令和３年(第２１回)海上技術安全研究所研究発表会

海底鉱物資源開発のための基盤的技術並びに解析・評価ツールの開発

海洋開発系
中島康晴、山本譲司、高野慧、荒木元輝、藤原智、山本マルシオ、小野正夫、金田成雄、高橋一比古、正信聡太郎
国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所 海上技術安全研究所

研究の背景 低炭素・脱炭素を中心とする持続可能な社会への変革は、我が国における喫緊の課題
 海洋再生エネルギー開発、海運ゼロエミッション化等は、海洋・海事産業における重要な研究課題
 発電機、モーター、バッテリー等に不可欠な素材である銅やコバルト、レアアースなどの希少金属（クリティカルメタル）の確保が重要
 将来の金属鉱物資源として、海底熱水鉱床、コバルトリッチクラスト、マンガン団塊、レアアースを含む海底泥といった海底鉱物資源の重要性が認識されている

図 海底熱水鉱床（左）及びマンガン団塊（右）出典：MIDAS Newsletter, Spring 2014

図コバルトリッチクラスト

出典：J. R. Hein & S. Petersen, The Geology of Cobalt‐rich Ferromanganese
Crusts, in Deep Sea Minerals 1C Cobalt‐rich Ferromanganese Crusts, 2013
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海底鉱物資源を巡る最近の動き
 日本：海底熱水鉱床の採鉱・揚鉱パイロット試験（2017）や、国際鉱区におけるコバル
トリッチクラストの資源探査を実施1)。
 韓国、中国、インド：2000年頃から、マンガン団塊の開発を目指す国家プロジェクトを実施中2-4)。
 欧州連合（EU）：マンガン団塊の開発を目指すプロジェクト（ Blue Mining）を実施（2014～18）5)。
 ノルウェー：石油・ガス分野の技術的蓄積を活用し、海底鉱物資源の開発を目指すプロジェクト（ MarMine）を実施中6)。
出典 1) 山路ほか, J. MMIJ, vol. 135, pp. 42‐51, 2019

マンガン団塊コバルトリッチクラスト

海底熱水鉱床排他的経済水域図

主な海底鉱物資源の分布

出典：K. A. Miller, et al., Frontiers in Marine Science, vol. 4,article 418, 20182) S. Kim, et al., Ocean Eng., vol. 171, pp. 131‐138, 20193) Z. Qiu, et al., Acta Oceanologica Sinica, vol. 39, pp. 34‐42, 20204) R. Mukhopadhyay, et al., Mar. Geores. & Geotechnol., vol. 37, pp. 845‐851, 2019
5) BLUE MINING, 20186) B. Snook, et al., Minerals, vol. 8, article 576, 2018
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海技研における海底鉱物資源開発関連の研究開発• 民間企業やほかの研究機関と共同で、研究開発を実施• 本日は、基盤的技術、並びに、解析・評価ツールの開発について報告
基盤的技術の開発

解析・評価ツールの開発

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4基盤的技術の開発

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採鉱・揚鉱システムに係わる研究

図

海底熱水鉱床の採鉱・揚鉱システムの概念図
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採鉱・揚鉱システムに係わる研究（続き）• 採鉱システム関係
 高圧タンクを用いて、採掘機等に搭載される各種機器の耐圧性能の評価を実施• 揚鉱システム関係
 鉱石をスラリー（固液混合物）として揚鉱する場合の揚鉱管内の摩擦損失や摩耗の評価を実施
 摩擦損失の評価では、深海水槽内に揚鉱管模型を設置し、模擬鉱石（アルミナボール等）を用いたスラリー移送試験を実施
 フレキシブルライザーについても、揚鉱システムへの適用を考慮した強度評価及び疲労評価を実施
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スラリー移送試験
スラリー濃度や揚鉱管の傾斜角を変えて実験を行い、摩擦損失を与える数学的モデルを検証

図スラリー流速（𝑉 ）と圧力勾配（𝐼 ）の関係

𝐶 ：スラリー濃度（体積比） 管の傾斜角(θ)＝±60°(左)及び±90°(右)出典：S. Masanobu, et al., J. OMAE, vol. 139, article 051401, 2017
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8鉱物処理に係わる研究
海底選鉱
海底で採掘した鉱石をその場で粉砕、選別し、有用な鉱物を多く含む粒子を揚鉱• 粉砕技術• ボールミルによる水中での鉱石粉砕を検討• 高圧水中条件でも、陸上と同程度の粉砕が可能であることを確認

粉砕ユニット

選別ユニットミル容器
図

ボールミル粉砕の概要（左）と試験模型（右）図

海底選鉱システムの概念図

出典：Y. Nakajima, et al., Proc. OMAE, OMAE2013‐10756, 2013
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9鉱物処理に係わる研究（続き）• 選別技術 陸上鉱山で広く用いられる浮遊選鉱（浮選）の適用を検討
 高圧水中条件で微細な気泡を発生させ、鉱石粒子を分離し、より多くの有用金属元素を精鉱として回収できることを確認 レーザー分光計を用いた鉱石粒子品位の現場計測など、関連する研究を実施

図

高圧条件での浮選試験結果の例（@1MPa）
出典：Y. Nakajima, et al., Proc. OMAE,OMAE2012‐83354, 2012
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10解析・評価ツールの開発

