航路標識ブイ （波力発電装置を内蔵している）

特集：エコエネルギー「地球にやさしい技術(1)」
環境にやさしい沿岸域づくり
キーワードはエコエネルギー

波との闘いから利用へ
　大小三六〇〇ほどの島々からなる日本の海岸線の総延長は三五〇〇〇kmと、世界でも有数の長さを誇っている。この海岸線に来襲する波のエネルギーは、電力に換算すると約三六〇〇万kwにものぼるという。その電力量たるや、日本の総発電量の四分の一近くにも相当するのである。
　ところが私たちが海を利活用しようというとき、打ち寄せる波は大きな障害としてとらえられ、その障害を取り除くことを前提として、海の利活用は進められてきた。波を防ぎ広い海を利用可能な空間にする構造物は防波堤だが、海の波は厳しく、防波堤の歴史は多くの失敗の歴史でもあり、波に耐える防波堤の設計がほぼ可能になったのは最近のことに過ぎないほど。
　もちろん波の大きな力を目前にして、それを利用しようとする動きも以前からあった。広井勇博士が波によって霧笛を鳴らす装置を研究したり、波力発電防波堤の基本的な考え方を戦後すぐに発表した前出繁吉のような人もいた。益田善雄氏考案の自立型の波力発電航路標識ブイは実際に使われてもいる。（これらの内容の詳細については、八ページの『クローズアップテクノロジー』を参照されたい）自然エネルギー開発を大きく進めたオイルショックが襲うかなり以前から、実用化に向けて様々な試みがなされていたようだ。
　一九七三年の第一次オイルショック以後、クリーンで再生可能なエネルギーとして、自然エネルギーに注目が集まった。そこで改めて波エネルギーも資源として位置付けられるようになり、近代的な波力発電としての技術開発が始まったのである。

波力発電(1)
波力発電ケーソン防波堤の試み
　オイルショック以後、世界的に本格的な波エネルギーの変換装置の研究が進んだ。波エネルギーを利用するためには、それを利用できる形に変換する必要がある。波エネルギーを空気エネルギーや機械的エネルギーなど、他の力学的エネルギーに変換するための装置を一次変換装置と呼ぶ。一次変換装置で取り出された力学的エネルギーを、さらにタービンや発電機などの二次変換装置で電気エネルギーとして取り出すのである。一次変換装置の考え方によって、波力発電は次の三つに分類されることになる。
　(1)機械的なエネルギーに変換する
　(2)空気エネルギーに変換する
　�B水の位置エネルギーまたは水流エネルギ ーに変換する
　それぞれの原理については『クローズアップテクノロジー』に詳しいが、下に掲載した海洋科学技術センターの『海明』とノルウェーの『ＭＯＷＣ』の一次変換装置は(2)に、イギリスのソルターダックの一次変換装置や、室蘭工業大学で近藤俶郎名誉教授らが進める、後出の振り子式エネルギー変換装置による波浪発電などは(1)に相当する。�Bは日本では一部の民間会社で実験が行われている。

上：海明（海洋科学技術センター） 左：ＭＯＷＣ（ノルウェー） 右：ソルターダック（イギリス）

　一次変換装置によって変換された力学的エネルギーは、波エネルギーの特質として、一般に往復流あるいは往復運動である。そのため、二次変換装置ではそれを一方向にする工夫が欠かせない。(1)では往復運動を回転運動に変えるために、ピストン式やロータリー式の油圧ポンプなどが用いられることが多い。(2)では整流バルブを用いたり、往復空気流の中でも常に一方向に回転する特殊なタービンを用いたりする。
　これらのうち、最も有望視されてきたのが(2)のタイプで、運輸省（現国土交通省）も一九八二年から防波堤に設置する空圧式の波エネルギー変換装置（波力発電ケーソン）の開発に着手した。基礎研究の当初から開発に携わった、国土交通省港湾技術研究所の高橋重雄特別研究官にお話をうかがった。
　「普通、防波堤は波を鉛直な壁面で反射させて防ぐため、反射波による弊害も指摘されていました。これに対して一九六〇年代後半くらいから消波ケーソン防波堤が開発され、波に対する前壁が透過性を持ち、その透過壁を波が出入りするときにエネルギーを失って反射波が減少することになります。そして、波力発電ケーソン防波堤は、波を防ぎ、波を消すばかりでなく、波のエネルギーを利用する機能も合わせ持つわけです。
　防波堤としての機能面が高まると同時に、コスト面でのメリットも見逃せません。つまり防波堤を造るときに併設するにしろ、既存の防波堤に付加するにしろ、独立型の波力発電所を建設するよりコストはかからないわけですから」

