三井海洋開発（株）事業開発部 ⼩林 秀信

1. はじめに

我が国における浮体式洋上⾵⼒発電設備の設置可能な⽔深海域は、着床式の適地とされる約50m 以浅の海域⾯積を⼤きく上回り、将来的に再⽣可能エネルギーの有望な産出地になりうる。浮体式はより沖合に設置されることから、⾼い⾵⼒エネルギーが得られる⼀⽅で、その⾵浪環境は、着床式に適した海域と⽐しより厳しいものとなり、浮体式洋上⾵⼒発電の普及には、浮体・係留システムの信頼性と経済性の両⽴が必要になる。

三井海洋開発はFPSO (Floating Production Storage and Offloading) やTLP (Tension Leg Platform)の建造や運転・保守に関し世界で有数の実績を有し、⽇本で唯⼀の浮体式洋上設備のトータルソリューションを提供する企業として⽯油・ガス業界では広く知られる存在である。現在、その経験と技術を活⽤し、過酷な環境においても⼤容量発電⾵⾞(12〜15MW)の搭載を可能にし、優れた経済性、更に、⾼い社会受容性を兼ね備えた浮体・係留システムを開発中である。

以下に、開発中である浮体式洋上風力発電用TLP(Tension Leg Platform)型浮体･係留システムを紹介する。

2. MODEC TLPの概要

＜MODEC TLP型洋上風力発電設備の特徴＞

(1) 大型風車に対応する浮体の信頼性と経済性の両立

1) 浮体の信頼性
洋上風力発電の普及においては発電コストの低減は必須であり、その達成のためには大型風車を採用し、より風況の良い場所での発電が要件となる。大型タービンを搭載する浮体としての構造信頼性の確保は非常に重要なテーマであり、タービンやケーブルへの影響の最小化を実現するため当社はTLP型をベースに開発を行っている。
当社のコンセプトは、先のコンセプト図で説明したように３本のカラムとそれらを上下で繋ぐブレーシングとポンツーンにより、浮体全体の剛性強化を意図した構造体配置としている。

浮体係留の連成解析シミュレーション
TLP型の動揺特性
・ 鉛直方向の運動が殆ど無い
・ 浮体の傾斜も十分に小さい

構造信頼性
・ タービンタワーを強固な立体連結構造で支持
・ DNV-GLよりAIP取得

2) 更なる経済性
TLP型用浮体の建造費はその構造からセミサブ型と同等であるが、優れた浮体安定性は、発電設備の性能を最大限に発揮させ、20年に亘る長期の運用では風車をはじめとする搭載設備の信頼性向上に寄与し、設備のメンテナンスの低頻度化にも貢献すると考える。
また、一般に、風車を大型化した場合、荒天時に風車に作用する加速度や傾斜角を許容内に収めるために浮体が極端に巨大化していく一方で、TLP型の採用は浮体の大型化を他の浮体形式に比べて抑えることが可能となり、この点でも他の浮体形式との比較において経済性に寄与するものと考えている。

(2) 係留システムにおける技術要件と経済性の両立

1) 係留索システム
本コンセプトの係留索システムは、緊張力の分散と冗長性確保を目的として、各カラムに3本ずつ合計9本の係留索を採用している。石油・ガス分野でのTLPの係留はパイプをつなぎ合わせたテンドンパイプを採用しているが、浮体式洋上風力設備では、係留索に求められる強度要件と経済性の観点から汎用の鋼製ワイヤーを採用した。係留索については、緊張係留索の負荷特性である定常緊張力、浮力変動、水平復原力を把握した上で、係留索に求められる強度要件（破断強度、疲労強度）から、鋼製ワイヤーを採用している。

2) 係留接続工事費、係留交換や重故障発生時のメンテナンス費用の削減
本コンセプトの係留システムでは、洋上施工期間の短縮に向け、バラストによる浮体喫水の調整機構と係留索の着脱コネクターを採用している。これにより、浮体に漲水して通常時より沈めた状態で係留端部を浮体に接続、排水することで簡便に緊張状態の実現が可能となる。係留索システムの浮体からの着脱を容易にできるため、ヘビーメンテナンスが必要になった場合の基地港への迅速な輸送を可能とし、施工期間短縮によるヘビーメンテナンス費の低減を実現する。

