張機は主に2種類に分かれる。一つはタービン式膨張機（これには径流型と軸流型がある）で、もう一つは容積式膨張機（主にスクリュー式膨張機が用いられ、他のタイプには事例がなく、以下では主にスクリュー式膨張機について説明する）。いわゆるタービン膨張機、別名タービンエキスパンダーとは、チャンバー内に回転可能なブレードがあり、ガスの膨張によって生じる力でそのブレードを回転させ、それによって軸系を駆動するものです。タービン膨張機は、断熱状態下でガスの膨張によって生じる熱を可能な限り軸系の運動エネルギーに変換するため、より高い熱効率とエンタルピー効率を有します。現在、大型火力発電所の主要なタービン機器はすべてタービンであるため、技術的には比較的成熟している。スクリュー式膨張機は、現在、国内のORCメーカーにとって重要な選択肢となっています。以前、国内でORC技術を導入した際にすでにスクリュー式の実績があったため、その後の国内での発展においても一定の成果を上げることができました。一般的に言われるスクリュー膨張機とは、ツインスクリュー膨張機のことで、作業は吸気、膨張、排気の3つのプロセスで構成されます。このツインスクリュー方式の設計により、密閉型の軸系では、カップリング部の潤滑が大きな課題となる。現在、国内で主流のORC膨張機は、主にタービンとツインスクリュー機です。タービン膨張機の利点は、技術が成熟しており多段設計が可能であるため、単機200KW以上の機器で使用できることです。また、タービン膨張機は等エントロピー効率が高く、各種損失が少なく、構造がコンパクトで、運転サイクルやメンテナンスサイクルも良好です。その欠点は回転速度が高いため、制御システムに高い要求がかかり、200KW未満の機械には適していないことです。スクリュー膨張機は現在、国内のメーカーによって量産されているものの、実際の使用体験は良くない。主な問題は、前述のようにスクリューの潤滑に高い要求があることであり、さらにその加工精度やメンテナンスコストも膨張機のそれより高くなる。さらに重要なのは、スクリュー膨張機にはタービン膨張機のような多段式の設計がないため、有効出力を高めるにはチャンバーの容積を大きくしなければならず、そのため高出力のユニットには適していないという点です。スクリュー膨張機は海外でもある程度利用されており、その理由はORC発電技術が海外での適用場面が多いためです。海外の多くの地域では住民が分散して居住しているため、ORC発電技術を利用することで、住民の電力需要の一部を賄うことができる。スクリュー膨張機は、装置の材料に高い要求があるものの、制御技術に対する要求は低いため、一定の評価を得ている。国内と海外の適用環境は全く異なり、当社のORC技術は主に工業用発電の補助として利用されており、制御技術はすでに完全に確立されています。要求される動作条件が高出力を必要とするため、タービン膨張機の方がより適した選択肢となります。 三、工質の選択 ORC発電で使用される有機工質にもさまざまなものがあるが、大きく分けて数種類しかなく、最も一般的に使われているのはR245faとR123である。工質の選択は、主に熱交換効率、熱損失、コストパフォーマンスなどを考慮して行われます。 工質　標準沸点/℃　臨界温度/℃　臨界圧力/MPa　蒸発潜熱/J*g-1　比熱容量/J*g-1*K-1　相対分子量
R245fa　14.9　154.1　3.64　196.69　1.318　134.0
R123　27.7　183.8　3.67　170.19　1.022　152.9

上の表から、これら2つの工質の基本パラメータには大きな違いはないことがわかります。しかし、単位質量あたりのR245faの方が、R123に比べて蒸発潜熱や比熱容量が高いため、より多くの熱を放出できます。つまり、熱交換効率が高くなるということです。したがって、技術的な観点からはR245faを選択する方が合理的です。また、現在R245faは工業分野で広く使用されている冷媒であり、供給もより豊富です。一方、R123は一般的に補助的な製品としてのみ使用されます。 四、経済性については、初期投資の観点から見ると、タービン膨張機の価格はやや高くなります。これは主に、以前は市場での競争力が不足していたことが原因です。ますます多くのメーカーがタービン膨張機の開発に力を入れるようになり、価格も低下している。また、タービン膨張機は運用コストと長期メンテナンスコストが低いため、将来的なORC技術における重要な選択肢となります。 総合的に見ると、タービン式膨張機は技術面および経済面の両方で一定の優位性を持っているが、現在の国内のORC市場はまだ未成熟であり、多くの企業が製品を選定する際には海外の事例を参考にしている。しかし、国内と海外の状況にはやはりわずかな違いがあり、タービン膨張機は今後の産業廃熱利用において依然として高い競争力を持っている。