海洋温度差発電の放流水による環境影響の予測
水質モデルの構築と数値シミュレーション
指導教員 多部田 茂 教授
環境システム学専攻 押味 良太

OTEC とは
• 海洋温度差発電（OTEC : Ocean Thermal Energy Conversion）→ 表層水と深層水の温度差からエネルギーを取り出す発電方法• 特徴 ①供給の安定性, ②スケールメリット, ③深層水複合利用• 沖縄県久米島に、50 kW級のOTEC実証プラントが存在する→ 新たに、1 MW級のOTECが建設される予定

久米島
50 kW級 OTEC(久米島）
2

環境影響
•

1 MW級OTEC新設の際に、環境アセスメントの一環でOTEC放流水のシミュレーションを行うことになっている•

OTEC放流水（表層水と深層水の混合）は、深層水の特徴を持つ→ 表層に放流されると、水質の違いから環境を変化させる•

特に懸念されているのはサンゴへの環境影響
例. サンゴはpH 7.90以下になると、石灰化（CaCO3の形成）速度が低下する•既存のOTEC放流シミュレーションのモデルでは「水温, NO3」しか扱っておらず、「pH」の変化に着目した研究は今までにない
表層水(15m)

深層水(800m)

サンゴ閾値

水温28.8 ℃

5.4 ℃

21.2 ℃

NO3

0.14 µmol/L

7.87 µmol/L

3.50 µmol/L

pH

8.11

7.62

7.90
3

研究の目的1. pHの変化を再現する水質モデルの構築••

既存の放流シミュレーションモデルを、pHまで考慮する形に改良する
熱帯・亜熱帯海域における、pH変化を再現するのに必要な自然現象を、新たに考慮に加える

2. 数値シミュレーションを用いた、放流水の環境影響の予測

4

モデル5

物理-生態系結合モデル• 物理モデル : 3次元流体モデル（MEC model）を使用した• 支配方程式 Navier-Stokes方程式、連続の式、移流拡散方程式など
濃度Ciの計算式
𝜕𝑪𝒊
𝜕𝑪𝒊
𝜕𝑪𝒊
𝜕𝑪𝒊
𝜕 # 𝑪𝒊 𝜕 # 𝑪𝒊𝜕𝜕𝑪𝒊+𝒖+𝒗+𝒘= 𝑨𝒄++𝑲+ 𝑸𝒊
𝜕𝒕𝜕𝒙
𝜕𝒚𝜕𝒛
𝜕𝒙#
𝜕𝒚#
𝜕𝒛 𝒄 𝜕𝒛

移流拡散による濃度変化

生物化学的な濃度変化• 生態系モデル： 本研究で、pHを計算する形に拡張した••••浮遊生態系モデル （Yamanaka et al. 2004）
底生生態系モデル （Kleypas et al. 2014 など）
化学平衡モデル （CO2SYS）
CO2溶解モデル （Xiong et al. 2014など）

6

生態系モデル構築の流れ

植物プランクトン

4. CO2溶解モデル
栄養塩

1. 浮遊生態系モデル
動物プランクトン

デトライタス

TCO2
TAlk

pH

2. 化学平衡モデル
3. 底生生態系モデル

サンゴなど

TCO2 : 全炭酸（＝DIC：Dissolved Inorganic Carbon）
既存の放流シミュレーションモデルでは、浮遊生態系のみを考慮• 本研究で構築した、生態系モデルが考慮する現象の範囲
TAlk : 全アルカリ度7浮遊生態系モデル → pH•浮遊生態系モデル：栄養塩やプランクトンの動態を計算するモデル•

pHは一度TCO2とTAlkとして表し、化学平衡モデルでpHに変換する
𝑑 𝑇𝐶𝑂#=𝑑𝑡𝑑 𝑁𝑂$𝑑 𝑁𝐻(+𝑑𝑡 %&'𝑑𝑡 %&'∗ 𝑅)* +𝑑𝐶𝑎𝑑𝑡 %&'𝑑 𝑇𝐴𝑙𝑘
𝑑𝐶𝑎𝑑 𝑁𝑂$𝑑 𝑁𝐻(= 2−+𝑑𝑡𝑑𝑡 %&'𝑑𝑡 %&'𝑑𝑡 %&'•NO3, NH4の変化量は、有機物の合成・分解（光合成、呼吸、有機物の無機化など）に関わる変化量を表す•

Caの変化量は、CaCO3の合成・分解に関わる変化量を表す
石灰化反応式 𝐶𝑎!" + 2𝐻𝐶𝑂# $ → 𝑪𝒂𝑪𝑶𝟑 + 𝐻! 𝑂 + 𝐶𝑂!

•

このうち、pH変化への寄与度が大きいのは、有機物の合成・分解
8新たに加えたモデル•

化学平衡モデル：TCO2, TAlk から、pH, pCO2を計算
TCO2, TAlk, 水温,塩分, 圧力など••

電離平衡定数,塩濃度を計算

pH, pCO2, ΩAr

底生生態系モデル：サンゴ・大型藻類の光合成・呼吸・石灰化を計算
有機物生成速度𝑝& = 𝑝 '() 1 − 𝑒𝑥𝑝 **− 𝑟&+,-.

無機物生成速度𝑔& = 𝑔 '() 1 − 𝑒𝑥𝑝 **+ 𝑔&+,-.

!

!

