(57)【要約】【課題】海底熱水を熱源とした熱発電システムを実現する。【解決手段】開発、構築コストを抑える為に、発電システム主要構成要素の最上部を低深度海面下として全体を海底面に係留する構造として、潮汐力、海流、天候等が発電システムに与える影響を最小限にする。また、同様にコストを抑える為に、海面下、海底までの空間を有効に利用して、単純な管構造の蒸気発生、復水システムを構成する。熱水に含まれる塩分による腐蝕等の影響を最小限にする為に、熱水蒸気を直接発電タービンに送ることはせず、熱交換器を用いて別媒体を加熱して使用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
海底熱水を熱源とする発電システムで、蒸気発生器と復水器を海中に、発電タービンシステムを低深度海中に設置するものであり、それらを一体として構成し海底に係留することで、自体の浮力で鉛直方向の安定を保つ構成を特徴とした地熱発電システム。
【請求項２】
海中に設置した熱交換器（蒸気発生器）の熱水供給循環は、熱水の自然供給圧力、および、上昇する熱水と下降する温度の低下した熱水の密度差によって発生する、下降熱水側からの負圧によることを主として実現することを特徴とする請求項１記載の地熱発電システム。
【請求項３】
海中に設置した復水器の復水供給循環は、蒸気発生と復水による圧力差に対する、蒸気発生側と蒸気復水側の復水レベル差を、常に一定に保とうとする重力の働きを主として実現することを特徴とする請求項１記載の地熱発電システム。
【請求項４】
海底固定部分と海底係留部分を柔構造管で接続することを特徴とする請求項１記載の地熱発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海底下熱水を熱源とした地熱発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
クリーンなエネルギー供給源として太陽光発電、風力発電とともに、地熱発電が注目されている。しかしながら、陸上での地熱発電量は年々増加しているものの、日本国内での最大の地熱発電所でも出力112MWと、原子力発電所の10分の1程度である。また、日本合計でも540MWと、中型の原子炉一基分に過ぎない。
【０００３】
また、既存の陸上での地熱発電は、設置に対して厳しい制限がある。多くの熱源がある国立公園内ではそもそも許可が下りづらく、山林を切り開いて発電所施設を建設するために、周辺自然環境への影響調査をしなければならない。温泉地が近くにあると、そこへの熱源供給への影響について調査しなければならない、等があり。その為、綿密な地質調査の上で建設地の決定、蒸気井、還元井を掘る箇所を決める必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
熱源として海洋海底下にある熱水を利用して地熱発電が実現できれば有用であると考える。
【０００５】
しかしながら、海洋に発電設備を設置するにあたって様々な問題が発生する。先ず、利用できる熱水は海水を由来とする塩分を含んでいる為、熱水からそのまま蒸気を発生させた場合、蒸気に含まれる塩分が配管や発電タービンの内部構造に腐蝕作用等の無視できない影響を与えることになる。
【０００６】
発電システムを洋上固定プラットフォーム上に構築する場合、潮汐力、海流、天候等による熱水源との距離の変動が発生せず、配管が容易となるが、その場所の海底深度によってはプラットフォーム建設に膨大なコストが発生する。
【０００７】
洋上浮体プラットフォーム上に構築する場合は、潮汐力、海流、天候等による熱水源との距離の変動を配管により吸収することが困難となる。
【０００８】
また、深海海底面上に発電システムを全て設置する場合、構成機器全てを設置深度に耐えられるようにする為に開発コスト、および構築コストが膨大になる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
塩分を含む熱水を利用して、熱交換により蒸気発生器で純水等の発電媒体を蒸発させ、発電タービンに送り、発電に使用した後の低温低圧蒸気を復水器で凝縮させ、再び蒸気発生器に供給することで、塩分が配管、発電タービンに与える影響を最小限とする。また、蒸気発生器、復水器を海中に、発電タービン本体は低深度海中に設置し、それらを一体として海底に係留し、自体の浮力で鉛直方向の安定を保つ構成とすることで、深度圧力に対する対応開発コストを最小限にし、大きな構築コストが掛かる海上固定プラットフォームの構築も不要とする。（請求項１）
【００１０】
