１．はじめに

 近年、世界各国で地球温暖化が原因と考えられる自然災害が頻発し、年を追うごとに劇甚化の傾向にある。21世紀における人類最大の課題の一つが地球温暖化防止である。
 これに対する最強の切り札は、原子力発電の安全･コスト神話が崩れてしまったいま、二酸化炭素を発生しない再生可能エネルギー（以下　再エネ）の積極的な導入しか残されていない。主要国の再エネによる発電比率は、2018年現在、水力発電中心のカナダ66.3％、イタリア39.7％、スペイン38.2％、ドイツ35.3％、イギリス33.5％、原発中心のフランスが19.6％、石炭火力中心の中国が25.5％であるのに対して、わが国は18.0％に過ぎず、そしてアメリカが16.8％と続く。最近の１5年以上、欧州では原子力、石炭火力、石油火力の発電所は全く建設されておらず、さらに欧州の新規電源の20％は風力発電なのである。¹⁾
 一方、2021年には、第5次エネルギー基本計画の改定がなされ、第6次基本計画においては、再エネのみが純増となった。「2030年度に温室効果ガス46％削減（2013年度比）、2050年度に脱炭素」という政府の基本方針からバックキャストする考え方で、わが国のエネルギー政策史上、初めて再エネを最優先するという画期的なものとなった。
 2030年のエネルギー構成の目標は再エネが36～38％（第5次エネ基では22～24％）と前回より大幅に割合を増やし、一方、原子力を20～22％で据え置き、化石燃料系（石炭・石油・LNG）を41％、新たに水素・アンモニア１％が初めてミックスに組み込まれた。今回の野心的ともいえる再エネの主力電源化は世界の政治・経済の動きの中で、再エネを使わない企業は国際サプライチェーンから外されてしまうような動きをも先取りして対応したといえる。なお、これまで「最大限活用」がうたわれてきた原子力に関しては、新増設やリプレースなどについても触れていない。
 こうした再エネ導入活性化の動きの中で、風力発電の急進展が目立つが、2020年には太陽光と風力の合計設備容量が1,500GWに達し、原発（約400GW）の4倍近くにもなったのである。

２．世界と日本の風力発電の現状

 世界の風力産業にとって2020年はCOVID 19のパンデミックにもかかわらず史上最高の年となり、前年比53％にも相当する93GWが新規に導入され、洋上風力も6.07GWが新規導入された。
世界の風力発電の累積導入量の推移を図1に示すが、2020年末には、約34万基の大型風車が回り、設備容量は734GW(原発730基相当)に達している。累積導入量の多い国は、中国288GW、米国122GW、ドイツ63GW 、インド39GW、スペイン27GWと続き、日本は4.4GW（2521基）で22位に低迷しているのが現状である。また、洋上風力発電の累積導入量のトップ５は、1位は英国10.21GW（28.9％）、2位は中国10GW（28.3％）、3位はドイツ7.73GW（21.9％）、4位はオランダ2.61GW（7.4％）、5位はベルギー2.26GW（6.4％）である。
 特に、その国の電力に占める風力発電の比率（導入率）については、デンマーク48％、アイルランド38％、ドイツ27％、英国27％、ポルトガル26％、スペイン22％、スウェーデン20％など７か国が20％を超え、10％を超える国はオランダを始め8か国になる。世界全体の電力の8％は風力発電が供給し、原子力発電大国フランスでも9％が風力であるのに対し、日本はわずか１％にすぎない。^{1) 2)}

2.1　欧州における洋上風力発電導入の動き

 欧州においては陸上の風況の良いサイトが次第に乏しくなり、景観問題や騒音問題も少ないことから1990年代初頭から洋上への進出が検討されてきた。本格的に洋上風力発電が始まったのは2000年代に入ってからで、英国を中心に拡大し、2020年末には22.4GWに達し、欧州主要5か国を中心に5400基の大型風車が洋上で回っている。欧州における国別の洋上風力発電導入量は2020年現在、英国10.4GW（42％）、ドイツ7.7GW（31％）、オランダ2.6GW（10％）、ベルギー2.3GW（9％）、デンマーク1.7GW（７％）、となっており、これら5か国で99％を占めているが、圧倒的に英国が多いことがわかる。