𝑔 "#$ = 𝑘 "#$ Ω%& − 1 ' ,𝑔'()*+ = 𝑘'()*+ Ω%& − 1 'CO2溶解モデル：pCO2, 風速から大気-海洋間のフラックスを計算
大気-海洋間のフラックス

𝐹 = 𝜅 6 𝑝𝐶𝑂! /0( − 𝑝𝐶𝑂! (+19pHの日変化• 計算結果 – 底生生態系モデル

昼：光合成

TCO2NO3→ CO2減少 → pH増加

夜：呼吸

TCO2NO3→ CO2増加 → pH減少

10pHと光合成速度• 計算結果 – 浮遊生態系モデル• 浮遊：植物プランクトンの光合成速度 pn
𝑝' = 𝑉"#$ )𝑁𝑂,) 𝑒𝑥𝑝 −𝜓 𝑁𝐻𝑁𝑂, + 𝐾+𝑁𝐻𝐼 𝑧𝐼 𝑧) 𝑒𝑥𝑝 𝐾 ) 𝑇 )𝑒𝑥𝑝 1 −
𝑁𝐻- + 𝐾
𝐼./+𝐼./+• 底生：サンゴの光合成速度 pn𝑝' = 𝑉"#$ ) 1 − 𝑒𝑥𝑝 00!

• 異なる式で同様のpHの日変化が計算された
11

観測値との比較
亜熱帯域の植物プランクトン（円石藻類）

幅 pH 0.001

浮遊生態系 – 計算結果

亜熱帯外洋 - 観測値(Hofmann et al. 2011)[days]

サンゴ
幅 pH 0.1

底生生態系 – 計算結果

サンゴ礁 - 観測値(Hofmann et al. 2011)

12[days]

研究の目的1. pHの変化を再現する水質モデルの構築
2. 数値シミュレーションを用いた、OTEC放流水による環境影響の予測••本研究で構築した水質モデルを用いて、1MW級OTECの放流水による環境変化を調べ、サンゴへの影響を考察する
放水位置・複合利用の有/無を変えて、環境負荷の比較を行う

13

計算条件

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地形
• 対象海域：久米島北東部 2 km x 2.5 km• 水平方向：25 m メッシュ （80 x 100）
• 鉛直方向：20層 最大水深 250 m

OTEC

250 m

2.5 km2 km• 本研究では、対象海域で水質・流れ・サンゴ被度の観測を行い、計算条件の設定
15流れ観測結果

計算条件• ADCP（超音波流速計）を用いて、流速の鉛直分布を観測した• 流速の計算結果が観測結果に合うよう、潮汐の振幅を調節した

観測結果の特徴• 流速 5.0 cm/s 程度• 上層下層で流速が逆向き• 対象海域が急峻な地形であるため、計算の安定性を確保するため、計算領域の外側に粘性係数を変えたダミーグリッドを設定した
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サンゴ被度
観測結果

計算条件• 海底写真を撮る観測機器、SSS（Speedy Sea Scanner）を用いて観測を行った• 大まかに以下のように設定した
ü 水深 4 ～ 40 m に生息
ü 被度は 60 %• 解析は途中段階

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水質
計算条件

観測結果
• CTDやpH計による観測と、採水した海水の吸光光度計による分析を行った• 期間中、50年に一度の大雨（1時間90mm）が降り、雨水の影響の観測結果
塩分 Salinity [psu]32.503333.5

3434.53550

Depth [m]100

• 観測値は計算に使用できなかった• 文献・データサイトから、熱帯・亜熱帯域の水質を推定し、使用した150200250300• 例. 塩分の鉛直分布(100mまで影響)
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結果

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海底面のpH分布
水深 250 mの深い場所

pH8.15
8.12
8.09
8.06
8.03
8.00
7.97
7.94
7.91
7.88
7.85

pH 小pH 大サンゴがいる
浅い場所
放水位置
pHが日変化サンゴの閾値 7.9

影響ほとんどない20

NO3

影響ほとんどないサンゴの閾値 3.5μmol/L

水温

放水位置のグリッドで注意が必要
サンゴの閾値 21.2℃

21放水位置・複合利用の有/無22

背景 放水位置・複合利用• 計画中の1 MW級OTECは、「放水位置」がまだ決まっていない→ 放水位置 3地点（0 m, 30 m, 50 m）で、環境影響を比較した• 深層水の「複合利用」には、環境負荷の低減効果がある→ 複合利用する場合としない場合を比較し、その程度を調べ• 建物の冷空調に深層水の冷熱を利用 → 水温上昇
• 藻類の養殖（アオサなど）に栄養塩を利用 → NO3, TCO2減少
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結果

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海底面のpHの変化量• 「放流水による 海底面のpHの変化量」 ＝ 放流水あり － 放流水なし
0m

放水位置

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pH 複合利用の効果• 同じ放水位置でも、複合利用をすることで、pHの変化が小さくなった
0 m ＋複合利用

複合利用によってpHの変化が小さくなる26

pH 放水深度による違い• 放水深度を下げることで、さらに環境影響が小さくなる
50 m ＋複合利用

放水深度50mでは、環境影響が小さい27

NO3 放水位置3地点 x 複合利用の有/無30 m

0m

50 m

放水位置

0 m + 複合利用

30 m + 複合利用

50 m + 複合利用

複合利用

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結言
1. モデル開発• 本研究では、化学平衡モデル、底生生態系モデル、CO2溶解モデルを実装し、亜熱帯海域のpHの日変化を再現することに成功した• 現地の環境を再現するという点において、課題がある• 初期値や境界条件を推定値で与えている• パラメーターのチューニングをほとんど行っていない• 今後は、観測を行って、モデルの精度を上げていく必要がある
2. 放流シミュレーション
1MW級OTEC• pH, NO3, 水温のどの項目に関しても、サンゴに深刻な影響が出るほどの環境変化は起こらない
放水位置・複合利用の有/無• 放水位置が深い場所ほど、環境負荷が小さくなる• 深層水の複合利用は、環境負荷の低減に有効である
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