LNG火力発電の脱炭素化戦略：カーボンニュートラル社会への貢献と技術的課題
はじめに：日本のエネルギーミックスとLNG火力発電の現状
日本のエネルギー供給において、液化天然ガス（LNG）火力発電は長らく重要な役割を担ってきました。東日本大震災以降、原子力発電所の稼働停止が相次いだことで、その依存度は一時的に高まり、電力の安定供給を支える基幹電源の一つとしての地位を確立しました。LNG火力発電は、石炭火力発電と比較してCO2排出量が少なく、再生可能エネルギーのような出力変動がなく安定的に稼働できるという利点があります。また、起動・停止が比較的容易であるため、再生可能エネルギーの導入拡大に伴う出力変動を吸収する調整電源としても機能しています。
しかし、2050年カーボンニュートラル目標の達成に向けては、現状のLNG火力発電が依然としてCO2を排出する主要な電源であるという課題に直面しています。この目標達成のためには、既存のLNG火力発電の脱炭素化、あるいは将来的なゼロエミッション電源への移行が不可欠となります。本稿では、LNG火力発電がカーボンニュートラル社会へどのように貢献し得るのか、そのために必要となる技術的戦略と直面する課題について多角的に考察します。
LNG火力発電の脱炭素化の必要性と課題
日本のエネルギー基本計画では、2050年の電源構成において再生可能エネルギーが主力電源となり、水素やアンモニアといった脱炭素燃料による火力発電も重要な位置を占めるとされています。LNG火力発電は、その高い柔軟性と安定性から、当面の間は重要なバックアップ電源としての役割を継続すると見込まれます。しかし、長期的な視点で見れば、CO2排出量の削減は避けられない課題です。
主な課題としては、以下の点が挙げられます。
- CO2排出量の削減: LNG火力発電は石炭火力より排出量が少ないとはいえ、CO2排出源であることに変わりはなく、抜本的な排出削減策が求められます。
- 燃料供給の安定性と地政学リスク: LNGは海外からの輸入に依存しており、国際情勢や地政学的なリスクが燃料価格や供給安定性に影響を与える可能性があります。
- 技術開発のコストと実用化: 次世代技術の実用化には莫大な研究開発費と設備投資が必要であり、経済性と効率性の両立が課題となります。
脱炭素化に向けた主要技術戦略
LNG火力発電の脱炭素化に向け、国内外で様々な技術開発が進められています。主な戦略は、既存発電の高効率化、CO2分離・回収・利用・貯留（CCUS/CCS）、そして燃料転換・混焼技術の3つに大別されます。
1. 高効率化の追求
既存のLNG火力発電においても、最新鋭のコンバインドサイクル発電（GTCC: Gas Turbine Combined Cycle）は、約60%を超える発電効率を達成しています。これは、ガスタービンで発電した後の排熱を利用して蒸気タービンを回し、さらに発電するシステムです。発電効率の向上は、同じ量の電力を得るために必要な燃料消費量を削減し、結果としてCO2排出量を抑制する効果があります。さらなる効率向上を目指し、ガスタービンの高温化や材料開発などの研究が継続されています。
2. CO2分離・回収・利用・貯留（CCUS/CCS）
CCUS/CCSは、火力発電所などから排出されるCO2を大気放出する前に分離・回収し、地下に貯留する（CCS）、あるいは有効利用する（CCU）技術です。LNG火力発電は排出されるCO2濃度が石炭火力よりも低いため、回収効率の点で課題も存在しますが、既存設備への導入が検討されています。
- 技術概要:
- 化学吸収法: アミン溶液などを用いてCO2を吸収・分離する方法が一般的です。
- 物理吸着法: 吸着材を用いてCO2を吸着・分離する方法です。
- 膜分離法: 膜を通過させることでCO2を分離する方法です。
- 国内外の動向:
- 日本では、苫小牧CCS大規模実証試験など、CCS技術の実証が進められています。海外でもノルウェーの「北極圏CCSプロジェクト」や米国の「Petra Novaプロジェクト」など、大規模な実証・商業プロジェクトが進行中です。
- 課題:
- コスト: CO2の回収・輸送・貯留には多大なコストがかかります。
