中国が140年ぶりに蒸気のライバルを始動

重要なポイント

• 140 年の王には挑戦者がいる: 1884 年以来、蒸気タービンは世界の電力の 80% を供給してきました。中国は、蒸気タービンに代わるように設計された初の商用機械を導入したばかりです。
• 10 倍小型、10% 効率向上: 超臨界 CO₂ (sCO₂) タービンは、同等の蒸気システムの 10 分の 1 のサイズのパッケージで約 50% の熱効率を達成します。
• 米国が発明した。 China Built It First.: エネルギー省は、sCO₂ 研究に数十年と 1 億 6,900 万円を費やしてきました。アメリカのパイロットプラントがまだ最初の4メガワットを発電している間に、中国のCNNCは30メガワットの商用ユニットを送電網に接続した。
• 軍事ワイルドカード: 蒸気より 10 分の 1 小さいタービンは、単なる産業ツールではありません。潜水艦、空母、海軍の推進技術であり、中国はすでに研究を進めている。

世界を動かすマシン

蒸気ベースの発電は世界の電力の 80% を生産しています。もう一度読んでください。家庭の照明、工場の稼働、電話の充電に使用されている 5 ワットのうち 4 ワットは、チャールズ・パーソンズが 1884 年に最初の多段反応タービンを発電機にボルトで固定して以来、原則として変わっていない基礎技術によるものです。

パーソンズ氏のオリジナルの機械は 7.5 キロワットを生成しました。その現代の子孫は 50,000 キロワット以上を発電します。しかし、基礎となる物理 (水を沸騰させ、ブレードを回転させ、凝縮させ、繰り返す) は基本的に同じままです。エンジニアがランキン サイクルと呼んでいるこのサイクルは、142 年間にわたって火力発電変換の無敵のチャンピオンであり続けています。原子力発電所がそれを使用しています。ガスコンバインドサイクルプラントで使用されています。石炭火力発電所がそれを使用しています。集光型太陽光発電所で使用されています。地熱発電所はそれを利用します。

2025 年 12 月 20 日、中国貴州省六盤水の鉄鋼工場で、Chaotan One と呼ばれる機械が送電網に接続されました。お湯は沸かしません。蒸気は使いません。二酸化炭素を臨界点（31℃、7.37メガパスカル）を超えて圧縮して、気体でも液体でもない超臨界流体にし、それを閉じたブレイトンサイクルで循環させて製鉄所の廃熱から発電する。

世界初の商用超臨界二酸化炭素発電装置です。その中核となるターボ機械は、置き換えられるように設計されている大聖堂規模の蒸気システムの数分の一のサイズです。

物理学: CO₂ が蒸気に勝る理由

超臨界二酸化炭素 (sCO₂) が蒸気に勝る利点は、密度と圧縮率にあります。

CO₂ が臨界温度および臨界圧力を超えて保持されると、CO2 は液体の密度と気体の流動特性を備えた流体のように動作します。温度と圧力がわずかに変化すると、エネルギー密度に大きな変化が生じます。実際の結果として、sCO₂ タービンは蒸気タービンよりも流体単位あたりより多くのエネルギーを抽出し、そのために使用する機器が劇的に少なくなります。

サンアントニオのサウスウエスト研究所（SwRI）のエンジニアであるジェフ・ムーア氏は、率直にこう述べた。sCO₂ タービン全体のサイズは「同じ量の電力を生産するプラントの約 10 分の 1 である」。蒸気タービンには通常、10 ～ 15 個のローター段が必要です。 sCO₂ タービンには 4 基が必要です。

米国立エネルギー技術研究所（NETL）のリチャード・デニス氏は、プロトタイプのタービンローターシャフトについて「直径4インチ、長さ4フィートで、1,000世帯に電力を供給できる」と説明した。

効率は大幅に向上しますが、魔法のようなものではありません。 SwRI のテストでは、sCO₂ サイクルの実行効率が従来の蒸気プラントより約 10% 高く、熱効率が 50% に近づいていることが示されています。ちなみに、従来の蒸気タービンのほとんどは 35 ～ 40% の効率で動作します。この改善は、臨界点近くで動作するブレイトン サイクルの熱特性によるもので、超臨界 CO₂ は非常に密度が高く、圧縮に必要なエネルギーが蒸気よりはるかに少ないため、コンプレッサーの仕事量が急激に低下します。

