(57)【要約】【課題】発電システム全体の発電量を効果的に増加させることができるとともに、送電網の自由度を向上させることができ、かつ環境に優しい発電システムを提供する。【解決手段】地熱貯留層１から熱水及び地熱蒸気を取り出す生成井２と、生成井２から取り出された熱水及び地熱蒸気の熱エネルギーを利用して発電する地熱発電部３と、生成井２から取り出された熱水の位置エネルギーを利用して発電する水力発電部４と、水力発電部４で利用した熱水を地熱貯留層１に還元する還元井５と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地熱貯留層又は高温岩体から熱水及び地熱蒸気を取り出す生成井と、
前記生成井から取り出された熱水及び地熱蒸気、又は、地熱蒸気のみの熱エネルギーを利用して発電する地熱発電部と、
前記生成井から取り出された熱水の位置エネルギーを利用して発電する水力発電部と、
前記水力発電部で利用した熱水を前記地熱貯留層又は前記高温岩体に還元する還元井と、を備えることを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記生成井から取り出された熱水を高所から低所に流通させ、
前記高所と前記低所との間に、前記水力発電部が設けられ、
前記低所に、前記還元井が設けられることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記地熱発電部は、前記生成井から取り出された熱水及び地熱蒸気によって、低沸点媒体を蒸発させ、当該蒸発させた媒体蒸気を利用して蒸気タービンを駆動することで発電を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記水力発電部は、前記生成井から取り出された熱水の位置エネルギーに加えて、前記生成井から取り出された地熱蒸気を気化させた排水の位置エネルギーを利用して発電し、
前記還元井は、前記熱水と前記排水とを前記地熱貯留層又は前記高温岩体に還元することを特徴とする請求項３に記載の発電システム。
【請求項５】
前記生成井から取り出された熱水に含まれるシリカを除去するシリカ除去装置をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項６】
前記シリカ除去装置は、前記生成井と前記水力発電部との間に設けられることを特徴とする請求項５に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
自然エネルギーを有効に利用して発電を行う発電システムの１つに地熱発電による発電システムが挙げられる。従来の地熱発電の発電方式としては、例えば、地熱貯留層から取り出した熱水及び地熱蒸気から地熱蒸気のみを直接タービンに導入するフラッシュサイクルや、地熱貯留層から取り出した熱水及び地熱蒸気によって低沸点媒体を蒸発させ、この媒体の蒸気でタービンを駆動するバイナリーサイクル等が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４６２５１７７号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】福田  寿士、外３名、“地熱発電のしくみとＣＯ２削減”、三菱重工技報  ＶＯＬ．４５  ＮＯ１：２００８、インターネット＜http://www.mhi.co.jp/technology/review/pdf/451/451058.pdf＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来の地熱発電の発電方式では、地熱貯留層から取り出した熱水及び地熱蒸気をタービンの駆動に利用した後に、地下に還元する又は河川等に排出する等するのであるが、この態様では、熱水及び地熱蒸気の熱エネルギーのみを発電に利用するのみであり、地下から取り出した熱水及び地熱蒸気の位置エネルギーを有効に利用できていない。
また、上述のように従来の地熱発電の発電方式では、地熱貯留層から取り出した熱水及び地熱蒸気を河川等に排出する場合もあるが、このような態様は、環境面を考慮すると好ましいとは言い難い。
【０００６】
またさらに、地熱発電においては一般に、発電設備が山岳部等の高所に設置されるが、この場合、高所に設置される発電設備から送電網を延ばす必要があるので、送電網の自由度が良好といえない点がある。
【０００７】
本発明は係る実情に鑑みてなされたものであり、地熱発電のために生成井から取り出される熱水の位置エネルギーを利用して、発電システム全体の発電量を効果的に増加させることができるとともに、送電網の自由度を向上させることができ、かつ環境に優しい発電システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題の解決手段として、本発明は、地熱貯留層又は高温岩体から熱水及び地熱蒸気を取り出す生成井と、前記生成井から取り出された熱水及び地熱蒸気、又は、地熱蒸気のみの熱エネルギーを利用して発電する地熱発電部と、前記生成井から取り出された熱水の位置エネルギーを利用して発電する水力発電部と、前記水力発電部で利用した熱水を前記地熱貯留層又は前記高温岩体に還元する還元井と、を備えることを特徴とする発電システムを提供する。
