 Q3 コージェネにはどんな種類があるの？ 2024年11月27日（水）公開
コージェネは原動機型発電・電気化学的発電・汽力発電のタイプに大別され、ガスエンジン・ガスタービン・ディーゼルエンジン・燃料電池・蒸気タービンに分類されます。 ■コージェネの分類
起動停止を毎日行い、かつ電力需要が高い場合は、ガスエンジンやディーゼルエンジンを、産業用等の多量に熱（蒸気）を必要とする場合にはガスタービンを用いることが多いです。 都市ガス（天然ガス）を燃料とするコージェネは、 排ガス中のNOxやCO2が少ないため、環境に優しい設備として環境規制が厳しい都市部・エネルギー消費量が大きい業務用建物・エネルギープラント設備・地域冷暖房設備・大規模工場等に普及が進んでいます。 表1にコージェネの主な仕様やコージェネ用原動機の発電出力と発電効率を示します。 ガスエンジンはコージェネ黎明期において理論空燃比（ストイキ）のエンジンが主流でしたが、希薄燃焼（リーンバーン）エンジンの登場、ミラーサイクル化（吸気バルブの閉じ時期の最適化）の採用、高性能過給機の実用化等により、高効率化が図られました。 ガスタービンは燃焼温度を上昇させると効率が向上するため、ブレード（羽根）用耐熱材料や冷却技術の向上により効率向上が図られています。大型発電所向けとしては、1,600℃級のガスタービンが実用化されています。 燃料電池については家庭用コージェネとしてすでに商品化されており、PEFC（固体高分子形燃料電池）の発電効率が約40％、SOFC（固体酸化物形燃料電池）は約55％（いずれもLHV基準）と、同じ出力クラスのガスエンジンをはるかに凌駕しています。業務用燃料電池についても既に商品化されており、導入が進んでいます。 表1 コージェネの全般仕様及び特徴 1) 2）
（2024年4月現在） ■コージェネの発電出力と発電効率
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（1）ガスエンジンガスを燃料として使用する往復動機関（レシプロエンジン）のことで、燃焼によって得られたエネルギーを回転運動に変換して発電機を回転させて発電します。ガスタービンと比較すると、燃焼温度が高温なため効率が高くなります。 ガスエンジンを用いたコージェネでは、大型化、 高効率化が進んだことやガスエンジンのヒートバランスが市場ニーズに合致することから導入が進んできました。 5～35kW前後の小型クラスがユニット化され、給湯需要の多い市場または複数台で下水処理場等への導入が進みました。 1MW以下のコージェネにおいても高効率化が進み、ミラーサイクルを採用した機種では発電効率40％以上を達成したコージェネが導入されています。また5MWを超える大型機種では発電効率が51％に達するものも実用化されています。 ガスエンジンコージェネは電力需要の割合が高い民生用に適用されることが多いですが、最近は産業用での利用も増えています。排熱は温水や蒸気等として回収し利用されています。
（2）ガスタービン燃焼器で生成した高温燃焼ガスによりタービンを回転させ、その回転力で発電機を回転させて発電します。体積や重量に対して高い出力が得られることから、元々は航空機に採用されてきましたが、定置式としても多く用いられています。熱回収効率が高いため、熱需要の大きい需要家を中心に採用されています。 一般事業者向けに電力需要・蒸気需要に合わせたガスタービンコージェネは省エネルギーとCO2削減効果が期待できるため、産業用プラントや地域冷暖房に採用されています。排熱はガスタービンの二次側に設置された排ガスボイラにより蒸気として回収されるため、蒸気需要の大きい業種に適しています。液体燃料、ガス体燃料等に幅広く対応可能です。
（3）ディーゼルエンジンドイツの技術者ルドルフ・ディーゼルが発明した内燃機関であり、ピストンで空気を圧縮し、高温高圧となった空気に軽油等の液体燃料を噴射し、自然着火させます。熱効率は比較的高いが、その仕組み上、着火の制御が難しく、着火までのタイムラグが生じ、高圧縮が必要なこともあって、騒音や振動を発生しやすい等の特徴があります。 ディーゼルエンジンは、常用コージェネとして産業用分野で多く採用されてきました。都心部では排ガス規制が強化され多くは導入されていませんが、その燃料貯蔵特性を活かし地域の工場地帯等に普及しています。
（4）燃料電池燃料電池は、燃料が持つ化学エネルギーを熱エネルギーや運動エネルギーに変換することなく直接電気エネルギーに変換するので、熱機関よりも発電効率が高く、騒音や振動についても小さいのが特徴です。 燃料電池は、発電と同時に発生する熱を併せて利用できるため、コージェネのひとつに位置付けられています。 家庭用燃料電池「エネファーム」は日本でいち早く市場投入され、現在世界で最も普及している燃料電池であり台数ベースでは市場全体の約70％を占めています。 業務用はシステムの大規模化が進んで金額ベースでは全体の約60％に及んでいます3）。主に定置用に適用されるSOFC（固体酸化物形燃料電池）では発電効率が55％に達しています。
（5）蒸気タービン蒸気タービンは蒸気の持つ熱エネルギーを機械的エネルギーに変換し発電するシステムです。工場では製造プロセスにおいて大量の蒸気を使用しており、高圧から減圧する際にエネルギーロスが発生しますが、これを有効利用して発電を行うことができます。 蒸気タービンを用いたコージェネは、蒸気タービンで発電すると同時に、蒸気タービン出口の蒸気を利用する形態のものを指し、大量の蒸気を発生・利用することの多い産業用分野の工場等に普及しています。
〈参考文献〉 1）日本工業出版株式会社：天然ガスコージェネレーション機器データ2024,（2024） 2）一般社団法人日本電機工業会HP：https://www.jema-net.or.jp/Japanese/res/fuel/about.html 3）株式会社総合プランニング：2020年版燃料電池関連市場の最新動向と将来予測,（2020）
【参考】
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