作動流体自体もより実用的です。 CO₂ は安価で無毒で、容易に入手でき、高温蒸気よりも腐食性が低いです。 CO₂ を超臨界状態にするには、水を水蒸気に変換するよりも少ないエネルギーで済みます。

$\eta_{\text{Brayton}} = 1 - \frac{1}{r_p^{(\gamma-1)/\gamma}} \quad \text{vs.} \quad \eta_{\text{Rankine}} \approx 35\text{-}40\%$

理想的なブレイトン サイクル効率は、作動流体の圧力比 ($r_p$) と熱容量比 ($\gamma$) に依存します。臨界点に近づくと、CO₂ の密度によりコンプレッサーの仕事が大幅に削減され、実際のサイクル効率が 50% に近づきます。実際の sCO₂ プラントでは、排熱を回収するための回収熱交換器と損失を最小限に抑えるための再圧縮段階が追加されていますが、その方向性は明確です。つまり、より多くのエネルギーを取り出し、より少ない機器を導入し、地上の設置面積を小さくするということです。

Chaotan One: 中国が実際に建設したもの

中国原子力総公司 (CNNC) の子会社である中国原子力研究所 (NPIC) は、この技術の開発に 10 年以上を費やしました。 2019 年、NPIC は実験室環境で安定したフルパワーの sCO₂ 生成を達成しました。 6 年後、Chaotan One は商業化されました。

仕様:

CNNC は、Chaotan One は従来の廃熱蒸気回収システムと比較して、85% 以上高い発電効率と 50% 以上高い正味電力出力を実現しながら、物理的な設置面積を半分に削減できると主張しています。

ここで重要になるのは「発電効率」と「熱効率」の区別です。 Chaotan One は一次発電所ではありません。これは製鉄所にボルトで取り付けられた廃熱回収システムで、通常であれば大気中に排出される熱を回収します。この 85% の改善は、従来の有機ランキン サイクル (ORC) および蒸気ベースの廃熱システムと比較したものであり、本格的なガス タービン コンバインド サイクルとの比較ではありません。しかし、廃熱回収に関しては大幅な増加が見られます。

CNNC は製鉄所にとどまりません。同社は2024年に「溶融塩エネルギー貯蔵+超臨界CO₂発電」実証プロジェクトを開始し、中国の主要な初のエネルギー設備の第5バッチに選ばれ、2028年までに完了する予定である。

アメリカのアプローチ: 1 億 6,900 万ドル、さらに増加中

米国は 2017 年に sCO₂ を戦略的フロンティア技術として認定しました。MIT テクノロジー レビューは、2018 年にこれを「画期的な技術トップ 10」の 1 つに挙げました。エネルギー省は、テキサス州サンアントニオのサウスウェスト研究所にある 1 億 6,900 万円の 10 メガワットパイロットプラントである超臨界変成電力 (STEP) 実証プロジェクトに資金を注ぎました。

2024 年 10 月 7 日、STEP はフェーズ 1 テストを完了しました。タービンは 27,000 RPM でフル動作速度に達し、500°C、250 bar で動作し、シンプルサイクル構成で 4 メガワットの系統同期電力を生成しました。

2025年に開始される予定のフェーズ2では、プラントを再圧縮ブレイトンサイクル（RCBC）に再構成し、タービン入口温度を715℃に上昇させる予定で、原子炉や集中型太陽光発電による一次発電に必要な高効率化に向けた重要な一歩となる。

中国との対比は歴然としている。米国は、パイロット構成で 4 メガワットを発電するために 1 億 6,900 万円を費やしました。中国は30メガワットを商業的に配備した。しかし、この比較は額面通りに受け取ると誤解を招きます。 STEP は、原子力および太陽熱用途における 715°C での一次パワーサイクル動作という、より困難な目標を追求しています。 Chaotan One は、製鉄所からの廃熱を低温で回収しています。第１戦は中国が勝利した。米国はより厳しいトレーニングに向けてトレーニングを行っている。

