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洋上風力発電または洋上風力エネルギーは、通常は海上にある水域の風力発電所を通じて電力を生成するものです。洋上は陸上よりも風速が高いため、洋上発電所は設置容量あたりの電力をより多く生成します。 [1]また、洋上風力発電所は陸上の風力発電所よりも人や景観への影響が少ないため、 論争の的になることも少ないです。 [2]
海洋産業における「オフショア」という用語の一般的な使用法とは異なり、オフショア風力発電には、湖、フィヨルド、保護された沿岸地域などの沿岸水域だけでなく、深海域も含まれます。ほとんどのオフショア風力発電所では、比較的浅い水域に固定基礎の風力タービンを使用しています。深海用の浮体式風力タービンは、開発と導入の初期段階にあります。
2022年現在、世界の洋上風力発電の総定格容量は64.3ギガワット（GW）です。[3] 中国（49％）、英国（22％）、ドイツ（13％）で世界の設備容量の75％以上を占めています。[3]英国のホーンシープロジェクト2（1.4GW ）は世界最大の洋上風力発電所でした。計画段階にある他のプロジェクトには、英国のドッガーバンク（4.8GW）と台湾のグレーターチャンフア（2.4GW）があります。 [4]
洋上風力発電のコストは歴史的に陸上風力発電よりも高かったが[5]、2019年には78ドル/MWhに減少した。[6]欧州の洋上風力発電は2017年に従来型電源と価格競争力を持つようになった。 [7]洋上風力発電は2010年代に年間30％以上増加した。2020年の時点で、洋上風力発電は北欧の発電の大きな部分を占めるようになったが、世界全体の発電量の1％未満にとどまっている。[8]陸上風力発電と比較した洋上風力発電の大きな利点は、設備利用率が高いことである。つまり、所定の定格容量の設備であれば、より安定して強い風のある場所でより多くの電力を生産できるが、このような風は通常洋上では見られ、陸上ではごく限られた特定の地点でしか見られない。
歴史
容量
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ヨーロッパは洋上風力発電の世界的リーダーであり、最初の洋上風力発電所（Vindeby）は1991年にデンマークに設置されました。 [16] 2009年、ヨーロッパの洋上風力タービンの平均定格出力は約3MWで、将来のタービンの容量は5MWに増加すると予想されていました。[16]
2013年に実施された、陸上で使用されるタービンのサイズ、電気接続、コンバーターなどの技術的側面に関する調査では、業界が費用便益比について一般的に過度に楽観的であったことが考慮され、「洋上風力市場は大きくならないようだ」という結論が出されました。[17] [18] 2013年、洋上風力発電は、その年に建設された風力発電容量合計11,159MWのうち1,567MWを占めました。[19]
2014年1月までに、ヨーロッパでは69の洋上風力発電所が建設され、平均年間定格容量は482MWでした。[20 ]ヨーロッパ 海域の洋上風力発電所の総設置容量は6,562MWに達しました。[20] イギリスは3,681MWで圧倒的な容量を誇っています。デンマークは1,271MWで2位、ベルギーは571MWで3位でした。ドイツは520MWで4位、オランダ（247MW）、スウェーデン（212MW）、フィンランド（26MW）、アイルランド（25MW）、スペイン（5MW）、ノルウェー（2MW）、ポルトガル（2MW）が続きました。[20]
2015年末までに、欧州11カ国の84か所の洋上風力発電所に3,230基のタービンが設置され、送電網に接続され、総容量は11,027MWに達した。[21] [22] 英国に関する北海の風力発電所の開発の歴史は、2004年から2021年までの期間に沿岸、沖合、深海沖合の3つの段階を示している。[23]洋上風力発電の開発により、バルト海は地域諸国の主要なエネルギー源になると期待されている。2022年に署名されたマリエンボー宣言によると、EUのバルト海諸国はすべて、2030年までに19.6ギガワットの洋上風力を稼働させる意向を発表している。[24]
欧州以外では、中国政府は2015年までに5GW、2020年までに30GWの洋上風力発電設備容量という野心的な目標を掲げており、これは他国の容量を上回るものとなる。しかし、2014年5月時点で中国の洋上風力発電容量はわずか565MWだった。[25] 中国の洋上風力発電容量は2016年に832MW増加し、そのうち636MWは中国製であった。[26]
洋上風力発電建設市場は依然としてかなり集中している。2015年末までに、シーメンス・ウィンドパワーは世界の11GWの洋上風力発電容量の63%を設置した[27] 。ヴェスタスは19%、センビオンは8%で3位、アドウェンは6%だった[28] [12] 。 約12GWの洋上風力発電容量が主に北欧で稼働しており、そのうち3,755MWが2015年に稼働した。[29] 2020年現在、世界の洋上市場の90%は欧州企業によって占められている。[30]
2017年までに、世界の洋上風力発電の設置容量は20GWでした。[31] 2018年、洋上風力は世界の電力供給のわずか0.3％を供給しました。[32 ]それにもかかわらず、2018年だけで、世界規模で4.3GWの追加量の洋上風力発電容量が採用されました。 [32]デンマークでは、2018年に電力の50％が風力エネルギーによって供給され、そのうち15％が洋上でした。[33]設置されたタービンの平均サイズは、2018年に6.8MW、2019年に7.2MW、2020年に8.2MWでした。[34]
2022年、洋上風力発電産業は過去2番目に大きな年間成長を記録し、8.8GWを追加し、世界の発電容量は64.3GWに増加しました。これは前年比16%の増加です。世界風力エネルギー協議会（GWEC）は、2032年までにさらに380GW増加して合計447GWに達すると予測し、大幅な拡大を予測しています。しかし、欧州と米国の市場課題により進歩が遅れる可能性があり、2023年から2027年の間に設置されるのは予想容量の3分の1に過ぎないと予想されています。[35]