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 さらに欧州の洋上で回っている風車のメーカーは、Siemens Gamesa16.9ＭＷ、3674基（68％）が多く、次いでVestas、5.7 MW, 1290基 （24％）の2社の寡占状態である。
 また、欧州での洋上風力発電事業者は20社以上存在するが、2020年までの累積でトップ７を挙げると、Oersted(17%), RWE Renewables(10 %),Vattenfall(6%), Macquarie Capital(6%), Iberdrola Renewables (4%), Global Infrastructure Partners(4%), Netherland Power(4%),　となっており、OerstedやRWE など複数の企業が既に日本に進出している。
 また、近年の洋上風力発電用の風車の大型化も顕著で、2010年時点で平均３ＭＷであったものが、2017年には6ＭＷ、そして2020年には8.2ＭＷに達している。大規模洋上ウィンドファームのトップ10は、Hornsea Project I(1,218MW, )を筆頭に英国が6件、オランダが3件、ドイツが1件となっており、海洋国の英国が圧倒的に多い。
 これらの洋上ウィンドファームの多くは北海に設置されているが、北海は偏西風帯にあり風況に恵まれている上に、遠浅で水深が深くないことから着底式の設置に有利である。しかし、最近ではウィンドファームの平均水深も44ｍ、平均離岸距離も52ｋｍと、陸地から離れ、水深の深い海域に展開されていく傾向がある。
 さらに欧州諸国は以前、北海の海底油田の工事をしていたことから海洋構築物の設置経験があり、そのための特殊船舶も多く保有するため、これを洋上風力発電設置に転用できることも有利であった。欧州風力発電協会では洋上風力発電の導入目標を、2019年11月には、「2050年までに洋上風力発電450GW開発計画」を公表し、このうちで英国は80GW(原発80基分)を占めており、これにより、EU全体の電力需要の50％(洋上のみでは30％)を供給するとしている。^{3) 4)}
 特に洋上風力導入に熱心な海洋国の英国においては、世界中の風力発電企業の研究施設や製造拠点を集積し、英国の一大産業として発展させる壮大な計画があり、事業規模は13兆円、2030年までに7000基以上の洋上風車を設置して、国の電力需要の3分の１を賄うとしている。

2.2　米国およびアジアでの洋上風力発電導入の動き

 米国における風力発電の導入量は2019年3月時点で、97GW（総本数56,000基）に達しており、これにより米国の電力需要の6.5％を賄っている。再エネに占める風力の割合は、1998年には１％に過ぎなかったが、2008年には7％になり、さらに2018年には22％にも達している。これに伴って発電コストも2010年には円換算で14.8円/kWhであったものが、2018年には4.6円/kWhまで低下している。導入量の多いのはテキサス州の25GWを筆頭に、アイオワ州8GW、オクラホマ州8GW 、カリフォルニア州6GW、カンザス州6GW、そしてノースダゴダ州の3GW と続く。
 一方、洋上風力発電も勢いづいており、ニューヨーク州では2035年までに9GW、マサチューセッツ州でも2035年までに3.2GWと高い導入目標を掲げている。米国全体では、2023年までに2.1GW、2030年までに18GWという目標を掲げており、8兆円規模のビジネスチャンスになるものと期待されている。なお、米国の風力発電導入を促進してきたPTC（生産税控除)が2019年末で終了したことから、陸上風力は2021年以降は導入量が減速するのに対して、2023年以降は洋上風力発電が増大するものと見込まれているが、課題は送電線の増強である。⁵⁾
 また、アメリカ以外では、中国、ベトナム、台湾、日本もシェアを伸ばす予想され、英国と同様な海域策定計画は、アジア諸国でも検討されており、例えば台湾では2025年までに5.5GWの開発を予定している。⁶⁾

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【著者紹介】
牛山　泉（うしやま　いずみ）
足利大学理事長

