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世界中で巻き起こるエネルギー改革!発電の最新技術を一挙公開

地球温暖化対策や資源枯渇問題の影響で近年は化石燃料の使用が敬遠されつつある一方、災害へのリスクを考慮して世界規模で脱原発の流れが加速している昨今、自然エネルギーに注目が集まっています。日本を含めた世界各国で様々な分野のクリーンエネルギーの開発が進んでいますが、この記事ではその研究内容について紹介します。

世界で次々と発電新技術が開発

“テクノロジーの進歩が日進月歩のスピードで進む状況の中で、世界のいろいろな地域で発電に関する新技術が続々と研究、及び開発されています。自然エネルギーの利用促進に対する意識の高まりから注目されている技術の一つが、「エネルギーハーベスト」という技術です。このハーベストとは「収穫」を意味する英語が元になっており、エネルギーハーベストでは振動や光、熱など私たちの身の回りの環境中に存在する希薄なエネルギーを電気に変換します。エネルギーハーベストの技術は「環境発電技術」とも呼ばれており、充電や取り替え、及び燃料補給なしで長時間にわたるエネルギーの供給が可能であるという特徴があります。そのため今後訪れるであろう、いつでも・どこにいてもネットワークに接続できるユビキタス社会や、あらゆるものをインターネットでつなぐ「モノのインターネット(IoT)」の実現には欠かせない技術だと言えるでしょう。

世界中の様々な国の中でも、特に日本はこのエネルギーハーベストの技術の研究・開発に注力しています。日本では石油や天然ガスなどの一次エネルギーが基本的には産出されないためその自給率が低く、太陽光発電や風力発電などの自然エネルギーを利用した発電も気候に左右されるという弱点があるためです。実際のところ、エネルギー自給の問題をカバーするために様々な企業や会社がエネルギーハーベストの研究と開発を既に行っています。”

振動発電の新素材開発で20倍以上の出力が可能に

“エネルギーハーベストの一つが、とあるものに対する振動や衝撃、物自体の動きから電気エネルギーを取り出すという、極めて汎用性の高い技術の「振動発電」です。振動発電には取り出すことができるエネルギー密度が、他のエネルギー源に比較すると高いという特徴があります。この技術を応用することで、自動車や鉄道、さらには橋など振動や動きが起こる場所であればあらゆる場所で発電することができるようになるでしょう。

実際、既に振動発電の開発と研究は様々な企業や研究機関が行なっています。例えば、JR東日本コンサルタンツはJR東京駅の改札口で、人々が床の上を歩くことによって発生する振動を電気に変える「床発電」の実証実験を行いました。この実験では、得られた電力は照明やエスカレーターの駆動に利用されています。また大手タイヤメーカーのブリジストンは、路面状態を感知するためのセンサーを振動発電機で駆動させるという技術を作り出しました。上記の二つの例以外にも、様々なエネルギーハーベスティング技術の開発事例が日本にはあり、将来はこれらの技術で世界をリードすることも十分ありえそうです。

また、振動発電の技術に関して最近特に注目されていることがあります。それは、振動エネルギーで使える新素材が開発され、以前に比べると20倍以上の出力が可能になったことです。この新素材は「クラッド鋼板」と呼ばれてますが、これは冷間圧延鋼板とFeCo系磁歪材料の冷間圧延板を熱拡散接合することで作られます。この構造によってFeCo磁歪材料を単独で用いて鋼板を作成する場合よりも数倍から20倍以上の振動発電出力が可能になりました。”

Wifi無線電波を電気エネルギーに変換

“Wi-fi無線を発電に応用する技術も、エネルギーハーベストの一つです。これはアメリカのノースカロライナ州にあるデューク大学が、Wi-fiの電波などといったマイクロ波を電気エネルギーに変換する技術を開発したことで実現しました。このWi-fiを利用した発電の変換効率はおよそ37%にまで達し、最高レベルの太陽電池に匹敵するまでとなっています。

