水力発電に革命を：コンポジット駆動タービンブレードで高効率化

「水力発電」という言葉から、ダムシステムや従来の金属製プロペラ型タービンブレードを備えた大型タービンなど、目的別に建設されたインフラによって駆動される大規模な運用を想像することが多いでしょう。しかし、多くの地域で大規模・高出力の水力発所の新規建設余地がなくなっている一方で、より多く、より低コストな再生可能エネルギー発電への需要は増え続けています。

小型水力発電が未開発の水資源を活用

米国エネルギー省（DOE）は、2018年の「水力発電ビジョン」報告書で、米国の水力発電の現状と将来目標を概説し、2018年の101ギガワット（GW）から2050年にはほぼ150GWへの潜在的な容量増加には、より低コストでより多くのエネルギーを提供できる新しい先進技術が必要になると予測しています。

一つの解決策は、灌漑用水路や小川などの低流量水系から未利用エネルギーを取り込む、より小型の水力発電機にあるかもしれません。これは、キネティックNRG（オーストラリア、ゴールドコースト）のゼネラルマネージャー、ダレン・レン氏の見解です。2016年に故ポール・カミレリ氏によって設立されたキネティックNRGは、低コストで信頼性の高い電力を供給する新しい水力発電技術の開発に注力する民間資金の再生可能エネルギー企業です。

直径1.5m、出力30kWのマイクロ水力システム「HEG」

同社の第1号技術は「水力運動エネルギー発電機（HEG）システム」と呼ばれ、直径1.5メートル、水流速度2.0メートル/秒で最大30キロワット（kW）の出力を持ちます。この出力は、米国DOEなどの分類機関による定義（最大100kWの容量）に基づき、「マイクロ」水力発電システムに分類されます。河川、灌漑用水路、既存ダムからの放流路などでの直接使用を意図し、HEGは低落差水力発電向けに設計されています。つまり、「落差」、すなわち水面とタービンの間の距離が20メートル未満です。

モジュール化と製造可能性を両立したブレード設計

キネティックNRGの最初の小型スパイラルブレードモデルは金属で形成されていましたが、フルサイズの直径1.5メートルのプロトタイプを製造する段階になると、「実は製造できないことがわかった」とレン氏は語ります。コンセプトは、平らな金属板から始めて、中心から放射状に広がるスパイラルセットを成形・鍛造することでした。「強度を確保するために必要な部位の特定のポイントにアクセスする方法が見つからなかった」と同氏は説明します。

同社は最終的に金属でのアプローチを断念しましたが、設計自体は諦めませんでした。レン氏によると、キネティックNRGは地元の大学と提携し、ナイロンやセラミックなどの代替製造技術・材料を探り、3Dプリント企業と接触して付加製造が実行可能かどうかを検討しました。それでも、製造性と機械的特性の適切な組み合わせを提供するソリューションは見つかりませんでした。3年間の試行錯誤の末、サプライネットワークを通じて、エンジニアリング企業アドバンスト・コンポジット・ストラクチャーズ・オーストラリア（ACS-A、メルボルン）のチームと出会いました。同社は、様々な最終市場向けに、低ボリューム・高付加価値のコンポジット部品の設計・製造を専門としています。

レン氏はその後の展開を「知恵の出会い」と呼び、キネティックNRGがACS-Aのゼネラルマネージャー、ポール・ファルゾン氏とそのチームと協力し、コンポジット材料を用いた部品の製造と設計の様々な方法を検討したことを説明しています。ACS-Aは経験から、コンポジット材料がキネティックNRGの求める形状、重量、剛性要件を満たせることを知っていました。

革新的なブレード形状がプロジェクトの主要な設計課題でした。ブレードの機械的要件は、レン氏によると、米国DOEと国際電気標準会議（IEC）が定める基準に基づいています。システムのその他のコンポーネント（トランスミッション、電力管理、通信など）は、必要な規制をすべて満たすことが知られている既製品です。

ガラス繊維コンポジットブレードへの「リバースエンジニアリング」

ファルゾン氏によると、ACS-Aはまずブレード設計の金属製試作を評価し、必要な形状、寸法公差、ブレードの重量を達成する方法を決定しました。ブレードは水中環境に耐え、取り付けられるタービンのスチールシャフトを支える十分な剛性も必要です。ACS-Aチームは元の金属設計から出発し、元の剛性に合わせてガラス繊維コンポジットブレードを「リバースエンジニアリング」しました。しかし、溶接・金属成形構造からコンポジット積層構造への切り替えに伴い、いくつかの設計変更が必要でした。ファルゾン氏は「一歩引いて、『コンポジット材料の利点を最大限に活かすなら、これはどんな形になるか？』と自問した」と説明します。