国土交通省 港湾技術研究所 高橋重雄特別研究官

　では、波力発電ケーソン防波堤の構造を簡単に見ておこう。波力発電ケーソンは、空気室と呼ばれる中空の箱の部分と、それを支持する通常のケーソンの部分とからなっている。空気室の前壁はカーテンウォールとなっており、波が空気室に侵入できるように開口部を持っている。従って、波の作用によって空気室の水位が変動し、空気室内の空気を圧縮膨張させると空気の圧力のはけ口であるノズルに空気の強い流れが生じる。その空気のパワーをタービンによって回転力に変え、発電機を回転させることによって電力が得られることになるのだ。
　一九八二年から五か年にわたる港湾技術研究所での基礎研究などを経て、一九八七年より運輸省第一港湾建設局によって、山形県酒田市の酒田港第二北防波堤の一部に波力発電ケーソンの実験設備の設計・施工が行われ、一九八九年夏にケーソンは完成。その年の十二月から発電運転は開始された。
　酒田港での現地実験は、運輸省と（財）沿岸開発技術研究センターを中心とした民間会社二十九社との共同研究として実施され、一九九九年を持って実証実験等は一段落している。もちろん、波力発電のプロジェクトとしては、海洋科学技術センターの沖合浮体式波力発電装置マイティーホエールや民間企業による波力発電システムが、現在も実験的に進められている。ヨーロッパでも、一時頓挫した波力発電開発に、環境保護意識の高まりから、再び取り組もうとしている。英国スコットランド西部のアイラ島で波力発電所が稼動したと新聞報道されたのは昨年のことだ。

波力発電ケーソン

波力発電の問題点と課題

　波力発電ケーソンの今後の課題について、高橋氏にうかがった。
　「酒田港での実証実験でかなりの成果を得たと思っています。実際、酒田では実験を五年くらいのスパンで考えていたんですが、地元のご要望もあり、十年以上稼動させた。すると、そこまで動かすことができたということは、メンテナンスの手間もそれほどかからないということの証明でもあります。
　その意味でも、技術的問題はかなり少なくなったと自負しています。今後はコスト面の問題をどうクリアするかでしょう」
　波力発電の問題点として、高橋氏はまず波が自然任せでいつも安定した波のエネルギーを得られない点を指摘した。
　「コスト面にもはね返ります。つまり最も多い一〜二ｍの波に対応した装置で行きたいところですが、より大きなエネルギーを得るためには四〜五ｍの波にも対応できる設備を整えなければならない。また、五十年に一度というような十ｍクラスの波は利用しないのですが、これに耐えるようにしなければならない。
　最近、風力発電に追い風が吹いていて、技術の進歩もめざましいようです。うらやましい状況でもあるんですが、波力発電に携わっている研究者としては大歓迎。風力にしろ波力にしろ電気設備の部分は同じですから、風力が普及する中でタービンや発電機、接続設備のいいものが開発されたり、コストダウンが図られれば、波力発電にも活用できますからね」
　また、風力にしろ太陽光にしろ波力にしろ、自然エネルギー利用のウイークポイントは、安定供給が難しい点にもある。電力会社の至上命題は、電力の安定供給。不安定要素が少しでもあれば、火力や原子力に替わるものとして導入することは考えられず、補助的に使われることになる。
　「発電コストの高い小規模なディーゼル発電が使われる離島などで、波力発電はコスト的にもたち打ちできるところまできています。ところが二十四時間安定的に電力供給ができると保証しえないために、補助的に導入することしかできない。いいかえれば、燃料の節約的にしか使えないことになり、それにはコストがかかり過ぎると考えられてしまう。
　いいと分かっているのに、自然エネルギーによる発電がそれほど普及しないわけは、この点にあるのです。ですから、自然エネルギー活用の将来を考えるとき、設備コストの低減と同時に、電力貯蔵の技術が進歩する必要があります。
　また、ヨーロッパで比較的、自然エネルギー発電がうまくいっているのは、ヨーロッパ全体に電力ケーブル網がつながり、電力の売り買いをしているため。足りない国には、他国からでも電力が供給されるのです。日本国内でもうまく電力のやり取りをできるようにすれば、足りないときを補い合うこともできるはずです。
　水力、火力、原子力、自然力などすべてを含めて、うまく電力を安定的に供給することも考えるべきではないでしょうか」
　ただ、安定的に電力供給するには、何と言っても貯蔵技術の進歩は欠かせない。様々な試みもなされているようだ。例えば電気を燃料電池に置き換える。波力発電で生み出した電気で水素をつくって貯蔵し、燃料として使うなど。何よりも、電力の安定供給を革命的に可能にできるような電力貯蔵のシステム開発が望まれるところだ。

