(57)【要約】【課題】日本では海水の総合利用が古くから言われ、個別の技術は進んでいるが、コスト面から商業化に至っていない。【解決手段】海洋深層水の特性（低温安定性、清浄性、富栄養性、熟成性、ミネラル活性）を活用し、既往の比較的低コスト技術をカスタマイズ、組み合わせることで、発電コストの低減を含め、分離コストを大幅に低減する。【選択図】図５
2013233534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
海水からミネラル成分や栄養塩等を目的に応じた除去率で分離する際、ＮＦ膜の特性（分子ごとの除去率〜圧力）を選択、圧力を制御し、ＮＦ膜を多段階で用いることを特徴とする分離方法
【請求項２】
淡水、かん水を製造する際、ＲＯ膜の多段階（３〜７段）で濃縮分離することを特徴とする製造方法
【請求項３】
レアメタル、レアアース等の捕集で、ＰＨを調整したにがりを活用することを特徴とする捕集方法
【請求項４】
自然エネルギーを主体とする発電で、低温熱源を海洋深層水、高温熱源を太陽熱、補助熱源をＬＮＧ−ＣＣ又はバイオマス発電などの廃熱とし、これらの集熱器・蓄熱器・熱交換器・再生器を多段階で組み合わせることで発電効率を上げることを特徴とする発電方法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、海洋深層水の総合利用において、水、塩化ナトリウム、マグネシウム、カリウム、レアメタル、レアアースなどの含有物の分離、調整、精製に関するものである。【０００２】  自然エネルギーによる発電で、海洋深層水の冷熱、太陽熱、適宜、補助熱源を活用し、分離に必要な電力を自給する他、その環境調和、無尽蔵、低コストなどを生かす基幹電源に関するものである。
【背景技術】
【０００３】（１）海水の成分分離
海水成分の分離は古くから研究され、塩事業センター（製塩、Ｍｇ、Ｋ、Ｂｒ）、日本原子力研究開発機構（ウランの捕集）、産総研（リチウム）など、一定の成果は現れているが、コストが高く、「食塩」以外は商業化に至っていない。［非特許文献１〜３］【０００４】（２）栄養塩、硫酸根などとミネラル成分の分離
海水のスケール分をＮＦ膜で除去することは従来から多く提案されているが［特許文献１〜２］，［非特許文献４］、目的を異にすることもあり、分離すべき元素それぞれを量的にコントロールするに至っていない。【０００５】（３）製塩とコスト
かん水を製造する電気透析（以下ＥＤ）や塩類を晶析させる蒸発缶は大きなエネルギーを要し、製造コストが高くなるため、国内製塩メーカーの価格競争力は低い。ＲＯ膜を２段にして高濃縮を試みた例に［特許文献３］，［非特許文献５］があるが、海水の総合利用を目的とする分離手法としてはかん水の濃度、コストとも不十分であった。【０００６】（４）海水淡水化コスト
逆浸透膜技術（性能、コスト、省エネルギー）は進んできたが、表層水の前処理費は高く、他の要素を含め、淡水化コストは下がりようがない。【０００７】（５）栄養塩の利用
深層水中の栄養塩は表層水に比べ１０〜１００倍多く含まれるが、それでも肥料として見た場合は希薄で、近年注目される藻類の栽培も深層水だけではできない。【０００８】（６）発電
海洋温度差発電は発電効率が悪く商業化の目処は立たない。冷却水に表層水に代え深層水を使うことはＮＥＤＯで提案されているが［非特許文献６］、発電効率・発電コストを十分に改善するに至っていない。太陽熱発電は日本では日射量が小さく向いていないとされる。太陽光発電はコスト高、小水力発電は附存量が小さい。地熱発電では低質な熱源で発電効率を改善する工夫が進められているが［非特許文献７］、立地条件や発電規模に制約があり、それぞれ分散型として有意であるが補助電源の域を出ない。
