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ダリエス水車で発電し魚を守る

オランダでは, 沿岸部の洪水対策として, 潮力発電にも利用できる構造物を採用しています. 国やヨーロッパの厳しい規制により, 魚の通り道として本質的に安全な新しいタービン設計が求められています. Water2Energy社の依頼を受けたPhysixfactor社は, シミュレーションを利用して, Darrieus風力タービンを水域用に改良しました. 従来の水力発電用タービンと比較して, Water2Energy社の垂直軸設計では魚の死亡率が20%から1%未満に減少することが実験で示されました.


Alan Petrillo 著
2021年 4月

「ここオランダは海にとても近いんです」と Helger Van Halewijn氏は言い, 自分の控えめな表現に苦笑します. 北海(Noordzee)とオランダ人は切っても切れない関係にあります. この親密で波乱に満ちた関係から, オランダの人々は回復力と柔軟性を学んできました. 水と戦うのではなく, 警戒心を持って休戦協定を結ぶことが賢明だとされてきたのです. オランダの有名な風景である堤防, 運河, ポルダーは, 海を止めるのではなく, 水の流れを管理可能なもの, そして有用なものに変えているのです.

この臨機応変さは, 現代のオランダのインフラプロジェクトや, それを実現する人々の中にも息づいています. 「私たちは, 堤防を洪水対策に利用するだけではありません. 堤防はエネルギー需要や魚類, 環境保護にも利用できます」と, エンジニアリングデザインコンサルタント会社PhysixfactorのディレクターであるVan Halewijn氏は言います. オランダのWater2Energy社は, これらの目標を達成するために, Van Halewijn氏に治水構造物に使用する垂直軸水車(VAWT)のモデリングを依頼しました. Van Halewijn氏は, マルチフィジックスシミュレーションを用いて, Water2Energy社のVAWTを最適化し, 海の生物への影響を最小限に抑えながら, より多くの電力を生み出すことに成功しました.

この潮力発電プロジェクトは, 技術的には近代的であり, 環境保護を重視しているが, そのルーツは脆弱な(しかし慎重に守られている)オランダの土壌に深く根ざしています.

ゼーラントとデルタワークス: 不安定な場所の保護

オランダで最も海に近い(そして最も海の影響を受けている)地域といえば, 名前に「海」が付いている「ゼーラント州」ではないでしょうか. オランダ最西端に位置し, 人口が最も少ないこの州は, スヘルド川, ムーズ川, ライン川が北海に流れ込む三角州でもあります. ゼーラント州の総面積の3分の1以上が水域です. ゼーラント州のモットーであるラテン語のluctor et emergo(私は闘い, そして現れる)は, ゼーラント州の紋章に描かれているライオンが波間から立ち上がる様子を表しています.

ゼーラント州はオランダの中でも北海の暴風雨に非常に弱く, 1953年に発生した暴風雨「ウォータースヌードランプ」はこの地域を永久に変えてしまいました. 風, 潮, 高潮の組み合わせにより海面が平均よりも4メートル以上上昇し, 堤防が決壊して16万5000ヘクタールの土地が浸水しました. 1800人以上が死亡し, 何万人もの人々が避難を余儀なくされました. オランダはこれに対応して, 三角州地帯全体にダムやバリアーなどの高度なシステムを構築しました.

しかし, オランダの伝統であるDeltawerken(デルタ・ワークス)は, 海と陸を完全に遮断するものではありませんでした. 周期的な暴風雨に対する防御の必要性と, 漁業やベルギーのロッテルダムやアントワープの主要港への河川アクセスなど, この地域の日常的なニーズとのバランスを取る必要があったのです. そこでデルタ・ワークスは, 固定されたバリアと, 高潮の脅威にさらされたときにのみ閉鎖される半開放型の構造を組み合わせました.