費用
2010年、米国エネルギー情報局は「洋上風力発電は大規模導入が検討されている発電技術の中で最も高価なものである」と述べた。[5] 2010年の洋上風力発電の状況は、陸上システムよりもはるかに大きな経済的課題を示しており、価格は250万～300万ユーロ/MWの範囲であった。[36] その年、シーメンスとヴェスタスは洋上風力発電の90％のタービンサプライヤーであり、Ørsted A/S（当時はDONG Energy）、Vattenfall、E.onが主要な洋上事業者であった。[1]
2011年、オーステッドは、洋上風力タービンはまだ化石燃料と競争できるレベルには達していないが、15年後にはそうなるだろうと推定した。それまでは、国の資金と年金基金が必要になるだろう。[37] 2011年末時点で、ベルギー、デンマーク、フィンランド、ドイツ、アイルランド、オランダ、ノルウェー、スウェーデン、イギリスの沖合に53の欧州洋上風力発電所があり、稼働容量は3,813MWで、[38] 5,603MWが建設中だった。[39] 2011年には、85億ユーロ（114億ドル）相当の洋上風力発電所が欧州海域で建設中だった。[40]
2012年にブルームバーグは、洋上風力タービンからのエネルギーコストは1MWhあたり161ユーロ（208米ドル）であると推定しました。[41]
洋上風力発電のコストは予想よりもはるかに速いペースで低下している。2016年までに4つの契約（ボルセレとクリーガース）はすでに2050年の予測価格の最低値を下回っていた。[42] [43]
米国の洋上風力発電プロジェクトの建設コストは2023年時点で1キロワットあたり4,000ドルであるのに対し、陸上風力発電所の建設コストは1キロワットあたり1,363ドルである。洋上風力発電のコストは2019年以降36％増加しているが、陸上風力発電のコストは同じ期間にわずか5％しか増加していない。[44]
米国のいくつかの主要プロジェクトは、インフレ抑制法による補助金が利用可能になった後も、インフレのために行き詰まっている。[45]
今後の展開
経済協力開発機構（OECD）は2016年に、洋上風力発電が2030年までに海洋経済の8％に成長し、その産業が435,000人を雇用し、2,300億ドルの価値を追加すると予測しました。[47]
欧州委員会は、洋上風力発電がグリーンディールの一部であることから、今後洋上風力発電の重要性が増すと予想している。[48]欧州の洋上風力発電の潜在能力を最大限に引き出すことは、グリーンディールのクリーンエネルギー部門における重要な取り組みの一つである。[48]
2050年までに、世界規模での洋上風力発電の設置容量は1550GWに達すると予想されています。[31] 2017年の容量と比較すると、80倍の増加に相当します。[31]
オフショア産業における現在の発展を特徴づける進歩の一つは、風力発電が利用可能な沖合での洋上風力発電プロジェクトを可能にする技術である。特に、浮体式基礎技術の採用は、より深い海域での風力発電の可能性を解き放つ有望な技術であることが証明されている。[49]
ヨーロッパの主な投資家は欧州投資銀行である。EIBは洋上再生可能エネルギーに投資しており、ヨーロッパ全体の発電能力の約40％に共同出資している。2003年以来、EIBはベルギー、デンマーク、ドイツ、フランス、オランダ、ポルトガル、イギリスの施設を含むヨーロッパの34の洋上風力発電プロジェクトを支援しており、融資総額は100億ユーロを超える。EIBは2019年から2023年の間に海洋再生可能エネルギーに37億ユーロを融資しており、将来的には風力発電所への融資も計画している。[50] [51]
経済
風力タービンを洋上に配置する利点は、海岸沖では風がはるかに強く、陸上の風とは異なり、午後に洋上の風が強くなり、人々が最も電気を使用する時間帯に一致することです。洋上タービンは、大都市などの海岸沿いの負荷センターの近くに配置することもできるため、新しい長距離送電線が不要になります。[53] しかし、洋上設置には、設置コストが高く、アクセスが難しく、ユニットにとって厳しい条件に関連するいくつかの欠点があります。
風力タービンを洋上に設置すると、ユニットは高湿度、塩水、塩水噴霧にさらされ、耐用年数に悪影響を及ぼし、腐食や酸化を引き起こし、保守や修理のコストが増加し、一般的に設置と運用のあらゆる側面が陸上の設置よりもはるかに困難で、時間がかかり、危険で、はるかに高価になります。湿度と温度は密閉されたナセルの空調によって制御されます。 [54] 高速運転と発電が持続すると、摩耗、保守、修理の必要性も比例して増加します。
今日の洋上風力発電プロジェクトでは、タービンのコストは総コストの3分の1から半分[36]を占めるに過ぎず、残りはインフラ、メンテナンス、監視にかかる費用です。洋上風力発電では、陸上風力発電所に比べて基礎、設置、電気接続、運用・保守（O&M）のコストが総コストの大きな割合を占めています。設置と電気接続のコストも、海岸からの距離と水深とともに急速に増加します。[55]
洋上風力発電のその他の制限は、設置数がまだ限られていることに関係しています。洋上風力産業はまだ完全に産業化されておらず、2017年時点でも供給のボトルネックが残っています。[56]
投資コスト
洋上風力発電所は陸上の風力発電所に比べてタービンが大きい傾向があり、その規模は継続的に拡大する傾向にあります。洋上風力発電所の経済性は、生産されるエネルギー単位あたりの設置および送電網接続コストが低下するため、タービンの大型化に有利になる傾向があります。 [55]さらに、洋上風力発電所には、土地の利用可能性や輸送要件など、陸上風力タービンのサイズに関する同じ制約がありません。[55]
