ＯＴＥＣ
Vol. 21 (2016)，25〜34

久米島における海洋温度差発電複合利用のための海洋調査

久米島における海洋温度差発電複合利用のための海洋調査
池上 康之*1, 安永 健*1，浦田 和也*1，西村 龍馬*1，鎌野 忠*2，西田 哲也*2
Oceanic Observation and Investigation for Compound use of OTEC in Kumejima
Yasuyuki IKEGAMI*1, Takeshi YASUNAGA*1, Kazuya URATA*1, Ryuma NISHIMURA*1, Tadano
KAMANO*2 and Tetsuya NISHIDA*2
Institute of Ocean Energy, Saga University
1 Honjo, Saga-shi, Saga, 840-8502, Japan*2
National Fisheries University
2-7-1 Nagatahon, Shimonoseki, Yamaguchi, 759-6595, Japan*1

Abstract
Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC) demonstration plant in Okinawa prefecture deep seawater research center(OPDSRC) in Kumejima, Japan has started the operation for 2 years ago by Okinawa prefecture. Where, the maximum 13,000
t/day of the deep ocean water (DOW) is pumped up from a depth of 612m, which is the largest flow rate in Japan. The utilizationof DOW has been expanded as one of the biggest industry and employment generation in Kumejima-island after for 10 yearsof the operation. For further development, the confirmed seawater data such as temperature, salinity and ions…etc. is required
as well as the expansion of the seawater intake facilities. However, there are few available seawater sampling data at the coastof Kumejima-island. Moreover, for OTEC, although the biofouling of heat exchangers especially for the evaporator using
surface seawater is the one of the critical issue for the performance of the power plant, the heat exchangers in OPDSRC has a
10 years of long operation without cleaning and/or maintenances. Hence, the paper describes about the analysis results ofsampled seawater at the coast of OPDSRC for the design of OTEC and for other multi-purpose utilization of DOW with thecooperation of the training ship of National fisheries university “Koyomaru”. Furthermore, the sampled surface and deep
seawaters drawn at OPDSRC are analyzed to confirm the composition of the Nutrients and the elements concentration.
Key words : Kumejima, OTEC, Deep Ocean Water, CTD, Nutrient

1. 緒

言

海洋の表層海水と海洋深層水との温度差による熱エネルギーを電気エネルギーに変換する海洋温度差発電（OTEC）は，持続可能な再生可能エネルギーであるため，エネルギー問題に貢献できる発電方法として期待されている．特に，沖縄県久米島では，沖縄県のプロジェクトとして，世界に先駆けて実海水を用いたOTEC の実証研究が 2013 年 6 月から開始し，国内外から多くの見学者が訪れている．久米島は，島の東側海域の海底地形が急激に落ち込み海洋深層水の取水管設置に有利な形状をしているため，OTEC 商用プラント設置の国内での最有力候補地となっており，平成 26 年に内閣府から海洋温度差発電の実証フィールドとして選定されている．また，島内では海洋深層水を利用した事業が発達しているため，海洋深層水の複合利用環境が比較的整っている．ここで，海洋深層水の複合利用とは，OTEC による発電で利用した海水の熱エネ
ルギーや海洋深層水の特性を有効に利用し，海水の淡水化，水素の製造，漁業，農業やその他の事業への利活用を示し，OTEC で発電に利用する莫大な海水を，他の事業分野の資源として有効に利活用することである．取水した資源である海水を最大限有効利用するためには，海洋環境や海水の成分等の状態を把握する必要があり，そのための様々なデータを取得するための海洋調査が必要不可欠である．特に，今回調査を実施した海域の物理データは公表されているものが少なく，栄養塩類や主要元素等のデータは非常に少ない．
原稿受付 2016 年 07 月 29 日
*1
佐賀大学海洋エネルギー研究センター（〒840-8502 佐賀市本庄町 1 番地）*2
水産大学校（〒759-6595 下関市永田本町 2 丁目 7-1）
E-mail of corresponding author: ikegami@ioes.saga-u.ac.jp

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池上康之 , 安永健，浦田和也，西村龍馬，鎌野忠，西田哲也