波力発電活用の新たな展開
　国土交通省港湾技術研究所では防波堤のいらない画期的な消波システムを開発し、特許を取得している。『液状化消波システム』とよばれ、地震時に地盤の土粒子間の間隙水圧が上昇し、地盤がやわらかくなって建物が倒壊したりする液状化現象を逆手にとり、人工的に海底地盤を液状化させることで上を通る波の力を減殺しようというもの。液状化させるためにポンプで海底地盤に水を送り込むのだが、その動力を波力発電で得ようというのだ。研究開発に当たった高橋氏にうかがった。
　「台風などからの激しい波から防波堤で守られている港ですが、船が航行する湾口部からの波の侵入は防げません。そこにこのシステムを設備すれば、普段は船の往来ができ、しかも嵐のときにシステムを作動させることで港全体を防波堤で囲んだように港内を穏やかにすることができます。その動力として、波力発電装置を防波堤に設備してやることが考えられます。
　つまり、波で電気をもらうのだから、売電ばかりを考えるのでなく、沿岸開発の分野でもいろいろ使えるのではないかと取り組み始めているのです。
　例えば漂砂という現象があります。砂浜が波で侵食される現象の一つですが、それに関係しているのが地下水位。波がどんどんやってくればくるほど、砂浜の地下水位が上がって全体が軟らかくなり、波によって大きく持っていかれやすくなる。それを防ぐ一つの方法として、地下に水が溜まらないように井戸のように穴を掘って水を汲み上げるのです。すると砂浜の水位が下がり、波に持っていかれるより堆積するほうが多くなる。汲み上げるのはいつでもいいわけで、ここにも波力発電を動力として使えます。
　その他にも、汚れてしまった港内の水の浄化のために使ったり、防波堤灯台の照明、沿岸リゾートへの電力供給など、既に実用化されているものも含めて、波力発電の活用は今後も広がりを見せていくのではないでしょうか」
　波を取り入れ、波のエネルギーを変換して発電機を回す動力にするという波力発電のハードの部分は、多くの研究や実験、調査などによって確立されてきた。今後は波力発電のソフトの部分、行政的連係やシステム設計、エネルギー利用における課題をクリアし、プロトタイプを作って実用化へスタートするべき時期にきているといえよう。

室蘭工大実験プラント

波力発電(2)
波のエネルギーが振り子を揺らす
　オイルショック後の一九七五年以来、クリーンで再生可能な自然エネルギーの利活用の研究に全学で取り組んだ室蘭工業大学では、特に波のエネルギーを機械的に変換して電気エネルギーを産生させる波浪発電の開発研究に着手した。開発研究の中心にいたのは、近藤俶郎名誉教授と渡部富治元教授である。
　「港湾土木が専門で、消波ブロックなどの研究をしていたので、波エネルギーを活用することをまっ先に考えました。波エネルギーを機械的エネルギーとして吸収できれば、消波効果もあるし、吸収したエネルギーは電力に活用できるのではと。当時はすでに波の力を空気エネルギーに変換する方式は開発されていましたから、新方式であり、かつ防波堤と兼用あるいは併用できるものが経済的だとの判断があったわけです」
　では、どのようにして波のエネルギーを機械的エネルギーに変換するのだろうか。近藤先生が考えた方法はこうだ。
　沖合から進行してきた波が壁に当たると、後退する波が発生し、両方の波が混じり合って壁の前に定常波と呼ばれる波ができる。定常波は水粒子が上下動する振動の『腹』と水平運動をする『節』の部分からなり、この節の部分に可動物体を置けば、エネルギーが吸収できる。可動物体として考えられたのが振り子である。

室蘭工業大学名誉教授 近藤俶郎氏

「節の部分における水平運動をうまく捉えるには、当初考えた水車より、波の動きに合わせて行きつ戻りつする振り子が適していることがわかりました。その振り子の揺動を油圧ポンプを介して回転運動に変え、発電するのが波浪発電システムの原理です。いわば、波のプールの造波装置を逆にしたシステムだと考えれば、わかり易いでしょう」
　一九八三年から室蘭港外防波堤で、沖側に開口部を持つケーソンに実験プラントを設置しての実証実験を開始。エネルギー変換率の調査や耐久実験を行い、さらに一九九八年には（社）寒地港湾技術研究センターと共同して開発した効率的にも耐久性にもすぐれたロータリーべーンポンプによる振り子式波力エネルギー変換装置に行き着いたのである。