国際再生可能エネルギー機関（IRENA）の報告によると、2022年の新規洋上風力発電プロジェクトの電力コストは、前年に比べて0.079米ドル/kWhから0.081米ドル/kWhに上昇した。この上昇は、資材や設備コストの上昇傾向にもかかわらず、陸上風力や太陽光発電（PV）などの他の再生可能エネルギー源で観察される減少傾向とは対照的である。[57]
国立再生可能エネルギー研究所（NREL）の研究者らは、2035年までに洋上風力発電のコストが下がると予測している。彼らは、固定底式洋上風力の均等化発電コストが2021年のメガワット時（MWh）あたり75ドルから2035年には53ドル/MWhに、浮体式洋上風力の場合は207ドル/MWhから64ドル/MWhに下がると見積もっている。これらのコスト見積りは、サプライチェーン、港湾、送電システムなどのインフラの進歩に支えられ、世界の洋上風力発電の導入が9倍に増加すると予測している。[58]
運営コスト
風力発電所の運営費は、保守（38％）、港湾活動（31％）、運営（15％）、ライセンス料（12％）、その他費用（4％）に分かれています。[59]
運用および保守コストは、通常、運用支出の 53%、洋上風力発電所のライフサイクル コスト全体の 25% - 30% を占めます。O&M は、このリソースのさらなる開発における大きな障壁の 1 つと考えられています。[引用が必要]
洋上風力発電所のメンテナンスは、陸上の設備よりもはるかに費用がかかります。たとえば、技術者 1 人がピックアップ トラックに乗って陸上のタービンにほぼどのような気象条件でも迅速かつ容易に、そして安全にアクセスできます。車両から降りてタービン タワーまで歩いて中に入るだけで、現場に到着してから数分以内にユニット全体にアクセスできます。同様に洋上タービンにアクセスするには、ドックまたは桟橋まで運転し、必要なツールと備品をボートに積み込み、風力タービンまで航海し、ボートをタービン構造物に固定し、ボートからタービンへ、タービンからボートへ、そして残りの手順を逆の順序で実行する必要があります。ヘルメット、手袋、安全メガネなどの標準的な安全装備に加えて、洋上タービン技術者は、救命胴衣、防水または耐水服、さらには作業中の海や大気の状態により水中に落ちた場合の迅速な救助が不可能または不可能な場合はサバイバル スーツの着用が求められる場合があります。通常、陸上では運転免許を持つ技術者 1 名が短時間で低コストで実行できる作業でも、海上で大型モーターボートを操作および取り扱うスキルと訓練を受けた技術者が少なくとも 2 名必要です。
エネルギーコスト
洋上風力タービンの設置コストは2019年に30％下落して78ドル/MWhとなり、他の種類の再生可能エネルギーよりも急激な低下が見られました。[6] 大規模なイノベーションにより、2020年までに洋上風力のコストを25％削減できる可能性があると言われています。 [60] 洋上風力発電市場は、世界中のほとんどの国で再生可能エネルギー目標を達成する上で重要な役割を果たしています。
2016年に行われた将来のプロジェクトの入札では、政府の入札と規模により、700MWのボルセレ3＆4ではメガワット時（MWh）あたり54.5ユーロ[61]、[ 62 ] 、600MWのクリーガース・フラックではMWhあたり49.90ユーロ（送電なし）のコストに達しました。[63]
2017年9月、英国では1MWhあたり57.50ポンドの行使価格で契約が締結され、原子力よりも安く、ガスと競争できる価格となった。 [64]
2018年9月、米国マサチューセッツ州のヴィンヤード・ウィンド社に対して、1MWhあたり65～74ドルの契約が締結された。[65] [66]
洋上風力資源
海洋と海が覆う地球の表面積と陸地の比率を考えると、洋上風力資源は本質的に規模が大きく、高度に分散している。陸地の障害物がなく、森林やサバンナなどの陸地に比べて水面の粗さが低いため、洋上の風速は陸上の同等の場所よりもかなり高いことが知られており、この事実は、同じ入力データと方法論を使用して陸上と洋上の両方の地域を網羅した世界の風速マップによって示されている。北海では、風力タービンのエネルギーは年間約30 kWh /m 2の海域面積でグリッドに供給されている。海域面積あたりのエネルギーは、タービンのサイズとはほぼ無関係である。[67]
洋上風力発電の技術的に利用可能な資源の潜在性は、平均風速と水深の要素である。なぜなら、洋上風力発電はタービンを固定できる場所でのみ可能だからである。現在、固定式洋上風力タービンは、海深約 50 メートル (160 フィート) まで設置できる。それを超えると、浮体式タービンが必要となり、現在提案されている技術に基づくと、最大 1 キロメートル (3,300 フィート) の深さに設置できる可能性がある。[68] 実行可能な水深と毎秒 7 メートル (23 フィート/秒) を超える風速の分析に基づくと、オーストラリア、日本、米国、西ヨーロッパなどのほとんどの OECD 諸国を除く、調査対象の 50 か国だけで、洋上風力発電の技術的潜在性は 17テラワット(TW) を超えると推定されている。アルゼンチンや中国などの恵まれた国では、それぞれ約 2 TW と 3 TW の潜在性があり、このような場所での洋上風力発電の潜在性が非常に大きいことが分かる。[69]
計画と許可
洋上風力発電所の試運転を計画するには、次のようないくつかの種類の情報を入手する必要があります。
- 洋上風力発電の特徴[説明が必要]
- 水深、海流、海底、移動、波の作用など、これらすべてが潜在的なタービン構成に機械的および構造的な負荷を与えます。
- 海洋生物の成長[説明が必要]、塩分濃度、氷結、および海底または湖底の地質工学的特性。
計測用の既存のハードウェアには、光検出・測距（LIDAR）、音波検出・測距（SODAR）、レーダー、自律型潜水艇（AUV）、遠隔衛星センシングなどがあるが、アトキンソン持続可能な未来センターの支援を受けた大学、産業界、政府の研究者連合による報告書によると、これらの技術は評価され、改良されるべきであるという。[70]