一方，OTEC では比較的小さい温度差を有効利用し，イニシャルコストを削減するために高性能でコンパクトなプレート式熱交換器を使用する必要がある．しかし，シェル&チューブ型の熱交換器に比べて流路断面積が小さく，バイオファウリングや大型汚損生物の付着による伝熱性能の低下が顕著に表れる．そのため，汚れの原因となる海水中の微生物や細菌類が多く，運転中に熱交換器の性能が著しく低下する地域においては，表層水を通水する流路や熱交換器では防汚対策が必要となる．しかし，久米島の海水を使用している沖縄県海洋深層水研究所では，設立以来 10 数年間メンテナンスフリーでの運転を行っており，表層海水の清浄性が高く実用機設置が有利であることが示唆される．この海水の成分分析や海水中の細菌数を把握することは，今後の OTEC の熱交換器のバイオファウリングの検討のための貴重なデータとなる．
そこで，本調査では，OTEC 複合利用に必要となるデータ取得を目的とした海洋調査を久米島東側海域や OTEC実証プラントにおいて実施し，得られた CTD データの解析や取水した海水の成分分析，細菌検査等の結果について報告する．
2. 調査海域及び期間
図 1 に観測を実施した海域を示す．主な観測点は，佐賀大学海洋エネルギー研究センター久米島サテライトの東方海域（沖縄県海洋深層水研究所の海洋深層水取水管が設置されている場所）の近辺とした．この海域は，比較的陸地に近い場所で急激に深くなっており，将来の取水管設置に有利な海底地形である．
観測点を表 1 に示す．調査は，2016 年 1 月 13 日に図 1 に示す St.1～St.4 において実施した．観測点の水深は，782～1,019 m，観測範囲は，北緯 26°23.00′～26°25.89′，東経 126°50.17′～126°54.98′で行った．
Table. 1 Observation point
St. No.

Latitudelongitude

Depth [m]126°25.89′N

126°50.17′E

929

15.21022.5

226°23.87′N

126°51.87′E

1,019

15.8

1023.1326°23.00′N

126°51.94′E

908

15.7

1021.2426°23.17′N

126°54.98′E

782

15.61020.5

Fig. 1 Observation area

Temp. [℃]

Press. [hPa]27

久米島における海洋温度差発電複合利用のための海洋調査

3. 調査項目及び観測方法
調査は水産大学校練習船の耕洋丸を使用した．同船の主な仕様は，87.59 m(長さ)×13.60 m(幅)×8.8 m(深さ)，国際総トン数 2,703 t，航海速力 14.0 knot，定員は合計 109 名（乗組員 42 名，教員 7 名，学生 60 名）である(水産大学ホームページ)．
表 2 に観測項目を示す．観測は，CTD(Sea-Bird Electronics, Inc. SBE 9 Plus)を用いて，水深，水温，塩分，溶存酸素量などをそれぞれの観測点で CTD 用ウインチ（Φ9.53 mm×5,000 m）により海中に投入し，線速 1.0 m/s 以下で投下し，表層から海底に近い位置まで観測し，搭載している多筒採水器（ニスキンボトル 10 L×12 本）を用いて測定した．表 3 に採水した測定点と測定深度を示す．ここで，測定点は図 1 に示した場所である．
Table. 2 Observation item
No.

Item

Unit

1

Pressure（Depth）

db

2

Temperature℃3

Conductivity

S/m

4

Dissolved OxygenmL/L

Table. 3 Sampling depth of observation point
No.

