着床式 vs 浮体式

着床式洋上風力発電と浮体式洋上風力発電の違い

2024 年末時点で、世界の洋上風力発電の累計設置容量は約 80GW でした。このうち約 200 MW のみが浮体式で、残りは着床式です。着床式洋上風力発電プロジェクトでは、通常、基礎構造として下記の 2 つの基本設計のいずれかを使用します。

モノパイル式

海底に打ち込まれた中空の鋼管。
地盤条件に応じて約 50 m の水深まで可能な設計で、最も低コストな基礎構造となります。

モノパイル基礎構造の例

ジャケット式

3 本または 4 本の脚を持つ格子構造で、通常はマイクロパイルまたはサクションバケットを使用して海底に固定されます。
一般に、約 60 m 未満の水深ではモノパイル式よりも製造・設置コストが高くなりますが、より深い海域や、厳しい地盤条件および荷重条件によりモノパイル式の製造および設置コストが高すぎる場合には、モノパイル式よりも比較的安価になります。

輸送中のジャケット式基礎構造物の例

着床式洋上風力発電の基礎構造は、一般的に洋上風力発電所を建設する最も安価な方法ですが、浅い水深に限定されます。着床式洋上風力の基礎構造は 55 m までの水深で設置されており、将来的には水深 75 m までの着床式洋上風力発電プロジェクトが計画されています。新しいテクノロジーと製造技術が開発されるにつれて、この深さの限界は広げられつつあります。着床式洋上風力発電の基礎構造がより深い海域に進出することにより、浮体式洋上風力発電の基礎構造に対する需要に影響する可能性があります。

浮体式洋上風力発電を選択する理由

浮体式基礎構造により、着床式の洋上風力発電プロジェクトを開発することが不可能な水深の、新たな海域での洋上風力発電の開発が可能になります。主に 5 つの利点があります。

新たな市場での洋上風力発電開発を可能にすること

すでに建設されている洋上風力発電の設備容量はほぼすべてが着床式であり、北欧など、大陸棚が広く浅い市場に立地しています。
浮体式基礎構造により、米国西海岸、日本、韓国など、水深の浅い海域が少ない地域でもプロジェクトを開発できるようになります。

既存市場における洋上風力発電設備容量を増加させること

浮体式洋上風力発電は、新たな海底開発領域を開拓することで、防衛、漁業、海洋骨材の採取、観光、環境保全など、他の人間活動との競争によってすでに制約を受けている海底開発の必要性を減らすことができます。
制約の少ない地域でのプロジェクトは、利益相反が明らかなプロジェクトよりも確実に開発できます。歴史的に、法的な問題により、開発者がこれらの地域でプロジェクトを実現するのが遅れたり、妨げられたりしてきました。
また、海底の状態により着床式基礎構造の設置が困難な海域、例えば、固い堆積物のために海底を掘削して基礎を設置する必要がある海域や、軟弱な地盤で安定性を確保するために深い杭打ちが必要な海域でも、浮体式洋上風力発電は適している可能性があります。

石油・ガス生産からの排出量の削減

浮体式洋上風力発電は、通常大量の化石燃料を消費し、着床式洋上風力発電設備を複数設置しても、部分的な電力供給すら困難な深海に位置する洋上石油・ガス生産施設に電力を供給できます。
例えば Equinor 社の 88MW Hywind Tampen プロジェクトは、水深 300m に位置する Gullfaks 油田および Snorre 油田にある 5 基のノルウェーの石油・ガス生産施設の電力需要に対して、約 35%の電力を供給する予定です。

より多くのエネルギーを捕捉すること

全海洋面積の約 80% は着床式基礎構造には深すぎます。
また、深海域の多くは沖合に位置していますが、沖合での風資源は、着床式洋上風力発電の可能な海域よりも強力となります。
例えば、2020 年の英国における着床式洋上風力発電所の平均設備利用率は 45% でした。^[1] これは、これらの着床式プロジェクトが、洋上で一貫して強い風が吹いた場合に生産できたであろう理論上の最大量の半分弱しか発電できなかったことを意味します。一方、英国初の浮体式洋上風力発電所の同 12 ヶ月間の設備利用率は 57.1% となり、英国で最高の数値を記録しました。^[2]
多くの浮体式洋上風力発電の開発地域は、着床式洋上風力発電プロジェクトがすでに開発されている地域とは発電プロファイルが異なり、別の風況に属するため、1 年にかけて発電する時期、または日中にかけて発電する時間が、着床式とは異なります。これにより、より広範なエネルギーシステムにおいて、浮体式洋上風力プロジェクトが着床式洋上風力プロジェクトを補完するものになる可能性があります。

地域経済への貢献

着床式洋上風力発電用の基礎構造は、通常世界中の専門施設で製造されており、洋上風力発電所の近隣地域に経済的な利益をもたらすことはほとんどありません。
浮体式基礎構造は一般に着床式基礎構造よりも大きく重いため、長距離での保管や輸送が困難です。これは、浮体式洋上風力発電所建設予定地に近い港湾で、浮体式基礎構造をゼロから製造するか、またはプレハブ部品を使用して製造する必要があることを意味します。
これにより、浮体式洋上風力発電所に近い港湾への多額の投資が促進され、雇用が創出されることになります。