この発電システムでは、地熱発電のために生成井から取り出される熱水の位置エネルギーを利用して水力発電を行うことで、地熱発電のみの場合に比べて発電システム全体の発電量を効果的に増加させることができる。また、地熱発電部と水力発電部の複数の発電部を備えることで、これら発電部からそれぞれ送電網を延ばすことができ、送電網の自由度を向上させることができる。さらに、水力発電部で利用した熱水を地熱貯留層又は高温岩体に還元するため、河川等の汚染を生じさせることがない。
【０００９】
また、上記発電システムでは、前記生成井から取り出された熱水を高所から低所に流通させ、前記高所と前記低所との間に、前記水力発電部が設けられ、前記低所に、前記還元井が設けられることが好ましい。
この場合、高所と低所との間に水力発電部を設けることで、この水力発電部と所望の地域とを送電網で結ぶことができ、地熱発電部と所望の地域とを送電網で結ぶ場合に比べ、送電網の長さを抑え易くすることができる。
【００１０】
また、上記発電システムでは、前記地熱発電部は、前記生成井から取り出された熱水及び地熱蒸気によって、低沸点媒体を蒸発させ、当該蒸発させた媒体蒸気を利用して蒸気タービンを駆動することで発電を行うようにすることが好ましい。
この場合、生成井から取り出した熱水及び地熱蒸気が低温である場合でも、地熱による発電が可能であり、当該発電システムの適用範囲を広げることができる。
【００１１】
また、上記発電システムでは、前記水力発電部は、前記生成井から取り出された熱水の位置エネルギーに加えて、前記生成井から取り出された地熱蒸気を液化させた排水の位置エネルギーを利用して発電し、前記還元井は、前記熱水と前記排水とを前記地熱貯留層又は前記高温岩体に還元するようにすることが好ましい。
この場合、生成井から取り出される熱水及び地熱蒸気を有効に水力発電に用いることができ、発電効率を向上させることができる。
【００１２】
また、上記発電システムでは、前記生成井から取り出された熱水に含まれるシリカを除去するシリカ除去装置をさらに備えることが好ましい。
この場合、熱水に含まれるシリカを除去することで還元井の詰まりを抑制でき、還元井を長期間にわたって良好な状態に維持することができる。
【００１３】
また、上記発電システムでは、前記シリカ除去装置は、前記生成井と前記水力発電部との間に設けられることが好ましい。
この場合、水力発電部に対するシリカの影響を抑制でき、水力発電部を長期間にわたって良好な状態に維持することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、地熱発電のために生成井から取り出される熱水の位置エネルギーを利用して水力発電を行うことで、地熱発電のみの場合に比べて発電システム全体の発電量を効果的に増加させることができる。また、地熱発電部と水力発電部の複数の発電部を備えることで、送電網の自由度を向上させることができる。さらに、水力発電部で利用した熱水を地熱貯留層又は高温岩体に還元するため、河川等の汚染を生じさせることがない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態の発電システムの構成図である。
【図２】上記第１の実施形態の発電システムに設けられる地熱発電部の構成図である。
【図３】ペルトン水車及びクロスフロー水車の使用水量、落差、発電出力の関係を示した図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の発電システムの構成図である。
【図５】地熱発電部の変形例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図を用いて説明する。
【００１７】
＜第１の実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態の発電システムを示している。同図に示すように、当該発電システムは、地熱貯留層１から熱水及び地熱蒸気を取り出す生成井２と、生成井２から取り出された熱水及び地熱蒸気の熱エネルギーを利用して発電する地熱発電部３と、生成井２から取り出された熱水及び地熱蒸気の位置エネルギーを利用して発電する水力発電部４と、水力発電部４で利用した熱水を地熱貯留層１に還元する還元井５と、を備えている。
【００１８】
上記生成井２は、山岳部の高所に設置されており、ボーリングによって地熱貯留層１に連通されている。本実施形態では、地熱貯留層１から生成井２までの高低差Ｈ１を１〜５Ｋｍ程度と想定しているが、当該発電システムを構築するに際し、このような値は特段規定されるものではない。