低深度海中に設置した発電タービンと海底の熱水供給口までの距離を利用して、主にその長さによって熱交換面積を確保する単純な管構造を持つ蒸気発生器を構成する。構造を単純にすることで開発コスト、構築コストを抑える。また、熱水を一度上昇させてから熱交換させることによって、熱供給流体と加熱流体を対向流式として熱効率を高める。熱水の供給循環は、熱水の供給圧力、および、上昇する熱水と下降する熱水の温度密度差によって発生する下降熱水側からの負圧によって実現される。（請求項２）
【００１１】
また、上記と同じく復水器についても、海底までの距離を利用して、主にその長さによって熱交換面積を確保する、単純な管構造を持つ構造を採用することで、開発コスト、構築コストを抑える。復水の供給循環は、蒸気発生と復水による圧力差に対して、蒸気発生側と蒸気復水側の復水レベル差を、常に一定に保とうとする重力の働きによって実現される。（請求項３）
【００１２】
以上の蒸気発生器、復水器、発電タービンを一体として海底に係留することで、潮汐力による海面高度変動による影響を排除できるが、海流および天候等による揺動発生により、熱水供給口との距離が変動することは避けられない。この変動を吸収する為に、蒸気発生器と熱水供給口を含む海底固定部分との接続には柔構造を持つ管で接続するものとする。（請求項４）
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明における発電システム全体を示す概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１に発電システム全体構成の概要図を示す。
【００１５】
発電システムは、海上に浮かぶ蓄電プラント船１１、浅海中に設置され、アンカーケーブル３１よって海底面から一定距離に係留される発電タービン船１２、蒸気復水管２２、復水管２３、蒸気発生管２４、蒸気管２５、熱水上昇管２８、熱水下降管２９、および海底面に固定される熱水供給管２６、固形物除去器１３、固形物除去器１３と熱水上昇管２８を接続する柔構造管２７、メインアンカー１４等からなる。
【００１６】
但し、陸地が近い場合は蓄電プラント船１１を省略して、発電タービン船１２から陸上へ送電する構成をとることができる。
【００１７】
発電タービン船１２は海上に露出するマンホール２１を持つことでメンテナンス作業等で作業員が立ち入ることができる。
【００１８】
熱伝達管は蒸気復水管２２と蒸気発生管２４のみで、他の管は断熱管として構成する。
【００１９】
柔構造管２７について、耐圧強度としては熱水供給管２６からの熱水供給圧力に耐えられれば良いので、主に熱水の高温に耐えられる素材のものを使用する。
【００２０】
海底係留部分全体について、メインアンカー１４と海底との間で十分な接地摩擦が得られるように、メインアンカー１４を含んだ浮力、自重を調整する。また、海流、天候等による揺動を小さく抑えるためには、上部構造部分の浮力を大きくして、メインアンカーを重くすることが効果的であるが、構造各部に掛かる応力を考慮して最小限に留める。
【００２１】
発電タービン船１２からメインアンカー１４以外に下ろしたアンカーケーブル３１は、これも海流、天候等による揺動を抑えるのに効果があるが、その他に地球自転によるコリオリ力を吸収する役目もある。
【００２２】
津波等による海面異常下降を考慮して、復水管２３、蒸気発生管２４の下部は、メインアンカー１４からある程度の余裕（装置降下許容限度５６）をもってアンカーケーブル３１で接続する。海面異常上昇については、蓄電プラント船１１が発電タービン船１２に乗り上げる等しないように十分な安全距離５７をとり、また、船間を結ぶ電力線３２、アンカーケーブル３１も潮汐力による変動分を考慮して余長を持たせる。
【００２３】
海底の熱水供給管２６から供給される熱水は、固形物除去器１３により固形物を除去される。これは、柔構造管２７および熱水上昇管２８に固形物が堆積して、管詰まりを発生させないようにする為である。固形物除去器１３を通った熱水は、熱水供給管２６からの供給圧力、および、熱水下降管２９を下る熱水による負圧によって、柔構造管２７および熱水上昇管２８を上昇する。熱水下降管２９に達した熱水は、熱伝達管である蒸気発生管２４内部の復水を加熱し、熱交換によってそれ自体は温度を下げながら、熱水下降管２９を下降する。熱水下降管２９に最下部に達した温度の下がった熱水は、海中に放出する。海中に放出せずに、還元井を掘って海底下に戻す構成も可能であるが、コストを考えて図1の構成例では採用しない。熱水を一度上昇させてから熱交換させるのは、熱供給流体と加熱流体を対向流式として熱効率を高める為である。
