商業・産業用途に役立つマイクロタービン

ガスタービンにはさまざまな大きさのものがある。シーメンス、GE、三菱日立パワーシステムズなど、大型の燃焼式タービンが騒がれる一方で、いくつかの中小企業はマイクロタービン市場のニッチを発見しています。マイクロタービンというと、多くの人が 30 kW 程度の電力を発生する小型の装置を思い浮かべます。そのようなユニットは斬新ですが、業界は過去 10 年間で大きく進化し、マルチパックユニットは最近、総容量が 30 MW に達することがあります。

コンサルティング会社の ICF Inc. これは、国内の CHP 設置に関する最も包括的な情報源と見なされています。 ICFは最近、2013年から2017年の間に、100kWから5MWの範囲における米国のCHP設置のうち、マイクロタービンが25％の市場シェアを獲得したと報告した。これは新記録となった。

データベースによると、5MW未満のCHPシステムの総設備容量は2017年末時点で2,631.4MWであった。 ICFは、米国のCHP年間設備容量が2017年の561MWから2026年には1,400MWにも成長すると予測している。この成長は、一般的にマイクロタービン技術と互換性のある小規模な商用アプリケーションに牽引されると予想されます。

「記録的な低ガス価格とその安定性を考えると、コージェネレーション・プロジェクトの開発は、産業プロセス用のホストへの蒸気販売とグリッドへの電力販売という複数の収益源を持つ魅力的な機会を提示します」とST Power Services Consultantsの代表兼オーナーのSiraj Taj氏はPOWERに語っている。「商用および工業用消費者は、運転コストの削減、信頼性の向上、エネルギー効率目標の達成、二酸化炭素排出量の削減のために、ビハインド・ザ・フェンス・コジェネレーションの経済的実行可能性を評価しています」と、彼は付け加えました。マイクロタービン発電システムの開発・製造では世界一を自負するCapstone Turbine Corp.は、当時も最大1MWの単機で売り込んでいた。現在、Capstone のすべてのユニットは、最大 30 MW の容量まで並列化できます。

これらのパッケージが有益であることを理解するために、Felsineo La Mortadella のことを考えてみましょう。同社はイタリアの食品加工会社で、細かく挽いた加熱調理用の豚肉ソーセージを製造しています。 Capstone の Web サイトで公開されているケーススタディで紹介されています。

Felsineo は、ボローニャの主要製造施設で発電システムのアップグレードを検討していました。同社は、キャップストーンの天然ガス燃料 C1000 マイクロタービン (図 1) を、ガスコンプレッサと燃焼後蒸気発生器のソリューションとともに導入することを決定しました。 Felsineoプロジェクトは、Capstoneのマイクロタービンで初めて燃焼後蒸気ソリューションを利用し、施設の電気と熱の両方の需要を満たすことに成功しました。ケーススタディによると、製造工場の全体的な効率は 30% 向上し、Felsineo は年間約 30 万ユーロを節約しました。

1. Capstone Turbine Corp.は、30kW の C30 デザイン (ここに示すカットアウェイ) から 1MW の C1000S ユニットまで、マイクロタービンのラインアップを提供しています。提供 Capstone Turbine Corp.

「Capstoneの新しいSignatureシリーズ製品ラインナップは、特にエネルギー効率市場の垂直成長およびCapstoneのビジネスの多様化を継続することに焦点を当てたCHP市場で大きな進歩を遂げています」と、Capstoneのセールスおよびマーケティング担当取締役副社長のJim Crouse氏はCHP市場の成長について最近のプレスリリースで述べています。

世界で最も効率的な小型ガスタービン

オーレリアタービンは、2013年に設立された比較的新しい会社ですが、その技術は何十年にもわたって開発されてきました。同社の本社と製造施設は、フィンランドのラッペーンランタにある。オーレリア社のマッティ・マルカマキCEOによると、ラッペーンランタは「高速技術のシリコンバレーに少し似ている」そうです。 POWERとの独占インタビューで、Malkamäkiは、特にラッペーンランタに会社を設立したのは、この地域に存在する「ノウハウ」のためだと語った。「初期の段階では、大学の5人の教授と30人以上の研究チームがタービンの設計に携わっていました。オーレリア・ガスタービンは、同社が「IRG2」（2つのスプールを持つインタークーラー・リカペレート・ジェネレーター）と呼ぶプロセスを利用しています。マルチスプールタービンや復水・過冷却タービンは他にもあるが、これらの特徴を1台に集約したのはオーレリア社のA400タービンが初めてである（図2）。図2 IRG2（2スプール式インタークール・リカペレート・ジェネレーター）プロセス図。オーレリアの設計では、低圧（LP）、高圧（HP）のコンプレッサ、タービン、発電機などが主な構成要素となっている。提供 Aurelia Turbines