洋上風力発電所には多くの要因が関係するため、荷重を予測する能力が最大の難しさの1つです。解析では、プラットフォームの並進運動（サージ、スウェイ、ヒーブ）と回転運動（ロール、ピッチ、ヨー）とタービンの運動の動的結合、および浮体式システムの係留索の動的特性を考慮する必要があります。基礎と下部構造は洋上風力システムの大部分を占めており、これらの要因をすべて考慮する必要があります。[70]
タワーと基礎の間のグラウト内の荷重伝達によりグラウトに応力がかかる可能性があるため、いくつかのイギリスの海上タービンではエラストマーベアリングが使用されています。 [71]
腐食も深刻な問題であり、詳細な設計上の考慮が必要です。沖合の石油・ガス産業やその他の大規模工業プラントで活用されている専門知識を活用した、腐食の遠隔監視の見通しは非常に有望です。
さらに、洋上風力発電所の風下にある風力発電所の発電効率が低下することが判明したため、戦略的な意思決定では国境を越えて最適化の限界と可能性を考慮する必要があるかもしれない。[72] [73]
洋上風力発電所の設計に関するガイドラインの一部はIEC 61400 -3 [74] [75] [76]に記載されているが、米国では他のいくつかの規格が必要である。[77]
欧州連合（EU）では、コスト削減のため、各国の異なる基準をより統一されたガイドラインに統合する予定です。[78]この基準では、風、波、潮流などのサイト固有の外部条件に基づいて荷重解析を行うことが求められています。[79]
計画と許可の段階は1000万ドル以上の費用がかかり、5～7年かかり、結果も不確実である。業界は政府にプロセスの改善を圧力をかけている。[80] [81]デンマーク では、これらの段階の多くは、障害を最小限に抑えるために当局によって意図的に合理化されており、[82]この政策は「ワンストップショップ」と呼ばれるコンセプトで沿岸風力発電所にも拡大されている。[83] 米国は2012年に「スマート・フロム・ザ・スタート」と呼ばれる同様のモデルを導入した。[84]
EUでは、2018年に改正された再生可能エネルギー指令により、風力発電プロジェクトの開始を支援するための許可プロセスが簡素化されました。[30]
法的枠組み
洋上風力タービンの設置と運用は、国内法と国際法の両方で規制されています。関連する国際法の枠組みは、海洋の利用に関する国の権利と責任を規制する国連海洋法条約（UNCLOS ）です。 [85]洋上風力タービンが設置されている海域によって、適用される規制ルールが決まります。
領海（海岸の基線から12海里まで）では沿岸国が完全な主権を有しており[85]、そのため、洋上風力タービンの規制は完全に国の管轄下にあります。
排他的経済水域（基線から200海里まで）は国の領土の一部ではないが、特定の目的のために沿岸国の排他的管轄権と管理に服しており、その目的の1つは風力発電である。[85]これは、この水域内で沿岸国が洋上風力発電所を設置・運営する権利を持ち、設置について適切な通知がなされている限り、その周囲にすべての船舶が遵守しなければならない安全地帯を設定する権利があることを意味する。また、いずれの施設も安全地帯も、国際航行に不可欠とみなされる海上航路を妨げることはできない。[85]
排他的経済水域の外側は公海、すなわち国際水域である。[85]この水域内では、エネルギー生産の目的は公海の自由として明示的に言及されておらず、そのため洋上風力発電施設の法的地位は不明瞭である。学界では、公海上の洋上風力発電施設の法的地位の不確実性が、使用権をめぐる国家間の紛争の対象となる可能性があると主張されてきた。[86]解決策として、洋上風力発電施設を船舶や人工島、施設、構造物 とみなすことで、公海の自由に組み込むことが提案されている。[86]
2020年現在、公海の風力発電は、深海に伴う困難のため、技術的にはまだ実現可能ではない。[87]しかし、浮体式風力タービンの技術の進歩は、深海風力プロジェクトの実現に向けた一歩である。[87]
種類
原則として、固定式洋上風力タービンは、水深50メートル（160フィート）未満、平均風速7メートル/秒（23フィート/秒）以上の地域で技術的に実行可能と考えられています。[68]浮体式洋上風力タービンは、水深50〜1,000メートル（160〜3,280フィート）で技術的に実行可能と考えられています。表示されているベトナムの地図は、水深に応じて、固定式洋上風力タービンと浮体式洋上風力タービンの両方について、同国での技術的可能性の推定を示しています。
固定基礎
現在稼働中のほぼすべての洋上風力発電所は、いくつかのパイロットプロジェクトを除いて、固定基礎タービンを採用しています。固定基礎洋上風力タービンは、水中に固定された基礎を持ち、最大50〜60メートル（160〜200フィート）の比較的浅い水域に設置されます。[88]
水中構造物の種類には、モノパイル、三脚、ジャケットがあり、海底の基礎にはモノパイルや多重杭、重力式基礎、ケーソンなど様々なものがあります。[88] 洋上タービンは、水深に応じて安定性のために異なるタイプの基礎を必要とします。現在までに、いくつかの異なる解決策が存在します。[16] [89]
- ほとんどの基礎は、直径 6 メートル (20 フィート) のモノパイル (単柱) 基礎で、水深 30 メートル (100 フィート) までの水中で使用されます。[説明が必要]
- 石油・ガス産業で使用される、水深 20～80 メートル (70～260 フィート) の従来の鋼鉄ジャケット構造。
- 重力式基礎構造物。水深20～80mの露出した場所で使用します。
- 水深20～80メートルの三脚杭構造物。
- 水深20～80mの三脚吸引ケーソン構造。
モノパイルは直径11メートル（36フィート）、2,000トンまで作ることができますが、これまでの最大のものは1,300トンで、一部のクレーン船の1,500トンの制限を下回っています。その他のタービン部品ははるかに小さいです。[90]