一方、生産（産業）に占める電力コストは大きく、化石燃料や原子力に代わる低コストの基幹電源が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平９−１４１２６０号公報
【特許文献２】特開２００３−１１７５５３号公報
【特許文献３】特開２００６−１６７５３３号公報
【特許文献４】特開２００２−１１４５１３号公報
【特許文献５】特開２０１０−１９４５２０号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】様々な資源回収技術開発に挑戦するわが国固有の製塩技術，（財）塩事業センター海水研究所，２０１１
【非特許文献２】海水からのウランの回収，原子力百科事典  ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｒｉｓｔ．ｏｒ．ｊｐ／ａｔｏｍｉｃａ／ｄａｔａ／ｄａｔ＿ｄｅｔａｉｌ．ｐｈｐ？Ｔｉｔｌｅ＿Ｋｅｙ＝０４−０２−０１−１２
【非特許文献３】有用無機資源の回収・利用技術，産業技術総合研究所，２００５
【非特許文献４】海洋深層水ミネラル調整システムの研究，高知大学学位論文，豊田勇樹，２００２
【非特許文献５】逆浸透膜による海水の高濃縮と脱塩の効率的製造技術，新日鐵  木村春男，高橋直哉，工業用水協会誌，２００５
【非特許文献６】「エネルギー使用合理化海洋資源活用システム開発」報告書，平成１７年３月，独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構
【非特許文献７】地域新エネルギー・省エネルギービジョン策定等事業  重点テーマ：伊豆地域地熱発電（バイナリー方式）事業導入可能性調査（温泉発電事業導入可能性調査）報告書，平成２３年２月，静岡県企業局
【非特許文献８】海洋深層水の清浄性，高橋正征・池谷透，海洋深層水研究  第３巻第２号，２００２
【非特許文献９】太陽エネルギー有効利用最前線  玉浦裕他，エヌ・ティー・エス，２００８．６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】  上述のように要素技術は相応に発達しながらもコスト高から海水の総合利用は進んでいない。課題は、比較的低価格の民生品、既製品、分離手段をカスタマイズ、組み合わせることにより、分離に必要な電力を含め、コストを縮減し商業化を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】（１）海洋深層水の利用
従来、海水の分離は表層水が対象になっていたが、表層水には有機物・不純物・化学物質などが多く含まれ分離を困難にしていた。深層水（有機物が少なくなる水深８００ｍ以深）ではこれら不純物は１／１０〜１／１０，０００と少なく［非特許文献８］、実用上は清浄と見なせ、経済的分離を可能とする。なお、取水水深を深くすると取水施設工事費は大きくなるが、取水コストの低減には筆者らが開発した工法がある。【００１３】（２）栄養塩などの分離
図１に示すように、ＮＦ膜による除去率は圧力に依存し、異なる圧力に対し分子ごとの除去率は相似形にならない。例えば圧力“ａ”で、ＳＯ４や栄養塩はほとんど、Ｍｇも大半は除去されるが、ＮａやＫはほとんど除去されない。圧力“ｂ”ではＳＯ４の除去率は落ちるが、それ以上にＭｇの除去率は少なくなる。透過水量を犠牲にすれば（ＮＦ膜面積を大きくする必要があるが）、Ｍｇを回収できることが解る。
すなわち、既製品のＮＦ膜の特性を選択、圧力制御し、また、ＮＦ膜を多段にすることで、ＳＯ４や栄養塩から、目的とするミネラル成分を所定の除去率で分離することができる。【００１４】（３）淡水、かん水の製造