また、係留索・電力ケーブル着脱機構は重故障時のダウンタイムを最短化し、保険料の低減の可能性につき複数の保険会社が、他の浮体方式に比べ、保険引き受けに優位性ありと評価している。 更に、浮体喫水は６ｍ程度と浅く、日本の浅い岸壁に有効であり、拠点港の選択肢を広げることに寄与すると考えている。

3) 汎用鋼管杭による係留基礎
TLP型浮体は浮力により生じる緊張力を海底で受ける必要があり、既往の開発では大型の重量式アンカーを採用している例もあり、実用化にはその製作費や設置費が課題であった。一方で、石油・ガス分野で使用されるTLP型浮体はメキシコ湾などにおいて汎用鋼管杭を用いた基礎が一般的であるが、需要の観点から日本国内での実績はない。そこで、この方式を浮体式洋上風力にも導入することで重力式アンカーの経済的なボトルネックを解消する。

次回に続く－

【著者紹介】
小林 秀信（こばやし　ひでのぶ）
三井海洋開発株式会社 事業開発部

■略歴
20年以上にわたり、石油、ガス、化学業界にてEPCのセールス/マーケティングに従事。
2018年に三井海洋開発（株）入社。新規事業を担当。
現在 同社の風力発電事業の推進において2030年の商業化を目指し活動中。

戸田建設（株）　戦略事業推進室　安仲 ともえ

1. はじめに

 近年、再生可能エネルギーの中でも特に風力発電が大きな注目を集めている。風力発電は、これまで陸上での設置が中心となっていたが、周囲を海に囲まれた日本では、広大な海域を利用した洋上風力発電が期待されている。洋上風力発電は、風車の基礎部分を海底に固定する着床式と、基礎部分が海に浮いている浮体式に分類される。着床式は設置可能な水深が60m以浅といわれ、欧州で主流となっているが、日本では欧州のような遠浅の海域が少なく、カーボンニュートラル達成のためには水深が深い海域に設置可能な浮体式の活用が必須となっている。戸田建設株式会社は浮体式洋上風力発電の実現に向け、2007年にハイブリッドスパー型浮体の研究開発を開始した。その後も年々スケールを拡大し、2013年には環境省による実証事業において2MWの実証機を長崎県五島列島沖に設置し、2016年から民間事業として実用化、現在も次のステップに向けて技術開発を継続している（図1）。本稿では、このハイブリッドスパー型浮体式洋上風力発電について紹介する。

2. ハイブリッドスパー型とは

 ハイブリッドスパー型とは、下部をコンクリート、上部を鋼で構成する細長い円筒形の浮体構造である（図2）。コンクリートは重量単価が鋼の約1/10程度であり、これを下部に用いることで、全て鋼から構成される従来のスパー型よりもコストダウンを図るとともに、浮体の重心を下げることにより安定性も向上させている。

 スパー型の利点としては、大量生産性と安定性が優れていることがあげられる。スパー型の構造は、図2からもわかるように、分岐がなく非常にシンプルであることから、大量生産への移行が容易に可能となる。また、スパー型は細長い円筒形の構造となっているため、風や波の影響を受けにくく、さらに浮体中心よりも低い位置に重心を置くことで高い安定性を実現している。
 一方、スパー型の課題としては、一般に洋上での風車組み立て時に大型起重機船を必要とすることがあげられる。洋上施工時に使用する大型起重機船は日本に数隻しかなく、手配が容易でないことや、作業可否が天候に左右されるためにコストや工程を圧迫する大きな要因となっていた。

次回に続く－

【著者紹介】
安仲　ともえ（あんなか　ともえ）
戸田建設株式会社　戦略事業推進室
浮体式洋上風力発電事業部
技術企画部　技術課

■略歴
2016年　東京海洋大学海洋工学部海事システム工学科　卒業
同年　　 三井造船株式会社（現　三井E&S造船株式会社） 入社
2021年　戸田建設株式会社　入社　現在に至る

