(57)【要約】【課題】分解に要したエネルギーと回収したエネルギーの比を大きくすることができるメタンハイドレートのガス化回収システムを提供することである。【解決手段】海底下の地層中に存在するメタンハイドレートに熱エネルギーを供給し、メタンハイドレートをガス化して回収するものであり、温水をメタンハイドレートに供給する供給手段３１とメタンハイドレートから得られるメタンガスを回収する回収手段３１と回収したメタンガスを加熱しつつ改質し水素ガスと二酸化炭素に分離する改質分離手段３５と改質分離手段で得た水素ガスを地上若しくは海上に送出する送出手段４０と改質分離手段で得た二酸化炭素を海底下の地層中に戻す返送手段３２を備えた基地３０を海底に設置し、該温水とメタンガスの加熱源を共通としている。【選択図】  図１
2004321952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
海底下の地層中に存在するメタンハイドレートに熱エネルギーを供給し、メタンハイドレートをガス化して回収するものにおいて、
温水をメタンハイドレートに供給する供給手段とメタンハイドレートから得られるメタンガスを回収する回収手段と回収したメタンガスを加熱しつつ改質し水素ガスと二酸化炭素に分離する改質分離手段と改質分離手段で得た水素ガスを地上若しくは海上に送出する送出手段と改質分離手段で得た二酸化炭素を海底下の地層中に戻す返送手段を備えた基地を海底に設置し、該温水とメタンガスの加熱源を共通としていることを特徴とするメタンハイドレートのガス化回収システム。
【請求項２】
上記請求項１に記載のメタンハイドレートのガス化回収システムにおいて、該温水とメタンガスの加熱源として回収したメタンガスの一部を燃焼させて得られる熱を利用することを特徴とするメタンハイドレートのガス化回収システム。
【請求項３】
上記請求項１に記載のメタンハイドレートのガス化回収システムにおいて、海底に設置した基地における各手段の動力は地上若しくは海上から電力で供給することを特徴とするメタンハイドレートのガス化回収システム。
【請求項４】
上記請求項３に記載のメタンハイドレートのガス化回収システムにおいて、海底に設置した基地に供給する電力は海底に設置した基地から送られてくる水素ガスを用いた燃料電池から得たものであることを特徴とするメタンハイドレートのガス化回収システム。
【請求項５】
上記請求項１に記載のメタンハイドレートのガス化回収システムにおいて、該供給手段でメタンハイドレートに供給した温水はポンプで汲み上げて加熱し該供給手段からメタンハイドレートに供給することにより循環するようにしてあることを特徴とするメタンハイドレートのガス化回収システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、海底下の地中に存在するメタンハイドレートに熱エネルギーを供給し、メタンハイドレートをガス化して回収するメタンハイドレートのガス化回収システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
メタンハイドレートは、メタンガス外に水分子が籠状に結合した結晶構造を持ち、４０気圧では５℃以下等、圧力及び温度条件が安定領域内であれば存在することができる物質で、世界の埋蔵量は従来型天然ガスの資源量と同等量存在し、日本周辺にも１９９９年度の日本における天然ガス消費量の１００年分に相当する量が存在すると云われている。
【０００３】
メタンハイドレートを資源とするためには、採掘しメタンハイドレートを取り出す方法が必要となるが、その方法として、メタンハイドレートをガス化して回収するメタンハイドレート分解方法がある。
【０００４】
従来のメタンハイドレート分解方法として、メタンハイドレート層に二酸化炭素を導入して二酸化炭素をハイドレート化し、その時のハイドレート生成熱でメタンハイドレートを分解しメタンガスを回収する方法、即ち、二酸化炭素とメタンを置換する方法（特許文献１参照）や、回収したメタンガスを洋上基地で改質し、水素と二酸化炭素に分離し、余剰となった二酸化炭素をメタンハイドレート層に注入し、前例と同様に二酸化炭素とメタンを置換する方法（特許文献２参照）などがある。
【０００５】
これらの方法は、メタンハイドレートと言う新しいエネルギー資源の確保と、石炭・石油・天然ガスなどの化石燃料使用により発生する二酸化炭素排出による地球温暖化の問題解決を同時に成立させるものである。メタンガスの二酸化炭素排出量は、石炭の半分程度と少ないが、二酸化炭素を大気に放出させない技術、つまり、二酸化炭素の固定・貯留先としてメタンハイドレート層が適しているとの考えから提案されたものと思われる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−７１１６１号公報
