磁気流体力学発電機

ファラデー発生器は、マイケル・ファラデーがテムズ川で荷電粒子を移動させる実験を行ったことにちなんで名付けられた。

単純なファラデー発電機は、非導電性材料で作られたくさび形のパイプまたはチューブで構成されています。導電性流体がチューブ内を流れる際、垂直方向に強い磁場が存在すると、流体中に電圧が発生します。この電圧は、磁場に対して90度の角度で側面に電極を配置することで、電力として取り出すことができます。

この例では、磁場の密度と種類に制限があります。抽出できる電力は、管の断面積と導電流の速度に比例します。このプロセスによって、導電物質も冷却され、速度が低下します。MHD発電機は通常、導電物質の温度をプラズマ温度から1000  ℃強まで下げます。

ファラデー発電機の主な実用上の問題は、流体中の差動電圧と電流がダクト側面の電極を介して短絡する可能性があることです。発電機はホール効果電流による損失も受ける可能性があり、これがファラデーダクトの効率を低下させます。MHD発電機のその後の改良のほとんどは、この問題を解決しようと試みてきました。ダクト型MHD発電機の最適な磁場は、一種の鞍型です。この磁場を得るには、大型発電機には非常に強力な磁石が必要です。多くの研究グループが、さまざまな成功度で超伝導磁石をこの目的に適合させようと試みてきました。

従来用いられてきた解決策は、ホール効果を利用して流体とともに流れる電流を生成することである。この設計では、ダクトの両側に短い分割電極のアレイが配置されている。ダクト内の最初と最後の電極が負荷に電力を供給する。その他の電極は、ダクトの反対側の電極に短絡されている。ファラデー電流のこれらの短絡により、流体内に強力な磁場が誘起されるが、その磁場はファラデー電流に対して直角な円弧状となる。この二次的な誘起磁場により、最初と最後の電極の間で電流が虹色に流れるようになる。

損失は​​ファラデー発電機よりも少なく、最終的な誘導電流の短絡が少ないため、電圧は高くなります。

しかし、この設計には問題がある。材料の流れの速度によって、ファラデー電流を「捉える」ために中央の電極をずらす必要があるからだ。負荷が変化すると流体の流れの速度も変化し、ファラデー電流が本来の電極とずれてしまうため、発電機の効率が負荷に非常に敏感になる。

3番目で、現在最も効率的な設計は、ホール効果ディスク発電機です。この設計は現在、MHD発電における効率とエネルギー密度の記録を保持しています。ディスク発電機では、ディスクの中心と、その縁に沿って巻かれたダクトの間を流体が流れます（ダクトは図示されていません）。磁気励起場は、ディスクの上下に配置された一対の円形ヘルムホルツコイルによって生成されます（コイルは図示されていません）。

ファラデー電流は、円盤の外周を完全に短絡した状態で流れる。

ホール効果電流は、中心ダクト付近のリング電極と周辺ダクト付近のリング電極の間を流れる。

幅広く平坦なガス流は移動距離を短縮し、それによって流体の抵抗を低減する。これにより効率が向上する。

この設計のもう一つの大きな利点は、磁石の効率が高いことです。まず、磁石は単純な平行磁力線を生成します。次に、流体が円盤状で処理されるため、磁石を流体により近づけることができ、この形状では磁場強度は距離の7乗に比例して増加します。最後に、発電機がコンパクトなため、磁石が小さくなり、発電電力のごく一部しか消費しません。

MHD発電における直接エネルギー変換の効率は、磁場強度とプラズマ伝導率とともに増加し、プラズマ伝導率はプラズマ温度、より正確には電子温度に直接依存します。非常に高温のプラズマは、材料の急速な熱侵食のため、パルスMHD発電機（例えば衝撃波管を使用）でのみ使用できるため、定常MHD発電機の作動流体として非熱プラズマを使用することが構想されました。定常MHD発電機では、自由電子のみが大幅に加熱され（10,000～20,000ケルビン）、主ガス（中性原子とイオン）ははるかに低い温度（通常2,500ケルビン）に保たれます。目標は、発電機の材料（壁と電極）を保護しつつ、このような低導体の限られた伝導率を、熱力学的平衡状態にあるプラズマと同じレベル、つまり、どの材料も耐えられない10,000ケルビン以上に完全に加熱されたプラズマと同じレベルに改善することでした。^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