通常、Wi-fiのアクセスポイントから放出される電波は飛び去って最終的には減衰してしまうのですが、開発されたエネルギー変換装置はマイクロ波を7.3ボルトの電力に変換します。これにより、通常であれば飛び交った後消えてしまうエネルギーを再利用することが可能になっています。”

工場排水や温泉の熱が電気に

“日本の企業である株式会社モッタイナイ・エナジーが開発したデバイスも、エネルギーハーベスティング技術の一つに数えることができます。それは、通常はもう利用され捨てられてしまうような工場の排水や温泉の熱を電気に変える「排熱発電」に関する技術です。

この排熱発電では、熱電発電ユニットという装置に取り付けられた管に温水と冷水をそれぞれ流し、最終的に中央に取り付けられた熱電発電モジュールの間を交互に流すことで発電を行います。設置場所は主に工場の製造ラインが想定されていますが、温泉地などでも未利用排熱を応用した発電ができると考えられています。排熱発電の発電量は、装置に流す温水と冷水の温度差に差があればあるほど大きくなります。例えば、それらの温度差が85℃で1立方メートルにユニットを敷き詰めて積み上げた場合、12kWの発電が可能です。

この装置の革新的な部分は、「積み上げることができる」という点にあります。これまでも熱電発電ユニットは存在はしたのですが、そもそもモジュールの熱電発電性能が低い、あるいはボディ部に金属を使用していたため積み上げることができず、結果として発電量が低いという問題がありました。そのため、モッタイナイ・エナジー社の製品のように積み上げることができず、一つの場所で高出力の電力を生産することが難しいという問題を抱えていたのです。今回、同社が開発した熱電発電装置は、電力変換の性能を向上させボディ部にプラスチックを採用しユニット自体の積み上げを可能にしたことで、ある一つの場所で発電できる電力量を高めています。”

日本の膨大な資源を活用した潮流発電

“日本は島国であるため周囲を広大な海で囲まれていますが、その海の潮流を利用した「潮流発電」という発電方法も発明されています。潮流発電にはいくつかメリットがあります。まずは、二酸化炭素の排出や放射能のリスクが全くないことです。そこにある自然環境をそのまま利用するため、環境に新たな負荷をかけることはありません。

また、エネルギー自体が無尽蔵で気象条件にかかわらず安定的に供給されることもメリットだと言えるでしょう。潮流は潮の満ち引きや太陽熱、偏西風など様々な自然の条件が重なって生み出されていますが、これらは当然地球規模の継続的な運動で、いわば半永久的なものです。さらに、太陽光や風力と違って、潮流はその大きさや方向の変化はあるものの、基本的にはいつでも存在しているので気象状況に影響されない、安定的な電力の供給が望めます。

潮流発電に関する具体例としては、新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)は、協和コンサルタンツや九州工業大学などとともに開発した「相反転プロペラ式潮流発電技術」があります。この技術は、互いに逆方向へと回転する2段のプロペラを用いる「相反転方式」を採用して電気を作り出すことが特徴です。この発電技術の発電効率は43.1%となっており、とても高い発電効率を発揮できると言えるでしょう。”

車のエンジン熱で電力不足を解消へ

“走行後の車から発生する熱によって発電する技術も、エネルギーハーベスティング技術として開発されています。自動車は内燃機関を動力にしているためエンジンやその他の周辺パーツは触ってしまえば火傷することは避けられないほど高熱になりますが、それらの排熱はほとんど利用されていないまま捨てられているのが現状です。そこで、総合電機メーカーであった東芝は、熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換することでこの排熱を有効利用できるような技術を開発しました。この技術には熱電半導体の片側を温める一方で、その反対側を冷却すると電子が移動して電流が流れるという仕組みが使われています。それゆえ実際に応用すると、800℃前後にまで上昇するものの今までは捨てられていた車の排気ガスと冷却水を組み合わせることで電気を作り出すことが可能です。

現在の自動車は、一昔前のものとは異なって電装品は電子制御のシステムが増えたため、電力不足とでもいうような状況にあるようです。そのため、エンジンの排熱を利用した自動車自体での発電ができるようになれば、わざわざ電気を生み出す部品を搭載する必要がなくなり、自動車の製造コストの削減などにも繋がってくるでしょう。”