^[1] The Crown Estate,「Offshore Wind Report 2021, https://www.thecrownestate.co.uk/media/4095/2021-offshore-wind-report.pdf, 最終閲覧日2022 年 7 月

^[2] Equinor、「Hywind Scotland remains the UK’s best performing offshore wind farm」,2021 年 3 月 23 日, https://www.equinor.com/news/archive/20210323-hywind-scotland-uk-best-performing-offshore-wind-farm , 最終閲覧日2022 年 7 月

浮体式洋上風力発電の成長を阻む障壁

浮体式洋上風力発電市場は今後10年間で大幅に成長する見込みです。浮体式洋上風力発電プロジェクトの成長率は、主に次の 3 つの障壁をいかに早く克服できるかによって決まります。

コストの高さ

現在、浮体式洋上風力発電の MWh 当たりコストは着床式洋上風力プロジェクトよりも高額です。つまり、浮体式洋上風力発電は、政府による価格支援スキームに依存することになります。
コスト高の要因の 1 つは、浮体式洋上風力発電が新しいと同時に、ほとんど実証されていない技術であり、開発者にとってのプロジェクトファイナンスと保険コストが増加するという事実にあります。
開発者、サプライヤー、そして業界全体が経験を積み、プロジェクト規模が拡大しスケールメリットが実現されるにつれて、浮体式洋上風力発電のコストは低下すると予想されます。浮体式洋上風力発電のコストは低下すると予想されるものの、基礎構造の複雑さとサイズが増すため、着床式洋上風力発電よりも常に高コストになる可能性が高くなります。これについては、「風力発電所のコスト」のセクションでさらに詳しく説明します。

サプライチェーン

現時点では、GW (ギガワット) 規模の浮体式洋上風力発電プロジェクトの同時開発を支援するに適した岸壁延長、水深 (少なくとも10m)、保管スペースにおける適切な組み合わせを備えた港湾の数は限られています。英国では、Cromarty Firth 湾港が浮体式洋上風力発電建設およびマーシャリング港湾として整備するための資金を獲得しています。この港湾の岸壁延長は 372m、最低水深は 12m、屋外一時保管場所は 9 万m2超あります。
大規模なプロジェクト建設を支援できる現地サプライチェーンの能力を確保するため、浮体式下部構造を大量生産する製造施設を設立する必要があります。
競争力のある有能な現地サプライチェーンは、大幅なコスト削減を実現し、浮体式洋上風力発電の経済的メリットを最大限に引き出すのに役立ちます。

技術的課題領域

コンポーネント固有の問題を解決することは依然として重要です。浮体式洋上風力発電業界が規模を拡大するにつれ、浮体式洋上変電所、ダイナミック送電ケーブルなどの比較的新しい技術による設計と製造、並びに係留システムなどの既存技術の最適化にはさらなる改良が必要になります。たとえば、浮体式洋上変電所はまだ初期段階にあり、これまでに世界で 1 基しか設置されていません。一方、深海にあり、かつ絶え間ない動きに対応可能なダイナミックケーブルは、現在もテストと最適化の段階にあります。英国主導の取り組みとしては、Floating Offshore Wind Centre of Excellenceや ORE Catapult の試験プログラムなどがあり、浮体式分野での研究開発を支援し、信頼性があり商業的に実現可能なソリューションの開発に貢献しています。
設置方法の改善が極めて重要となります。大規模な浮体式洋上風力発電所の設置には、着床式プロジェクトが直面する課題よりも大きい物流上および運用上の課題が伴います。現在、最大の浮体式洋上風力発電プロジェクト (Hywind Tampen) は、2022 年 5 月から 2023 年 8 月の間に設置されたタービン 11 基のみで構成されています。1 シーズンで 60 基のタービンを設置することは、大きな課題となります。現在の困難な課題として、建設された浮体式基礎構造物の保管と、浮体式洋上風力タービンを設置位置まで曳航するための適切な気象条件を見つけることが含まれます。
浮体式洋上風力タービンの保守およびメンテナンスの方法を確立することは不可欠です。着床式洋上風力タービンとは異なり、浮体式洋上風力タービンは従来のジャッキアップ船では簡単に対応できず、ユニットを港湾まで曳航して修理するにはコストと時間がかかります。これらの課題を軽減するには、新たな洋上でのメンテナンス手法が重要になります。例えば、スコットランドの Kincardine プロジェクトの浮体式洋上風力タービンにおいては、2022年に世界初となる現地での主要部品交換が完了しました。これは洋上での修理の可能性を実証するとともに、運用に関する専門知識の構築に貢献しました。コストを削減し、問題発生時のダウンタイムを制限するには、ツール、テクノロジー、プロセスの継続的な革新が重要になります。