エフゲニー・ヴェリホフは、 1962年に理論的に、1963年に実験的に、電離度と磁場に応じて臨界ホールパラメータに達すると、高温電子を含む磁化された非熱プラズマを使用するあらゆるMHDコンバータで電離不安定性（後にヴェリホフ不安定性または電気熱不安定性と呼ばれる）が急速に発生することを初めて発見した。^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}この不安定性は、非平衡MHD発電機の性能を著しく低下させる。当初は高効率が予測されていたこの技術の将来性は、当時不安定性を軽減する解決策が見つからなかったため、世界中のMHDプログラムを麻痺させた。^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}

電気熱不安定性を克服するための解決策を講じなければ、実用的なMHD発電機はホールパラメータを制限するか、高温電子を含む低温プラズマの代わりに中程度に加熱された熱プラズマを使用せざるを得ず、その結果、効率が著しく低下する。

1994年時点で、閉サイクル式ディスク型MHD発電機の効率記録22%は東京工業大学が保持していた。これらの実験における最大エンタルピー抽出率は30.2%に達した。一般的な開サイクル式ホール型およびダクト型石炭MHD発電機の効率はそれよりも低く、17%程度である。従来のランキンサイクル発電所では40%の効率を達成できるため、これらの効率ではMHDは単独では電力会社向けの発電には魅力に欠ける。

しかし、化石燃料を燃焼させるMHD発電機の排気は、炎とほぼ同じくらい高温です。MHDは、その排気ガスをタービンブレイトンサイクルまたは蒸気発生器ランキンサイクル用の熱交換器に送ることで、化石燃料を電力に変換することができ、その全体的な効率は最大60%と推定されます。これは、一般的な石炭火力発電所の40%と比較して高い値です。

磁気流体力学発電機は、ガス炉心原子炉の第一段階となる可能性もある。^{[ 15 ]}

MHD発電機は、壁面と電極の両方において材料に関する課題を抱えている。材料は、非常に高い温度でも溶融したり腐食したりしてはならない。この目的のために、燃料やイオン化シードとの適合性を考慮して選定された特殊なセラミックスが開発された。こうした特殊な材料と複雑な製造方法が、MHD発電機の高コスト化の一因となっている。

MHDは、より強い磁場ほど性能が向上します。最も成功している磁石は超伝導磁石で、チャネルのすぐ近くに配置されています。大きな課題は、これらの磁石をチャネルから絶縁しながら冷却することでした。磁石はチャネルに近いほど性能が向上するため、この問題はさらに深刻です。また、磁石は通常絶対零度に近い温度であるのに対し、チャネルは数千度にもなるため、高温で脆いセラミックに温度差による亀裂が生じるリスクもあります。

MHD（磁気流体力学_）においては、断熱壁材としてアルミナ（Al₂O₃ _）と過酸化マグネシウム（MgO₂ _）の両方が有効であることが報告されている。過酸化マグネシウムは湿気の近くでは劣化する。アルミナは耐水性があり、非常に丈夫に加工できるため、実際にはほとんどのMHDで断熱壁にアルミナが使用されている。

クリーンなMHD（つまり天然ガスを燃焼させる）の電極には、80% CeO _2、18 % ZrO _2、2 % Ta ₂ O ₅の混合物が優れた材料の一つであった。^{[ 16 ]}

