熱機関

【熱機関】コージェネレーションを導入するメリット、検討条件は?

大型の工場では、事業継続性などの観点でコージェネレーションを導入する事業者も増えています。

コージェネレーションを利用すれば、割高に購入している電力を割安に自前で作り出すことが出来るので、工場全体のエネルギー原単位を下げることができます。

今回は、コージェネレーションのメリットや検討するのに必要な条件について考えてみたいと思います。

コージェネレーションとは?

コージェネレーションとは、ガスタービン、ガスエンジン、ディーゼルエンジン、燃料電池などを用いて電気を発生させたのち、その排熱を利用して蒸気や温水を作り出すシステムです。

電気と熱を発生させるため、日本語では「熱電供給」などと呼ぶこともあります。

コージェネレーションが省エネだと言われる理由は、電力会社で燃料から発生させた電力のみ送電してくるのに比べて、送電によるロスや排熱ロスなどを減らすことができるからです。

電力会社が運営する発電所の場合、一般的にはランキンサイクルでタービンで仕事を終えた蒸気は復水器で冷却され、廃熱は大気に捨てられるため、発電効率は30~40%程度です。コージェネレーションを導入し、廃熱を工場内で利用することが出来れば、熱利用の効率を60~80%程度まで高めることが可能です。

ガスタービンを例に挙げると、発電能力は約1500kW~30000kWまで様々です。最近では工場やプラント以外にも六本木ヒルズなど都市部の大型ビルなどにも利用されています。

  • 電力会社は発電はするけど、廃熱は利用できない。
  • 大型工場は熱も電気も使うけど発電設備がないので、電気は購入して熱はボイラーなどで燃料を消費して作る。

このジレンマを解消するために、コージェネレーションシステムが有効になってきます。

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コージェネレーションの仕組み

コージェネレーションは次のような流れになっています。

  • 気体燃料を燃焼させて、ガスタービンやガスエンジンで発電をする。
  • 出てきた高温の排ガスを廃熱ボイラーに供給する。
  • 廃熱ボイラーで発生した蒸気を熱交換器などで利用する。

これにより、気体燃料から電気と蒸気を取り出すことができます。ガスエンジンの場合は、蒸気ではなく、冷却に用いる温水が作られます。

多量の蒸気や電気を利用する大型工場の場合は、外部から電力を購入してくるよりもはるかに安いコストでエネルギーを生み出せるため非常に有効です。

一般的にはガスタービンや廃熱ボイラー、制御システムが一体となった「コージェネレーションシステム」として販売されています。

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コージェネレーションのメリット

コージェネレーションを導入することで次のようなメリットが得られます。

災害時のリスクを分散できる

工場にとって電気などのユーティリティーは、生産を継続するために絶対に止めてはならないものです。電力の供給を電力会社に依存していると、災害時などに送電が止まると生産が止まるリスクが高まります。

自家発電設備を持つことで、例え電力会社からの送電が停止したとしても燃料の供給を維持できれば、電力を発生させることができます。

このように複数の電源を持つことを分散型電源と呼びます。母線系統で停電などの事故が発生した場合に、工場内の発電設備のみで運用する場合を「自立運転」と呼びます。

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熱効率が上がる

熱と電気を別々に作り出す場合に比べて、排熱を多く利用することで総合熱効率が上がります。

大体、別々で使用した際の利用効率が40%だとすると、コージェネレーションの総合熱効率は60~80%近くまで上昇します。

エネルギー原単位の観点から言えば、相当大きな効果が得られると言えます。

電力の契約を安くできる

電力会社は最も電力の需要が多いタイミングに停電を発生させないため、ピークに合わせて発電量を調整します。

電力の契約金額は、工場ごとの電力需要のピークによって変わるため、一部に自家発電を導入し、ピークを減らすことが出来れば電力の契約金額を減らすことが出来ます。

また、省エネ法でも夏場の昼などのピーク電力を出来るだけ減らすこと評価する「電力需要の平準化」などが盛り込まれているため、補助金などが利用できることも多くなります。

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原単位を改善できる

工場の生産量を分母に、使用したエネルギーを分子に持ってきた生産効率の指標を「エネルギー原単位」といいます。省エネ法では、特定事業者は毎年1%の原単位改善を求められています。

コージェネレーションがうまく機能すれば、10%以上の原単位改善を行うことが出来ます。

コージェネレーションが有効になる条件

コージェネレーションシステムは、条件に上手く合えば大きな省エネ効果が得られますが、投資金額も大きいので条件が合うか詳細に検討しなければいけません。

コージェネレーションを検討するには次のようにいくつかの条件を満たす必要があります。

発生した温水や蒸気を利用できる

コージェネレーションでは、電力と同時に蒸気や温水を多量に発生します。全体の熱効率を向上させるためには、この蒸気や温水を有効に利用する必要があります。

タービンやエンジンのサイズにもよりますが、1時間当たり5~10t以上の蒸気使用があるような場合は電力と蒸気をバランスよく使用できる目安です。

連続して稼働させることが出来る

大型の機器全般に言えることですが、立ち上げ時に最も多くのエネルギーを使用するため、熱効率を向上させるためには連続運転をする必要があります。

このため週末は停止するなどといってバッチの工場では向いていない設備であると言えます。

如何にトラブルなく、連続運転を長く続けられるかがコージェネレーションシステムのカギと言えます。

燃料の価格が安い

ガスなどの燃料価格が上がれば、当然得られるメリットも減少します。火力発電用の燃料である重油などの値段が高く、都市ガスなどの燃料が安い場合に最も多くのメリットが発生します。

ガスタービンでは排熱を利用するので重油などを使えないという事がポイントになります。

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買電単価が高い

コージェネレーションを利用すれば、電力のピークカットを行えるため、電力契約を見直すことが出来ます。

現状の電力会社からの買電単価が高い場合は、コージェネレーションを導入し、契約を見直すことで大幅なコストカットを行うことが出来ます。

メンテナンス費用を考慮してもメリットが出る

ガスタービンなどの大型設備では、数年ごとにメンテナンスが必要になります。

タービンなどは消耗品なので、いずれは交換が必要ですが、その際にかかるメンテナンス費用も考慮した投資金額を考える必要があります。

メンテナンスの費用が想定外に高かったということがないように事前にメーカーに確認しておきましょう。

まとめ

  • コージェネレーションは電気と熱を発生させるシステム。

  • メリットはエネルギーコスト低減と停電リスクの分散、

  • 導入には運転条件を考慮する必要がある。

コージェネレーションはひと昔前から多く言われていますが、実際に導入するのは大規模な工事や工場全体のバランスを考慮しなければなりません。最近では、小型のタービンやエンジンなども発売されており、すそ野は広がっていると言えます。

こちらの動画は全て英語ですが、こちらは全体像が見えてわかりやすいです。

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エコおじい

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