フィードバック・ループ :デルタ・ワークスの優先順位の変化

このような大規模で複雑なプロジェクトから予想されるように, デルタ・ワークスの建設は何十年にもわたって行われてきました(図1). プロジェクトの優先事項は, 開始から70年以上の間, 進化し続けています. 暴風雨からの保護とともに, デルタ・ワークスは地域の生態系を変化させてきましたが, それは必ずしも良い方向ではありませんでした.「このプロジェクトが設計された1950〜60年代には, まったく新しいものでした. このようなタイプの水道は世界でも例がありませんでした」とVan Halewijn氏は説明します.「環境への配慮は,今のようなものではありませんでした」.

A simple map of the Netherlands with a cut-out showing a zoomed-in view of Zeeland and labels for its many flood control facilities. Zeeland
図1. オランダ, ゼーラント州とその主要な治水施設を強調した図. オランダ, ゼーラントの原図. Wikimedia Commons, TUBS, CC BY-SA 3.0 による. 原作には修正が加えられています.

前述のセミオープンバリア以外にも, 当初のデルタワークスでは, いくつかの河口を塞ぐダムが設置されていました. これにより, 塩分を含んだ海水と河川からの淡水との間に新たな境界ができました. ダムの後ろでは, それまで潮の流れを受けていた場所が淡水の湖になっていました. 「今となっては, それが間違いだったとわかる」とVan Halewijn氏は言う. 1970年代以降, 多くのダムには水門が設置されています. この水門は, 平常時は開いていて, 嵐の時だけ閉めるという制御された通路です. ダムの背後にある盆地に潮の満ち引きを再現することで, 水門はカキやムール貝などの沿岸の生物が好む塩分濃度の高い環境を取り戻したのです.

ENCOREとWater2Energy:傷つきやすい場所からの再生可能エネルギー

ゼーラント州の状況は異常ですが, 気候変動による海面上昇は世界中の沿岸地域を脅かしています. 何世紀にもわたって海と折り合いをつけてきたオランダのインフラ整備のノウハウは, これまで以上に世界的な意味を持つようになっています. このような背景から, オランダがEnergizing Coastal Regions with Offshore Renewable Energy (ENCORE)のような国境を越えた取り組みを主導していることは驚くことではありません.

ENCOREは, Interreg 2 Seasプログラムの資金提供を受け, 海洋再生可能エネルギーの専門家であるMET/SUPPORT社が主導する共同プロジェクトで, 北海地域の気候変動に対する脆弱性と, エネルギー生産源としての可能性を認識しています. 英国, フランス, ベルギー, オランダのパートナーが参加するこのプロジェクトでは, 2050年までに欧州のエネルギー需要の25%を海洋再生可能エネルギーで賄うことができるとしています. 参加している3社は, 洋上太陽光発電, 波力発電技術, 河川用タービンの開発を行っています. 3社目のWater2Energy社は, デルタワークスの水門を流れる潮の流れから電力を生産しようとしています.

The Darrieus Rotor: Adapting a Wind Turbine for Water

A place defined by the restless movement of water seems like an ideal setting for hydroelectric production. However, while tapping into the potential of tidal power seems simple, actual conditions present many challenges. Conventional hydroelectric technology (Figure 2) is not well suited to installation in Delta Works sluices. “The most common design for water turbines is the Kaplan-type rotor,” explains Van Halewijn. “It looks like the propeller used to power a ship. It turns very fast and if you place it in a confined space, like the sluices in our dams, it could damage fish and other sea life,” he says. To address these issues, Water2Energy has instead developed a vertical-axis water turbine (VAWT) that incorporates a Darrieus-type rotor (Figure 3).

A Kaplan turbine rotor with a blue body and metal blades. Kaplan turbine rotor
図2. カプランタービンローターの一例. Reinraum, CC0, via Wikimedia Commons による.
Illustration of a Darrieus rotor with annotations indicating lift force and airflow. Darrieus rotor
図3. ダリウスローターの模式図. Wikimedia Commons, Saperaud~commonswiki, CC BY-SA 3.0 による via. 原作には修正が加えられています.

