世界各地で、より高い地点を吹く強い風から多くのエネルギーを取り込むため、風力タービンの塔が高くなっています。
しかし、塔を高くするのは容易ではなく、経済的に実現可能でない場合もあります。塔の直径に関する輸送上の制約や、建設費が障壁となるためです。
現在、 Keystone Tower Systems は、MITの機械工学パパラルド教授であるAlexander Slocumと、Eric Smith（01年卒、SM ’07）、Rosalind Takata（00年卒、SM ’06）が共同創業した企業で、従来の製管技術を応用した新しいシステムを開発しています。このシステムは風力発電所の現地で風力タービンを次々と製造し、より高い塔の経済的な建設を可能にします。
Keystoneのシステムは、数十年にわたり大型パイプの製造に使われてきたスパイラル溶接を改良したものです。この工程では、鋼板を機械の一方から送り込み、連続的にらせん状に巻きながら、その縁を溶接してパイプを作ります。巨大なペーパータオルの芯のようなものです。
Smith、Takata、Slocumが、Daniel Bridgers（SM ’12）やDan Ainge（’12）を含む技術者チームとともに開発したKeystoneのシステムでは、鋼板を先細りにし、厚さも変えることで、 円すい形の塔を作ることができます。システムは高度に自動化されており、従来の建設方法に比べて作業人員は約10分の1で済みます。また、コンクリートではなく鋼材で塔全体を作ります。「これによって、はるかに高い塔をずっと費用効率よく建設できます」と、KeystoneのCEOであるSmithは述べます。
現地で製造するKeystoneの方式なら、製造業者は高さ400フィートを超える塔を作れるとSmithは言います。これほど高い場所の風は最大で50％強く、さらに木々に遮られません。たとえば高さ460フィートの塔なら、現在一般的な高さ260フィートの塔と比べて、エネルギー取得量を10～50％増やせる可能性があります。
「場所によります」とSmithは付け加えます。「木のない開けた平原が広がる中西部のどこかなら、効果は見込めますが、大きな効果ではないかもしれません。しかし、メイン州のように樹木に覆われた場所では、木々が地面近くの風を弱めるため、同じ風力タービンでもエネルギー取得量が50％増えることがあります。」
輸送の課題を解決
Keystoneのシステムの価値は、長年にわたり業界を悩ませてきた風力タービンの輸送上の制約を回避できる点にあります。塔は複数の部分に分けて製造され、風力発電所に運ばれてから組み立てられます。しかし、トラックで高速道路を安全に走行し、橋の下を通れるよう、直径は約14フィートに制限されています。
このため米国では、2メガワットまたは3メガワットのタービン用の塔の多くが、高さ約260フィートに制限されています。欧州では、より高い塔（約460フィートまで）が一般的になりつつありますが、実現には大幅な構造上または製造上の妥協が必要です。基部に非常に厚い鋼壁を用いる（余分な鋼材が100トン以上必要となる）、塔の下半分に1,000トンを超えるコンクリートブロックを必要とする、あるいは何千本ものボルトで多数の鋼材をつなぎ合わせる、といった方法で建設されています。
「強い風を得るために、高さ500フィートの塔をタービンにかかる力に基づいて設計するなら、基部の直径は少なくとも20フィート必要です」とSmithは説明します。「しかし、直径20フィートの塔を工場で溶接して、風力発電所まで運ぶ方法はありません。」
そこでKeystoneは、移動式の大型産業機械と、システムに送り込む台形の鋼板を現地に運びます。鋼板は基本的に、サイズが順に大きくなる台形で、小さい方から機械に送り込み、最も大きい板を最後に入れます。（すべての板を平らにして縁を合わせて並べると、インボリュート状のらせんになります。）縁を溶接することで板をつなぎ、円すい形に組み立てます。この機械は1日に約1基の塔を製造できます。
直径はどのようにも設定できるとSmithは言います。出力3メガワット、高さ450フィートの塔なら、基部の直径は20フィートで十分です。（直径をわずか数フィート大きくするだけでも、応力に耐える塔の強度はほぼ2倍になることがあります。）