太陽の戦略、繰り返される

パターンは間違いありません。

1950 年代に、ベル研究所は現代のシリコン太陽電池を発明しました。アメリカの研究者は何十年にもわたって太陽光発電科学を支配していました。 2010年までに中国は世界の太陽光パネル製造の主導権を掌握した。 2025 年の時点で、基礎となる技術は何も発見されていないにもかかわらず、中国は世界の他の地域を合わせたよりも多くのソーラー パネルを生産しています。

sCO₂ も同じ軌道をたどります。このコンセプトは、1960 年代後半のイタリアとアメリカのエンジニアに遡ります。サンディア国立研究所は、少なくとも 2000 年代初頭から sCO₂ 研究プログラムを実行しています。基礎科学は圧倒的にアメリカのものです。最初の商用展開は中国製です。

クリーンテクニカのマイケル・バーナード氏は、「石を探りながら川を渡る」という中国のアプローチは「貴重な学びを生むが、多くの行き止まりも生む」と観察している。中国は実験技術を大規模に導入し、現実世界の劣化データを収集して反復しています。米国は商品化する前にコンポーネントを国立研究所で検証しています。

太陽光発電では、導入優先が決定的に勝利しました。ここで勝てるかどうかは、sCO₂ システムが継続的な産業運転の懲罰に耐えられるかどうかにかかっています。

二次爆弾: 軍事的コンパクトさ

タービンが蒸気に相当するものよりも 10 分の 1 小さい場合、その影響は製鉄所をはるかに超えて広がります。

現在、原子力潜水艦と航空母艦は蒸気ランキン サイクルを使用して原子炉の熱を推進力と電力に変換しています。これらの蒸気システムは大規模かつ複雑であり、膨大な船舶スペースを必要とします。 sCO₂ ブレイトンサイクルは、体積の 10 分の 1 で同じ出力を生成し、海軍の構造を根本的に再構築することになります。

研究者らはすでに、従来の二次ループ蒸気ランキンサイクルを再生型sCO₂パワーサイクルに置き換える、航空母艦用統合型原子力推進sCO₂システムの設計を発表している。 sCO₂ ブレイトン サイクルと組み合わせた溶融塩反応器を使用する小型モジュール式反応器の設計は、特に船舶推進用に評価されており、最大 50% のサイクル熱効率が予測されます。

Chaotan One を建設した組織 CNNC は中国の国営原子力企業であり、海軍の推進プログラムと深い関係があります。製鉄所での廃熱回収デモは、目に見えるヒントです。 2028 年を目標とする溶融塩 + sCO₂ 実証プロジェクトは、小型で高効率の海軍原子炉への道に直接位置しています。

米国国防総省はこのことを知っています。 DOE の STEP プログラム パートナーには、親会社が米海軍の推進システムを構築する GE Vernova が含まれています。しかし、時計は動いています。中国は sCO₂ システム上で実際の運用データを生成していますが、米国のプログラムは依然として 4 メガワットから規模を拡大しています。

懐疑論者のケース: 80 年間の「ほぼ準備完了」

それほど速くはありません。

sCO₂ パワーサイクルは 1946 年から提案されています。80 年間「ほぼ準備が整いました」ということは、誰もが立ち止まるはずです。このテクノロジーの利点は本物ですが、故障モードも同様であり、それらは単純ではありません。

バーナード氏は、重複する 5 つの劣化メカニズムを特定しています。

1. 熱交換器の浸炭: 高温での C​​O₂ は、鋼部品に炭化物の形成と脆化を引き起こします。
2. シールの劣化: 超臨界 CO₂ は圧力下でシール材料に溶解し、明らかな故障ではなく効率の低下として現れる徐々に漏れを引き起こします。
3. 不純物による腐食: 水、酸素、または硫黄の汚染により、接合部に孔食が発生します。
4. 拡散接合の失敗: sCO₂ システムを小型化するコンパクトなプリント回路熱交換器 (PCHE) も、最も弱い部分です。結合されたインターフェースが劣化すると、ユニット全体を交換する必要があります。
5. 産業発生源からの汚れ: 製鉄所の排気には、時間の経過とともに熱伝達を低下させる粒子、金属酸化物、硫黄化合物が含まれています。

バーナード氏は、中国への導入では 2 ～ 5 年以内に熱交換器の重大な劣化が発生する確率が 40 ～ 70%、特に製鉄所の用途では汚れの問題が発生する確率が 60 ～ 85% であると推定しています。

