アクアイグニス多気におけるバイオマス熱エネルギー高度複合利用システム検討調査事業[H26年度成果概要] 株式会社アクアイグニス ㈱アクアイグニスが平成30年のオープンを目指す温浴リゾート施 設「アクアイグニス多気（仮称）」において、国内で初の導入を目指 すORC（Organic Rankine Cycle）ユニットを用いた木質バイオマ スコジェネレーションシステム（ORCシステム）に関して、熱エネル ギーマネジメントシステム、及び売熱方法等の事業スキームの構 築に向けた具体的検討を行った。 取り組みの背景 ORCシステムを活用したバイオマスコジェネの国内適用化 FITにより木質バイオマスの大規模発電計画が活発化する中、今 後の展開として中小規模のバイオマスコジェネレーションの普及が 望まれる。そうした中、欧州で高い実績を誇るORCシステムが注 目されている。ORCシステム導入においては、電気事業法への対 応と、発生する大量の熱の安定的な活用がポイントとなる。本事業 では特に熱利用の側面にフォーカスし、ORCシステムの国内適用 化のための熱エネルギーシステム構築、課題解決を目指すもので ある。 アクアイグニス多気における国内初の実用モデルの構築 「アクアイグニス多気」における熱 エネルギーシステムとしての導入 を前提に、国内初のORCシステ ムによるバイオマスコジェネレー ションの実用モデルを構築し、今 後の国内におけるORCシステム の普及に資する情報整理を目指 す。 図-1 システムイメージ 実施地域の概要 多気町は三重県の中央部 に位置する面積103km3、 人口1.6万人の町である。 平野が山地に移行していく 境目にあたり、西半分は広 図2多気町の位置と敷地周辺の様子 大な森林に覆われており、 既存調査によると周辺から は年間3万t程度の森林系 のバイオマスが調達可能と されている。 アクアイグニス多気は、多 気町内の伊勢自動車道勢 和多気インターの脇に建 設予定であり、温浴施設の エネルギーファーム ほか、食、健康、ペットなど 図3アクアイグニス多気敷地配置計画 をテーマとした施設も整備 予定である。 実施体制 本調査事業は㈱バイ 木質バイオマスエネルギー 利用推進協議会 会長 熊崎実 オマスアグリゲーション と㈱協和エクシオにそ 株式会社 株式会社 トーエネック バイオマスアグリゲーション Ｅ２リバイブ 株式会社 多気町 れぞれ、売熱スキーム 株式会社 協和エクシオ 三菱重工業 株式会社 の検討、エネルギー 図4- 事業の実施体制 マネジメントシステムの技術的検討を外注し、将来的に原 料サプライヤーとなるE2リバイブ㈱、設備関係の㈱トーエ ネック、三菱重工業㈱の協力のもと実施した。 1 実施主体: 株式会社 アクアイグニス 調査外注 助言・側面支援 （有識者） 協力 （協力主体） （自治体） 技術の特徴 設備の概要 事業名：○○ ○○○○○ ○○○○○ ○○○○○ ○○○○○ ○○ ORC(Organic Rankine Cycle)ユニット ORCユニットは通常の水蒸気サイク ルとは異なり、ボイラで加熱したサー マルオイルをシリコンオイルなどの有 機媒体と熱交換し、タービンで発電を 行うとともに冷却水が90℃程度の温 図-5 ORCユニットの外観 水として回収され、熱利用を行うシス 出典：Turboden社HP テムである。 技術的には実用レベルに達しており、欧州ではトップメーカーの Turboden社（イタリア・三菱重工業グループ）のものだけでも300 基以上の導入実績を有する。地熱や工場排熱との組み合わせ も可能だが、バイオマスボイラを熱源としたものでは地域熱供給 や木材産業において普及が進んでいる。 特に小規模におけるエネルギー 効率の高さやメンテナンス性の 良さ、安全性の高さ、また欧州 では無人運転が可能でオペレ ーションの負担が軽いことが特 徴とされている。 