－253도의 액체 수소를 6000 km나 운반, 수소 사회를 지지하는 전용선이 실현

　「이번 기본 승인을 얻은 설비는 1개로 1250m³의 액체 수소를 격납할 수 있는^*1).이 설비를 2개 탑재하는 운반선을 건조하면 길이는 약 100 m가 된다(그림 1).액화 수소 운반선으로서 세계 최초가 되는 것이다.장래, 액체 수소 사업이 본격화했을 때에는, 설비의 규모가 16만 m³까지 거대화 한다고 생각하고 있는」(동사).

*1) 2013년 12월에 일본해일협회로부터 액체 수소를 거두는 화물 격납 설비(컨셉 디자인)의 기본 승인(AiP)을 취득한 단계이며, 향후, 설비의 개발설 합계를 시작하는 것과 동시에, 제품화에 대비해 탱크와 선체의 개발 설계도 개시할 예정이다.「실용화 시기는 최고 속도에서도 2017년일 것이다」(동사).

그림 1　액체 수소 운반선의 예상도 출전：카와사키 중공업

　동사가 2010년에 책정한 경영계획 「Kawasaki 사업 비전 2020」에 의하면, 그림 2와 같은 「CO₂프리 수소 체인」의 성립을 예측하고 있다고 한다.체인의 기본 설계는 이미 2012년도부터 개시하고 있어, 2017년에는 실증 체인의 실현을 향해서 관계처와의 제휴를 강화할 방침이다.2025년에는 상용화를 상정하고 있어, 대형화, 차별화 기술의 개발을 서두른다고 한다.

그림 2　CO2 프리 수소 체인의 내용 출전：카와사키 중공업

　CO₂프리 수소 체인은 3개의 부분으로부터 된다.수소 제조, 수소 수송・저장, 수소 이용이다.

　수소 제조의 무대는 오스트레일리아.오스트레일리아에는 풍부한 석탄 자원이 있다.동국의 질낮은 석탄, 갈탄의 산출량은 세계 제 3위의 규모다^*2).그런데 갈탄은 수분을 많이 포함해, 연료로서 이용하기 어렵다.거기서 동국내에서 갈탄과 물등을 반응시키고, 수소(H₂)를 제조한다.동시에 생성하는 이산화탄소를 대기중에 방출하지 않기 위해(때문에), 분리, 회수, 저장(CCS：Carbon dioxide Capture and Storage) 기술이 도움이 된다고 한다.

　수소를 만들어 내려면 수법은 석탄 이외에도 있다.오스트레일리아는 2010년 시점에서 전력의 90%이상을 석탄 화력으로부터 얻고 있지만, 동국정부는 2020년까지 전력에 차지하는 재생 가능 에너지의 비율을 20%(남부에서는 33%)까지 높일 계획을 내걸고 있다.바이오 연료의 외, 태양광 발전, 집광형태양 발열전(CSP)등의 규모를 확대하려 하고 있다.이것을 사용한다.

　수소 수송・저장에서는(액체) 수소 운반선과 육상운송・저장 설비가 필요하다.수소 이용에서는 2015년에 일반적으로 판매가 시작되는 연료 전지차의 외, 수소를 이용한 발전 설비 등에도 용도가 퍼지는 것 같다.

　이러한 체인 가운데, 카와사키 중공업이 다루는 것은, 제조에서는「물전해 수소 제조 장치」, 수송・저장에서는「액체 수소 운반선」, 액체 수소를 배로부터 쌓아 내리는「액체 수소 로딩 암」「액체 수소 컨테이너」, 수소 이용에서는「수소 가스타빈」「수소 가스 엔진」 등이다.

*2) 오스트레일리아는 석탄의 약 40%를 일본에 수출하고 있어 일본의 수입 석탄의 약 60%는 오스트레일리아에서 옮겨져 온다.

극저온의 액체를 어떻게 옮기는 것인가

　카와사키 중공업이 2014년 2월에 발표한 액체 수소용의 화물 격납 설비는, 수소 운반선에 빠뜨릴 수 없는 것이다.수소를 옮길 때, 기체의 상태로는 체적이 늘어나기 위해, 액화해 약 800분의 1에 거두지 않으면 안 된다.

　동사는 액화천연가스(LNG) 용의 격납 설비나 운반선을 양산하고 있어, 저온의 액화 가스의 관리, 운반에 강점이 있다.

그림 3　오스트레일리아의 위치

　LNG의 온도는－162도.그에 대하고, 액체 수소는－253도이며, 단열성능등의 허들이 보다 높다.수송 거리도 길다.오스트레일리아에서 일본까지의 항로는 최단이라도 6000 km이상 있어, 적도를 넘는다(그림 3).20 노트로 항행했다고 해도 1주간은 걸린다.

　개발한 화물 격납 설비(그림 4)에는 6개의 특징이 있어, 그 중 5가 액체 수소의 극저온에 관계하는 것은 이 때문에다.