【特許文献２】
特開２０００−６１２９３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
日本近海に存在するメタンハイドレートは、圧力、温度が安定領域にある海底面下の地層中に存在している。海底の水温は、水深４００ｍでは概ね５℃、深海では３〜４℃となっており、水深４００ｍ以深がメタンハイドレートの存在する領域となっている。また、メタンハイドレートは海底面下の地層中の孔隙率３０％程度の砂層の隙間に存在しており、地層の下は地熱により温度が１００ｍで２〜３℃上昇するため、存在できる地層深さには限界があり、深海面下の地層の下に広く、薄く存在している。
【０００８】
メタンハイドレートを資源とするためには、掘削しても固体状で自噴しないため、メタンハイドレートからメタンを主とする炭化水素を取り出す方法が必要となる。
【０００９】
そのための方法として、メタンハイドレートを安定領域条件から減圧または加熱することでガス化し回収する分解方法があるが、分解に要したエネルギーと回収したエネルギーの比を大きくするエネルギー効率向上の問題がある。
【００１０】
それゆえ本発明の目的は、分解に要したエネルギーと回収したエネルギーの比を大きくすることができるメタンハイドレートのガス化回収システムを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の特徴とするところは、海底下の地層中に存在するメタンハイドレートに熱エネルギーを供給し、メタンハイドレートをガス化して回収するものにおいて、温水をメタンハイドレートに供給する供給手段とメタンハイドレートから得られるメタンガスを回収する回収手段と回収したメタンガスを加熱しつつ改質し水素ガスと二酸化炭素に分離する改質分離手段と改質分離手段で得た水素ガスを地上若しくは海上に送出する送出手段と改質分離手段で得た二酸化炭素を海底下の地層中に戻す返送手段を備えた基地を海底に設置し、該温水とメタンガスの加熱源を共通としていることにある。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図１，図２により説明する。
図１において、１０，２０，３０はそれぞれ陸上，洋上，海底に設置した基地で、陸上基地１０は洋上基地２０及び海底基地３０にケーブル１，２で電力を供給し、海底の基地３０で製造しパイプ３で配送されてくる水素ガスを一時的に貯蔵する基地である。なおＬＡは陸地、ＯＣは大洋（海）である。
【００１３】
海面下、水深５００ｍ以上で約１０００〜２０００ｍの海底の下に厚さ約１００〜２００ｍの地層を挟み、厚さ約１００〜２００ｍのメタンハイドレート層Ａが存在し、その下はフリーガス層Ｂとなっている。
【００１４】
海底基地３０はメタンハイドレート層Ａの真上の海底に設置し、海上基地２０は、図示していないが、海上原油採掘基地のように海底に放射状に複数のアンカーを設置してあり、少々の海流や風波を受けても移動せず、海底基地３０の上に位置するようにしてある。
【００１５】
洋上基地２０はメタンハイドレート層Ａの鉱脈探査や採掘にも利用できるものであり、メタンハイドレート層Ａを発見すると、掘削して地層中に採掘管３１と二酸化炭素注入管３２を挿入する。
【００１６】
洋上基地２０は、陸上基地１０からケーブル２で送られてくる電力により大気をコンプレッサ２１で圧縮し、海底基地３０に弾性に富んだパイプ４で送るとともに、海底基地３０で使用されなかった無害な窒素ガスを排ガスとして弾性に富んだパイプ５で回収し大気に放散する。
【００１７】
海底基地３０では、図２に基づいて説明するように、採掘管３１から温水をメタンハイドレート層Ａに供給し、それによって分離してくるメタンガスを採掘管３１で回収し、改質処理をして水素ガスを製造しさらに分離処理をして二酸化炭素ガスを回収して二酸化炭素注入管３２でメタンハイドレート層Ａに戻す。
【００１８】
海底面下からメタンハイドレート層Ａまでのボーリングにより形成するメタンガス回収と二酸化炭素注入を行う最低２本の掘削管の間隔は、生産採掘時におけるメタンハイドレート層Ａにおける伝熱と分解の経年変化を考慮して決定する。採掘が終了した採掘管３１と二酸化炭素注入管３２において、メタンガスを回収する採掘管３１は新たに掘削して作成し、採掘が終了した採掘管３１はそのまま二酸化炭素注入管３２として使用し得るが、二酸化炭素注入が終了した二酸化炭素注入管３２は封止する。