Named after Georges Jean Marie Darrieus, who patented the Darrieus rotor for wind turbine use in 1926, this design offers potential benefits for water applications as well. From Water2Energy’s perspective, the most significant advantage of a Darrieus rotor is that its open structure and motion would be far less dangerous to fish than that of a Kaplan-type rotor. Would it be able to meet the ambitious power production goals of the ENCORE project? To balance the need to maximize electrical output while minimizing ecological harm, a number of challenges inherent to the Darrieus design had to be addressed.

流れに身を任せて:タービンブレードの自己最適化による迎え角の確保

Water2Energy社の潮力発電タービンにおいて, 最も重要な設計上の決定事項は, ローターの垂直ブレードの最適化でした(図4). Van Halewijn氏は, ブレードのデザインとその角度を調整するメカニズムの両方をテストして改良することで, 2つの技術的課題に取り組みました. まず, ダリーウスローターは, 水が絶え間なく流れる環境であっても, 必ずしも自力で始動するわけではありません. 2つ目の課題は ダムの水門のような密閉された通路に設置された回転タービンは, 屋外や水中で自由に回転するタービンよりも乱流の影響を受けます.

この2つの課題は, タービンブレードの迎え角を連続的に調整することで解決できます. ダリウスローターのブレードは, 水流に対して正しい向きであれば, 非常に低い水流でも動き出します. 問題は, ブレードを動かすのに最適な角度は, タービンがすでに動いている状態では効率が悪いということです. 同様に, ブレードの角度を最適化して筐体の壁をスムーズに通過できるようにしても, ブレードが他の回転点にあるときにはその角度は非効率的になります. Van Halewijn 氏は, COMSOL Multiphysics® ソフトウェアを使用して, ブレードの位置の違いが性能に及ぼす影響をモデル化しました.

The Water2Energy water turbine design in gray and chartreuse with white vertical blades. Water2Energy water turbine design
図4. Water2Energyの水車の設計図. 縦型ブレードを含むロータ機構が白で示されています.

「これまでは, この用途に最適な設計解はありませんでした. Water2Energy社にはいくつかのアイデアがありましたが, シミュレーションを行うことで, さらに優れたソリューションを得ることができました」とVan Halewijn氏は言います.「最適なアプローチを示すために, ソフトウェアでいくつかのアイデアをテストすることができました」とも述べています.

そのためにVan Halewijn氏は, タービンのブレードを1枚だけモデル化して, 最適な迎え角を求めました. タービンブレード周辺の乱流をモデル化するために, 彼はCOMSOL®ソフトウェアで流体の様々な計算方法を試しました. 標準的なk-εモデルは, この問題にはあまり適しておらず, 最適な出力を得ることができませんでした. SSTモデルと呼ばれるモデルは, 自由流れ中のk-εモデルと壁の近くのk-ωモデルを組み合わせたもので, 良好な結果が得られましたが, モデルの収束に時間がかかりすぎました. そのため,k-ωモデルは, プロジェクトのニーズと計算資源のバランスがとれたモデルとなりました.

タービンブレード周りの乱流をモデル化した後, Van Halewijn氏はプロジェクトに最適なブレード形状を見つけ出しました.「私はいつも, シミュレーションソフトウェアは研究開発のための意思決定ツールであるとお客様に説明しています. 私は数学を売っているわけではありません. シミュレーションを使えば, 試行錯誤を繰り返すことなく, プロジェクトを正しい方向に進めることができます. 私が提供しているのは, 物理学の健全な原理に基づいた, より良い意思決定なのです」とVan Halewijn氏は述べています.

A 3D simulation of the fluid flow, visualized in blue slices, through a Water2Energy water turbine design. Fluid flow through water turbine
図5. Water2Energyの水車を流れる流体の流れ.
A 2D simulation showing the overview of turbine blades and fluid flow around them with arrows pointing right. Flow around turbine blades
A circular plot visualizing the torque around three turbine blades. Torque around turbine blades
図6.COMSOL Multiphysics®でモデル化したタービンブレード周りの流れ(左)とトルク(右)のプロット.