（株）ソニック　三井 正雄

1. はじめに

 沿岸域の開発・利用・防災といった多くの側面において、波浪は最も特徴的かつ支配的な自然外力である。そのためわが国沿岸域の多くの地点で波浪の観測・調査が継続的に実施され、得られた波浪観測情報は、港湾・海岸構造物の計画・設計・施工に対する与条件として、あるいは台風等による被災メカニズムの究明や海岸保全、航行船舶の安全管理等のために、重要な意思決定資料として広範に活用されてきた。
 また近年では、地球温暖化の影響等により、台風の強大化や北上化、あるいは平均水位の上昇化傾向等による沿岸災害の大規模化が各地で認められるようになり、大阪湾や東京湾で大きな港湾被害が報じられたことは記憶に新しい。これら気象の変化は必然的に波浪にも大きな影響を与え、多くの地点で既往最大波の増加傾向が確認されるようになった。そして波高の増大のみならず、より周期の長い波、すなわちより大きなエネルギーを有したうねり性波浪の来襲頻度も増加しており、問題を一層深刻化・複雑化させている。このような波浪特性の変化に対応する必要性が喫緊の課題となり、港湾構造物の設計条件であるこれまでの「設計波」の見直しが全国的に開始されるに至るなど、より正確に、より高度な情報出力を可能とする波浪観測の高度化要求が高まっている。以前は希であった周期の長い高波が頻発するようになった今日、波浪特性の変化にマッチした観測方法やデータ解析方法の見直しが必要となっていると言えそうである。
 現在、わが国における定常波浪観測の標準機として運用に供している海象計は、海底に設置する一台の水中超音波センサによって、海面波と海面波の変動に伴う海中多層の水粒子速度を継続的に観測している。そこで、これらの計測データを適切に処理・解析することにより、海象計は波浪情報の高度化要求にも十分応えられる潜在能力を有していることから、時代の要請にも応え得るものと期待されている。

 本報告では、わが国最大の波浪観測網である国土交通省が運用する全国港湾海洋波浪情報網（通称ナウファス）の主力機器として、24時間絶えず海の波を観張り続けている海象計の概要と本機によって得られた観測データ、および波浪情報の安定・高度化要求に向けて開発を進めている最近のデータ処理手法による結果例について紹介する。

2. 海象計

 海象計は、1981年に発表された運輸技術審議会答申が目標とした「波向観測の標準化と津波等長周期波観測」を実現させた観測機器として、波浪（波高・周期・波向）流況（通常3層の流向・流速）および沖合の潮位変動を単一のセンサにより同時計測可能なものである。機能的には、従来わが国沿岸域の定常波浪観測に多用されていた海底設置型超音波式波高計の機能と主に船舶や係留式として使用されてきた多層式ドップラー流速計の機能とを一体化した定常観測用の複合型海象観測機器である。
 観測システムとしては、海底に設置される送受波器と陸上に設置される制御・計測・演算部およびこれらを結ぶ海底ケーブルによって構成される。海底に設置される海象計のセンサは、図1に示すように鉛直上方へ超音波を0.5秒間隔で送信し、海面での反射波を受信することにより、海面の上下変動を計測する部分と斜め3方向に超音波を送信し、受信波のドップラー周波数偏移を解析することにより、任意水深層における水粒子速度を計測する部分からなっている。なおセンサ部の海底設置例を図2に示す。
 図3は、センサの最上部に位置する水位変動計測用振動子（200KHz）組立時のものであり、通常なかなか見る機会がないセンサの内部構造である。作業工程としては、次に容器内へヒマシ油を満たした後、ゴムキャップを被せてこれをステンレスバンドで固定する。またこの振動子は、ジンバル構造になっており、振動子面が水平を維持することにより、海底が傾斜している場合や設置架台が洗掘等で傾いてしまった場合でも、常に超音波が鉛直上方に送出される仕組みになっている。
 海象計のセンサは、その上部の鉛直軸から30度傾いた3方向に水粒子速度計測用の振動子（500KHz）を配している。図4はこの500KHzの超音波を送信後、海中のゴミやプランクトン等、浮遊懸濁物質で反射した受信波形の一例である。海中で音波は約1500m/sの速度で伝播するため、海中1mの往復に要する時間は1.33msとなる。これを利用して、超音波を送信してから所定時間後の受波信号を抽出・処理することにより、希望する観測水深層の水粒子速度（超音波ビーム軸方向の流速）が得られることになる。

次回に続く－

【著者紹介】
三井 正雄（みついまさお）
株式会社ソニック

■略歴
1992年、株式会社カイジョーに入社（独立分社後、現ソニック）
入社後一貫して波浪観測技術の開発に従事
途中、港湾空港技術研究所、九州大学にて波浪データの解析手法に関する研究に従事