石炭燃焼MHDは、スラグによる腐食性の高い環境です。スラグはMHD材料を保護すると同時に腐食も引き起こします。特に、スラグを通じた酸素の移動は、金属アノードの腐食を加速させます。それにもかかわらず、900 Kでステンレス鋼電極を使用_した非常に良好な結果が報告されています。_[ ^{17 ]もう}_{一つの、おそらくより優れた選択肢は、}スピネルセラミック、FeAl2O4-Fe3O4です_。スピネルは電子伝導性があり、抵抗性反応層がなく、アルミナへの鉄の拡散がいくらかあると報告されています。鉄の拡散は、非常に密度の高いアルミナの薄い層と、電極とアルミナ絶縁体の両方での水冷によって制御できます。^{[ 18 ]} 

高温電極を従来の銅バスバーに取り付けることも困難です。通常の方法では、化学的パッシベーション層を形成し、バスバーを水で冷却します。^{[ 16 ]}

MHD発電機は、同等の効率を持つ他の技術の方がライフサイクル投資コストが低いため、大規模なエネルギー変換には利用されてこなかった。天然ガスタービンの技術進歩により、タービン排気をランキンサイクル蒸気発電所の駆動に利用することで、より低いコストで同等の熱効率が達成された。石炭からより多くの電力を得るには、低温蒸気発生設備を増設する方が単純に安価である。

石炭燃料のMHD発電機は、燃焼タービンの動力サイクルに似たブレイトン動力サイクルの一種です。ただし、燃焼タービンとは異なり、可動する機械部品はありません。電気伝導性プラズマが可動する電気伝導体となります。側壁と電極は内部の圧力に耐えるだけで、陽極と陰極の導体が生成された電気を集めます。すべてのブレイトンサイクルは熱機関です。理想的なブレイトンサイクルは、理想的なカルノーサイクルの効率に等しい理想的な効率を持ちます。したがって、MHD発電機は高いエネルギー効率の可能性を秘めています。すべてのブレイトンサイクルは、燃焼温度が高いほど効率が高くなる可能性が高くなります。燃焼タービンは、空気/水または蒸気で冷却される回転翼の強度によって最高温度が制限されますが、開放サイクルMHD発電機には回転部品がありません。この温度の上限が、燃焼タービンのエネルギー効率を制限します。MHD発電機のブレイトンサイクル温度の上限は制限されないため、MHD発電機は本質的に高いエネルギー効率の可能性を秘めています。

石炭燃料の線形MHD発電機が動作できる温度は、次の要因によって制限されます。(a) 燃焼燃料、酸化剤、および酸化剤予熱温度。これにより、サイクルの最高温度が制限されます。(b) 側壁と電極の溶融を防ぐ能力。(c) プラズマから直流電流を運ぶ際に電極に衝突する高電流またはアークと、壁を覆う高温スラグによる電気化学的攻撃から電極を保護する能力。(d) 各電極間の電気絶縁体の能力。酸素/空気と高酸化剤予熱を備えた石炭燃焼MHDプラントは、おそらく約4200  °F、10気圧のカリウムシードプラズマを生成し、マッハ 1.2で膨張を開始します。これらのプラントは、MHD排熱を回収して酸化剤予熱と複合サイクル蒸気発生に使用します。積極的な仮定に基づくと、DOEが資金提供した技術の実現可能性調査^{[ 19 ]}では、大規模な石炭火力MHD複合サイクル発電所が60％近いHHVエネルギー効率を達成できることが示されており、これは他の石炭燃料技術をはるかに上回るため、低運転コストの可能性が存在する。

しかしながら、そのような過酷な条件や規模での試験はまだ行われておらず、現在試験中の大型MHD発電機も存在しない。商業用石炭燃料MHD設計に対する信頼性を確保するには、単純に信頼性に関する実績が不十分なのである。

ロシアで行われたU25B MHD試験では、燃料として天然ガスを使用し、超伝導磁石を用いて1.4メガワットの出力を得た。 1992年に米国エネルギー省（DOE）の資金提供を受けた石炭火力MHD発電機の試験シリーズでは、モンタナ州ビュートのコンポーネント開発統合施設（CDIF）で、より大型の超伝導磁石からMHD電力を生成した。これらの試験はいずれも、技術の商業的な耐久性を検証するのに十分な期間実施されなかった。また、いずれの試験施設も、商用ユニットとして十分な規模ではなかった。

