再生可能エネルギーを効率よく経済的に取り扱うためのコジェネレーションプラントの最適化支援

コジェネレーション (熱電供給, CHP) プラントは、熱機関や発電所を使用し一つの燃料源から電気エネルギーと熱エネルギーを同時に生成します。コジェネレーションシステムを利用する主なメリットは、従来の発電所では無駄となっていた暖房用の熱エネルギーを活用できることです。

それは効率的ですか？－ はい

それはサステナブルですか？－ まだこれから

コジェネレーション と再生可能エネルギーへの移行における課題

ユーティリティ企業は現在、発電と地域暖房の両方での再生可能エネルギー利用に移行するという課題に直面しています。そのような移行が困難な要因は以下のような点です。

• 再生可能エネルギー源の不安定性：従来の発電方法による発電比率が高いシステムの場合、各ユニットは少量の需給調整用電力を供給していれば十分でした。従来のガス焚きコジェネレーションプラントでは、短期間での電力調整や電力網を安定させるためのアンシラリーサービスの提供を行う必要はありませんでした。しかし，再生可能エネルギーの供給割合が増えると、電力網を安定させるための需給調整電力源としてコジェネレーションユニットが使われる可能性があります。
• 経済の不確実性：コジェネレーションプラントへの再生可能エネルギー源の追加に伴い多くの不確定要素が増え、電気料金の予測がより難しくなります。コジェネレーションプラントは熱と電気の両方を供給するため、これらの経済的な問題に対応するためにエネルギー出力を調節する必要があり、その結果、負荷変動の回数が増加します。一方で、負荷変動回数の増加により、コンポーネントの応力は高まり、メンテナンスコストも増加します。
• エネルギーのデカップリング：発電と熱供給をデカップリングすることは、将来のエネルギー効率を追求する上で非常に重要となるでしょう。例えば、熱需要と風力発電が同時に増加した場合、ユーティリティ企業は効率良い運用のためにコジェネレーションからの発電量を減らして熱生産量だけを増やすといった、電力・熱出力のデカップリングが必要となります。このような要因に対応するために、地域熱システムには蓄熱システムが頻繁に使用されるようになってきています。しかし、蓄熱システムを既存の電力発電所に統合し、効率的な運用方法を確立することは、エンジニアリング上の野心的な課題です。

ロストック（ドイツ）を拠点とするエネルギーサービスプロバイダーである Stadtwerke Rostock 社のシステム開発責任者である Martin Brauer は、この課題を認識したうえで次のように述べています。「過去数十年間にわたり、お客様に信頼できるエネルギー源を提供するために、効率の高いガス焚き コジェネレーション プラントを使用して発電してきました。将来の発電ポートフォリオを策定するにあたり、エミッションをさらに削減したいと考えています。特に風力や太陽光発電などの変動するエネルギー源からの再生可能エネルギーの割合を高めるには、蓄熱の利用と発電ポートフォリオの柔軟性が必要であると考えています。」

シミュレーションソフトウェアによる負荷変動最適化の支援

火力発電プラントでは、負荷変動により温度と圧力が変化します。熱慣性の大きな厚肉コンポーネントでは、内部の流体条件が急激に変化した場合でもゆっくりと外部温度の変化が生じるため、この変化の影響を特に受けます。このような温度変化は材料の収縮や膨張を引き起こし、熱応力や機械的応力による圧力上昇の原因となります。このようなストレス要因を監視し、軽減することは、プラントの柔軟性を高めてより多くの再生可能エネルギー源を統合するために必要不可欠です。

モデロンの火力発電ライブラリ (Thermal Power Library, 以降TPL) は、これらのエンジニアリングの課題を扱うことができる幅広いモデル、シミュレーション、最適化のフレームワークを提供しています。 TPL には、蓄熱を利用した地域熱システムや熱 コジェネレーション プラント向けの既成のモデルが含まれています。また、 Modelon 2019.2 リリース以降のバージョンには、アンシラリーサービスの事例や水管ボイラや補機類の EN 12952 規格に基づく熱応力・機械的応力計算モデルも含まれています。

TPL に含まれているシミュレーションモデルを使用することで、例えば図 1 で示すような、従来の火力発電プラントでのボイラ起動時の高圧・高温部に温度と圧力の過渡的な変化を条件として設定できます。温度と圧力をノミナル値の 600 ℃ と 210バールまで上昇させていきます。昇温/昇圧過程においては温度や圧力に擾乱が生じることがあります。この例では，擾乱として 25 ℃ の温度低下を与えています。