国内では電気事業法が障害と なり、欧州のような無人運転が 図-6 ORCシステムの仕組み できないなどORC本来の優位性 ≪ORCユニットの特徴≫ が発揮できないために普及が進 小規模でも高いエネルギー効率 んでいない。 （電力20％、熱78％） 一方、昨今のバイオマス発電市 無人運転が可能（欧州の場合） 熱媒体がオイルのためメンテナン 場の活発化に伴い、中小規模 ス性に優れる のバイオマスコジェネレーション 高温高圧蒸気を扱わず安全性に 技術としてORCユニットへの期 優れる 待が高まっている。 ORCシステムを核とした複合的な熱供給システム アクアイグニス多気ではバイオマスボイラとORCユニットの 組み合わせによるORCシステムを核に、ペレットボイラ、蓄 熱槽により構成されるコジェネレーション施設を整備し、温 浴施設を中心としたリゾート施設に対する複合的な熱供給 システムを構築する。温浴施設側では化石系ボイラ等のバ ックアップの熱源も整備し、トラブル対応等に備える。 バイオマス 燃料工場 一般木材・ バーク等 ※一部乾燥用熱源 ペレット 製造設備 ペレットボイラ アクアイグニス多気 冬季のピーク時のバックアップ 木質ペレット 熱効率 80％ 木質チップ 破砕機 22,000t/年 温浴施設・ 宿泊施設 売熱 （温水） ※既存設備移設 未利用木材等 供給量 バイオマスコジェネレーション施設 供給量 22,000t/年 （1,900kcal/kg） バイオマスボイラ 熱出力 熱効率 5,200kW 80％ 貯湯 槽 ORCユニット 熱出力 4,095kW 発電出力 934kW 熱交 換器 １ ）給湯設備 ２）生薬湯加熱設備 ３）風呂循環加温設備 ４）露天プール ５）宿泊棟給湯 ６）室内暖房 ７）室内冷房 原木ヤード 自家発用 ディーゼル エンジン 内部消費 冷却 設備 受変電設備 バックアップ ボイラ・ ヒート ポンプなど 売電 内部消費分買電 電力会社 中部電力 図-7 ORCコジェネレーションの全体システムイメージ 核となるORCシステムは発電出力985kWのORCユニット と熱出力5,200kWのストーカ式サーマルオイルボイラによ 表-1 ORCシステムの仕様 り構成される。原料は未 原料 木質バイオマス（主に未 利用間伐材を主体とす 利用間伐材） る木質バイオマスで、フ ボイラタイプ ストーカ式サーマルオイ ル出力運転で年間2.2 ルボイラ ボイラ定格出力 5,200kW（18.7GJ/h） 万tの原料が必要となる ボイラ熱媒体 サーマルオイル（可燃性） 。ボイラ出力は30％ま 最高使用温度330℃ で制御可能とされており 発電ユニット ORCユニット 発電出力 985kW（うち発電機内部 、調査結果を踏まえ、熱 消費51kW） 需要に合わせてたオペ 14.7GJ/h 熱出力 レーションシステムを構 供給温水温度 往：90℃、復：60℃ ボイラ出力制御範囲 30％～100% 築していく。 2 取り組みの効果 事業名：○○ ○○○○○ ○○○○○ ○○○○○ ○○○○○ ○○ 工夫点 バイオマス固有の特性を踏まえたシステム設計 ベース負荷に対してはORCシステム（熱出力4,095kW）が 対応し、変動負荷をペレットボイラ、A重油ボイラのサブシス テムで対応することで、バイオマスシステム固有の負荷変 動追従や低出力運転の脆弱性を解消するシステム設計を 行った。運用上はランニングコストの安いORCシステムの 稼働を優先し、収益性の向上を図る。 ボイラ BP1-1-1 833 l/min 87℃ ■ コジェネプラント熱回収側の監視・制御・警報装置 ・ ポンプＰ２－１，２は常時停止とし発電機メンテナンス時に手動運転。 ・ ポンプＰ２－３、Ｐ３－１は発電設備に連動運転。 HEX-2 1163kW 85℃ OST-1 800L HT-1 85℃ 85℃ ペレットボイラ 581.4kW ■ 熱交換器周りの制御システム ・ 高温槽のタンクを高温に維持できるように制御してください。 ■ 負荷追従用ボイラ ・ ボイラは手動運転による起動停止とします。 ・ 各機は専用温度センサーによる自動温調とします。 ・ A重油ボイラの燃料供給装置の機器の制御・監視・警報システム ■ 熱販売システム ・ アクアイグニス側に熱を供給販売するための計量システムの構築 ■ 高温低温タンクの制御監視 ・ 水位の満減警報 60℃ → 667 l/min 150A 60℃ BP1-2 油焚きボイラ 1163kW 60℃ 1163kW 77℃ 581.4kW 667 l/min 333 l/min BP2-1-1 85℃ BP1-1-2 85℃ ペレットボイラ 581.4kW 60℃ 60℃ 581.4kW 1163kW 150A BP1-2 油焚きボイラ 1163kW 季節・平休日・時間帯別の熱源制御パターン 熱需要シミュレーションにより、供給先となる温浴施設・バー デンバーデンの季節・平休日・時間帯別の需要特性を把握し た。最も需要の大きい冬季休日では日中の需要が6,000kW 程度となり、夜間は需要が落ち込むものの、湯の貼替用の貯 湯で3,000kW程度の需要が見込まれる。夏季は需要が少な いものの、平日でも1,500kW～3,000kWの需要が見込まれ、 年間を通じてまとまった規模の需要が確認された。 需要特性を踏まえ、ORCを軸とした複合的な熱エネルギーシ ステムの制御パターンをシミュレーションにより設定した。 667 l/min 333 l/min 加熱負荷（kW） 85℃ BP2-1-2 150A 60℃ BP1-2 1163kW 油焚きボイラ 1163kW 667 l/min kWh/h 8000 8,000.0 7000 7,000.0 6000 6,000.0 5000 5,000.0 4000 4,000.0 3000 3,000.0 2000 2,000.0 1000 1,000.0 0 0.0 熱負荷と機器運転パターン(冬季休日） 85℃ 150A 発電プラント 高温 タンク 熱供給2次側 同時運転 1163kW P3-1 200A サーマルボイラ ＨＴ回路 4870kW 312℃ 86℃ 252℃ 41℃ 667 l/min ＳＰＣ施設 ＯＲＣ停止時に供給可能 P2-1 油焚きボイラ 1163kW 60℃ アクアイグニス多岐施設 浴槽湯張り往き配管 Ｆ Ｆ 85℃ HEX-1 4870kW 1163 l/min OT-1 OGP-1 男性内風呂保温 4870kW 1551 l/min 送り温度制御 流量計 200A 80℃ サーマルボイラ ＬＴ回路 470kW 470kW 257℃ 86℃ 137℃ 41℃ 7 l/min P2-2 女性内風呂保温 470kW 150 l/min 差圧弁 ＯＲＣユニット （ＣＧＳ発電機） 熱出力4095kW 90℃ 86℃ 60℃ 41℃ 4095kW 1957 l/min バーデン 男性露天風呂保温 P2-3 4095kW 1304 l/min 差圧弁 42℃ 女性露天風呂保温 屋外 屋内 Ａ重油焚ボイラ４ ペレットボイラ２ Ａ重油焚ボイラ３ ペレットボイラ１ Ａ重油焚ボイラ２ ＯＲＣ Ａ重油焚ボイラ１ 図-9 時間帯別の熱需要変動特性とシステムの制御パターン（冬季・休日） EXT-1 密閉型冷却塔 （白煙防止仕様） 4095kW 40℃ EXＰT P3-2 ﾊﾞｰﾃﾞﾝﾊﾞｰﾃﾞﾝ保温 低温 タンク HT-2 200A 熱媒流量と配管口径 主要熱源機器 ＯＲＣユニット ペレットボイラ１ ペレットボイラ２ 重油ボイラ１ 重油ボイラ２ 重油ボイラ３ 重油ボイラ４ 3890.3kW 581.4kW 581.4kW 1163kW 1163kW 1163kW 1163kW 最大加熱負荷 余裕率 15% 9705.1kW 8353.4kW 9606.4kW ＜ 熱量 95% (有効） 4095kW 流量 1304 L/min 86℃ → 管径 150 41℃ 経路数 1 貯湯槽 （シャワー用） 200A 温度センサ 熱計量システム 機器容量 9705.1kW 熱計量システム 給水 給水もしくは浴槽湯張り戻り配管 図-8 熱エネルギーシステムのシステムフロー 従量燃料費・省エネインセンティブを組み込んだ熱料金メニュー 基本料金・従量料金の二部料金制に加え、バイオマス燃料 等の価格変動に対応した「従量燃料費」を熱料金に組み込 む。