三脚杭基礎システムは、モノパイルシステムよりも深い水域に到達するために開発された最近のコンセプトで、最大60メートルの深さまで到達可能です。この技術は、上部のジョイントピースを介して連結された3つのモノパイルで構成されています。このソリューションの主な利点は、3つのモノパイルを設置してから上部ジョイントを追加するだけで設置できるというシンプルな設置です。また、ベースが大きいため、転倒するリスクも軽減されます。[91]
スチールジャケット構造は、石油・ガス業界で何十年も使用されてきたコンセプトを洋上風力産業に応用したものである。主な利点は、より深い水深（最大80m）まで到達できることである。主な制限は、建設費と設置費が高いことである。[91]
フローティング
水深が約60～80メートルを超える場所では、固定基礎は経済的ではないか技術的に実現不可能であるため、海底に固定された浮体式風力タービンが必要となる。[92] [93] [94]最終的に Seawind Ocean Technologyに買収されたBlue H Technologiesは、2007年に世界初の浮体式風力タービンを設置した。 [95] [96] [97] Hywindは、 2009年にノルウェー沖の北海に設置された世界初の本格的な浮体式風力タービンである。 [98] 2017年10月に稼働を開始したHywind Scotlandは、容量30MWの初の稼働中の浮体式風力発電所である。他の種類の浮体式タービンも配備されており、さらに多くのプロジェクトが計画されている。
垂直軸
現在設置されている陸上風力タービンとすべての大規模洋上風力タービンの大部分は水平軸型であるが、洋上設備では垂直軸型風力タービンの使用が提案されている。洋上設置と低重心のおかげで、これらのタービンは原理的には水平軸型タービンよりも大きく建設でき、タービン1基あたり最大20MWの容量の設計が提案されている。これにより、洋上風力発電所の規模の経済性が向上する可能性がある。[55]しかし、この技術の大規模な実証はまだ設置されていない。
タービン建設材料の検討
洋上風力タービンは海洋や大きな湖に設置されるため、タービンに使用される材料は陸上の風力タービンに使用される材料から変更する必要があり、塩水に対する耐腐食性と、部分的に水に浸かったタワーによって受ける新しい荷重力を最適化する必要があります。洋上風力発電への関心が高まる主な理由の 1 つは風速が高いことですが、荷重の違いの一部は風速の違いによる風力タービンの上部と下部の間のせん断力の高さから生じます。タワーの基部の周りの波によって受けるバフェット荷重も考慮する必要があり、これは洋上風力発電用途に鋼管タワーを使用することにつながります。[99]
洋上風力タービンは絶えず塩分や水にさらされているため、モノパイルとタービンタワーに使用される鋼材は、特にタワーに打ち寄せる波の「飛沫ゾーン」にあるタワーの基部とモノパイルには耐食処理を施す必要がある。使用できる 2 つの技術には、陰極防食と、水素誘起応力割れの一般的な原因である腐食孔を減らすためのコーティングの使用がある。[100]陰極防食では、モノパイルに亜鉛メッキ陽極が取り付けられ、モノパイルに使用されている鋼材よりも優先的に腐食されるのに十分な電位差がある。洋上風力タービンに塗布されているコーティングには、溶融亜鉛コーティングと、ポリウレタントップコート付きの 2～3 層のエポキシコーティングがある。[100]
インストール
基礎とタービンの設置には、専用のジャッキアップリグ（風力タービン設置船）が使用されています。2019年現在、[アップデート]3〜5,000トンを160メートル（520フィート）まで持ち上げることができる次世代の船舶が建造されています。[102]大きな部品の設置は難しい場合があり、ジャイロスコープを使用すると取り扱いの精度が向上します。[103]基礎を設置する際に振動する杭打ち機を安定させるために、 ダイナミックポジショニングも使用されています。[104]
近年、浅瀬に固定底式洋上風力発電所を経済的に建設するために、多数のモノパイル基礎が使用されている。 [105] [106] モノパイル基礎は、一般に直径の大きい単一の基礎構造要素を使用して、大きな地上構造物の荷重（重量、風など）をすべて支える。他のタイプには、三脚（鋼鉄）と重力式基礎（コンクリート）がある。
砂地における風力タービン海底モノパイル基礎の一般的な建設プロセスには、杭打ち機を使用して、海底 25 メートル (82 フィート) の深さまで、杭の周囲の浸食を最小限に抑えるために 0.5 メートル (20 インチ) のより大きな石と砂利の層を貫通して、大きな中空の鋼鉄杭を打ち込むことが含まれます。これらの杭は、直径が 4 メートル (13 フィート)、壁の厚さが約 50 ミリメートル (2.0 インチ) になることがあります。トランジション ピース (ボート着岸設備、陰極防食、海底ケーブル用のケーブル ダクト、タービン タワー フランジなどの事前設置された機能を含む) が、深く打ち込まれた杭に取り付けられ、杭の中心から砂と水が取り除かれ、コンクリートで置き換えられます。長期的な浸食防止のために、直径が最大 0.5 メートルのさらに大きな石の追加層が海底の表面に適用されます。[106]
タワーの設置と海底への接続を容易にするため、タワーは水面下の部分と水面上の部分の2つの部分に分けて設置される。[99]タワーの2つの部分は、グラウト接合部が充填されたトランジションピースによって結合される。グラウト接合部は、タービンタワーが受ける荷重をタービンのより安定したモノパイル基礎に伝達するのに役立つ。接合部に使用されるグラウトを強化する1つの技術は、モノパイルとタワー間の滑りを防ぐために、グラウト接合部の長さに沿ってせん断キーと呼ばれる溶接ビードを含めることである。[107]
洋上風力タービンの部品は大型です。設置前に製造施設と組立施設間での部品の輸送は最小限に抑える必要があります。そのため、洋上風力開発が集中している地域には洋上風力港湾施設が特別に建設されています。 [108]大規模な洋上風力発電所プロジェクトでは、洋上風力港湾が設備のサプライチェーンの戦略的な拠点となります。[109]
設置能力
