2022 年 第 37 号 第 2 巻

ル、21,000 m2 のタワーの外装と内装の両方に、ニッケル含有ステンレス鋼が 大量に使用されています。

系 （UNS S31600）ステンレス鋼が採用さ

ニッケルは、気候変動と戦うために私たちが切実に必要としている低炭素で再生 可能なエネルギーを供給するための不可欠な役割を担っています。2050 年まで にネットゼロエミッション達成を目指す国際エネルギー機関のロードマップでは、 さまざまな再生可能技術が電気容量に寄与することを確認しています。ほとんど すべての再生可能技術で、ステンレス鋼、電池、ニッケル合金、低合金鋼に使われ ているニッケルの特性が発揮されています。

737 4,956 10,980 14,458 9 33 43 21 10 風力 623 737 3,101 6,525 8,265 9 21 25 15 8.4 水力 1,306 1,327 1,804 2,282 2,599 17 12 8 3.1 2.3 バイオエネ ルギー 153 171 297 534 640 2 2 2 5.7 4.5 その内の BECCS 28 125 152 0 0 n.а. n.а.

6 6 73 281 426 0 0 1 28 15 地熱 15 15

1 1

98

0 0 13 7.4

本稿では、太陽光エネルギー、特に太陽光発電と集光型太陽熱発電の両方にお けるニッケルを取り上げます。ロードマップでは、これらの技術は 2050 年までに 再生可能エネルギーの重要な供給源になるとされています。 再生可能エネルギーと電気自動車というのは非常に強力なコンビです。米国環 境保護庁は、2020 年の米国の温室効果ガス排出量のうち、運輸部門が最も大 きな割合を占めたと推定しています。EVs の魅力を高めるために、エネルギー集 約型で、長持ちする電池の開発が盛んに行われています。カナダで進行中の 400万マイルの走行が期待される電池の開発をレポートします。 ニッケル協会は、ニッケルを含む材料が適切に使用されるようにすることを目的 としています。ステンレス鋼のタイプの違いについて知りたい方は、12 ページの 記事で、代替素材として、かつより安価な可能性のある素材を探す際のポイント をご紹介していますので、ご覧ください。様々な種類のステンレス鋼の特性を知 ることは、より深刻なミスを防ぎ、指定された材料が持続可能であることを保証

「400 万マイル電池でさらに広がる 可能性」をご覧ください。

マディソン校、コーネル大学、武漢大学の研究チームは、窒素ドープカーボ ンからなる2ナノメートルのシェルを持つニッケルベースの電極触媒を設計し ました。これは、Ni@CNxアノードとCo-Mn スピネルカソードを組み合わせて 200mW/cm 2 以上のピーク電力密度を記録した画期的なものです。Ni@CNx は、CNx層による耐酸化性の向上により、ニッケルナノ粒子触媒と比較して、

太陽エネルギーという新しい作物を生み出すソーラーファームが、世界中の野 原で開花しています。ソーラーパネルで構成される太陽光発電（PV）システムは、 再生可能エネルギー技術の中で、急速に最も認知度の高い技術になりつつあり ます。一般的な太陽光発電パネルはソーラーグレードの結晶シリコン層で構成 されており、ガラス層で保護され、合金フレームで一体化されています。ニッケル は、太陽光発電システムの太陽エネルギーの利用において直接的な役割を果 たすことはありませんが、間接的な形で、太陽光を最適に取り込むために太陽 電池パネルを太陽に向けて支える構造体として、その存在が重要である場合が あります。

ソーラーパネルの架台材料は、強度、 靭性、耐腐食性が重要な特性となりま す。太陽電池の設計寿命である 30 年 程度を実現するだけの耐久性があり、 メンテナンスコストが少なく、環境問題 を起こさないものでなければなりませ ん。 従来、太陽光発電用架台はアルミニウ ムや溶融亜鉛メッキ鋼板、時にはステ ンレス鋼で作られていましたが、近年、 中国では耐候性鋼（COR-TEN® 鋼と呼 ばれることが多い）が選択されるよう になってきました。 素材－長所と短所 中国では、太陽光発電用架台の 約 50 ％ が溶融亜鉛メッキ鋼板、 40 ％ がアルミニウムで作られています。 少量ですが、ステンレス鋼やガラス繊 維強化プラスチックもあります。溶融 亜鉛メッキ鋼板に比べ、アルミは引張 強度が比較的低く、耐食性は良いので すが、高コストです。また、アルミは耐 食性を高めるために表面処理が必要 です。通常は、風力荷重が小さく、あま りメンテナンスがされない住宅用太陽 光発電パネルに使用されます。 亜鉛メッキ鋼板は高い強度があること から、通常は風力荷重の大きな地域で 使用されます。耐食性を高めるために は溶融亜鉛メッキが必要ですが、定期 的なメンテナンスが必要で、環境面で も懸念があります。 また、ステンレス鋼は強度や耐食性に 優れ太陽光発電の架台に適しています が、コストが高くなるため、あまり多く は採用されていません。 最近、耐候性鋼は中国のいくつかの注