また、ピーク時の需要側での省エネ対応は、エネルギ ー供給側にも経済的メリットが得られることから、省エネを 促すインセンティブを料金メニューに組み込む。 化石系のシステムと比較した経済優位性 ORCシステムの導入効果について、重油ボイラによる熱供 給システムとの比較すると年間8千万円程度の経済メリット を有することが確認され、 投資回収年数は8.9年と 試算された。システムの運 用については、ORCシス テムのフル出力運転が経 済的に優位だが、燃料集 荷面からは、熱需要に応 じた出力制御での運転が 図-10 ORCシステムの投資効果 望ましいとされた。 3 累積事業支出（百万円） 7,000 ORCシステム 6,000 対象プロセス① 対象プロセス② 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 事業年度（年） 本年度実施した調査 調査項目 ①熱需要調査 ②施設全体の熱需要合 成の評価 ③熱エネルギーマネジメ ントシステムの検討 調査項目 調査方法 調査結果 熱供給対象施設を抽出し、対象施設を温浴施設・ 規模・利用条件等を踏ま バーデンバーデンに絞り え施設ごとの熱需要のシ 込み、各施設の季節・平 ミュレーションを実施 休日・時間帯別の熱需要 量を把握 ①の結果を踏まえ、供給 対象施設全体での最大 対象施設全体の熱需要 熱負荷、季節・時間帯別 の変動特性をシミュレー の熱需要変動特性を正 ションにより把握 確に把握 熱需要特性を踏まえ、 ORCシステムを核として サブシステムとの組み合 わせによる効果的な熱エ ネルギーシステムを検討 ORCシステムを核にペ レットボイラ・A重油ボイラ との組み合わせによるシ ステム構成を確立し、詳 細な規模・仕様を設定。 需要に応じた熱源の熱負 荷分担を推計 ④ケーススタディによる経 サブシステムの構成、オ 年間フル出力運転による 済性分析と最適オペレー ペレーションの方法による ORCシステムの運用パ ションの検討 エーススタディを実施し、 ターンが経済的に優位だ 経済性の観点からの最適 が、燃料集荷面からは熱 化を検証 需要に応じた運転パター ンの方が現実的と確認 ⑤システムの基本設計 コジェネ施設、及び熱供 熱利用システムの仕様フ 給システムの基本設計を ロー図、バイオマスコジェ 実施 ネプラントの仕様、配置 図等を作成 ⑥関連制度調査 熱供給事業法など関連法 熱供給事業外の地点熱 規、及び支援制度を文献 供給事業型での実施を決 等により調査 定、Jクレジット制度の適 合性も確認 ⑦事業スキームの検討 既存事業の調査等により 事業類型や事業の責任 バイオマスの特性を踏ま の範囲等を確定 えた熱供給契約等の事業 需給双方のリスクマネジ スキームについて検討 メントの留意点を整理・把 握 調査方法 調査結果 ⑧熱料金メニューの検討 既往の文献、事例調査結 燃料変動調整費付きの 果を踏まえ、熱料金メ 二部料金制の採用、省エ ニューの方向性について ネ対応へのインセンティ 検討 ブの採用の方向性を確 定 ⑨導入効果の評価・分析 シミュレーションを実施し、 化石系ボイラシステムに ORCシステムによるバイ 対するORCバイオマスコ オマスコジェネシステムの ジェネレーションシステム 導入効果について経済性、の経済優位性を確認 環境性の観点から評価す 投資回収年数やCO2削 る 減効果を定量的に把握 将来的な収支改善の見 込みも確認 本年度の成果 上記調査結果より、本事業の実証要素である、国内における ORCユニットを活用した木質バイオマスコジェネレーションシ ステムの有効性について、いくつかの課題は有するものの、 一定の条件を整備することで経済性、環境性の面からの導 入メリットを有することが確認された。 