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海底鉱物資源開発の計画支援プログラム• プログラム開発のコンセプト• 海底鉱物資源開発事業の経済性を簡易的に評価。
 計算上の負荷を軽減し、海底鉱物資源開発に特化。
 ユーザーサイドから見た使い勝手の向上を目指す（多くの設定値をユーザーが調節可能）。
 水深データ、気象・海象データ等も収録。
以下、本プログラムの説明では、採鉱母船をプラットフォームと呼称
図計画支援プログラムのトップ画面

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計画支援プログラムで計算する経済性評価指標

 総収入
 総コスト 総利益
 正味現在価値（NPV）：投資によってどれだけの利益が得られるのかを示す指標
 内部収益率（IRR）：投資によって得られると見込まれる利回り

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海域マップフローチャートと画面
スタート
海域マップ

鉱床DB

採掘地の指示
集積港の指示

港湾DB

航路の設定

水深DB

（続く）

鉱床DBに収録されている地点を〇印で表示
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14設定地点・資源情報

計画設定のタブ採掘地の位置と水深
集積港の位置と移動距離

鉱物総量
鉱物品位

鉱物総量と鉱物品位
環境条件(波高、風速等)
海象DB

（続く）

採掘地の気象・海象条件を表示
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計画の策定生産計画

プラットフォーム
基本形式

稼働期間(年)
生産量(ton/日)

計画設定のタブプラットフォーム形式
船型／セミサブ移動距離(km)

係留方式
DPS／係留荷役間隔(日)シャトル船隻数(隻)1サイクル生産日数(日)輸送方式
自航式／シャトル船使用

年間最大生産日数(日)

貯鉱量

（続く）
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プラットフォーム仕様
主要目(長さ、幅、深さ、喫水、排水量)

海洋構造物
算定式

主機関の基数と出力

主機関算定式

位置保持装置の基数と出力
シャトル船主要目(長さ、幅、深さ、喫水、排水量、DWT)

プラットフォーム仕様のタブ

DPS算定式

シャトル船
算定式

（続く）

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CAPEXのタブ

CAPEX
船体価格

CAPEX算定式

掘削設備価格位置保持設備価格
その他設備価格
その他価格
シャトル船価格（続く）

国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所 海上技術安全研究所18経済性評価年間稼働日数
年間生産量
収益
プラットフォーム
OPEX
揚鉱システムOPEX
採鉱システムOPEX
シャトル船OPEX
コスト合計
利益

為替
インフレ率
鉱石価格

総収入
総コスト
総利益

割引率

正味現在価値（NPV）
内部利益率（IRR）

NPV
算定式

経済性評価のタブ

経済性算定式

積算

IRR
算定式

• 収益やOPEXは年単位で表示• 為替レート、インフレ率、割引率等はユーザーが変更可能

計画内容をファイルに保存
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プログラムの利用例：生産計画の経済性指標への影響
下記の事例を基準として、生産計画のパラメータを調整し、正味現在価値（NPV）及び内部収益率（IRR）に及ぼす影響を比較
固定変更

case_1

case_2

case_3

case_4

生産量(ton/day)

4,800

5,000

4,800

4,800

荷役間隔(day)

1010510シャトル船隻数1121

年間最大生産日数(day)180180180190

基準

生産量をアップ

年間最大生隻数・荷役
産日数を間隔アップ

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生産量の影響3025201510504,800 ton/日NPV (億円)

5,000 ton/日IRR (%)• 生産量の増大により、経済性指標向上
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シャトル船の隻数・荷役間隔の影響
4540353025201510501隻×10日
NPV (億円)

2隻×5日
IRR (%)• シャトル船隻数の増加によりPFの貯鉱量減少→PFのコスト減少→経済性指標向上
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120100806040200180日
NPV (億円)

190日
IRR (%)• 10日間の日数増大でも、経済性の向上に大きく寄与
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計画支援プログラムの機能拡張に向けて 計画支援プログラムを用いて、海底鉱物資源開発事業における経済性評価指標に対する各種パラメータの感度解析が可能。
 現在のバージョンでは海底熱水鉱床の資源データのみを収録しているが、今年度中にコバルトリッチクラストの資源データを追加予定。
 次年度以降に、海気象データに対応した採鉱・揚鉱オペレーション等の稼働率を計算する機能を組み込み、稼働率を考慮した経済性評価が可能となるような高度化を実施することを計画中。

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まとめ
 将来の金属鉱物資源として期待されている海底鉱物資源の開発に資することを目的として、採鉱・揚鉱システム等の基盤的技術の開発、並びに、海底鉱物資源開発の計画支援プログラムの開発を実施。
 海底鉱物資源開発は国際的にも注目を集めており、海底熱水鉱床を皮切りとして、コバルトリッチクラストやマンガン団塊の開発に向けた動きも進むものと期待。
 当所では、これまでの研究開発で蓄積した知見を活用し、これらの開発に対しても引き続き貢献していく所存です。

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謝辞

 本研究の一部は、JSPS科研費（JP22360373, JP25289323,
JP16H04609及びJP18H01648）の助成を受けて実施されました。関係各位に深く感謝申し上げます。

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