図 １ ：火力発電プラント起動時における温度と圧力の過渡変化

熱応力計算の基礎となるヘッダー内の動的な管壁温度は、 TPL に含まれる熱伝導モデルを用いてシミュレーションすることができます。図 2 は、起動時の流体温度変化に伴う温度分布の時間変化を示しています。

図 2 ：火力発電プラント起動時の、図 1 で示す流体の温度擾乱に伴う厚肉ヘッダコンポーネントの管壁金属の半径方向温度分布

図 3 は流体圧力によって生じる機械的応力、管壁温度差によって生じる熱応力、また両方を合わせた合成応力の過渡変化の計算結果を示しています。

図 3 ：厚肉の円筒型ヘッダヘッダコンポーネントの機械的応力、熱応力、合成応力

このようなヘッダコンポーネントの寿命消費を決定する最大総合応力振幅について、熱応力と機械的応力の両方を考慮しなければいけない場合、さまざまな過渡状態におけるコンポーネントの最適な壁の厚さを見つけるという課題が生じます。このような最適化問題は、図 4 で示すように、TPLに含まれている最新の応力モデルを利用することで簡単に自動化することができます。

図 4 ：通常起動時と昇温・昇圧速度を 2 倍にした場合の，壁の厚さを変えたときの厚肉ヘッダの最大総合応力振幅。通常の起動向けには、コンポーネントは最小応力にとなる壁厚 0.075 ｍ として設計される。昇温・昇圧速度を 2 倍にする短縮起動の場合は応力は壁厚 0.055 m のときに最小となり，一般的に通常起動時よりも最大応力が大きくなる。

EN 12952 規格に基づく応力解析の他にも、最新の TPL には様々なアプリケーション事例モデルの幅広いコレクションも含まれています。これらのモデルは、アンシラリーサービスの拡大や蓄熱システムの統合といった他の典型的なエンジニアリング課題にも対応しています。

動的プラントモデルは技術の最適化における進歩に繋がる

Stadtwerke Rostock 社は、火力発電ライブラリを基にした自社発電プラントのダイナミックモデルを使用し、最適な柔軟性を実現するために、厚肉ヘッダコンポーネントの応力に影響する状況の調査など、自社の技術的課題に取り組んでいます。

ロストック大学の研究者と FVTR 社は、共同でプラントのシステムモデルを開発しました。モデル作成者の Hinrich Prause 氏は次のように述べています。「アンシラリーサービスを提供するための最適化の可能性を調査するためにダイナミックモデルの開発を始めましたが、同時に、過渡状態における熱応力のコンポーネントへの影響を評価する目的でも使用しています。蓄熱装置をエネルギーシステムに統合する最良の方法を調査する目的にも使用しました。」

数年前にロストック大学と共同でモデルベース調査について研究を始めた Martin Brauer 氏は、次のように思い返しています。「プラントの動的モデルを使用して事前にすべてを調査し、細部まで本質をとらえることができたので、様々な技術プロジェクトに合わせて最善の準備ができました。様々なアプリケーションに簡単に適応できる柔軟なツールを利用できたことは非常に良かったです。このモデルを使用することで、新しいコンポーネントの導入に際し、実際のプラントで実施すると高い費用がかかったりリスクが大きかったりするテストや、実プラントでは実施が不可能な調査を行うことができます。

Stadtwerke Rostock 社は従来のユニットの柔軟性を高める調整に成功し、アンシラリーサービス市場に参入しています。また、発電所敷地内に大規模な蓄熱システムを建設中です。コジェネレーションプラントの効率を最適化するためのダイナミックモデルの使用に関するケーススタディのいくつかを [1], [2] の研究論文でご覧いただけます。

References 

 [1] Wittenburg, R., Hübel, M., Hassel, E., Effects of rising dynamic requirements on the lifetime consumption of a combined cycle gas turbine power plant, International Conference on Applied Energy, August 22-25 2018, Hong Kong, China. 

[2] Prause, H., Hübel, M., Nocke, J., Hassel, E., Dynamische Simulation von Gas- und Dampfturbinenkraftwerken mit Kraft-Wärmekopplung, 14. Symposium Energieinnovation, 10.-12.02.2016, Graz, Austria. (ISBN: 978-3-85125-447-1).