そのうえで、アクアイグニス多気における熱エネルギーシス テムとしての実用化に向けた技術面、スキーム面の具体策 について整理することができた。 システムの具体的導入効果は以下のとおりである。 省エネ効果：100%（原油換算4,267kL/年） 省CO2効果：96％（10,701t/年） 再生可能エネルギーへの依存率：94％ 経済性：コスト回収年：8.9年 4 課 題 今後の展開等 事業名：○○ ○○○○○ ○○○○○ ○○○○○ ○○○○○ ○○ １）ORCシステムの電気事業法対応、初期投資額の低減 欧州を中心に普及が進んでいるORCシステムであるが、 国内への導入に際しては電気事業法の溶接管理審査、 安全管理審査のための設備対応が必要であり、現地メー カーと専門コンサルなどを交えた詳細な検討が必要とな る。またそれにより設備費が割高になることが見込まれて いるが、事業採算面からは初期投資額の低減のための 製造手法等の検討が課題となる。 事業化スケジュール 平成27年度 環境アセス対応 設備の日本規格対応の具体策の検討 （ORC・サーマルオイルボイラ） 溶接管理審査対応・安全管理審査の対応準備 平成28年度 設備発注・製作 着工（造成開始） 平成29年度 建設（設備据付・建築工事） 試運転 平成30年度 商用運転開始 安全管理審査 アクアイグニス多気は開 発面積が広大なことから 三重県の条例による環境 アセスの対象となっている 。そのため造成が平成28 年夏に開始され、その後 施設の建設に入るためオープンが平成30年春となる。バイ オマスコジェネレーション施設もオープンと合わせて稼働を開 始する予定であり、そのためには平成28年には設備を発注 し、日本規格対応のORCユニット・サーマルオイルボイラを 日欧のメーカー・エンジニアリング会社の連携の下進め、平 成29年に設備の設置・建築工事を実施していく予定である。 ２）配管敷設費用・送熱コストの低減 造成計画や景観・騒音の関係から 温浴施設候補地 熱供給システムの核となるORCコ ジェネレーションプラントは利用先 の温浴施設から遠隔の場所に立地 する予定であり、熱供給配管の距 アクアイグニスによる水平展開とモデルの全国への波及展開 離が片道1.3kmにも達する。そのた ㈱アクアイグニスでは、今後全国で温浴リゾート施設の開発 め、その敷設費用の低減と運用時 を進めていく予定である。そこでの熱源として、本事業でモデ の主にポンプの電気代など送熱コ ルを構築するORCバイオマスコジェネレーションシステムの ストの低減が課題となる。 図-10 熱供給配管の敷設計画 導入を水平展開していく予定である。 ３）最終条件による熱需要予測・及びマネジメントシステムの また構築するORCシステムを 再検証 活用したバイオマスコジェネレ リゾート施設全体の計画が現段階では流動的な要素を残し ーションシステムがモデルとな ており、温浴施設の規模等の条件も現段階では未確定であ り、将来的に全国の温浴施設 る。本調査では暫定条件により検討を進めているが、事業 、木材加工工場などにおいて 化に際しては、温浴施設の最終的な条件を基に熱需要予 システムの普及が促進される 測の再シミュレーションを行い、それを踏まえた熱エネルギ ことが期待される。 ーマネジメントシステムの再検証を行うことが必要となる。 熱供給配管埋設 （片道1.3km） ORCコジェネレーション プラント候補地 問い合わせ先：（株）アクアイグニス エネルギー事業部 岡野 昌世史 電話：03-6228-6024 5
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