振り子式波浪発電装置

実用化への展望

　振り子式システムの高効率は世界的にも珍しく、国際的にも高い評価を受けているという。今後は実用にも繋がり易い規模の大きな実験が待たれるところだ。
　「実用段階での一歩を踏み出すことにネックになっているのが、コストです。しかし、二酸化炭素排出削減という命題から環境コストという点を考えると、決して高いとはいえないのではないでしょうか。
　通産省の新エネルギー構想の中に海洋エネルギーが入っていない。風力やソーラーにはかなり国が力を入れて、補助金がおりる。波力発電は個人ができることではないので、活性化しにくいのです。
　我々は既に大学での研究段階は過ぎたと思っています。後は行政や地方自治体などが中心になって、離島などでどんどん実施していく段階では。そうでないと、海洋エネルギーも含めたエコエネルギー開発が遅れることにもなりかねません。
　エコエネルギーの有効利用には、太陽から風力も含めたあらゆる自然エネルギーをバランスよく開発していかないと。日本は風も太陽も波も中庸の国で、だからこそ暮らしやすいともいえるのですが。その中で海洋は日本を取り巻いており、もっともエネルギーを秘めているものといえます。その意味では、国としてもっと海洋エネルギー開発に取り組んでもいいのではないでしょうか」
　二十一世紀のエネルギー体系に波浪発電システムはどういう位置を占めるのであろうか。

上 ウエハラサイクルの実験装置（蒸発器と分離器） 下 ウエハラサイクル

海洋温度差発電
―海の熱エネルギーを取り出す
海の力学的エネルギーを活用する波力発電、波浪発電とはまったく考え方が異なる、海の熱エネルギーを活用する海洋温度差発電とはどんなものなのだろうか。

プレート式熱交換器と
アンモニア
　佐賀大学の上原春男教授が三十年前に選んだ研究テーマは低温度差発電だった。
　発電所の温排水と常温水との温度差に着目したのだが、温排水は部外の研究者には自由に使えない。結局、表層と深層の温度差が小さく扱いが難しいものの、ほぼ自由に使える海水での研究が始まった。
　液体の媒体を海面付近の高温海水で気化させてタービンを回して発電、気化した媒体を深海の低温海水で冷却して再び液化し循環させるのが、海洋温度差発電の原理である。原理そのものは火力発電のモデルが完成した一八八一年には考えられていたが、実用化の試みがことごとく失敗していた。媒体を循環させる動力及び海水を汲み上げる動力で消費される電力量を発電量から差し引いた実質発電量が、なかなかプラスにならなかったためだ。
「この難題に対する解答が、媒体にアンモニアを用いたことと、液化と気化をさせるための熱交換器をチューブ式からプレート式にしたことでした。学会で発表した当初は空想に過ぎないとたたかれましたよ。アンモニアガスでタービンが回せるとは信じられなかったし、プレート式熱交換器など当時は影も形もなかったわけですから。
　実証するべく研究を重ねた成果が、一九九四年の国際会議で発表した『ウエハラサイクル』と呼ばれるシステムに凝縮されています。このシステムでは、媒体にアンモニアと水の混合物質を用い、二個のタービンを用いてより効率を上げました。結果、五万〜一〇万kWの大型プラントにすれば、火力や原子力に負けない採算性に達しています」

インドでの洋上実証試験

インドでの洋上実証試験と今後の展望
　一九九七年、佐賀大学と海洋エネルギー開発に積極的なインド政府が海洋温度差発電の実用化のための協定を結んだ。上原先生の基本設計に基づいた一〇〇〇kWの実証プラントをインド洋上に設置。今年一月より実証試験が開始されている。
「海の熱エネルギーは無尽蔵な上に、他のエコエネルギーと違って安定的。規模も、一つのプラントで三〇万kWの発電が可能。インドでは、実証試験の成果を得て、一〇〇〇基におよぶ海洋温度差発電の商用プラントを国内に建設する予定になっています。日本発の新技術として、世界で注目されているのが海洋温度差発電システムなのです。
　一方、日本にも海洋温度差発電に適した海域が多いんですよ。できないのは北海道周辺と玄界灘くらいで、浅いものの底のほうの温度が摂氏零度近いという日本海は最適といえます。日本での展開も楽しみです」

佐賀大学理工学部 上原春男教授

　サイクルシステム自体は海洋温度差に限らず、温度差を有する熱源があればあらゆるところで利用できることになる。工場や発電所の温排水と表層海水との温度差、ダム湖での表層と底層との温度差、海水と寒い空気との温度差、さらに地熱水や温泉水と常温水との温度差による発電も可能だ。
　また、発電ばかりでない展開も考えられているという。特に、海洋温度差発電では冷たい海洋深層水を汲み上げるため、その利活用は注目される。清浄でミネラル豊富な水として飲料水、化粧水などに、冷熱源として沿岸域の冷房や冷凍システムにも応用できる。
　沿岸開発においても、海洋温度差発電に期待できるものは少なくなさそうである。