目されている太陽光発電で使用されて おり、他の地域でも有望視されていま す。これはCr、Cu、Niを少量添加してお り、表面に酸化被膜を形成し、スポー リング（錆の剥離による金属損失）に 強い高強度鋼です。一般的な炭素鋼 に比べ耐候性に優れ、塗装や亜鉛メッ キなどの保護膜を必要としません。耐 候性鋼はアルミや亜鉛メッキ鋼板に比 べ、コストが低く、メンテナンスが不要 です。 中国の太陽光発電用架台の新規格で ある NB/T 10642-2021 では、推奨材 料の一つとして耐候性鋼が規定されて います。耐候性鋼に含まれるニッケル の量は 0.1～0.65% 程度と少ないもの の、今後数十年間に建てられるソーラ ーパネルの数を考えると、ニッケルの総 トン数はかなり多くなる可能性がありま す。この比較的少量のニッケルは、太 陽光発電の架台用途で耐候性鋼の耐 食性を高めるために不可欠です。

バリューチェーン全体を通じて、耐候 性鋼の利点に対する認識は高まってお り、製鉄所、設計機関、エンジニアリン グ会社によるマーケティング活動が活 発化しています。

中国の第14次5カ年計画では、カーボ ンニュートラルとカーボンピークの目標 達成のためのクリーンエネルギー戦略 として、新材料や革新的な応用が奨励 されています。太陽光発電の架台に使 われる耐候性鋼は、そのような有効な 技術の一つであることが証明されてい ます。また、建築・建設の二酸化炭素 排出総量は中国の最優先対策分野で あるため、耐候性鋼やニッケルが果た すべき役割も大きくなっています。

架台は、地上設置用の杭、脚、柱、 梁、レール、クランプなどの組立治 具で構成されています。

気候変動を抑制するためには、エネルギー関連の CO2 排出量を削減すること が極めて重要で、その削減を実現するための主な推進力は、再生可能エネルギ ーとエネルギー効率化です。集光型太陽熱発電（CSP）は、近い将来、飛躍的に 普及することが予想される再生可能エネルギー技術の一つです。この技術が競 合に打ち勝つためには、競争力のあるコストでエネルギーを供給する必要があ ります。

集光型太陽熱発電（CSP）は、鏡を使 って太陽光を反射、集光して集熱器に 当て、そこで集めた太陽エネルギーを 熱伝導流体に移します。これを、最終 用途への熱供給、すなわち、従来型 の蒸気タービンによる発電に利用して います。CSP 技術と熱エネルギー貯 蔵（TES）を組み合わせることで、太陽 が出ない日や日の出前、日没後にも継 続的に電力を供給することが可能に なります。TESを搭載していない初期 の CSP システムを第一世代と呼び、現

在設置されている TES 設置の CSP シス テムを第二世代と呼んでいます。 集光型太陽熱発電とニッケル CSP プラントで発電するために必要な 高い動作温度は、直達日射量の多い 地域でなければ維持できません。現 在、CSP にはパラボラ・トラフ型とセン トラル・タワー型の 2 種類の技術があり ます。ニッケル系ステンレス鋼やニッケ ル基合金は、高温や溶融塩の腐食に耐 え、砂漠の厳しい気候の中でも風や浸 食に強く、また加工しやすいため、これ

らの技術に重要な役割を担っています。 パラボラ・トラフ型は、流体で満たされ た受光管に日射を集光する反射板を 用い、約 100 倍に集光します。こうして 回収された熱エネルギーで蒸気を発 生させ、タービンを回して発電機を駆 動させます。熱媒体には、合成油や溶 融塩が使われます。熱交換器で、水を 蒸気に変えてタービンを回します。パラ ボラ・トラフは、熱媒体の性質にもより ますが、393℃ から 550℃ (739 °F か ら 1,022 °F)もの温度で作動します。 集熱管は、選択吸収膜と呼 ばれる特 殊な被膜をコーティングした耐熱性の あるニッケル系ステンレス鋼管と、その 外側をホウケイ酸ガラス管で真空断 熱封入した二重管構造になっています。 ニッケル系ステンレス鋼の利点の一つ は、コーティング材の凝着に不可欠な 精密研磨仕上げを施すことが容易で あることです。また、砂漠では激しい温 度差があり、結露して腐食の危険性が あること、さらに使用温度が高いこと があり、こうした条件にもステンレス鋼 は十分適応します。