【００１９】
以下、図２により海底基地３０の構成と動作について説明する。
【００２０】
図２では海底基地３０を構成する各装置をブロックで示しているが、それら各装置は図示していない耐蝕性フレーム上に相互に有機的関連性を持たせて配置してある。
【００２１】
以下、各装置について説明する。
図２に示すように、図１に示した採掘管３１は二重管構造を持っていて、内管３１ａは外管３１ｂからポンプ３３で汲み出した冷水を熱交換器３４で温水としてメタンハイドレート層Ａ側に供給し、メタンハイドレート層Ａを加熱するようにしている。
【００２２】
メタンハイドレート層Ａでは温水による加熱でハイドレートの安定状態を崩され、メタンハイドレート層Ａで発生するメタンガスは外管３１ｂに設けてある無数の小孔から外管３１ｂ内に進入し、あるいはフリーガス層Ｂに移動してから外管３１ｂ内に進入し、ポンプ３３が外管３１ｂ内の冷水を汲みだしている循環流に乗って上部に到る。上部にはメタンガスの捕集器３１ｃがあり、大半のメタンガスは改質分離器３５に送る。
【００２３】
内管３１ａは温水をメタンハイドレートに供給する供給手段として機能し、外管３１ｂと捕集器３１ｃはメタンハイドレートから得られるメタンガスを回収する回収手段として機能している。
【００２４】
残りのメタンガスは改質分離器３５に隣接してある燃焼器３６に洋上基地２０におけるコンプレッサ２１から送られてくる大気とともに送られて燃料ガスとされ、改質分離器３５を加熱する。
【００２５】
なお、システム起動開始時には熱交換器３４に内蔵してある図示していない電熱器を熱源として熱交換器３４を加熱して温水を供給するようにし、メタンガスが得られるようになったら電熱器による加熱は停止させる。
【００２６】
燃焼器３６での排ガスは充分熱を保持しているので、熱交換器３４に送り、内管３１ａに供給する温水を作る熱エネルギーとして利用している。
【００２７】
熱交換器３４を出た排ガスは、まだ熱エネルギーを温存しているので、ガス分離器３７で窒素ガスと二酸化炭素ガスに分け、窒素ガスは無害であるのでパイプ５で洋上基地２０に戻して大気に放散し、二酸化炭素ガスはコンプレッサ３８で二酸化炭素注入管３２を介してメタンハイドレート層Ａに戻す。二酸化炭素ガスが保持している熱はメタンハイドレート層Ａの加熱しメタンガスの分離に再使用されるとともに冷えた後はハイドレート化して地球の温暖化を防ぐ。
【００２８】
改質分離器３５は、脱硫装置３５ａ，改質装置３５ｂ，炭酸変成装置３５ｃおよび水素分離装置３５ｄからなる。
【００２９】
先ず最初に脱硫装置３５ａ内において、メタンガスと改質後の水素の一部を引き込みコバルト−モリブデン系等の触媒で水素添加反応を行い、次いで酸化亜鉛系等の触媒で脱硫反応を行い硫黄分を除去する。なお、水素添加及び脱硫反応温度は２００〜３００℃である。
【００３０】
熱交換器３４の下流から取り出した温水の一部は燃焼器３６に内蔵させた蒸気発生装置３９で水蒸気とされており、改質装置３５ｂ内において、ニッケル系等の触媒で脱硫されたメタンガスの水蒸気改質を行う。なお、水蒸気反応温度は７００〜８００℃であり、水素ガスと一酸化炭素が生成される。
【００３１】
その後、炭酸変成装置３５ｃ内において、改質で生成された一酸化炭素と水蒸気は、銅−亜鉛系等の触媒で炭酸変成反応を行う。なお、炭酸変成反応温度は２００〜３００℃であり、水素ガスと二酸化炭素が生成される。
【００３２】
最後に水素分離装置３５ｄ内において、機能性膜等を用いた水素分離手段により、前段の反応で生成した水素と二酸化炭素を分離する。
【００３３】
以上の一連の反応により、１モルのメタンガスから４モルの水素ガスと１モルの二酸化炭素が生成される。
【００３４】
その後、分離された水素ガスは、コンプレッサ４０によりパイプ３で陸上基地１０ヘ圧送し、分離された二酸化炭素はコンプレッサ３８により二酸化炭素注入管３２を介してメタンハイドレート層Ａへ注入し、二酸化炭素ハイドレートとして固定化させる。
【００３５】
海底では水圧があり、水素ガスは最も軽い気体であるため、水素圧送用コンプレッサ４０を海底基地３０に置くことで、圧送に要するエネルギー（輸送コスト）を低減でき、小型のコンプレッサ４０で済み動力も少なくて済む。
【００３６】
深海における海底基地３０でのメタンガス改質プロセスは、高圧条件下における燃焼と改質となる。改質装置３５ｂ及び燃焼器３６における、運転圧力の高圧化はプラント効率の向上とコンパクト化に有効である。さらに、燃焼温度特性は、燃焼室構造，改質触媒や熱交換器などの周囲の熱伝達状態，排気系統等によって決まるが、各熱伝達機器への伝熱量を制御する手段を用いることで、各触媒反応に適切な温度条件を与えることができる。