大型MHD発電機では、電磁石を励磁するために必要な電力という大きな寄生損失の一つを排除するために、超伝導磁石が使用されています。超伝導磁石は、一度充電されると電力を消費せず、4テスラ以上の強力な磁場を発生させることができます。磁石にかかる寄生負荷は、冷却を維持することと、非超臨界接続におけるわずかな損失を補うことだけです。

高温のため、チャネルの非導電性壁は、酸化を抑制するために、酸化イットリウムや二酸化ジルコニウムなどの極めて耐熱性の高い物質で構成する必要がある。同様に、電極も高温下で導電性と耐熱性の両方を備えている必要がある。CDIFに設置されたAVCO社製石炭燃料MHD発電機は、白金、タングステン、ステンレス鋼、および導電性セラミックで覆われた水冷式銅電極を用いて試験された。

MHDはプラント効率を高めるため、化石燃料廃棄物の全体的な発生量を削減します。MHD石炭火力発電所では、米国が開発した特許取得済みの商用「Econoseed」プロセス（下記参照）により、煙突排ガススクラバーで回収されたフライアッシュからカリウムイオン化シードをリサイクルします。ただし、この装置は追加費用となります。溶融金属がMHD発電機の電機子流体である場合、電磁石とチャネルの冷却材には注意が必要です。MHD流体として一般的に使用されるアルカリ金属は水と激しく反応します。また、加熱され帯電したアルカリ金属とチャネルセラミックの化学副生成物は有毒で、環境中に残留する可能性があります。

旧ユーゴスラビア熱原子力技術研究所（ITEN）、エネルゴインベスト社（サラエボ）の技術者たちは、1989年に最初の実験用磁気流体力学発電設備を建設し、特許を取得した。^{[ 20 ] [ 21 ]}

1980年代、米国エネルギー省は複数年にわたるプログラムを開始し、1992年にモンタナ州ビュート にあるコンポーネント開発統合施設（CDIF）に50MWの石炭燃焼実証炉を設置してその集大成とした。このプログラムでは、テネシー大学宇宙研究所の石炭燃焼流動化施設（CFIFF）でも重要な研究が行われた。

このプログラムは4つの要素から構成されています。

1. AVCO社（後にボストンのTextron Defence社として知られる）が開発した、チャンネル、電極、電流制御ユニットを備えた統合型MHDトッピングサイクル。このシステムは、微粉炭で加熱されるホール効果ダクト発電機で、カリウムイオン化シードを使用していた。AVCO社は有名なMk.V発電機を開発しており、豊富な経験を有していた。
2. CDIFで開発された統合的な底打ちサイクル。
3. TRW社は、イオン化シードを再生する設備を開発した。スクラバーから排出されるフライアッシュ中の硫酸塩から炭酸カリウムを分離し、炭酸塩を除去することでカリウムを回収する。
4. 既存の石炭火力発電所にMHDを統合する方法。エネルギー省は2つの調査を委託した。ウェスティングハウス・エレクトリック社は、フロリダ州スニーズにあるガルフ・パワー社のショルツ発電所を対象とした調査を実施した。MHD開発公社もまた、モンタナ州ビリングスにあるモンタナ・パワー社のJEコレット発電所を対象とした調査を実施した。

CDIFの初期プロトタイプは、モンタナ・ローズバッド炭や高硫黄腐食性炭であるイリノイNo.6炭など、様々な石炭を用いて短期間稼働した。この過程で、工学、化学、材料科学に関する多くの研究が行われた。最終部品の開発後、モンタナ・ローズバッド炭で2,000時間、イリノイNo.6炭で2,000時間の連続運転による運用試験が実施された。試験は1993年に終了した。