セントラル・タワー型は、セントラルレ シーバーとヘリオスタットを組み合わ せた技術です。ヘリオスタット装置とは コンピューター制御の反射鏡で、太陽 を2軸で追尾し、タワーの最頂部にあ るセントラルレシーバーに太陽エネル ギーを集中させます。そこで流体を加 熱し、蒸気を発生させて発電機を駆動 します。集熱管は、機械的耐性、高温で

の使用と低温でのアイドリング（夜間） というサイクル、25 年から 35 年の耐用 年数など、多くの過酷な要件に直面し ます。現在、この条件を満たせるのはニ ッケル合金のみです。この用途では、ニ ッケル基のAlloy 625（UNS N06625） (約 61％ ニッケル) が基本的に使 用されていますが、代替品としては Alloy 800 HT（N08811）(30-34％ ニッ ケル)、Alloy 230（N06230）(47-65％ ニッケル)が考えられます。 セントラル・タワー型太陽熱発電所の 動作原理

この技術では、熱媒体として溶融塩を 使用することができます。塩は常温で 液体である物質よりもエネルギーを多 く保持します。溶融塩を利用すること で、蓄電設備を組み込むことが容易か つ効率的になり、24 時間発電が可能 になります。また、溶融塩の取り扱いも、 水平配置主体のトラフ方式に比べ、垂 直配置のセントラル・タワー方式が容 易になります。現在導入されているセン トラル・タワー方式は、高温（565℃）と 低温（290℃）の溶融塩貯蔵装置を備 えています。高温と腐食に耐えるため、 前者はニッケル系ステンレス鋼、後者 は炭素鋼を素材としています。

第三世代に向けて 2030 年までに、G20 諸国の CSP プ ラントの LCOE（均等化発電原価）値 は、2018 年の推定 13.2 セント/kWh から 8.6 USセント/kWhへと 35% 減少 すると考えられます。第一世代から第

集光型太陽熱発電（CSP）は、鏡を 使って太陽光を反射・集光して受 光器に当て、太陽エネルギーを集 めて伝熱流体に移動させます。

アラブ首長国連邦のモハメド・ビ ン・ラシッド・アル・マクトゥーム・ ソーラーパークの第一ヌール拡張 部では、トラフ部分のレシーバー チューブに約 800kg Ni/MW、中央 タワーレシーバーと溶融塩タンク に 1,300 kg Ni/MW 以上のニッケ ルが使用されています。

ト - 2021 年 11 月より抜粋

二世代への移行により、LCOE は 21 セ ント/kWhか ら9 セント/kWhに減少す ることができており、その間ニッケルの 使用量は増加しています。5 USセント/ kWhは、米国エネルギー省が定義した、 太陽エネルギー発電が従来のエネル ギー源に対して競争力を持つようにな るコストポイントです。

CSP サブシステムの資本コスト、エネ ルギー効率、および統合の範囲を分 析した結果、最初の 2 世代の CSP 技術 は、5 セント/kWh の LCOE 目標を達成 する可能性は低いことがわかりました。 現在、研究開発段階にある第 3 世代は、 この目標を目指しています。キーとなる のは、パワーサイクルの効率化ですが、 これは温度を上げることで最大化でき ます。第 3 世代CSPの研究で現在重点 的に検討が進んでいるのは、飽和状 態の CO 2  を発電サイクルに供給するこ というものです。そのため、費用対効果 の高いシステム・コンセプトを策定する

高温度のすべてを同じように高くする 必要があります。 このように効率を上げるために温度や 応力を上げていくことになり、これはニ

どうすれば製品を改良できるかまたは同品質の製品をより安く作れるか？ 設計技術者から製造責任者、購入者まですべての人がこの問題を意識していま す。この問題は企業が競合他社より一歩先んじるために考慮すべき重要な事項 です。製品がステンレス鋼の場合、仕様作成者は、異なる合金、つまりより廉価な ものを検討するかもしれません。多くの場合、それは異なるステンレス鋼族の合 金を検討することになります。  それでは、ある用途について異なる合 金族に変えることを検討する際、どん なことを考慮すべきでしょうか？ 二相ステンレス鋼族 二相ステンレス鋼族（オーステナイトー フェライト系）はオーステナイト系また はフェライト系に比較し、耐性及び抗 張力がはるかに優れ、従ってこの強み を生かしてタンクまたは圧力容器の肉 厚を減らせることは大変興味深いこと です。延性は劣ります、それでも一般論 としては十分な延性があります。しかし ながら成形性が重要な場合、強度は 弱点にもなり得ます。 溶接も難題ですがそれは作業が難し いというよりは、溶接職人が遥かに慣 れているオーステナイト系合金とは違 いがあるということです。また様々な 亜族、例えば低ニッケル二相鋼、標準 二相ステンレス鋼、スーパー二相ステン レス鋼などの溶接は更に大きな違いが あり、それを考慮に入れる必要があり ます。 また、二相ステンレス合金には動作温 度にある程度制約があるため対象と