従来、かん水の製造はＥＤに依っている。ＥＤはＲＯ膜に比べ表層水の汚れに対応できるが、電荷（Ｎａ＋，Ｃｌ−他）の移動に伴い電力が消費され、電気料金は透析量に比例し、料金単価が安くならない限り製造コストも安くならない。また、蒸発缶による濃縮ではエネルギー効率を高める工夫はされているが、それでも水を蒸発させるには膨大なエネルギーを要し、エネルギーコストが安くならない限り製造コストも安くならない。
海水淡水化用のＲＯ膜は普及とともに価格は低減し、省エネルギー技術も進んできたが、膜の耐力上（構造的）、高濃縮ができないとされてきた。
さて、ＲＯ膜、ＮＦ膜では海水の汚れは膜に付着し性能低下の原因になるが、（１）項のように深層水の汚れは少なく、また（２）項のように余計な分子は取り除くことができる。浸透圧はファントホフの法則に示される通り濃度に比例し、膜左右の圧力差は濃度差に比例する。すなわち、多段階（例えば３〜７段）で濃縮すれば、既製品のＲＯ膜で必要な濃度に達しコスト低減も図れる（各成分濃度に応じＮＦを追加することが効果的な場合もある）。
図２は７段の例であるが、標準的ＲＯ膜と圧力で高濃縮が可能なことが解る。更に分離に要するエネルギーは動力回収で初期投入分と希釈水の循環分に抑えられ。この場合、海水淡水化に比べ膜面積は７倍、動力は１．６倍でＥＤの約４５％（概算値，濃度の違いもある）となる。なお、ＲＯ多段濃縮には淡水需要、かん水の所要濃度、希釈水の廃棄（濃縮に比べ取水コストは遙かに小さい）、膜特性を踏まえた最適化（段数、排水濃度）がある。【００１５】（４）かん水の精製
かん水からＮａＣｌ以外の不純物を除去する方法は従来から多く提案されており、かん水の精製では目的に応じて経済的なものを選定することができる。［特許文献４〜５］他【００１６】（５）晶析コストの削減
前述のように蒸発缶の熱効率は高められているが、それでも大量のエネルギーを要する。コスト削減にはかん水を努めて高濃縮した後、蒸発缶を使用すればよい。従来のＥＤかん水濃度の約１８％に対し、前述ＲＯ膜多段濃縮により限界の２６％に近づけることで、使用エネルギーを約４割削減できる。【００１７】（６）捕集コストの削減
捕集材の飽和容量は溶液のＰＨに依存することが知られている［非特許文献２］。表層水のＰＨ８．２に対し深層水はＰＨ７．６で飽和容量は約２０倍になる。また、にがりの体積は原水に比べ約１／１２０になっており、必要に応じて更に濃縮することも含め、ＰＨ調整は可能となり、捕集材に要するコストを大幅に低減できる。【００１８】（７）発電システム効率の改善と分離に伴う電力の自給
発電効率は以下のカルノーの定理が基本になる。
ηｃ＝１−ＱＬ／ＱＨ（ここで、ηｃ：熱効率，ＱＬ：低温熱源へ等温順静的過程で放出する熱量，ＱＨ：高温熱源から等温準静的過程で吸収する熱量）
低温熱源としての表層水と深層水の違い、それぞれのランキンサイクル、カリーナサイクルで期待される発電効率と高温熱源温度との関係を図３に示す。実績値の補間、推定になるが、発電効率は高温熱源温度が支配的なこと、冷却に深層水を用いることで発電効率は向上し、特に高温熱源温度が小さいとき効果的なこと、高温熱源温度が２００℃くらいまではカリーナサイクルが効果的なことなどが分かる。【００１９】  さて、太陽熱の放射エネルギーは１，３６６Ｗ／ｍ２と膨大で、熱源としては十分な存在である。太陽熱集熱器には集熱方法・熱媒体・輸送・コストなどに特徴・違いがあり［非特許文献９］、集熱温度と集熱効率、温度と発電効率、集熱温度とシステム効率には図４の関係がある。カリーナサイクルの場合、集熱・発電を含めたシステム効率は集熱温度差５０〜１５０℃程度で最大となる。温度上昇による集熱効率の低減を踏まえ、立地条件に合わせ補助熱源の廃熱、蓄熱システムを含め多段階で工夫し、所要の効率を確保することが肝要となる。【００２０】  太陽熱は夜間、天候の都合から蓄熱器や補助熱源が必須となる。