　우선 수송중의 액체 수소 증발을 억제하기 위해서, 진공 단열 시스템을 이용한 외, 이중껍질 화물조구조를 뽑았다.다음에 화물조를 지지하는 재료로서 열전도율이 낮고, 강도가 높은 유리 섬유 강화 플라스틱(GFRP)을 채용했다.

　이러한 대책을 채택했다고 해도, 완전한 단열을 실현할 수 없다.몇 안 되는 열이 침입해, 액체 수소가 증발해 수소 가스(BOG：Boil Off Gas)가 생긴다.거기서, 3번째의 특징으로서 BOG를 내압 구조의 화물조내에 가두는 구조를 만들었다.이것을 축압방식이라고 한다.축압방식에는 메리트도 있다.설비로부터 수소를 꺼낼 때, 격납 설비내에 둔 양하펌프 뿐만이 아니라, 수소 가스를 가압 압송할 수도 있다.

　5번째의 특징은, 열팽창에 대응하는 것이다.화물조를 선체와 무관계하게 저온 수축할 수 있도록, 횡치식 실린더형의 압력 용기로 했다.마지막으로, 화물조가 하늘 상태 때, 점검이하기 쉬워지도록, 돔을 추가해, 점검용 맨홀을 두었다.개방 점검이 가능하게 된다.

그림 4　액화 수소 운반선용 화물 격납 설비의 외관 출전：카와사키 중공업

　이러한 궁리에 의해, 액체 수소의 증발(BOG의 발생) 량을 충분히 낮게 유지할 수 있다고 한다.「boil off 레이트는 1 일조, 축적량의 0.4%이하다」(카와사키 중공업).

　일반적인 LNG 가스의 운반선에서는 BOG를 이용하는 방법이 확립해 있다.BOG를 재액화하는 것 외, 추진 기관에 사용한다.「현시점에서는 수소가 BOG로 해 (이)라고 발생했을 때, 추진 기관은 물론, 보조 동력원에도 이용할 수 없다.이 때문에, (설비내에 세운다) 축압방식을 채용했다.장래 16만 m³의 설비가 실용화했을 때에, 수소를 보조 전력으로서 이용할 수 있도록, 실험 설비를 배에 탑재할 예정이다」(카와사키 중공업).연료 전지나 수소 가스타빈등의 시험 설비를 선상 실험실로서 병설할 계획이라고 한다.

수소 병용 가스타빈도 개발

　동사는 수소의 연소가 가능한 가스타빈도 개발.2014년 2월에는 영업활동을 개시했다.CO₂프리 수소 체인에 있는, 수소 이용의 하나의 해다.2015년도에 시장 투입할 예정이다.

　개발한「L30A」의 출력은 30MW.순수한 물소를 연소시키는 것이 아니라, 천연가스를 주연료로서 이용해 체적 당 0～60%의 범위에서 수소를 혼소 할 수 있다고 하는 것(그림 5).

그림 5　가스타빈의 구조 출전：카와사키 중공업

　방금전의 액체 수소 운반선에 직접 이용하는 것이 아니라, 석유 정제 공장이나 석유화학공장으로부터 반응의 결과 태어나는 부생 수소를 유효 이용하려는 발상의 제품이다.

　가스타빈으로 과제가 되고 있는 것은 질소산화물(NOx)을 얼마나 줄이는가 하는 것.어려운 환경 규제가 있어, 장래도 규제치가 인하되어 간다.

　질소산화물은 가스의 연소 온도가 높아질수록 생성량이 증가한다.거기서, 물이나 증기를 분사해 연소 온도를 억제하는 수법이 개발되었다.카와사키 중공업의 수법 (은)는, 물이나 증기 분사를 사용하지 않는다.연료를 공기와 혼합시켜 희박한 상태로 연소시키는 예혼합 연소 방식을 뽑는 것으로 연소 온도를 낮게 억제했다.이것을 드라이로에믹 숀(DLE) 연소기라고 부른다.이 수법은 안정 연소를 유지하는 것이 어렵다고 여겨지지만, 이것도 클리어 하고 있다.

　여기까지는 통상의 가스타빈의 궁리다.수소를 혼합하면 어떻게 되는 것일까.수소는 연소 속도가 높기 때문에, 버너 부근에서 불타 버려, 역화 등 하지만 일어나 불안정하게 된다고 한다.거기서, 천연가스가 불타고 있는 후방의 추 피워 버너를 개량해, 수소를 주입할 수 있도록 했다(그림 6).

　이 수법에 의해 안정되어 연소가 계속해, 질소산화물의 농도를 25 ppm에 억제할 수 있던^*3).이것은 천연가스만을 이용했을 경우와 동등의 수준이라고 한다.

*3) 우주 항공 연구 개발 기구(JAXA)의 고온 고압 연소 시험 설비를 이용한 검증.

그림 6　개발한 DLE 연소기의 구조 출전：카와사키 중공업