する用途の運転温度も重要です。フェ ライト相は極低温ではもろくなり、さほ ど高温ではない270℃でも有害なミク ロ組織の変化が起こり得ます。更なる 難題は、各亜族には多数の異なる合 金があり、大きさや形状が異なる機材 一式を手当てする場合に問題となりま す。近年の窒素合金化された二相ステ ンレス鋼の出現以来、そのマーケット シェアは大幅に拡大すると見込まれて いましたが、ここ 10 年はその使用法が 複雑なため僅か １％ 前後で推移して います。 200系 200 系ステンレス鋼は完全なオーステ ナイトであり 70 年以上前から存在し ています。マンガンの含有が高く従って ニッケル分を低く抑えられますが完全 にゼロにはできません。今日の 200 系 の生産は大部分が低クロム合金で、通 常 16% から低いもので 12% のものが 占めてきました。これと比較すると、ク

系が使用されます。200 系合金は冷 間形成中に早く加工硬化しますが、長 期間経過後に冷間割れをおこすこと があります。加工硬化率を下げるため、 しばしば銅がこれらの合金に添加され ます。従って低クロム 200 系合金を選 ぶ場合には、十分な耐食性及び適切な 加工特性がある様に十分留意する必 要があります。 フェライト系ステンレス鋼 フェライト系ステンレス鋼はその独特 の特性が発見された 110 年以上前か ら利用されています。このステンレス鋼 族のクロム含有量は定義上の絶対最 小値である 10.5% から 30% 近くまで の幅があります。板厚によってまた特 に溶接時には極端な粒子成長は問題 になるため、最も多く使用されるのは 板厚 4mm 以下です。二相ステンレス 鋼同様に、フェライト相は低温および 高温両面の使用に制約があります。 多くの仕様作成者がフェライト系族を まず検討するのは、ニッケル分を含ま ないかあるいはごく少量しか含まない

ため、コストが安いことです。しかしな がら製造コストは一般的にオーステナ イト系合金より高く、板厚の制約、稼 働時における温度変化への対応力、 溶接性などから使用の伸びは制限さ れてきました。 実際、2010 年以来フェライト系ステン レス鋼族の鋼材総生産に占める割合 は約 30% 減少しました。如何なる素 材の変更を検討するにせよ、各素材の 特性が製造及び最終用途にも影響が あることを理解することが重要です。 しかしながら、多くの適した用途も あります、例えば薄肉熱交換管で はフェライト系の低い熱膨張率お よびやや高い熱伝導率は有用です。 同族内であれ異なる族であれほ かのステンレス鋼合金への変更を 検討している場合、ニッケル協会 はオンライン Technical Service を 通じてそれぞれの用途について のガイダンスを提供できます。 www.inquiries.nickelinstitute.org

再生されたINCO社出版物  当初  INCO 社から出版されニッケル協会が 保持してきた22の重要な技術書が再 生され再出版されました。手引きのデ ジタル側面が改善されすべての出版物 が検索可能になりました。当初の出版 物はその分野の専門家によって書かれ ておりその情報は今日でも正に有効で す。 この質の高い技術情報はニッケル含有 素材を扱う者に自信を付けさせ、幅広 い用途にその利点を取り込む事を可能 にします。この情報は仕様作成者、溶 接工、製作者、及びエンジニアにとって 価値があります。 ニッケル・クロム・モリブデン合金の 壁紙シートライニング(11020) は、新 たにアップデートされた第2版であり電 力業界の排ガス脱硫装置やその他の 化学工程機器の設計者にとり有用な 出版物です。これは設計上の考慮事項 や計画、溶接への準備、溶接工程及び 溶接後の洗浄について触れています。

温室効果ガス排出の測定方法 ニッケル協会はニッケル生産者が温室 効果ガス排出量の計算をする手引き を出版しています。この手引きはニッケ ル生産に係わる複雑さを考察するもの で、業界全体に当てはまる科学的に堅 牢で信頼性の高いデータの作成に貢 献します。

この手引きは温室効果ガス排出 量の数値化と公表する際の基本 方針、要件及び方法を明示する ものですが、対象はニッケル地 金生産工程及びその製品から店 舗まで (cradle-to-gate) のカー ボンフットプリント及び川上の生産物、 例えばニッケル鉱山産出の鉱石、選鉱 されたニッケル精鉱、またラテライト、 酸化鉱両方から一次生産されるニッケ ルの中間製品が対象です。

ニッケル生産者、その顧客及びその他 のステークホルダーはこの手引きを実 践することで Class 1 ニッケルの生産 が気候変動に与える影響を計算するこ とができます。 全ての出版物はニッケル協会のウエブ サイトから無料でダウンロードできま す。www.nickelinstitute.org