「ブレードのプロファイルをモデル化した後, 水路の壁を通過する動きのシミュレーションを行いました(図5, 6). そのためには, ブレードの表面のメッシュを調整して, 360度の回転をすべて考慮しなければなりませんでした」とVan Halewijn氏は説明します.「また, 設計段階では, 発電量を最大化するために, ソフトウェアに特別な注記を加えることができました. もちろん, 魚がタービンを通過する様子をシミュレーションして, 試作品のテストでも海の生物に害を与えないことを納得してもらわなければなりませんでした」.

効率的で魚にも優しい:ライブテストで新設計の可能性を確認

Water2Energy社は, デルタワークスの水門内で, 調整羽根式VAWT機構のライブテストを行いました(図7). テストの結果, 出力面では, 再設計されたタービンが既存の固定翼の設計を40%以上上回ることが実証されました.

The test site for the Water2Energy water turbine prototype. Test site
A closeup view of the orange Water2Energy water turbine prototype. Prototype closeup
図7.実機テストを間近に控えたWater2Energyの水車プロトタイプ.

それと同じくらい重要なことは, ダリーウスロータータービンが, 海の生物を保護しながら潮流を電気に変えられることを証明したことです. カプランローターを使用したタービンでは, 通常,流れてくる魚の最大20%が高速回転するブレードによって死んでしまいます. しかし, Van Halewijn氏のモデリングによって最適化されたWater2Energy社のタービンでは, 死亡率が1%以下に抑えられました. 水門に設置されたカメラには, 垂直方向に調整されたブレードが意図したとおりに作動し, マスが安全に泳いでいく様子が鮮明に映し出されています.

Water2Energy社は, デザインの有効性を確認した後, その可能性を商業化するために取り組んでいます. Climate Power Plant Zeelandというコンソーシアムが, ゼーラント州のグレーベリンエンダムに潮力発電所を建設することを提案しています. Water2Energy社製のタービンを最大6基, 合計1.6MWの出力で, 推定1000世帯分の電力を発電するソリューションを提案しています.

詩的でありながら実用的な,海の隆起への取り組み

Van Halewijn氏は, 潮力発電タービンプロジェクトの詳細を喜んで話してくれましたが, より広い視野で見ることも忘れていません.「この話はシミュレーションだけではありません」と彼は言います.「この話は単なるシミュレーションの話ではなく, 現代の私たちが直面している問題と照らし合わせる必要があります」.

このように考えると, 小さな国の小さな企業が行っているこの仕事の大きな意義が見えてきます. それが北海の嵐のような巨大なものであれ, 潮に乗って安全に泳ぐマスのような小さなものであれ, 私たちが自然の力と交渉できるかどうかに, 世界の幸福がかかっているのかもしれません. Van Halewijn氏は,「私たちはWin-Winの状況を探しています」と語っています.

謝辞

MET/SUPPORTのPeter Scheijgrond氏による本論文のレビューに感謝します.

ENCOREプロジェクトについて

ENCOREプロジェクトの目的は, 4つの沖合再生可能エネルギー技術(波力エネルギー変換器,潮流, 川流タービン, 沖合浮体式ソーラー)を構造的かつ共同的なプロセスで推進し, Interreg 2 Seas地域と輸出機会に焦点を当てて, 島, ,港, 河口, 沖合構造物のための沖合エネルギーソリューションの加速的な導入を促進するためのオープンソースのツールとサービスを開発することにあります.

ENCOREプロジェクトは, Interreg 2 Seasプログラム2014-2020から資金提供を受けており, 欧州地域開発基金から補助金契約No 2S08-004で共同出資されています. また , 南ホランド州, 北ホランド州, ゼーラント州からも資金援助を受けています.

主なパートナーでありコーディネーターであるMET/SUPPORTには, ヨーロッパ4カ国のプロジェクトパートナーが参加しています. Water2Energy(オランダ), EEL Energy(フランス), Oceans of Energy(オランダ), Teamwork Technology(オランダ), Dutch Marine Energy Centre(DMEC), European Marine Energy Centre(イギリス), Artelia(フランス), Bureau Veritas(フランス), Ghent University(BE), Inyanga(イギリス), Deftiq(オランダ).

Four logos of members of the ENCORE project.