風力発電を空中に浮かせて3倍以上の発電効率

“自然エネルギーの代名詞の一つであるとも言える風力発電も、技術革新によって進化しています。例えば、オランダのデルフト工科大学は風車のない風力発電システムを開発することに成功しました。この風力発電では、従来のものとは違ってプロペラの代わりにEWICON(静電風力エネルギー変換)というシステムを採用しています。直接的な風を用いて発電するのではなく、荷電粒子を風で電界の反対方向へ動かすことによって発電することが特徴です。

また従来のように風力発電機を地上付近に設置するのではなく、高高度の空中に浮遊させ発電を行う「飛行発電」も注目される技術です。これは、高高度の上空を常に吹き渡っている強風を利用して発電を行うというものです。とある企業によると、飛行発電では地上の風力発電装置の3倍以上の電力発電効率が達成される場合もあるとのことです。

これらの発電方法では、そこまで大きくないエネルギーしか今のところは発電できないという状況ではあります。しかし、今後も技術革新を実現できればいずれは大きなエネルギーも作り出すことが可能になるのではないでしょうか。”

二酸化炭素をリサイクルして燃料に

“二酸化炭素をリサイクルして燃料などに変える試みも行われています。カナダの企業であるカーボン・エンジニアリング社は、空気中の二酸化炭素を低コストで吸収する新技術を発表しました。同社によると、空気をフィルターにかけることで二酸化炭素を取り出し、結果的に大気中の二酸化炭素濃度を削減することができるということです。

大気中の二酸化炭素の直接の取り込みは、巨大なファンを使って空気を水溶液と接触させることによって行います。溶液との接触で飛び出した二酸化炭素を、加熱や化学反応を通じて再抽出すると液体燃料として利用できる化学物質が生成されリサイクルが達成されます。このシステムの優れているところは、大気中の二酸化炭素を減少させ地球温暖化対策に貢献すると共に、エネルギー問題も解決できる可能性を秘めていることにあります。なお、カーボン・エンジニアリング社の新技術では待機中から1トンの二酸化炭素を取り出す費用は100ドル(約1万1000円)以下で、従来の6分の1の費用で済みます。また、同社のようにスイス企業のクライムワークス社も大気から炭素を取り出しそれを肥料にする技術を開発しています。”

アイスランドに初の「マイナス環境負荷」が誕生

“アイスランドという国には世界初の「マイナス環境負荷」の発電所が存在します。これはどういうことかと言うと、環境負荷をかけないどころかむしろ環境負荷を解消する発電所だということです。

アイスランドのヘトリスヘイジ地熱発電所がその発電所で、具体的には、排出する二酸化炭素より空気中に存在する二酸化炭素を多く吸収することでマイナス環境負荷を実現しています。理論的には、大気中の二酸化炭素を硫化水素と水に溶かし混んで地下深くの玄武岩層に注入し、無害な炭酸塩鉱物に変化させ安定化させることで大気中の二酸化炭素を回収するとのことです。発電所における二酸化炭素鉱物化技術の利用で、発電所全体の二酸化炭素排出量よりも吸収した二酸化炭素量の方が多いという結果が2016年に発表されました。

玄武岩の地層は世界中の色々な場所に存在するため、この技術が広まれば、世界規模でマイナス環境負荷を実現することが可能になるでしょう。火山が多い日本でも、二酸化炭素を吸収する地熱発電所がゆくゆくは誕生するかもしれません。”

まとめ

以上で紹介したように、年々悪化する地球温暖化問題への対策として世界的にクリーンエネルギーが重要視されており、続々と新しい技術が生まれています。それらの中には環境保護という観点のみならず、化石燃料などのエネルギー資源が枯渇するという問題にも対応できるような優れた新しいエネルギーも存在します。人類がこの先電力を手放すことは考えにくい以上、今後も各分野での電力開発が一層進んでいくことは間違いないと言えるでしょう。

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