2022年以降は、特に10MW以上のタービンを設置できる洋上風力タービン設置船（WTIV）が不足すると予想されており、[110] [111]、洋上風力タービンを設置できる船舶の需要は2024年までに供給を上回ると予測されています。[112]
「洋上風力エネルギー開発者は、12MW以上の洋上風力タービンを設置できるWTIV（風力タービン設置船）の不足に対応し始めているが、2020年代半ばまでに計画されている洋上風力発電設備の設置に対応できる世界の船隊の能力については依然として不確実性がある（Hartkopf-Mikkelsen 2020; Rystad Energy 2020）。タフツ大学による、新興の米国洋上風力エネルギー市場へのグローバルサプライチェーンの影響に関する分析によると、現在の世界のWTIV船隊は12MW以上の風力タービンを設置する準備ができていないことがわかった（Bocklet et al. 2021）」[113]
繋がり
グリッド接続
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洋上風力発電を陸上送電網に統合するための実行可能な選択肢として、いくつかの異なるタイプの技術が検討されています。最も一般的な方法は、高電圧交流 (HVAC) 送電線です。HVAC 送電線は現在、洋上風力タービンの送電網接続に最も一般的に使用されています。[114]しかし、特に洋上タービンまでの距離が長くなると、HVAC が実用的になるのを妨げる重大な制限があります。まず、HVAC はケーブルの充電電流によって制限されます。 [114]これはケーブルの静電容量の結果です。海底 AC ケーブルは架空 AC ケーブルよりもはるかに高い静電容量を持っているため、静電容量による損失ははるかに大きくなり、送電線の受信端での電圧の大きさは発電端での電圧の大きさと大幅に異なる場合があります。これらの損失を補償するには、システムにケーブルを追加するか、無効電力補償を追加する必要があります。これらはどちらもシステムのコストを増加させます。[114]さらに、HVAC ケーブルには有効電力と無効電力の両方が流れるため、追加の損失が発生する可能性があります。[115]これらの損失のため、地下のHVACラインの延長距離には制限があります。洋上風力発電のHVAC伝送の適切な最大距離は約80キロメートル（50マイル）と考えられています。[114]
高電圧直流（HVDC）ケーブルの使用は、HVACケーブルの使用に代わる提案されてきた。HVDC送電ケーブルはケーブル充電電流の影響を受けず、HVDCは無効電力を送電しないため電力損失が少ない。[116]損失が少ないため、海底HVDC線はHVACよりもはるかに遠くまで延長できる。このため、HVDCは沖合の非常に遠い場所に風力タービンを設置するのに適している。しかし、HVDCはACグリッドに接続するために電力変換器を必要とする。これには、線間整流変換器（LCC）と電圧源変換器（VSC）の両方が検討されてきた。LCCははるかに普及した技術であり安価であるが、VSCには独立した有効電力と無効電力の制御など、さらに多くの利点がある。[116] DCケーブルを介してVSCに接続されたLCCを備えたハイブリッドHVDC技術の開発に新たな研究が行われている。[116]
洋上風力タービンから陸上の発電所にエネルギーを輸送するためには、ケーブルを海底に沿って敷設する必要があります。ケーブルは大量の電流を効率的に伝送できなければなりません。そのためには、ケーブルに使用する材料を最適化するとともに、使用するケーブル材料を最小限に抑えるケーブル経路を決定する必要があります。[99]これらの用途で使用されるケーブルのコストを削減する1つの方法は、銅導体をアルミニウム導体に変換することですが、提案されている交換では、アルミニウムは銅よりも密度が低いため、ケーブルの動きが大きくなり、損傷の可能性があるという問題が生じます。
船舶接続
デンマークの海運会社マースク・サプライ・サービスが導入するスティルストロームという名の洋上電力充電システムは、船舶が海上で再生可能エネルギーにアクセスできるようにする。[117]このシステムは洋上風力発電所で発電された電力を船舶に接続し、アイドリング中の船舶からの排出ガスを削減するように設計されています。[117]
メンテナンス
洋上の場合、タービンへのアクセスがはるかに困難（日常的なアクセスにはサービス船またはヘリコプターが必要、ギアボックスの交換などの重整備にはジャッキアップリグが必要）であるため、陸上タービンよりも信頼性が重要になります。 [1]陸上基地から遠く離れた場所にある風力発電所の中には、サービスチームが洋上の宿泊施設に常駐しているところもあります。[118]風力タービンのブレードへの腐食の影響を抑えるために、エラストマー素材の保護テープが使用されていますが、液滴浸食防止コーティングの方が風雨からよりよく保護されます。[119]
印加電流陰極保護(ICCP) は、風力タービンのモノパイルと浮体式風力タービン プラットフォームを保護するために使用されます。ICCP システムは、現場での監視が不要で、従来のガルバニック システムよりも環境に優しく、コスト効率が高いため、腐食対策としてますます人気が高まっています。従来のガルバニック陽極陰極保護 (GACP) システムは 2 つの金属間の自然な駆動力で動作しますが、ICCP システムは継続的な外部電源を使用します。[引用が必要]
メンテナンス組織は部品のメンテナンスと修理を行っており、そのリソースのほとんどをタービンに費やしている。ブレードを検査する従来の方法は、作業員がブレードを懸垂下降し、タービン1基につき1日かかるというものである。一部の農場では、1日に3基のタービンのブレードを、登らずにモノパイルから600mmの望遠レンズで撮影して検査している。 [120]カメラ付きドローンを使用する農場もある。[121]