St.1

St.2

St.3

St.4

10000250505050

3100

100

100

100

4200200

2002005500

500

500500

6800

800

800

752

7850

850

850-

8900

900868-9-950--

4. 観測及び分析結果
4・1 各観測点における水温の鉛直分布
図 2(a)~(d)に各測点（St.1～St.4）における海水温度の鉛直分布を示す．図 2 から，表層で 23.1 ℃で，水深 100m 付近までは各測定点の水温は表層とほぼ同じ値を示しているが，100 m 以深になると急激な低下がみられる．
最も水深が深いデータが取得されている図 2(b)では，
水深 200 m では 19.1 ℃，
300 m で 16.4 ℃，
400 m で 14.6 ℃，500m で 12.3 ℃，600 m で 9.4 ℃，700 m で 6.9 ℃，800 m では約 5.6 ℃であり，水深 100 m から 800 m までは直線的な分布である．800m 以深では温度の低下が緩やかになり，900 m，950 m でそれぞれ 4.7 ℃，4.4 ℃であった．よって，この測定点での冬の時期（1 月期）における温度差は，表層と水深 600 m では 13.7℃，800 m で 17.5℃，900 m で 18.4℃であり，冬季の温度差エネルギーの大きさが確認された．また，各４つの観測点での水温の鉛直分布は，水深 150 m 付近および 600 m 付近で約 1℃の違いがみられるが，ほぼ同じ傾向であることが分かる．
図 3 に①JODC（2003 年 1 月 17 日, 25°1’N-126°50’）のデータ（JODC 公開データ），②2014 年 9 月 2 日～3日に実施した久米島近海の海洋調査で得られた水温のデータ（浦田他，2014）③図 2(a)のデータを比較した水温の分布を示す．久米島周辺海域の夏季（9 月）の表層の海水温度は，約 29.6 ℃であり，今回調査を実施した 1 月と比較すると 6.5 ℃の違いがあり，水深 150 m 付近までは異なる傾向がある．150 m 以深の鉛直分布は，水深 200m～300 m 付近と 600 m～700 m 付近で若干の違い（0.2～1.3 ℃）がみられるが，ほぼ同じ値を示しており，海洋

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池上康之 , 安永健，浦田和也，西村龍馬，鎌野忠，西田哲也

深層水の低温安定性が示されている．また，JODC のデータと比較すると観測時期がほぼ同じであるが，2003 年と 2016 年のデータでは，最大約 1.7℃の違い（水深 200 m 付近）があり若干異なる傾向を示している．
(a)

(b)

(c)

(d)

Fig. 2 Vertical seawater temperature profile

4・2 各観測点における塩分の鉛直分布
図 4 に各測点(St.1～St.4)における塩分の鉛直分布を示す．表層で 34.85 PSU で，水深 120 m 付近まではほぼ同じ塩分で直線的な鉛直分布を示しているが，120 m 以深になると若干の増加がみられ水深 160 m 付近で極大値 34.88 PSU という値を示している．水深 160 m から水深 650 m 付近までは低下傾向があり，200 m で 34.80 PSU，300 m で 34.65 PSU，400 m で 34.54
PSU，500 m で 34.40 PSU，600 m で 34.28 PSU，水深約 650 mには 34.26 PSU で極小値を示す．650 m 付近を境に増加傾向に転じ，700 m で 34.30 PSU，800 m では 34.34 PSU であり，900m では 34.39 PSU（St.1 および St.2），950 m で 34.41 PSU（St.2）であった．St.1～St.4 までのそれぞれの観測点において塩分の鉛直分布はほぼ同じであることが確認できる．

Fig. 3 Vertical seawater temperature profile

久米島における海洋温度差発電複合利用のための海洋調査

(a)

(b)

(c)

(d)

Fig. 4 Vertical seawater salinity profiles（St.1～St.4）

4・3 各観測点における溶存酸素量の鉛直分布
図 5(a)~(d)に各測点(St.1～St.4)における溶存酸素量(Dissolved Oxygen; DO)の鉛直分布を示す．図 5 から，全測定点で，表層から水深 120 m 付近までは 4.5～4.46 mL/L とほぼ同じ DO で直線的な鉛直分布を示している．図 5(b)から，St.2 では，120 m から 180 m までは比較的急激な低下があり 120 m で約 4.5，180 m では約 4.2 mL/L である．180 m から 400 m 付近までは緩やかに低下し，200 m で約 4.2 mL/L，30 0m で 4.1 mL/L，400 m で約 3.9 mL/Lである．400 m 以深から 800 m では減少率が大きくなり，500 m で 3.5 mL/L，600 m で約 3.0 mL/L，700 m で 2.2mL/L，800 m では約 1.9 mL/L であり，850 m 以深では若干の低下がみられるが，約 1.7 mL/L と同様な値を示している．また，St.1～St.4 までのそれぞれの観測点において DO の鉛直分布はほぼ同じ傾向であることが確認できる．これらの結果と水温の鉛直分布を比較すると減少の傾向が似通っているため，DO の鉛直分布は水温の影響が大きいことが分かる．