【００２４】
蒸気発生管２４において復水を加熱して発生した蒸気は、蒸気管２５を通り、発電タービン船１２に至り、発電タービンおよび発電機を回す。発電機を回して得られた電力は、蓄電プラント船１１に送り蓄積する。蓄電プラント船１１における蓄電方法は指定しないが、電気分解によって得られる水素で、または水素を原料として炭素酸化物を合成して蓄積することが考えられる。発電タービン船１２で発電に使用された後の温度の下がった蒸気は、蒸気復水管２２においてさらに冷やされて凝縮、液化する。蒸気復水管２２は熱伝達管であり周囲の海水によって冷却される。冷却され液化した復水は復水管２３を通り、蒸気発生管２４に再び供給される。
【００２５】
発電時の蒸気復水管２２、復水管２３側の復水レベルを低温側復水レベル４１、蒸気発生管２４、蒸気管２５側の復水レベルを高温側復水レベル４２とする。この二つの復水レベルの差を復水レベル差５４と呼び、高温側蒸気圧と低温側蒸気圧の蒸気圧差を示す。
【００２６】
復水系統の管、蒸気復水管２２、復水管２３、蒸気発生管２４、蒸気管２５内部の圧力はその海中深度の圧力よりも低くなる。その為、これらの管は負圧に耐えられる圧縮強度を持つ必要がある。少なくとも、低温側復水レベル深度５５における海水圧力以上の負圧に耐えられる圧縮強度を管全体で持たせる。
【００２７】
蒸気発生管上限深度５２は、熱水供給管２６から供給される熱水温度によって制限される。例えば熱水温度が摂氏200度以上の場合、約16.5気圧程度以上の圧力がなければ沸騰する恐れがある為、155メートル程度以上の深度が必要となる。
【００２８】
摂氏200度以上の熱水が、深度1000メートルの海底から得られた場合、熱水下降管２９の下端を海底から20メートル程度にとるとすると、蒸気発生管２４長として最大約825メートル程度を確保できる。しかしながら、蒸気発生管２４長を最大長で確保すると、復水レベル差（蒸気圧差）５４を約160メートル（約16気圧）程度、発電タービン船１２の高さを10メートルと仮定すると、蒸気復水管２２長を確保できなくなる。蒸気発生管２４長を725メートルとすれば、蒸気復水管２２長を85メートル程度確保できる。これらの長さは蒸気復水管２２、蒸気発生管２４の材質等によって決まる熱伝達率から最適値を決める必要がある。また、長さだけではなく、太さ、本数等で熱伝達量を調整しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
海洋で発電を実施するのに十分な熱水が得られる深海がある場所は、発電エネルギーの需要地域から遠く離れていると考えるのが妥当である。そこで需要地域までのエネルギー輸送が問題となる。需要地まで最大千数百キロメートルの距離があると仮定すると、送電線での電力供給は設置コスト的にも莫大で、また送電ロスも許容できる範囲に収めるのが難しいと考える。
【００３０】
しかしながら、発電した電力によって海水を電気分解して水素等を生成し、２次エネルギーとして需要地まで輸送することで解決できると考える。その為には今後、水素の大量輸送技術の発展によるコスト低減を期待する必要がある。また、水素と二酸化炭素からメタン、メタノール等の炭化水素化合物を効率良く生産できる技術が実用化すれば、火力発電所等で発生した二酸化炭素の処理プラントとして活用でき、また、生産した炭化水素化合物は現在の天然ガス輸送技術等を応用して需要地まで比較的低コストで運ぶことができる。
【００３１】
逆に需要自体を発電施設の近くに持ってくることも考えられる。大電力を必要とするプラント等を発電タービン船から送電可能な範囲にある陸地に建設するか、または海上浮体プラットフォーム上に建設したプラントを曳航して近くにもってくる等も考えられる。実現すれば全電力を再生可能エネルギーで賄うプラントとして競争力が確保できる可能性がある。
【符号の説明】
【００３２】
１１  蓄電プラント船
１２  発電タービン船
１３  固形物除去器
１４  メインアンカー
２１  マンホール
２２  蒸気復水管
２３  復水管
２４  蒸気発生管
２５  蒸気管
２６  熱水供給管
２７  柔構造管
２８  熱水上昇管
２９  熱水下降管
３１  アンカーケーブル
３２  電力線
４１  低温側復水レベル
４２  高温側復水レベル
５１  干潮時海面高度
５２  蒸気発生管上限深度
５４  復水レベル差（蒸気圧差）
５５  低温側復水レベル深度
５６  装置降下許容限度
５７  安全距離
【図１】
2014118813.tif 000003