洋上風力タービンは遠隔地にあるため、予知および健全性監視システムの必要性がさらに高まるだろう。これにより、ジャストインタイムのメンテナンス計画を改善し、運用およびメンテナンスコストを削減できる。大学、産業界、政府の研究者連合（持続可能な未来のためのアトキンソンセンターの支援による）の報告書によると、[70]これらのタービンの現場データを利用できるようにすることは、タービン設計に使用される複雑な解析コードを検証する上で非常に貴重である。この障壁を減らすことは、風力エネルギーを専門とするエンジニアの教育に貢献するだろう。
廃止
最初の洋上風力発電所が寿命を迎えると、所有者が保証する1MWあたり200万〜400万デンマーククローネ（30万〜60万ドル）の費用でそれらをリサイクルするための解体産業が発達しました。[122] 最初に廃止された洋上風力発電所は、 2015年11月のスウェーデンのイットレ・ステングランドで、その後2017年にヴィンデビー、 2019年にブライスが続きました。
環境への影響
洋上風力発電所は、発電量あたりの地球温暖化係数が非常に低く、陸上風力発電所と同等です。また、洋上設置には、陸上プロジェクトに比べて騒音や景観への影響が限られているという利点もあります。
環境への配慮
民間の洋上風力発電開発者が環境への副作用をますます認識するようになるにつれ、より持続可能な建設方法への転換が起こってきた。これは慈善団体や地域社会との提携を通じて見ることができる。2022年には、洋上風力発電の専門プロバイダーであるオーステッドと環境保護慈善団体世界自然保護基金（WWF）が、洋上風力発電インフラプロジェクトの増加を促進すると同時に、生物多様性への有益な影響を促進し、優先させることを目的とした世界的なパートナーシップを構築したことが発表された。[123]洋上風力発電プロバイダーのバッテンフォールは、気候変動に基づくプロジェクトを支援するために、ノーフォーク地域に1500万ポンドの投資パッケージを宣言した。[124]
洋上風力発電産業が急速に発展し拡大するにつれ、開発業者が考慮しなければならない環境配慮に関する欧州指令が数多く制定されてきた。2008年には、洋上風力発電インフラによる海洋環境への悪影響を軽減する環境影響評価（EIA）を中核とする欧州海洋戦略枠組み指令が策定された。 [125] EIAは、洋上風力発電設備などの重要なインフラから生じる海洋生物、海底、生態系全体などへのさらなる撹乱を防ぐ手段として実施された。[126]洋上風力発電インフラの開発がEIAに関連する措置に準拠しなかった場合、事業者は、発生する可能性のある損害を無効化するために、別の側面で環境を補償する義務がある。[127]
2020年11月、欧州委員会は、2050年までに気候変動中立という目標を支援するために、欧州連合の洋上再生可能エネルギー戦略を発表しました。この戦略の中核は、加盟国間の協力を奨励し、EU法に照らして風力開発の役割に関するガイダンスを発行し、さまざまな官民プロジェクトを支援するという役割を利用して、欧州の洋上風力産業を拡大することです。[128]
環境問題
過去数十年にわたり洋上風力産業は劇的に成長してきましたが、これらの風力発電所の建設と運営が海洋動物や海洋環境にどのような影響を与えるかについては、依然として大きな不確実性があります。[129]しかし、洋上風力の容量が増加するにつれて、タービンのライフサイクル段階である建設、運用、廃止におけるさまざまな環境副作用が、学術研究の発展分野によって継続的に調査されてきました。[130]さまざまな環境への影響は、海鳥、カメ、魚、アザラシ、クジラなど、さまざまな海洋生物に影響を与えています。
洋上風力発電設備の設置と撤去、および必要なメンテナンスは、海洋環境に重大な悪影響を及ぼす可能性がある。こうした活動が回遊期や繁殖期に行われると、海鳥や魚などの海洋生物に悪影響を及ぼす可能性があることが判明しているため、こうしたプロセスのタイミングは重要である。[131]さらに、洋上風力発電設備の設置は、海鳥などの海洋生物の移動に重要な影響を及ぼしていると主張されているが、この件に関する公開された研究は限られている。[132]
洋上風力発電設備が環境に与える重要なプラスの影響は、人工礁を造成できる可能性があることである。このような礁は間接的に海洋生物の多様化を促進し、さまざまな種が繁栄することができる。[133]しかし、洋上風力発電所は海底の堆積物に干渉するため、海洋の生息地に害を及ぼす可能性がある。[134]
洋上風力発電所の騒音対策に関する研究では、設置作業によってイルカやアザラシなどの動物の身体的・行動的プロセスが変化する可能性があることが示唆されている。[135]タービンとの衝突の可能性があるため海鳥の福祉が危険にさらされているほか、鳥の移動ルートの調整を余儀なくされ、渡り鳥としての耐久性に重大な影響を与える可能性がある。[136]これに加えて、洋上風力発電所の存在は、視覚的および騒音対策により海鳥の行動を変える可能性がある。[137]
沖合開発によるあらゆる形態の水中騒音は、海洋動物の生存率を低下させる可能性があることが指摘されている。[138] 2015年以降、米国東海岸全域でクジラの死が急増している。[139]しかし、ニュージャージー州沖の風力発電所の建設は2023年8月時点で開始されていないため、これらのクジラの死が沖合風力に関連している可能性は低く、NOAAによると、むしろ船舶の衝突や漁網の絡まりがこれらの死の原因である可能性が高いとのことである。[140]
スペインで行われた調査では、洋上風力発電所の視覚的存在がレクリエーション観光の需要を減少させ、洋上風力産業が発展している沿岸コミュニティに国と地域の経済的悪影響を及ぼす可能性があることが判明しました。[141]しかし、この関連性は誇張されていると考える人もいます。一部の世論は、タービンの物理的な視覚的存在を支持していると主張しています。[142]このサブ問題は、洋上風力を取り巻く研究がまだ比較的新しいこと、そして新しい主張の導入を通じて激しい論争が続いていることを表しています。
外来種の脅威は、洋上風力発電が適切な生息地となることによる重大な環境リスクとして指摘されている。その影響には、外来種の存在により生物多様性が不安定化し、他の海洋生物の絶滅を引き起こす可能性も含まれる。[143]