その見返りは、効率の向上である。オーレリア社は、電気効率に基づくと世界で最も効率的な小型ガスタービンを持っていると主張しています。

「私たちはここで奇跡を起こしたわけではありません」と、マルカマキ氏は説明します。「他の同規模のガスタービンとの最大の違いは、単に2つのシャフトを持っているという事実です。低圧軸と高圧軸があります。つまり、発電機が2つあるということです。低圧軸と高圧軸の2軸で構成されているため、2つの発電機があることになり、2軸とも変速機がないため、高速軸となります。そして、低圧コンプレッサーの後にインタークーラーがあり、空気の密度が高くなり冷却されるので、残りの変換プロセスをより効率的に行うことができます。そして、復熱タービンを搭載していますが、他の同サイズのタービンよりも燃焼室での圧力比が少し高くなっています。 Capstone の設計は、排熱を利用して全体的な効率を向上させる CHP 設備に適していますが、Aurelia は、電力がタービン設置を決定する原動力となる用途を対象としています。オーレリア・タービンはCHPアプリケーションでも使用できますが、特定のサイトの要件によっては、ダクト・バーナーも必要になる場合があります」

「私たちはガスエンジンともっと競合しています」とMalkamäkiは言います。この領域では、オーレリアはより柔軟な燃料と低排出ガスを提供します。とMalkamäkiは言います。「私たちは、さまざまな燃料に対して、より大きな窓を持っています。エンジンに適さないような非常にリーンなバイオガスも利用できる。オーレリア・タービンのもう1つのユニークな特徴は、アクティブ磁気ベアリングです。このベアリングはオイルを必要としないため、漏れの可能性がなくなり、メンテナンスも軽減される。この設計は新しいものではない。ラッペーンランタにも拠点を持つスルザー社は、廃水処理プラント用の高速ターボコンプレッサなど、いくつかの装置で同様のベアリングを使用しています。これらの用途での成功により、オーレリア社はタービン設計に使用されている軸受システムに自信を持つことができました」

「このビジネスでは、信頼性と信頼できる企業であることを示すことがすべてです」と、マルカマキ氏は言います。 Aureliaは「話を歩むために」できる限りのことをしようとしていると彼は付け加えた。

Additional Cogeneration Solutions

英国に拠点を置くCentraxも小型ガスタービンソリューションサプライヤーである。 2017年10月には、イタリアのボローニャのプロジェクトも委託している。その施設では、それぞれ最大3.9MWの電力を供給する2台のCX501-KB5 DLE発電機が、市内の約8000世帯に暖房を供給する能力を持つ産業用ボイラーに取り付けられて活用されています。この 2 つのパッケージは、シーメンスの 501-K ガスタービンで駆動されています。

この施設を所有する多目的電力会社であるヘラは、1990 年代から稼働している工場に設置されたこのプロジェクトに 1700 万ユーロ以上を投資しています。アップグレードのきっかけは、エネルギー効率と環境の持続可能性を高めることだったという。 501-KB5 DLE発電セットはこのプロジェクトに適しており、Heraにコンパクトかつパワフルなソリューションを提供し、熱と電力が必要なときに優れた柔軟性を実現します」と、セントレックスのセールス＆マーケティング担当エグゼクティブマネージャーのクリス・デュモンは、工場の開設を発表するプレスリリースで述べています。「新技術のおかげで、Heraは遠隔センターから設備を制御することができ、現場の人員を最小限に抑えることができます」

Dalian Energasのオランダのグループ会社であるOPRA Turbinesは、別の小型ガスタービンパッケージを提供しています。 OP16ガスタービンは、オールラジアル設計です。先進的な燃焼システムにより、液体・気体燃料を幅広く扱えるのが特徴だという。また、低圧力比のため低燃料圧での運転が可能で、低エミッション燃焼器や低Btu燃料燃焼器も搭載できる。同社によると、独自の燃焼技術により、フレアや排気、あるいは単に廃棄されていた汚れた燃料ガスを「グリーン電力とクリーンな排気ガス」に変えることができます。

OPRAのソリューションが実際に使われている一例は、オランダのSiniat石膏ボード生産施設で見ることができます。 Siniatのプロセスでは、5.8MWthと1.8MWeを連続的に供給する必要がありました。同社は選択肢を検討した結果、OP16ガスタービンをアイランドモードで使用することを決定しました。 575℃でタービンを出た排ガスは、乾燥機と脱炭酸塔に直接ダクトで送られます。その結果、電気と熱の総合効率は85％を超えている。排ガスには15％の酸素が含まれているため、追加の熱出力が必要な場合は、乾燥機入口で簡単に後火入れを行うことができます。さらに、この装置は、旧式の既設ラジアルガスタービンと同じ場所にわずか2週間で設置されました。

-Aaron LarsonはPOWERのエグゼクティブ・エディターです。

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