1980年代後半の日本の計画は、閉サイクルMHDに重点を置いていた。これは、特に日本の気候条件に適した、クリーンで小型かつ経済的な100メガワット（電気）程度の発電容量において、より高い効率と小型の設備を実現できると考えられていたためである。一方、開放サイクル石炭火力発電所は、一般的に200メガワット以上で経済的になると考えられている。

最初の主要な実験シリーズは、東京工業大学の衝撃波管を動力源とするブローダウンシステム「FUJI-1」でした。これらの実験では、エンタルピーの最大30.2%を抽出し、1立方メートルあたり100メガワット近い電力密度を達成しました。この施設は、東京電力、その他の日本の電力会社、および文部科学省の資金援助を受けて建設されました。一部の専門家は、このシステムはヘリウムとアルゴンをキャリアガスとし、カリウムイオン化シードを用いたディスク型発電機であったと考えています。

1994年、 FUJI-1の経験を活かして建設される、天然ガスを燃料とする出力5MWeの連続閉サイクル発電設備FUJI-2の詳細な計画が策定された。基本的なMHD設計は、ディスクジェネレーターを用いた不活性ガスシステムとなる予定だった。目標は、エンタルピー抽出率30%、MHD熱効率60%であった。FUJI-2に続いて、出力300MWeの天然ガス発電所への改修が計画されていた。  

1980年代から、シドニー大学のヒューゴ・メッサーレ教授は石炭燃料MHDの研究を行っていた。その結果、 シドニー郊外で稼働する28MWeのトッピング施設が実現した。メッサーレ教授はまた、ユネスコの教育プログラムの一環として、MHDに関する重要な参考書も執筆した。^{[ 22 ]}

イタリアのプログラムは1989年に約2000万米ドルの予算で開始され、主に3つの開発分野があった。

• MHDモデリング
• 超伝導磁石の開発。1994年の目標は 、長さ2m、蓄熱量66MJのプロトタイプを製作し、長さ8mのMHD実証実験に用いることだった。磁場は5テスラ、テーパーは0.15T /mとする。形状は鞍型で、ニオブチタン銅製の円筒形および長方形の巻線を用いる予定だった。    
• 天然ガス発電所の改修工事。1件はラヴェンナにあるエニケム・アニック工場で行われる予定だった。この工場では、MHD（磁気流体駆動装置）からの燃焼ガスがボイラーに送られる。もう1件は ブリンディジの発電所向けの230MW（熱出力）設備で、主発電所に蒸気を供給する予定だった。

米中共同国家プログラムは、アスバッハにある石炭火力発電所第3号機の改修をもって1992年に終了した。さらに11年間のプログラムが1994年3月に承認され、以下の研究センターが設立された。

• 中国科学院電気工学研究所（北京）は、MHD発電機の設計を専門としている。
• 上海電力研究所は、システム全体および超伝導磁石の研究に携わっている。
• 南京東南大学の熱エネルギー研究工学研究所は、その後の発展に関心を寄せている。

1994年の研究では、MHDプラントとボトムサイクルプラントを蒸気配管で接続し、それぞれが独立して運転できるようにした、 10W（電気出力、108MW熱出力）の発電機を提案した。 

1971年、モスクワ近郊に設計容量25メガワットの天然ガス火力発電所U-25が完成した。1974年までに6メガワットの電力を供給した。^{[ 23 ]} 1994年までに、ロシアはモスクワのロシア科学アカデミー高温研究所に石炭火力発電所U-25を開発・運営した。U -25のボトミング発電所はモスクワ電力会社との契約に基づいて運営され、モスクワの送電網に電力を供給した。ロシアでは石炭火力ディスク発電機の開発に大きな関心が寄せられていた。1986年にMHD発電機を備えた最初の産業用発電所が建設されたが、1989年にMHDの稼働開始前にプロジェクトは中止され、この発電所は後に通常の構造で7番目のユニットとしてリャザン発電所に加わった。