三菱重工、「水素発電」「CO2回収」の2本柱で炭素中立市場に即応

　三菱重工業は「脱炭素化技術」と「水素バリューチェーン構築」を2本柱に、「2050年カーボンニュートラル」に挑む。直近で市場価値があり、技術的にも現実的な解と見るのが火力発電所を脱炭素化する「水素ガスタービン」と、火力発電所以外の工場や商業施設などを脱炭素化する「二酸化炭素（CO₂）回収プラント」だ。

　いずれも既に商用レベルまで技術は確立済み。水素ガスタービンは具体的な商談が進んでおり、CO₂回収プラントは海外への納入実績もある。さらなる技術開発で競争力を高める考えだ。

水素ガスタービン

2025年には「水素だけで発電」の実現も

　三菱パワー（横浜市）は、水素を燃料とした火力発電用のガスタービンを開発している（図1、2）。18年には天然ガスに30％の水素を混合して燃焼させる「予混合燃焼」式のガスタービンを実用化（実圧燃焼試験を完了）。25年には水素だけを燃焼させる「水素専焼ガスタービン」の実用化を目指し、開発を進めている。

図1　組み立て中のガスタービン

三菱パワー高砂工場内で、火力発電所で用いるガスタービンを開発・製造している。水素ガスタービンも同工場内の研究所で研究・開発が進められている。（出所：三菱パワー）

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図2　ガスタービンの仕組み

圧縮機と燃焼器、タービンから成る。圧縮機で高圧に圧縮した空気に、燃焼器で燃料を吹き込んで燃焼させ、発生した高温・高圧のガスでタービンを回転させて発電する。（出所：三菱パワー）

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　同社は、発電所で用いる出力10万kW級以上のガスタービン開発では、米General Electric（ゼネラル・エレクトリック、GE）やドイツSiemens（シーメンス）と競合する世界3強の1つだ。そんな同社は現在、水素やアンモニアなどを燃焼させて発電する「カーボンフリー発電システム」のラインアップを拡充（表）。特に注力しているのが水素ガスタービンの開発だ。

表　三菱パワーが取り組んでいるカーボンフリー発電システム

（出所：三菱パワーの資料を基に日経ものづくりが作成）

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　既に、天然ガスを使用するガスタービン・コンバインド・サイクル（GTCC）発電は実用化済み。GTCCとは、天然ガスをガスタービンで燃焼させて発電した上で、排熱で蒸気を作って蒸気タービンを回して二重に発電して効率を高める（図3）。天然ガスだけのとき、60Hz向けのM501JA形のガスタービンの場合、燃料エネルギーを電気に変換できる効率は約40％だが、GTCC なら約60％に引き上げられる。これに対して、CO₂の排出量は石炭火力発電の半分以下だ。

図3　ガスタービン・コンバインド・サイクル発電設備の仕組み

ガスタービンで発電した上で、その排熱を利用した蒸気で蒸気タービンを回して二重に発電する。（出所：三菱パワー）

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　一方の水素発電はCO₂排出がゼロ。効率が高いとはいえCO₂を排出するGTCCに比べると、カーボンニュートラルが主戦場となる今後は大きな市場を見込める。同社ターボマシナリー本部ガスタービン技術総括部技監・副総括部長（取材時、21年4月1日から三菱重工業エナジードメイン新エナジー事業部新エナジー部の技監・主幹技師）の谷村聡氏は、「現在の天然ガスGTCCと同規模の5000億円程度か、それ以上の受注規模を見込んでいる」と話す。

　「将来的に風力や太陽光などの再生可能エネルギー（のプラント）は偏在する上に変動電源で扱いにくい。再エネが将来的に普及してもその直接利用に限界がある以上、貯蔵と輸送ができる水素のニーズは高まるだろうと予想される」（同氏）。

　大がかりな改修をせずに既存の天然ガスタービン設備を流用できるのも、水素ガスタービンの利点だ。燃料が天然ガスから水素ガスに変わっても高圧の燃焼ガスでタービンを回して発電するという原理は同じだ。

　もちろん燃焼器や配管など燃焼に関わる部品の交換は必要だが、「既存の天然ガスタービンの燃焼器を水素ガスタービン用に交換するだけ。水素ガスタービンへの転換は発電設備の大規模な改修が不要で低コスト」（同氏）。メンテナンスのために燃焼器はもともと分離できる設計なので、交換自体は難しくない。「燃焼器の交換による水素ガスタービンへの転換」は現実的な解なのだ。