海洋空間計画と環境
洋上風力産業が発展するにつれ、タービンの空間計画決定プロセスに関するさまざまな環境配慮が前面に出てくるようになった。上のセクションで示したように、洋上風力と環境の関係に関して、近年、さまざまな環境懸念が提起されている。計画段階での風況と収益性に関する一般的な考慮事項に加えて、洋上風力発電所の特定の配置は、事業資本に損害を与えることなく、海洋環境に大きな利益をもたらす可能性がある。[144]
衝突リスクモデルは、海洋空間計画が環境保護をその手順に取り入れ始めたことを示す好例である。2022年、スコットランド政府は、海鳥が風力タービンに衝突する可能性を計算する独自の衝突リスクモデルの数式を概説した研究を発表した。[145]
空間計画の政治がますます複雑になるという予想が高まっている。再生可能エネルギーの目標を達成する必要があるため、洋上風力の開発は主に陸上風力インフラが直面している政治的問題を解決するためであると主張されてきたが、現実にはこれらの問題が再現されている。[146]計画プロセスにおいて、地域住民などの関係者と環境への配慮のバランスを取ることが困難になっている。[147]洋上風力発電所の海洋空間計画は信じられないほど政治的であり、プロセスに影響を与えようとするさまざまな議題と関係者がいる。[148]しかし、海洋空間計画は共通の法的枠組みを提供するため、洋上風力開発に関連して環境への配慮が実現されることは全体的に有益であると主張されてきた。[149]
セキュリティに関する考慮事項
風力・太陽光発電インフラのほとんどは歴史的に監視されておらず、具体的なセキュリティ対策も講じられていない。ノルドストリーム攻撃の余波を受けて、企業は遠隔監視用CCTVやドローンなどを使用して洋上風力発電所の監視を開始した。[150]今後数年間で風力発電所の数と地理的分布が増加すると予想されるため、水面下を含むセキュリティの死角をカバーするためのより効果的な対策が必要である。さまざまな利害関係者や管理機関間での情報共有に関する問題にも対処する必要がある。[151] さらに、このようなインフラはグレーゾーン/ハイブリッド戦争に対して脆弱であるため、セキュリティ対策を開発および実施する際にはこれを考慮に入れる必要がある。敵対的な行為者がEUの海上インフラを監視していることがすでに確認されており[152]、グレーゾーンハイブリッド戦争の可能性をさらに示唆しており、NATO第5条を発動させる可能性がある。 [153] 深刻な脅威のリスクに対抗するための堅牢なリスク評価と目的に合ったセキュリティプロトコルを通じてこれらの脅威に対処することについては、十分な検討がなされていない。[154] さらに、海上風力および太陽光発電インフラの構築と維持に不可欠な部品の大部分はEU / NATO諸国外で製造されており、サプライチェーンのリスクとなる可能性がある。[155] サイバーセキュリティも重要な懸念事項の1つである。2022年には、ドイツの風力タービン会社Nordex SEがランサムウェア攻撃を受け[156]、同年、Viasat Inc. KA-SAT衛星ネットワークへのサイバー攻撃を受けて、ドイツの風力タービンメーカーEnerconは一時的に5,800基の風力タービンとの通信を失った。[157]
最大の洋上風力発電所
所在地地図
プロジェクト
現在のプロジェクトのほとんどは、ヨーロッパと東アジアの海域で行われています。
北米でもいくつかの開発計画が提案されている。米国では、東海岸、五大湖、太平洋岸の風の強い地域でプロジェクトが開発中である。2012年1月には、「スマート・フォー・ザ・スタート」規制アプローチが導入され、強力な環境保護を組み入れながら立地プロセスを迅速化するように設計された。具体的には、内務省は、プロジェクトが規制承認プロセスをより迅速に通過できる沿岸沖の「風力エネルギー地域」を承認した。[176] 米国初の洋上風力発電所は、2016年12月に稼働を開始した30メガワット、5基のタービンを備えたブロック島風力発電所である。 [177] [178]多くのスポーツフィッシャーマンや海洋生物学者は、ブロック島沖の5基の6メガワットの風力タービンの土台が人工リーフとして機能していると考えている。[179]
計画段階にあるもう一つの洋上風力発電所は、バージニアビーチ沖にある。2018年8月3日、ドミニオン・エナジーはバージニアビーチ沖27マイルに2基の風力タービンを設置するパイロットプログラムを発表した。この地域では4～6週間の調査が行われている。[180]
カナダのオンタリオ州では、五大湖でいくつかの候補地での風力発電が進められており、その中には海岸から約20km離れた400MW以上の発電能力を持つ停止中の[181] トリリウムパワーウィンド1も含まれる。 [182] カナダの他のプロジェクトには、太平洋西海岸でのプロジェクトがある。[183]
インドは洋上風力発電所の可能性を検討しており、グジャラート州沖に100MWの実証プラントを計画している（2014年）。[184] 2013年、世界風力エネルギー協議会（GWEC）が率いる団体が、インドにおける洋上風力発電の開発の可能性のある地域を特定し、この分野での研究開発活動を刺激するためのプロジェクトFOWIND（インドにおける洋上風力の促進）を開始した。2014年、FOWINDは科学技術政策研究センター（CSTEP）に委託し、タミル・ナードゥ州で潜在的であると特定された8つの地域で予備的実行可能性調査を実施させた。[185]
オランダは2022年2月11日、政府が2030年までに洋上風力発電の目標を21GWに引き上げると発表した。これは国の電力需要の約75％を満たすことになる。これにより、洋上風力エネルギーは、CO2排出量を55％削減するという気候目標の達成に重要な貢献をすることになる。 [ 186]
国別の洋上風力発電
参照
ウィキメディア・コモンズには、洋上風力発電に関連するメディアがあります。
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