- 貯留場所の確保: 地下貯留に適した地層の探査と確保が課題です。
- 技術成熟度と安全性: 大規模な長期貯留における安全性評価や、地震活動への影響などが研究テーマとなっています。
3. 燃料転換・混焼技術
天然ガスに代わり、あるいは天然ガスと併用して、CO2を排出しない、または大幅に削減する燃料を用いる技術が注目されています。
- 水素混焼/専焼:
- 技術概要: 天然ガスに水素を混合して燃焼させる「水素混焼」や、将来的には水素のみを燃料とする「水素専焼」を目指すものです。水素は燃焼してもCO2を排出しないため、非常にクリーンな燃料です。
- 国内外の動向:
- 日本では、水素ガスタービンによる発電実証が複数行われており、2030年頃からの実用化を目指しています。
- 欧米でも、水素社会構築に向けたロードマップの中で、水素発電の導入が検討されています。
- 課題:
- 水素の製造コストと供給網: CO2フリー水素（グリーン水素）の製造コストが高く、大量供給のためのインフラ整備が不可欠です。
- NOx対策: 水素は燃焼温度が高くなるため、窒素酸化物（NOx）の生成が増加する傾向があり、燃焼技術による抑制が課題です。
- 安全管理: 水素の貯蔵・輸送・利用における安全管理体制の構築が重要です。
- アンモニア混焼/専焼:
- 技術概要: 天然ガスとアンモニアを混合して燃焼させる「アンモニア混焼」や、アンモニアのみを燃料とする「アンモニア専焼」です。アンモニアも燃焼時にCO2を排出せず、既存のLNGインフラを一部活用できる可能性があり、水素に比べて貯蔵・輸送が容易という利点があります。
- 国内外の動向:
- 日本では、アンモニア火力発電に関する大規模な実証試験が進められており、石炭火力発電との混焼技術の開発も活発です。
- 国際的にも、アンモニアを燃料とする船舶や産業用途への応用が検討されています。
- 課題:
- NOx対策: アンモニア燃焼もNOx生成のリスクがあり、燃焼技術の最適化が求められます。
- 未燃アンモニア対策: 未燃のアンモニアが大気中に放出されることを防ぐための技術開発が必要です。
- サプライチェーン構築: 大量供給のためのアンモニア製造（特にグリーンアンモニア）と輸送インフラの整備が急務です。
カーボンニュートラル社会におけるLNG火力発電の将来像
2050年カーボンニュートラル目標の達成に向けて、LNG火力発電は「つなぎ」の役割を超え、積極的に脱炭素化された形で貢献していくことが期待されています。
- 過渡期の安定供給源: 再生可能エネルギーの導入拡大期において、出力変動を補完する調整電源としての役割は継続します。その中で、高効率化やCCUS/CCSの導入によりCO2排出量を削減し、環境負荷を低減していきます。
- 最終的なゼロエミッション化: 将来的には、水素やアンモニアといったCO2フリー燃料への完全転換（専焼）が進むことで、LNG火力発電所が持つ柔軟性や安定性といった利点を維持しつつ、排出ゼロのクリーンな電源へと進化することが目指されます。
- GX（グリーントランスフォーメーション）の推進: 日本政府が推進するGX戦略においても、火力発電の脱炭素化は重要な柱の一つとされており、技術開発への支援や投資が加速される見込みです。
まとめ：研究と開発が拓くLNG火力の未来
日本のエネルギー安全保障とカーボンニュートラル目標の同時達成において、LNG火力発電は単なる既存の電源にとどまらず、その脱炭素化が極めて重要な戦略的課題となっています。高効率化、CCUS/CCS、そして水素・アンモニア混焼/専焼といった革新的な技術の確立とその実用化は、LNG火力発電が持続可能なエネルギーシステムの一部として機能し続けるための鍵です。
これらの技術は、それぞれに経済性、供給安定性、技術的課題を抱えていますが、相互に補完し合いながら、研究開発と実証が精力的に進められています。エネルギーシステム工学を学ぶ皆さんにとって、これらの先端技術が直面する具体的な課題を深く理解し、その解決策を追求することは、未来のエネルギーシステムを設計する上で不可欠な知見となるでしょう。