【００１９】
地熱発電部３は、山岳部の高所において生成井２の近傍に設置され、生成井２から取り出された熱水及び地熱蒸気を供給され発電を行う。地熱発電部３は、発電に利用した熱水及び地熱蒸気から液化した排水をパイプライン６に排出し、パイプライン６は還元井５に接続されている。還元井５は、山岳部の高所に対して標高の低い低所に設置されており、パイプライン６上では、上記熱水及び地熱蒸気から液化した排水が高所から低所に向けて流れるようになっている。
【００２０】
なお、本実施形態では、パイプライン６は地熱発電部３から斜め下方に延びるようにボーリングによって形成されており、還元井５から地熱発電部３までの高低差Ｈ２を５０〜５００ｍ程度と想定しているが、当該発電システムを構築するに際し、このような構成、値は特段規定されるものではない。
【００２１】
次に水力発電部４は、地熱発電部３と還元井５との間のパイプライン６上に設置され、パイプライン６を通して高所から低所に流れる上記熱水及び地熱蒸気の排水の位置エネルギーを利用して発電を行う。より詳しくは、水力発電部４においては、上記熱水及び地熱蒸気の排水の流れによって水車を駆動し発電を行う。ここで、上記水車としては、水車ペルトン水車やクロスフロー水車を用いることが好ましい。
【００２２】
そして還元井５は、ボーリングによって地熱貯留層１に連通されており、水力発電部４で利用された上記熱水及び地熱蒸気の排水を地熱貯留層１に還元する。また、本実施形態では、地熱発電部３と還元井５との間のパイプライン６上に、シリカ除去装置７が設置され、このシリカ除去装置７は、上記熱水及び地熱蒸気の排水に含まれるシリカを除去する。シリカ除去装置の除去方式としては、例えば特許文献１に示される手法を採用するが、その他の方式を採用しても構わない。
【００２３】
次に図２は、地熱発電部３の構成を示しており、本実施形態の地熱発電部３においては、所謂バイナリーサイクルの発電方式が用いられている。
【００２４】
図２に示すように、地熱発電部３では、生成井２から取り出された熱水及び地熱蒸気が気水分離器３１に供給され、熱水は気水分離器３１からプレヒータ３２に、地熱蒸気は蒸発器３３に分離されて供給される。プレヒータ３２及び蒸発器３３は、低沸点媒体であるペンタン（Ｃ５Ｈ１２）、ブタン(CH3-CH2-CH2-CH3）あるいは代替フロン等を循環させるバイナリーサイクルＸに接続されており、バイナリーサイクルＸを循環する媒体はプレヒータ３２及び蒸発器３３によって加熱される。
【００２５】
バイナリーサイクルＸ上の媒体は、先ずプレヒータ３２によって加熱され、次に蒸発器３３によって加熱され、蒸発するようになっており、この蒸発した媒体蒸気によって、地熱発電部３では、蒸気タービン３４が駆動され、発電が行われる。そして、蒸気タービン３４を駆動させた媒体蒸気は、その後、空冷式復水器３５によって液化され、循環ポンプ３６によって循環される。
【００２６】
一方で、プレヒータ３２において媒体を加熱した熱水、及び蒸発器３３において媒体を加熱した地熱蒸気は、パイプライン６を通して排出され、還元井５に向けて流れることになる。ここで、本実施形態において地熱蒸気は、媒体の加熱後に液化され、上記熱水とともに排出されるようになっている。
【００２７】
以上に記載した発電システムでは、地熱発電のために生成井１から取り出された熱水及び地熱蒸気の位置エネルギーを利用して水力発電を行うことができる。これにより、地熱発電のみの場合に比べて発電システム全体の発電量を効果的に増加させることができる。
【００２８】
また、地熱発電部３と水力発電部４の複数の発電部を備えることで、これら発電部からそれぞれ送電網を延ばすことができ、送電網の自由度を向上させることができる。具体的には、図１に示すように地熱発電部３からは大都市ＣＩに向けて送電網を延ばし、水力発電部４からは集落・町Ｔに向けて送電網を延ばす等することができる。
さらに、本実施形態では、水力発電部４で利用した熱水及び地熱蒸気が液化した排水を地熱貯留層１に還元するため、河川等の汚染を生じさせることがない。
【００２９】
また、本実施形態の発電システムでは、生成井２から取り出された熱水を高所から低所に流通させ、高所と低所との間に、水力発電部４が設けられ、低所に、還元井５が設けられるが、この場合、高所と低所との間に水力発電部４を設けることで、この水力発電部４と所望の地域とを送電網で結ぶことができ、地熱発電部３と所望の地域とを送電網で結ぶ場合に比べ、送電網の長さを抑え易くすることができる。典型的には、上記集落・町Ｔ等は山岳部に比べて低所に位置するのが通常であるが、このような地域に電力を供給する際の送電網を短く抑えることが可能となる。
【００３０】
また、本実施形態の発電システムでは、地熱発電部３が、生成井２から取り出された熱水及び地熱蒸気によって、低沸点媒体を蒸発させ、当該蒸発させた媒体蒸気を利用して蒸気タービン３４を駆動することで発電を行う、所謂バイナリーサイクルを採用しているが、この場合、生成井２から取り出した熱水及び地熱蒸気が低温である場合でも、地熱による発電が可能であり、当該発電システムの適用範囲を広げることができる。