学術文献は課題を裏付けています。臨界点近くで動作する sCO₂ システムは小さな偏差に敏感であり、流れの不安定性を防ぐために高速かつ正確な制御戦略が必要です。高温では CO₂ は強い腐食性を示すため、数十年にわたり環境に耐えられる材料が必要となります。

Barnard 氏が主張するように、「15 MW で開始し、メンテナンスコストが上昇しながら数年後に 13 MW を供給するシステムは画期的なものではありません。これは、成熟した蒸気ベースの代替手段と比較して、廃熱を回収する高価な方法です。」

グレーゾーン: 導入して学習する vs. 検証してから導入する

どちらのアプローチも合理的です。

中国の賭けは、劣化データを含む現実世界の運用データが実験室でのいかなるシミュレーションよりも価値があるということだ。 Chaotan One の実行時間ごとに、CNNC はシールの摩耗、熱交換器の汚れ、およびテストベンチでは再現できない制御システムの動作に関する情報を収集します。システムが劣化すると、「どのように」劣化するのか、「どこで」障害が発生するのか、「何を」修正すればよいのかを学習します。レッスンの料金は 30 MW のデモ 1 回分です。利点は、学習曲線において 10 年早くスタートできることです。

米国は、コンポーネントを注意深く検証することで、より耐久性のある製品が生まれると考えています。 STEP プログラムの細心の注意を払ったアプローチ (715°C に拡張する前に 500°C でのテスト、国立研究所での長期腐食テストで材料を検証) により、5 年ではなく 30 年間確実に動作するシステムが得られる可能性があります。しかし、耐久性のために速度が犠牲になります。そして太陽光発電競争では、不完全なパネルを最初に導入した国が最も早く学習し、最も早く反復し、一世代にわたって世界市場を独占しました。

Barnard氏の分析が示唆するように、Chaotan Oneは5年以内に劣化する可能性がある。しかし、CNNC は理由を知っているでしょうし、次のバージョンはより良いものになるでしょう。一方、STEPプログラムは根本的により難しい目標（原子炉の715℃での一次出力サイクル）を目指しており、材料科学が持ちこたえれば革新的な結果をもたらす可能性がある。問題は、どのアプローチが「正しい」かということではありません。問題は、どのアプローチが最初に商業的優位性を生み出すかです。

次に何が起こるか

sCO₂ が大規模に機能する場合、その影響は廃熱回収や海軍の推進に限定されません。地球上のすべての火力発電所 (原子力、ガス、石炭、地熱、集光型太陽光発電) は、理論的には蒸気サイクルを 10% 効率が高く 90% 小型の sCO₂ サイクルに置き換えることができます。

これは、世界の発電量の 80% が、アップグレード可能な 1884 年の技術の上にあることになります。

蒸気タービンは死んでいません。それは 142 年間文明に力を与えてきましたが、一夜にして消えることはありません。しかし、1884年以来初めて、信頼できる商業的ライバルが存在し、それを開発した国はそれを建設した国ではない。

中国はアメリカが発明した太陽電池技術を導入し、10年以内に製造独占企業に変えた。現在の問題は、超臨界 CO₂ が同じ道をたどるのか、それとも米国の患者検証アプローチが中国の配備優先戦略では匹敵できないものを生み出すのかどうかである。

チャオタンワンが走っています。時計が始まりました。

出典 (12)

• en.cnnc.com.cn CNNC: World's First Commercial Supercritical CO2 Power Generator
• scientificamerican.com Can Carbon Dioxide Replace Steam to Generate Power?
• cleantechnica.com China Built A Supercritical CO2 Generator
• powermag.com POWER Magazine: STEP Demo Completes Phase 1
• gti.energy STEP Demo Phase 1 Milestone
• tpr.org Texas Public Radio: Steam Turbines Will Be Things of the Past
• interestingengineering.com Chaotan One
• netl.doe.gov DOE/NETL: Increasing Efficiency With Supercritical CO2
• mdpi.com MDPI Energies: Supercritical CO2 Power Technology
• collection.sciencemuseumgroup.org.uk Science Museum: Parsons Steam Turbine Generator 1884
• pmc.ncbi.nlm.nih.gov Supercritical CO2 System for Aircraft Carrier Nuclear Power
• newsreleases.sandia.gov Sandia National Labs: Brayton Cycle Turbines