蓄熱の要素技術は進んでおり、低温域であればロス、コストを抑えることもできる。補助熱源（火力発電の廃熱）では、ＬＮＧ−ＣＣ発電などで低コスト化、効率化は進んでいる。海洋深層水の分離過程で生ずる栄養塩で藻などを栽培し、資源を抽出した後の焼却熱を用いることも可能である。【００２１】  すなわち、熱サイクルはバイナリー式（カリーナサイクルその他）、低温熱源は深層水、高温熱源は太陽熱を中心とし、補助熱源としてＬＮＧ−ＣＣ、バイオマス発電の廃熱で段階的に加熱、蓄熱することが、自然エネルギーを活用し発電効率を上げる方法となる。
【発明の効果】
【００２２】  海水に含まれる資源を総合的に活用することで、水、資源、食糧、更にはエネルギー問題等を解決できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】ＮＦ膜の圧力と、分子ごとの透過率、透過水量の例である。
【図２】ＲＯ多段濃縮フローの例である。
【図３】熱サイクルや低温熱源の違いによる、高温熱源温度と発電効率の関係を示す。
【図４】太陽熱集熱温度と集熱効率、発電効率、その積としてのシステム効率を示す。
【図５】海洋深層水の取水、分離、総合的活用の全体フローである。
【図６】自然エネルギー（海洋深層水、太陽熱）を中心とした熱サイクルの例である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】  取水から分離の全体フローを図５に示す。取水・熱交換・ＮＦ膜多段・ＲＯ膜多段・かん水の精製・晶析・反応晶析・レアメタル捕集などはいずれも既存技術で対応でき、全体としてコスト縮減を実現する。ここで筆者らが提案する低コスト取水工法も重要となる。
【実施例１】
【００２５】  図５に示されるよう、海洋深層水の分離に伴い、「水」をはじめとする成分が同時に生成する。生成物を相応の価格で販売できると仮定した場合であるが、分離コストを売上に応じてアロケーションすることで、淡水コストは従来の海水淡水化に比べ数分の一程度に、かん水・にがりのコストも同様に縮減され、これを原料とする分離生成物のコスト縮減につながる。
【実施例２】
【００２６】  図６は海洋深層水を利用した発電の実施例で、熱サイクルと大凡の出力を示す。熱源の低温域は低コスト集熱器でロス、コストを抑えて集熱と蓄熱を図り、次に若干コストを掛けてでも高温域集熱器を用い発電効率を上げる。更にＬＮＧ−ＣＣやバイオマス発電の廃熱などを熱源の特徴、温度域に応じて段階的に加熱、蓄熱することで、太陽熱集熱器面積の縮減を含め、システム効率を高めることができる。
比較的低価格な既往技術の組み合わせで、膨大であるが比較的低質な自然エネルギー（海洋深層水冷熱、太陽熱）を中心とする低コスト発電を実現し、基幹電源となり得ることを示す。
【産業上の利用可能性】
【００２７】  上記例のように海洋深層水の総合利用の付加価値は大きい。更に海洋深層水は循環再生型資源で、需要に応じ規模を拡大でき、かつスケールメリットも大きい。
さて、従来、取水施設工事費が膨大なことから取水サイトは限られるとされてきたが、前述取水工法により取水コストの低減と同時に取水管延長の制約も緩和され、取水サイトは大幅に広がる。拡大した世界のサイトで、日本の既往技術を活用し、「水」の低コスト・安定供給、食糧、資源、自然エネルギーを主とする基幹電源により、サスティナブルな地球に資することができる。
【図１】
2013233534.tif 000003
【図２】
2013233534.tif 000004
【図３】
2013233534.tif 000005
【図４】
2013233534.tif 000006
【図５】
2013233534.tif 000007
【図６】
2013233534.tif 000008