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池上康之 , 安永健，浦田和也，西村龍馬，鎌野忠，西田哲也

(a)

(b)

(c)

(d)

Fig. 5 Vertical DO profiles

4・4 水隗
図 6 に今回観測を行った久米島の T-S ダイヤグラムを示す．図中には，比較のため，これまで観測を行ったパラオ（池上他, 2002），フィジー（Ikegami et al, 2005），沖縄北西部（Nakaoka et al, 2010）のデータを併せて示す．
図 6 から，久米島の水隗は，沖縄北西部の海水と類似した構造を示している．特に水温が 20 ℃以下では，両者はほぼ一致しており，同じ水隗であることが示唆される（東海大学出版会，1994）．図 6 から，久米島の水塊は，南半球のフィジーとは全く異なる水隗の性質であることが確認されるが，北半球のパラオのデータと比較すると水温が約16℃～20 ℃，塩分が約 34.6～34.8 PSU の範囲で一致しており，傾向が似ていることがわかった．
Fig. 6 Comparison of water mass

31

久米島における海洋温度差発電複合利用のための海洋調査

5. 久米島表層水及び海洋深層水の成分分析
5・1 分析検体及び方法
佐賀大学海洋エネルギー研究センター久米島サテライトでは，隣接する沖縄県海洋温度差発電実証プラントより分水した海水を使用して小型のスプレーフラッシュ蒸発式海水淡水化装置及び水素製造装置の連続運転やプレート式熱交換器の汚れ試験等を行っている．この表層海水と深層海水を定期的に採水し，栄養塩類や主要元素、従属栄養細菌について分析及び検査を実施した．それぞれの海水の取水深度は、表層水が 15 m，深層水が 612 mである．
5・2 栄養塩類の分析結果
表 4 に 2015 年 4 月～2016 年 3 月までの表層海水（SOW）と海洋深層水（DOW）の栄養塩類の分析結果を示す．なお，実験装置や取水配管等の補修及びメンテナンスにより実験装置が稼働していない時期は採水を実施していない。
ケイ酸塩（SiO44-）の分析結果は，SOW では 0～7.2μM の範囲で推移し，本データの平均は 2.5μM であった．
DOW では，10 月と 11 月に 60μM 以上の比較的高い値を示しており，43～63μM の範囲で推移し，平均約 50μM で，SOW の約 20 倍の濃度であった．
リン酸塩（PO43-）の分析結果より，SOW は，11 月は最大値 0.8μM を示しているが，その他の月は 0～0.5μMの範囲で推移し，本データの平均は 0.2μM となり，ほぼ 0 に近い値であった．一方，DOW では、1.7～2.1μMの範囲で推移し，平均 1.9μM と SOW の約 10 倍の濃度であった．
硝酸塩（NO3-+NO2-）の分析結果は，SOW は，8 月は 4.5μM と他の月と比較して高い値を示しているが，8 月以外では 0～0.3μM の範囲で推移し，8 月以外の平均値はほぼ 0 であった．一方，DOW では 21.6～49.3μM の範囲で推移し，平均 26.6μM で表層水と比較すると高い濃度であることが確認できる。
以上の結果と 4・5 節の久米島近海の 1 月の海洋調査のデータと比較すると，ケイ酸塩が約 50μM，リン酸塩
約 1.9μM でほぼ一致している．硝酸塩は海洋調査のデータ約 23μM より若干高い値であるが，5 月の 49.3μMを除外すればほぼ同じ値を示している．また，久米島において取水している表層水及び深層水の栄養塩類の濃度は安定していることが確認できた．