【００３１】
さらに、本実施形態の発電システムでは、水力発電部４が、生成井２から取り出された熱水の位置エネルギーに加えて、生成井２から取り出された地熱蒸気を気化させた排水の位置エネルギーを利用して発電し、還元井５は、熱水と排水とを地熱貯留層１に還元するが、この場合、生成井２から取り出される熱水及び地熱蒸気を有効に水力発電に用いることができるので、発電効率を向上させることができる。
【００３２】
またさらに、本実施形態の発電システムでは、生成井２から取り出された熱水に含まれるシリカを除去するシリカ除去装置７が備えられており、この場合、熱水に含まれるシリカを除去することで還元井５の詰まりを抑制でき、還元井５を長期間にわたって良好な状態に維持することができる。また、シリカ除去装置７は、生成井２と水力発電部４との間に設けられているため、水力発電部４に対するシリカの影響を抑制でき、水力発電部４を長期間にわたって良好な状態に維持することができる。
【００３３】
ここで、本実施形態では、水力発電部４においてペルトン水車やクロスフロー水車を用いることが好ましいと説明したが、これらの有益な選択について図３を参照しつつ説明する。図３には、ペルトン水車（Ｐ）及びクロスフロー水車（Ｃ）の使用水量、落差（実施形態における高低差Ｈ２に相当）、発電出力の関係が示されている。
【００３４】
ペルトン水車やクロスフロー水車の双方については、先ず広範囲の落差で有効に出力が得られる点で、本発明にかかる発電システムに適している。そして、図３に参照されるように、ペルトン水車では使用水量がからなり小さい量であっても、出力が得られることが伺える。このため、ペルトン水車は小流量、大落差の場合に適しているといえる。一方で、クロスフロー水車では、使用水量が同一である場合にペルトン水車に比べて、効率は劣るが、その構造上、メンテナンス性に優れる点が挙げられる。したがって、クロスフロー水車は、電力の使用量の少ない地域において、安価で低出力の発電が望まれる場合に適している。
【００３５】
因みに、図３の関係を用いて、上記実施形態において、ペルトン水車を用い、地熱発電部の発電が１１０ＭＷで、０．２５ｍ３／ｓの使用水量が得られた場合の、水力発電部４の出力を計算すると、落差２５０ｍで５００ＫＷ、落差５００ｍで約１ＭＷの電力が得られる計算になる。
また、クロスフロー水車を用い、地熱発電部の発電が１１０ＭＷで、０．２５ｍ３／ｓの使用水量が得られた場合の、水力発電部４の出力を計算すると、落差３０ｍで５０ＫＷ、落差６０ｍで１００ＫＷの電力が得られる計算になる。
【００３６】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態に係る発電システムについて説明する。本実施形態において第１の実施形態と同様の構成要素については同一符号で示し、説明を省略する。
【００３７】
本実施形態の発電システムでは、還元井５から地熱発電部３までの高低差Ｈ２が１００ｍ以上である場合を想定しており、パイプライン６上に水力発電部４が複数設けられている。
【００３８】
還元井５から地熱発電部３までの高低差Ｈ２を比較的大きく確保できる場合には、パイプライン上の流れの強さを確保できるため、本実施形態のように水力発電部４を複数設けることが好ましい。
このような実施形態では、効率的に水力発電量を向上させることができるとともに、送電網の自由度を一層向上させることができる。
【００３９】
以上、本発明の第１、第２の実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記１、第２の実施形態では、地熱発電部３としてバイナリーサイクルを採用するものを説明したが、地熱発電部３として、図５に示すようなフラッシュサイクルの発電方式を採用してもよい。この場合には、気水分離器４５に供給された熱水のみが水力発電部４に利用されることになる。また、気水分離器４５に供給された地熱蒸気は蒸気タービン４４に供給され、その後、排出される。なお、排水を熱水と一緒に流して、水力発電に利用してもよい。
【００４０】
また、上記１、第２の実施形態では、地熱貯蔵層１に、生成井２及び還元井５を連通せる構成を説明したが、所謂、高温岩体に生成井２及び還元井５を連通させるようにしてもよい。また、シリカ除去装置７は、熱水にシリカが多く含まれる地域において設けることが好ましいが、シリカがそれ程含まれない地域では必ずしも設ける必要はない。
【符号の説明】
【００４１】
１  地熱貯蔵層
２  生成井
３  地熱発電部
４  水力発電部
５  還元井
７  シリカ除去装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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