■略歴
1942年長野県生まれ。1971年上智大学大学院理工学研究科博士課程修了、工学博士。
エネルギー変換工学を専門とし、主に風力発電など再生可能エネルギーの研究に従事。1971年より足利工業大学（現足利大学）機械工学科講師、助教授、教授を務め、2008年度より2期8年間学長。2016年度より足利大学理事長、大学院特任教授。日本機械学会フェロー、1977年に足利工業大学において日本風力エネルギー学会創設、元会長、日本太陽エネルギー学会元会長、フェロー、日本技術史教育学会前会長、経済産業省（METI）および新エネルギー産業技術総合開発機構（NEDO）洋上風力発電委員長、新エネルギー財団（NEF）風力委員長、などを歴任。論文は風力関連を中心に160件、著書は単著共著合わせて26冊（うち5冊は中国、台湾、韓国で翻訳出版）。受賞はWWEC世界風力エネルギー会議栄誉賞、WREC世界再生可能エネルギー会議パイオニア賞、同功労賞、文部科学大臣賞、日本風力エネルギー学会特別表彰など12件。

１．はじめに

 我が国の洋上風力発電は、「海洋再生可能エネルギー発電設備の整備に係る海域の利用の促進に関する法律」（「再エネ海域利用法」）が2019年に制定される等、環境整備が進みつつある。さらに、「洋上風力の産業競争力強化に向けた官民協議会」は洋上風力産業ビジョン（第１次）¹⁾において、再生可能エネルギーの主力電源化に向けた切り札と位置付け、導入目標を2030年までに1,000万kW、2040年までに浮体式も含む3,000万kW～4,500万kWの案件を形成するとしている。
 浮体式洋上風力発電は着床式に比べ普及は遅れてはいるものの、国内外で複数の実証試験を経て商用展開が開始されている。我が国においては福島県沖の実証研究は終了したが、グリーンイノベーション事業²⁾の開始もあり、開発の機運が再び盛り上がっている。
 浮体式洋上風力発電の安全性の検証には、数値計算と並び水槽模型試験が重要である。本稿では、当所で近年実施した水槽試験について、風車の大型化と合わせ紹介する。

２．水槽模型試験の目的と供試模型

 水槽試験の主な目的は、構造物の基本的なコンセプトの確認や安全性の検証等が考えられるが、より詳細には、例えば以下が挙げられる³⁾。

・ 浮体形状ごとの動揺等を把握する実験
・ 動揺制御を目的とした実験
・ 数値解析の検証を目的とした実験

 また、物理的・数値的な実験結果に基づいて、船舶や海洋施設に関する模型試験や実船試験の標準的手法を提言する世界的な団体であるITTC（International Towing Tank Conference）によれば、試験目的を新技術の開発のレベルを評価するための指標である技術成熟度（TRL: Technological Readiness Levels）と模型縮尺について関連付け、コンセプトの確認や大まかな意味での最適化が主目的となるTRL1～3で1/100～1/25、実機に向けた種々の環境要因を取り込んだ性能評価（主に水槽実験、規模と目的によっては実海域）が主目的となるTRL4～6で1/25～1/10、主に実海域での実証実験であるTRL7～で1/5～1/1の縮尺を想定している⁴⁾。
 一方で、試験施設には寸法上、性能上の制約があり、必ずしも狙った通りの試験が実施できるわけではない。上記³⁾によれば、可動部や制御系を搭載する最も多くの試験模型は、縮尺1/30～1/70程度である。
 近年、風車は図1に示すように大型化しており、その大きさ・質量を幾何学的相似則で縮尺すると、10MWおよび15MWの参照風車は表1の通りとなる。縮尺1/50の場合、15MW風車ではロータ直径は5m近くになり、送風範囲としては6m×5m程度以上の送風面積が必要となる。この送風面積は、浮体の波浪中の動揺を考慮すれば、より広い面積が必要となる。このような送風面積に対応する送風機を設置可能な試験水槽は極めて少ないと考えられる。なお、風速はフルード則により近似することが多いが、翼性能の観点で広く用いられるレイノルズ則とは両立できないため、水槽試験ではスラスト荷重やタワー・浮体水面上に働く風荷重を相似させることを優先することがほとんどである。

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【著者紹介】
中條　俊樹（ちゅうじょう　としき）
（国研）海上・港湾・工区技術研究所 海上技術安全研究所
 洋上風力発電プロジェクトチーム　チームリーダー
（兼）海洋先端技術系再生エネルギー研究グループ　グループ長