Smithはこの工程を、現在の雨どいの現地設置になぞらえます。雨どいの設置では、専門業者が住宅を訪れ、アルミニウムのコイルを専用機械の一端から送り込み、継ぎ目のない雨どいの形に成形します。「個々の部材を買って家に持ち帰り、組み立てるより優れた方法です」と彼は言います。「Keystoneのシステムはそれと同じですが、はるかに、はるかに大規模です。」
Keystoneの歩み
MITで機械工学、電気工学およびコンピューターサイエンスを学んだSmithは、Slocumとともに風力エネルギーの課題について自主研究を行う中で、先細りのスパイラル溶接工程を考案しました。
MIT卒業後、機械設計コンサルティング会社を経営していたSmithは、投資家向けに風力エネルギーやその他の業界のスタートアップ企業と技術を評価していました。約5年前に風力エネルギーが勢いづくと、ベンチャーキャピタリストは間もなく、Smith、Slocumら風力エネルギーの専門家に資金を提供し、大型の陸上風力タービンのコスト削減機会を調査させました。
たとえばチームは、高度な駆動系制御やローター設計の開発を検討しました。「しかし、その調査を通じて、塔の輸送が業界を妨げる最大のボトルネックの一つだと分かりました」とSmithは言います。
Slocumの助けを得て、Smithはスパイラル溶接機を操作して先細りの管を作る方法を解明し、その後まもなくSlocumとともに、米国エネルギー省の100万ドルの助成金を受けた小規模な特許取得済み機械を設計しました。2010年、SmithとSlocumはRosalind Takata（’01、SM ’06）とともにKeystoneを立ち上げ、マサチューセッツ州サマービルでシステムの開発をさらに進めました。その後、同社は本社をデンバーに移転しました。
Keystoneの立ち上げにあたり、SmithはMITの ベンチャー・メンタリング・サービス （VMS）にも感謝を示しています。同サービスは、創業初期の会社設立から事業拡大まで、スタートアップの共同創業者に助言しました。Smithは今もVMSに相談し、顧客の獲得や維持など、事業化でよく直面する障壁を乗り越えるための助言を受けています。
「非常に役立っています」と、彼はVMSについて語ります。「初期段階の企業を立ち上げると、さまざまな話題が持ち上がります。すべてを経験してきた助言者がいるのは心強いことです。」
全米に可能性を広げる
Keystoneは現在、ノースイースタン大学およびジョンズ・ホプキンス大学の構造技術者と連携し、同社のシステムで製造した塔の構造検証を進めています。スタートアップはこの1年間、2015年初めまでに、MIT所有のマサチューセッツ州ミドルトンにあるベイツ線形加速器センターに小規模な試作機（高さ約6階建て相当）を設置することを目指してきました。
しかし先月、KeystoneはDOEからさらに100万ドルの助成金を受け、移動式の完全な製造設備を設計することになりました。同社は現在、デンマークの風力タービンメーカーであるVestas Wind Systemsや他のタービンメーカーと本格生産の計画を進める一方、初の商業規模機械を建設するための投資を募っています。
最初の導入先はドイツやスウェーデンかもしれません。そこでは、より高い風力タービンの塔がより頻繁に建設されていますが、従来の方法はより高価です。一方Smithは、高さの低い塔（約260フィート）が今も標準である米国で、このシステムを販売したいと考えています。
米国内で最も早く導入するのは、強い風が吹き、なおかつ樹木が密集している地域だろうと彼は言います。たとえばメイン州では、同州の低いタービンに風が遮られるため、現在、風力発電が経済的に成り立つ地域は州内のごく一部に限られています。中西部では、風力エネルギーはすでに系統電力と同等のコストを実現し、現在の低価格な天然ガスをも下回っています。しかし、ニューイングランドや南東部のような地域では、風力発電を経済的に成り立たせる強い風に届くため、より高い塔が必要です。
「私たちが目指している高さに達すれば、タービンが大量のエネルギーを取り込める地域が、文字どおり全米に広がります」とSmithは言います。
本記事は、 MIT News
との共同制作で公開されました。 著者：Robert MathesonはMIT Newsのシニア編集アシスタントです。
画像：2004年2月11日早朝、スペイン中部オノルビア近郊の空にそびえる巨大な風力タービン。REUTERS/Sergio Perez