Table 4 Analysis of Nutrients
DOW [µM]
Date

SiO44-SOW [µM]
NO3-＋ NO2-

PO43-

SiO44-

NO3-＋ NO2-

PO43-

2015/4/8

43.3

1.7

22.2

1.1

0.00.02015/4/23

49.1

2.1

21.6

0.0

0.2

0.1

2015/5/26

46.6

1.8

49.3

1.5

0.1

0.2

2015/8/3

48.9

2.1

27.2

3.2

0.3

4.5

2015/9/24

44.8

1.9

25.13.20.1

0.3

2015/10/19

60.9

2.0

24.2

2.6

0.5

0.0

2015/11/27

62.7

1.9

25.0

7.2

0.8

0.0

2015/12/14

50.4

1.9

24.3

2.1

0.1

0.0

2016/2/18

48.9

1.8

24.4

2.2

0.1

0.0

2016/3/8

50.1

1.9

25.2

2.4

0.2

0.0

2016/3/29

49.6

1.9

24.1

2.1

0.1

0.1

32

池上康之 , 安永健，浦田和也，西村龍馬，鎌野忠，西田哲也

5・3 主要元素類の分析結果
表 5 に 2015 年 4 月～2016 年 3 月までの分析結果を示す．表 6 から，ナトリウム(Na)は，9,485～12,944 mg/L で
平均 10,765 mg/L，カリウム(K)は，352～475 mg/L で平均 389 mg/L，マグネシウム(Mg)は，1,111～1,534 mg/L で平均 1,233 mg/L，カルシウム(Ca)は，392～496 mg/L で平均 455 mg/L，塩素(Cl)は，17,223～21,085 mg/L で平均19,370 mg/L，臭素(Br)は，38～99 mg/L で平均 70 mg/L，硫黄(SO4)は，2,316～2,843 mg/L で平均 2,594 mg/L であり，「海水中に含まれる主な元素とその平均濃度(野崎義行，1996)」とほぼ一致している．即ち，主要元素は安定した化学系で存在し，保存性が高いため，水平的及び鉛直的にほぼ均一な濃度であるので，栄養塩類とは異なり，水深によって違いは見られない．また，表 6 から，これらの分析結果により主要元素類は年間を通じて濃度が安定していることが確認された．
Table 5 Analysis of Elements
DOW
Elements Concentration [mg/L]