【００３７】
ここで、メタンガスの改質プロセスの一例を説明する。改質プロセスにおける圧力条件は、海底基地３０の位置が水深１０００〜２０００ｍの場合は約１０〜２０ＭＰａとなり、海底基地３０の水深位置により圧力条件が変化するため、改質効率の変化に対し処理流量、反応温度等を調整するようにする。
【００３８】
なお、４１は、捕集器３１ｃ殻得たメタンガスとパイプ４で贈られてくる大気を適切な燃空比で混合し燃焼器３６送る混合器である。
【００３９】
以上説明したようにこの実施形態では、同一の加熱源で、メタンハイドレートの分解、回収と、メタンガス改質、水素と二酸化炭素の分離と、分離した二酸化炭素をメタンハイドレート層に二酸化炭素ハイドレート化時の生成熱もメタンハイドレートの分解に使用するといった、メタンハイドレート層から水素エネルギー資源だけを回収するシステムであり、分解に要したエネルギーと回収したエネルギーの比を大きくすることができる。
【００４０】
また、メタンハイドレート層Ａからメタンガスを回収し、一部を改質の熱エネルギーに利用しているため、二酸化炭素が発生する。また、改質で二酸化炭素が分離されるが、それらはメタンハイドレート層Ａ中に戻して二酸化炭素ハイドレート層として固定化できるので、温暖化の問題となる二酸化炭素の排出を防止することができる。
従って、二酸化炭素の抑止、資源回収エネルギーの低減を同時に行うことができる。
【００４１】
さらに、同一モル数における二酸化炭素ハイドレート形成の生成熱量はメタンハイドレートの分解熱量よりも大きく、メタンハイドレートの分解に利用できる。
また、メタンハイドレートの分解で生じる水は二酸化炭素ハイドレート化時に使用され、二酸化炭素ハイドレート結晶構造の形成が地層の骨格構造の一部を形成することになり、地層の変形、破壊を防止することになり、メタンハイドレートの採掘により懸念されていた地盤沈下の問題も解決できる。
【００４２】
海底基地３０に設置したポンプ３３で外管３１ｂから汲み上げ熱交換器３４で加熱した温水を内管３１ａから地層中のメタンハイドレート層Ａに供給して循環させることにより、メタンハイドレート層Ａを加熱することでメタンハイドレートの分解を行い、温水の加熱源は起動時には電熱器とするものの定常状態においては回収したメタンガスの燃焼器３６としているため、発生した熱を改質とメタンハイドレート層の加熱に集中させ、海中への放熱を低減することができて熱効率がよい。
【００４３】
メタンガスハイドレート採掘場所の海底では、メタンがハイドレート化する条件となっているが、本実施形態では海底基地３０においてメタンガスを素早く改質したり燃料として利用しているのでハイドレート化による閉塞トラブルなどの問題は無く、ハイドレート化阻止のための付属設備等は不要である。
【００４４】
海底基地３０では得られた水素ガスを利用して、あるいは陸上基地１０では送られてくる水素ガスを利用して燃料電池で発電し、海底基地３０に動力として戻すこともできる。
【００４５】
なお、水素ガスの圧送先は洋上基地２０でも良いし、燃焼器３６で使用する大気は陸上基地１０から送付してもよい。水素ガスの圧送先を洋上基地２０とする場合、燃料電池は洋上基地２０に設置してもよいが、上記のように海底基地３０に設置しても良い。
【００４６】
さらにまた、システム起動開始時に熱交換器３４に内蔵してある図示していない電熱器で熱交換器３４を加熱して温水を供給するようにしているが、燃焼器３６の排ガスを熱交換器３４に廻しているので、電熱器は燃焼器３６に内蔵させてもよい。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、分解に要したエネルギーと回収したエネルギーの比を大きくすることができるメタンハイドレートのガス化回収システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す図である。
【図２】図１における海底に設置した基地を説明する図である。
【符号の説明】
１０…陸上基地
２０…洋上基地
３０…海底基地
３１…採掘管
３２…二酸化炭素注入管
３３、３８…ポンプ
３４…熱交換器
３５…改質分離器
３５ａ…脱硫装置
３５ｂ…改質装置
３５ｃ…炭酸変成装置
３５ｄ…水素分離装置
３６…燃焼器
３７…ガス分離器
３９…蒸気発生装置
４０…コンプレッサ
【図１】
2004321952.tif 000003
【図２】
2004321952.tif 000004