■略歴
2008年　独立行政法人　海上技術安全研究所入所
2011年　同　主任研究員
2020年　洋上風力発電プロジェクトチーム　チームリーダー
2021年　海洋先端技術系再生エネルギー研究グループ　グループ長
海洋構造物、特に浮体式洋上風力発電の波浪中応答評価、安全性評価に従事。

 日本には古来より「地産地消」という考えがある。それを日本のエネルギー政策基本方針である3E+Sに当てはめてみると、最後の「S」は安全性であるSafety、三つのEはそれぞれ、Energy Security（自給率)、Economic Efficiency（経済効率性）、Environment（環境適合）を指す。更に経済産業省より、2021年10月に第六次エネルギー基本計画（1）が発表されているが、優先順位は、まずは安全性、それからエネルギーの安定供給、経済効率性の向上により低コストでのエネルギー供給、最後に環境への適合を図るという、基本計画本文ではカーボンニュートラルを一番先に取り上げながらも、実質的な内容においては、脱炭素化に重きを置く欧州とは乖離した順位付けになっている。

 3E+Sは経済産業省の中でも、資源エネルギー庁が主だって進めている政策だが、その大前提には日本には資源がないという概念がある。資源のない、すなわち他国からの輸入エネルギーに頼るという前提のもと、エネルギーの安定供給、経済性、二酸化炭素ガス排出削減などを考慮したエネルギーミックスを検討するというものが、3E+Sの位置づけであるといってもよい。そこには投資でも行かされている、リスクの分散化という概念も機軸となっている。リスク分散によって、政権交代や国交による輸出国の輸出制限のリスクを考慮し、一国に頼りすぎない、偏りのないエネルギーのポートフォリオを作るというのが、言い換えればこの政策の目指すところである。

 3E+Sは方針としては結果的に正しいとしても、もし前提が間違っていたらどうだろうか？資源のない国日本、それは本当だろうか？なぜなら、ここで資源と考えられているものは、主にエネルギーの元になる石油と天然ガスを指し、世界で脱炭素化の波が吹く中、それは本当に「資源」と言えるものなのだろうか？ここで一つ明確にしたいことは、現人類が生きている限り、石油と天然ガスは「原材料」として使われるため、技術革命や人間自体が根本的に変わらない限り、プラスチックの原料として、または化学品の元として、化石燃料の採取は続けられる。しかし、原材料としての化石燃料は、脱炭素化という目線から見れば、燃やしてエネルギーを取り出す過程で起こる、二酸化炭素及びその他有害ガスが出ないので問題ではないということだ（2）。

 しかし、前述の通り、日本の3E+Sにおいては、資源とはあくまでも主に石油と天然ガスなので、今欧米中心に世界からどんどん淘汰されていく「資源」を元に、エネルギー政策を立ててしまってもよいのだろうか？また、その化石燃料を主だった資源としてエネルギー政策に入れている限り、国際リスクを完全に取り除くことは不可能である。

 更には3E+Sは決して新しい概念などではなく、日本に昔からある「地産地消」である。結果から言うと、国産でエネルギーを賄うことが出来れば、一気に3E+Sが達成できるということだ。また、本当の意味での3E+Sを達成するためには、再生可能エネルギーの割合を最終的には100％にする必要があるとも言える。それでこそ初めて自給、安全性、経済性と脱炭素化が可能になる。自然エネルギー（3）を資源として日本を見ると、日本は決して資源に乏しい国ではない。なぜなら日本には広大な海域があるからだ。

 しかし、現状では日本における自然エネルギーの導入率は欧州や中国に大分後れを取っている。またその内容も太陽光と水力で18％に留まり、残りの82％のエネルギー需要は輸入に頼っているということだ（4）。

＊https://www.enecho.meti.go.jp/about/pamphlet/energy2020/007/#section1

 エネルギーの定義はさておき、生活の利用法で括ると、具体的に熱利用（家庭用、工業用）と、電気利用（石炭、石油、ガスを燃料とする火力タービンや原子炉）としての利用がある。自然エネルギーは直接電気に変換されるが、熱は電気では代替えすることが難しい分野である。その為熱の脱炭素化にはグリーン水素やグリーンアンモニアが検討されている。

次回に続く－

【著者紹介】
小川　逸佳（おがわ　いつか）
Xodus Group Japan株式会社　代表取締役社長

■略歴

学歴
2009年　University of Pennsylvania Carey Law School卒業