DateNa+K+

Mg2+

Ca2+Cl-Br-

SO42-

2015/4/8

11015.7

391.9

1242.6476.9

19989.6

67.5

2641.4

2015/4/23

11031.8

390.0

1239.0476.6

20083.1

68.4

2679.02015/5/26

10635.1

376.9

1191.7458.1

19440.3

68.0

2586.1

2015/8/3

10504.0

378.0

1171.0475.0

18810.0

62.0

2516.02015/9/24

10014.0

360.0

1113.0471.018067.065.02420.02015/10/19

10898.1

388.3

1229.9496.6

18621.3

62.9

2507.2

2015/11/27

10711.5

400.9

1260.2452.4

19592.9

99.8

2638.02015/12/14

10811.6

398.3

1271.7448.6

19859.4

66.9

2711.2

2016/2/18

10879.8

397.4

1274.7418.2

19963.1

77.8

2687.3

2016/3/8

10777.1

394.2

1264.1

410.8

19764.9

71.8

2666.6

2016/3/29

10421.1

379.1

1222.4392.5

18773.974.3

2505.6SOW
Date

Elements Concentration [mg/L]
Na+

K+

Mg2+

Ca2+

Cl-Br-

SO42-

2015/4/8

10484.7372.7

1183.6452.1

18875.8

63.6

2518.6

2015/4/23

11203.9397.1

1255.8478.920422.8

69.6

2706.02015/5/26

10717.3

379.1

1201.0459.3

19812.8

71.2

2636.3

2015/8/3

10607.0382.0

1185.0474.018980.052.02522.02015/9/24

10249.0366.0

1143.0467.018468.0

74.0

2469.02015/10/19

10085.2

359.5

1130.5449.8

17278.3

38.1

2329.1

2015/11/27

11075.6414.7

1305.4464.3

20172.4

82.4

2694.1

2015/12/14

9485.2352.8

1111.7405.817223.5

51.3

2316.1

2016/2/18

11418.0

417.9

1343.4433.021085.8

84.5

2823.92016/3/8

10813.0

398.8

1266.7472.4

19948.8

76.3

2667.8

2016/3/29

12994.6

475.5

1534.9491.420919.9

83.02843.4

33

久米島における海洋温度差発電複合利用のための海洋調査

5・4 従属栄養細菌の分析結果
表 6 に 2015 年 4 月～2016 年 3 月までの細菌検査結果を示す．表 7 から，DOW は，3.90×101～7.15×103 CFU/mLまでの範囲で推移しており，平均値は 9.40×102 CFU/mL である．SOW は，4.80×101～8.48×102 CFU/mL までの範囲で推移おり，平均値は 2.01×102 CFU/mL である．DOW は，清浄性が高く細菌数等が少ないことが知られているが，今回の検査結果では SOW の細菌数が若干低い値を示している．これは，今後継続して検査を実施し原因を究明する必要がある．しかし，久米島の SOW 及び DOW は，伊万里湾等の海水(通常 103～104 CFU/mL，池上他，2008)と比較すると清浄性が高いことが確認された．
Table 6 SS and Heterotrophic BacteriaDOW [µM]DateSuspended Solid [g/L]

SOW [µM]

Heterotrophic Bacteria[CFU/mL]

Suspended Solid [g/L]

Heterotrophic Bacteria[CFU/mL]

2015/4/8

0.021

2.84×102

2015/4/23

0.025

4.60×102

0.037

1.43×102

2015/5/26

0.016

7.66×102

0.016

1.43×102

2015/8/3

0.008

6.18×102

0.009

2.84×102

2015/9/24

0.009

3.90×101

0.008

6.73×101

2015/10/19

0.004

4.57×101

0.004

2.21×102

2015/11/27

0.046

2.70×102

0.003

7.35×101

2015/12/14

0.002

2.12×102

0.008

2.10×102

2016/2/18

0.006

7.15×103

0.004

8.48×102

2016/3/8

0.017

3.60×1020.010

4.80×101

6. 結

0.017

9.56×101

言久米島における海洋温度差発電複合利用のための海洋調査及び久米島において使用されている表層水と海洋深層水の分析を継続して行った結果，以下のことが明らかになった．
(1) 水温の鉛直分布より，今回観測を実施した冬季（1 月）における温度差は，表層と水深 800 m では17.5 ℃であるため，久米島近海の温度差エネルギーのポテンシャルが高いことが確認された．
また，これまでの観測結果と比較すると夏季（9 月）では表層水で約 6.5 ℃の違いがあるが，水深 200 m以深においてはほぼ同じ傾向を示しており，海洋深層水の低温安定性が示された．
(2) T-S ダイヤグラムより，久米島の水隗は沖縄北西部とほぼ同じ構造であり，南半球のフィジーとは異なることがわかる．
(3) 栄養塩類の分析結果より，ケイ酸塩は表層から水深 200 m まではほぼ 0 であるが，水深 950 m では 120
μM で水深 200 m の約 100 倍の濃度である．リン酸塩は水深 900 m 付近が最大となり，200 m の約 8 倍である．硝酸塩は表層から 100 m まではほぼ 0 であるが，水深 200 m から急激に増加傾向があり，950 m では 35 µM で水深 100 m の 30 倍以上の濃度を示している．
(4) 久米島サテライトで使用している表層水と深層水を定期的に採集し細菌検査を実施した結果，両者ともに細菌数が少ないため清浄性が高く，発電プラントなどの連続運転の際に問題となる汚れ防止対策が簡素化できる可能性が示された．

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池上康之 , 安永健，浦田和也，西村龍馬，鎌野忠，西田哲也

文献水産大学ホームページ；http://www.fish-u.ac.jp/b_rensyusen/kouyoumaru/top.html
日本海洋データセンター(JODC)ホームページ；http://www.jodc.go.jp/jodcweb/index_j.html
池上康之 他，第 6 回海洋深層水利用研究会全国大会，海洋深層水 2002 久米島大会講演要旨集，p. 27
Yasuyuki Ikegami, et al, Oceanic Observation and Investigation for Utilization of Ocean Energy in the Fiji, Proc. 15th Int.
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