環境に配慮することの重要性はますます高まっていますが、私たちは依然として膨大な量の炭素を排出しています。 昨年、世界の二酸化炭素 (CO₂) 排出量は 36.8 ギガトンという過去最高を記録しました。 特に、エネルギー生産時に排出される炭素の量は膨大です。 世界エネルギー機関 (IEA) によると、世界の二酸化炭素排出量の 86% はエネルギー部門からのものです。

結局のところ、カーボン ニュートラルであるためには、発電プロセス自体が環境に優しいものでなければなりません。 グローバル企業は、この傾向に沿って、環境に優しいエネルギーを生産するための努力を続けています。 その一つが「水素燃焼ガスタービン」です。

この Tech Catch up では、水素ガスタービンについて詳しく学びます。 より詳細な説明については、POSCO グループ、ハンファ、斗山エネルギーのデータを参照しました。

「ハイブリッド水素タービン」 「水素タービン」とは？

水素燃料ガスタービンについて説明する前に、ガスタービンについて簡単に紹介します。 ガスタービンは、高圧・高温の気体を支え、発電に必要な高速回転運動を行う装置です。 特に、発電工程では1500～1700℃の高温に耐えなければならないため、特殊合金の製造や精密鋳造には高度な技術が要求されます。 ガスタービンは、40,000 以上の機械部品で構成されています。 「ガスタービンは圧縮機、燃焼器、タービンで構成されている」ということだけは知っておきましょう。

ガスタービンが作動するためには、まず空気を吸い込む必要があります。 吸入された空気は、分子が圧縮されるプロセスを経ます。 この過程で、温度が上昇し、大気圧が上昇します。 圧縮空気が燃焼室に入ります。 燃焼は、高圧、高温の空気が燃焼室に噴射された燃料と出会うときに発生します。 このプロセスでは、ブレードが 3000 rpm (1 分間に何回回転するかを示す単位) を超える速度で回転するときに機械エネルギーが生成されます。 この機械エネルギーは電気エネルギーに変換され、電気を生成します。

水素ガスタービンもこの原理で動いています。 ただ、一般的なガスタービンと違うとすれば、燃焼室に水素が導入されていることです。 混焼とは、混合燃焼の略で、水素と他の原料の混合物です。 通常、水素混焼ガスタービンは、水素と液化天然ガス（LNG）を混合します。

業界関係者は、「ガスタービン燃焼器に導入される燃料の種類に応じて、ハイブリッド水素ガスタービンまたはガスタービンの他の表現である可能性がある」と述べた。

炭素の排出量は、水素の混入量によって異なります。 水素はエネルギー生産過程で炭素を排出しません。 100MW（メガワット）クラスのLNGガスタービンを運転すると、年間約47万トン（t）の炭素が排出されます。 水素を約35%混合すると、従来に比べて炭素排出量が14%削減されます。 水素レベルが70％に達すると、以前のものと比較して40％以上減少します。

「水素ガスタービンも二酸化炭素を排出するから、やっぱり環境にやさしくない？」と思われるかもしれません。 産業界でさえ、水素を燃料とするガスタービンは、完全に環境に優しい発電方法とは考えられていません。 企業の究極の目標は、炭素を排出しない水素タービンを作ることです。 ただ、水素ガスタービンの開発にはまだまだ時間がかかりそうです。 水素燃焼タービンは中間段階と見なされます。

経済的な側面も考慮する必要があります。 100％水素で動く水素タービンが開発されても、市販化できない。 これは、水素自体の価格が非常に高いためです。 原料である水素の価格が高ければ、必然的に電気代も高くなります。 これが、水素が現在世界の電力生産のわずか 0.2% しか占めていない理由でもあります。

業界関係者は「最終的には水素を燃焼室に入れることが目標だが、現状（水素製造単価が高い）は経済的に成り立たない状況にある」と語った。 私は言った

「水素ガス火力発電タービンには、既存の老朽化したガスタービンを水素発電の方法に合わせて再設計することで、プラントの寿命を延ばすという利点もあります」と彼は付け加えました。

米国、EU、日本も水素タービンを開発しています。

現在、水素を燃料とするガスタービンが世界的に注目されています。 アメリカ、ヨーロッパ、日本などの主要先進国は、水素燃料補給プロジェクトを実施しています。 これらの国では、水素発電は完全なカーボン ニュートラルを達成するための 1 つのプロセスにすぎませんが、最終的な目標は、水素ガス発電タービンを作成することです。

米国は、1兆6000億ウォンの水素基金の11%を水素タービン発電の研究開発(R&D)に割り当てた。 2021 年 11 月、オハイオ州で水素ハイブリッド燃焼の実証が始まりました。 ヨーロッパでは、大企業が 65 から 80 MW の水素の混合燃焼の経験的評価を行っています。 日本は、2030年までに政府レベルで1GW（ギガワット）の水素ベースの発電設備を供給する計画であり、発電用燃料としての水素の量を30万トンに増やす。

韓国企業も水素ガスタービン市場に参入している。 この事業に乗り出した主な企業は、POSCO Group、Hanwha Impact、Doosan Enerbility です。 政府は、企業の技術開発を積極的に支援することもできます。

ポスコグループが所有する発電所の総容量は約6.5GWです。 POSCO International (Energy Division) は現在、仁川で 3.4 GW の LNG 発電所を運営しており、発電機 3 と 4 をハイブリッド水素プラントに置き換える計画です。 現在開発中の水素発電は、最大 50% の水素電力を生成できるはずです。 今後は、発電タービン技術者と協力して、2027年に3号機と4号機、2035年に9号機に水素発電の適用を拡大する予定です。

ハンファ インパクトは韓国西部電力と契約を結び、古い 80MW ガスタービンを大山工場に移し、ハイブリッド水素燃焼技術を適用するための実証研究を行っています。 水素と燃料の比率を最大55％まで適用する計画で、今年は実際に商用電力を生成する120MWクラスのガスタービンに水素ベースの発電を適用する予定です。 将来的には、国内の10社と協力して、水素燃料比を最大70%まで高める実証プロジェクトを実施する予定です。

斗山エネルギーは現在、韓国機械研究院との国家プロジェクトで「300MW級水素燃焼環境にやさしい燃焼器の開発」を進めている。 昨年8月の30%水素充填試験に成功し、今年は50%水素充填活動を開始する予定です。 2026年までに水素タービン用燃焼器の開発を完了し、2027年までに380MWクラスの水素タービンを開発することを目指しています。

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