いくつかの反復と議論を経て、現在の設計は、最終的なスパイラル形状を形成するために互いに嵌合する4枚の同一のコンポジットブレードで構成されています。「コンポジットブレードは実は鋼設計より厚いが、使用する材料の密度が低いため軽量です」とファルゾン氏は言います。「厚いということは、鋼設計と比べて曲げ剛性が大幅に向上することを意味し、全体として 훨씬 より剛性の高い製品が得られます。」

「逆さま」のツーリング

ツーリングの形状開発が、プロセスで最も困難な部分だったとファルゾン氏は言います。ACS-Aチームは、ダッソー・システムズのCATIAソフトウェアを使用して、元のブレードアセンブリの形状を評価しました。これにより、ブレード表面の開発とツーリングコンセプトの設計が行われました。「現在のパーツを見ると、実は逆さまの向きで作られています。ブレードモデルを反転させてツーリングを作らなければならず、実際のツーリングが届くまで奇妙に見えます。かなり複雑です」とファルゾン氏。ツーリングを反転させたのは、「水流にさらされるブレード側の面で必要な表面仕上げを達成するため」と、「製造された各ブレードコンポーネントが一体で脱型できるようにするため」です。また、ツーリングは精密でなければなりません。嵌合するブレードコンポーネントが、互いに、そしてタービンのセンターシャフトと正確に位置合わせできる必要があります。プロトタイプでは、サイクス・オーストラリア（シドニー）が供給したツーリングは、低コストのツーリングペーストをフォームバッキングに堆積させ、その後CNC加工で最終形状に仕上げたものです。

ツーリングが開発されると、現在のフルサイズプロトタイプブレードは、ガラス繊維ノンクリンプファブリック（NCF）とエポキシ樹脂から構築され、手積みで製造後、室温で硬化し、昇温オーブンで後硬化、さらにマリングレード塗料を塗布しました。材料は、部品の構造的要件とコスト要件の両方を満たすために選定されたとファルゾン氏は述べています。互いに嵌合するサブコンポーネントは接着剤で接合されています。これは、組み立て時の寸法精度と制御性を向上させるため、機械的固定よりも選ばれました。「本当のコツは、ブレードが嵌合できるようにしつつ、一度全体を積層・接着すると、必要な構造的および水力学的形状性能を達成する非常に剛性の高いアセンブリになることです」と同氏は語ります。

構造の剛性やその他の機械的特性のデジタル解析には、MSCソフトウェア（米国カリフォルニア州ニューポートビーチ）のツールが使用されました。「このシステムは、元の設計よりもはるかに効率的で、軽量で、より多くの仕事ができます」とファルゾン氏は付け加えます。

商業生産に向けて

レン氏によると、キネティックNRGの初期生産目標は3年間で950ユニット、その後は年間数千台へのスケールアップです。潜在顧客は、個人や企業、電力会社、自治体など幅広く、HEGコンセプトの汎用性を裏付けています。システムは、灌漑用水路内に「ミニ水力発電所」として設置したり、既存の水力発電機の下流に配置して未利用のオフフローから発電したり、遠隔地のコミュニティや企業の補助電源として使用したりできます。

現在、フルサイズのHEGプロトタイプは水中での機械的試験を受けており、同時に商業生産に向けた大規模製造プロセスの評価が進められています。

ACS-Aは、機械的試験結果と可能な限りコスト効率の良い製造要件に応じて、必要に応じてブレード設計の微調整を継続する見込みです。具体的には、ファルゾン氏によると、ACS-Aは「ハンドレイアップを最小限に抑えて形状を正確に得られるよう、自動プリフォーミングプロセスを検討している」とし、その後、ライトRTM（L-RTM）や他の高速プロセスへの移行を視野に入れています。

タービン組み立て方法も評価中で、ブレードサブコンポーネントをモジュール式に生産し、現地で組み立てることで、フルサイズユニットの輸送コストと課題を回避し、現地雇用を創出し、設置コストを下げることが目標です。これを可能にするため、ACS-Aはブレードの嵌合方式やアセンブリあたりのサブコンポーネント数の変更も検討するかもしれません。「元の形状のフルブレードは依然として重要な部分ですが、現場での組み立てを容易にするため、より少ないコンポーネントで同じ形状を作れるよう、接合部の位置を変更するかもしれません」とレン氏は述べています。

両社はまた、タービンの金属部品をコンポジットに置き換えることで、全体のアセンブリ重量を削減することも評価しています。「適切な箇所にはガラス繊維を、適切な箇所には炭素繊維を使用しますが、最終的には、システムの発電コストを競争力のあるものにするための価格ポイントを達成する必要があります」とファルゾン氏は語ります。

設計と製造プロセスの最適化が近づくにつれ、次の課題は、レン氏によると、商業ボリュームへのスケールアップのために、適切な投資と製造パートナーシップを確保することです。