日本マクロエンジニアリング学会 講演会・懇談会

マクロエンジニアリングのケーススタディ
於 ： 東京大学第16回ホームカミングディ
日時 ： 2017年10月21日(土) 13:00～15:00
場所 ： 東京大学法学政治学系総合教育棟（ガラス棟）2階 203教室
はじめに（背景と目的）
科学技術予測センターが調べた資料で、引用されることの多いトップ 1％の文献を分野別に調べたものがあります。
目的外使用になりますが、“コストエンジニアリング（Costengneering）”、“最適化（Optimization, Computer aded Design）”が含まれる文献を検索しましたら、欧米では10％強に達するのに対し、日本では皆無でした。
折角の素晴らしい理論・技術も、事業化され社会に役に立ってこそ、真価を発揮できると考えますが、事業化に際しては、“コストエンジニアリング”、“最適化”は欠かせません。
この意味で、欧米では事業化を念頭においた研究開発が進んでいるように感じられます。
日本でも民間は営利が関わりますから、“最適化プログラム”は浸透しつつありますが、公的なプロジェクトは評価の指標化が難しいのか、積極的ではないように見えます。
地球規模に及ぶような、従来にはない課題を対象にする場合、或いは従来の技術分野の枠にとらわれない解決策が求められ、多分野におよぶ技術の融合が必要になるとき、マクロエンジニアリングの手法が効果を発揮します。
きょう

今日は諸先輩を前に恐縮ですが、先ずマクロエンジニアリングのプリミティブなところから、ケーススタディを通し、マクロエンジニアリングの流れ、“コストエンジニアリング”、“最適化”の効果をご評価頂きたいと存じます。
経済合理性が確認されたとしても、理論や設計だけでは事業は進みません。皆様のご支援、ご指導の程、宜しくお願い申し上げます。

日本マクロエンジニアリング学会
文明システムズ・地球環境・プロジェクト研究会
発表者 小島 紀徳（成蹊大理工学部，B-S50，M-S52，D-S55） 迯目 英正（(株)デザインウォーター）Cool Tokyo （冷熱で東京湾沿岸の火力発電所の効率を上げる事業、余禄としてヒートアイランドの解消）(3)マクロエンジニアリングの出番(1)背景①燃料価格の乱高下、電気料金の高騰

送水量

シールド径
需要・特性

②ヒートアイランドの深刻化
・太陽黒点活動
原 ・熱源（発電所、冷房、工場、車）の都心への集中
因 ⇒膨大な温排水が東京湾へ⇒東京湾の水温上昇 ＋1.6℃

動力

コストエンジニアリング、最適化
取・送水量 2,400 万m3/日
総事業費 3,000 億円（4）成果①発電効率の改善 現状の15%⇒燃料の節約⇒半分を冷熱購入費へ
これだけで総資本利益率24%②海洋深層水温排水の多段利用⇒新産業の創出⇒【参考3】③ ⇒東京湾の水温を△1.6℃
外 （膨大な廃熱を中和、自然状態へ）部 ⇒東京湾海洋環境保全
経 ⇒ヒートアイランドの解消
済 ⇒①、②、③を含めた最適化へ③首都圏は海洋深層水に恵まれている④シールド（推進トンネル）工法の進化⑤水を運ぶのはコストがかかる
水を運ぶエネルギーは流量の3乗に比例
大口径で大量に運べば、・ 送水コストは従来イメージの1/100～1/10,000⑥技術屋の常識で「冷熱は運べない」
一般的にはφ300程度の管を断熱材で覆い、2～3km運ぶと経済性がなくなる。

（5）事業化への課題
資源、技術、事業性、環境…全てOK事業主体がいない？！
東京電力 原発事故以来・・・
東京ガス 全出力の1/10未満
1社で無理ならメリットのある人…東京都及び沿岸自治体、住民、電気・燃料を使う企業

・ 大口径（地下鉄の断面）なら水温上昇は小さい(2)提案⇒図-1 Cool Tokyo 全体図
海洋深層水冷熱（3℃～4℃）の活用
東京湾沿岸の発電所に冷水を届ける⇒発電効率の改善⇒ヒートアイランドの解消
海洋深層水温排水の活用⇒新産業の創出

工事費1,000m
3000m
8,000m

図-1Cool Tokyo 全体図
1

皆様のご理解、ご支援【参考1】海洋深層⽔、冷熱はリーズナブルに運べる︕︕
都心地下
送水能力
450万m3/日（ループ）← 図－2 館山沖、油壷沖は相模湾舟状海盆、房総海底崖、日本海溝への繋がり、そこには無尽蔵の海洋深層水があります。
館山、或いは油壷から都心に送水しても水温上昇は小さく、冷熱源として使えます。

五井～秋葉原送水能力 500万m3/日
リスク対策、ネットワーク構築

200m↓図－3 送水コスト、水温上昇について“水を運ぶエネルギー（コスト）は流量の3乗に比例する（管径、延長など一定）” は流体力学の一般的言い方ですが、別の見方をすると、流量の3乗に比例して安くなる、流量が1/10ならエネルギーは1/1,000になります。
シールド技術の進歩は大口径、深さ、延長、掘削速度などで著しく、コストも安くなって来ました。計画流量に対し、シールド径、工事費、送水に要するエネルギーの最適化を図ることができます。図－3は最適化の結果です。

千葉県側（その1）取水，館山～富津送水能力
1,752万m3/日

神奈川県側
油壺基地
取水能力 1,827万m3/日
油壺～品川 送水能力 1,827万～450m3/日

千葉県側（その2）
富津～千葉送水能力
1,317～295万m3/日（現在、考慮されていない）

500m
1,000m
2,000m3,000m4,000m5,000m6,000m ⇒世界のエネルギー・水問題に貢献できます！

◆館山～千葉 93kmの輸送コスト
1万m3/日規模で 72.3円/m3
10万m3/日規模で 42.1円/m3
100万m3/日規模で 28.4円/m3
1,000万m3/日規模で 19.6円/m3 首都圏
2,000万m3/日規模で 17.7円/m3 の需要冷熱の付加価値は約50円/m3>>18.7円/m3
運べる！！
◆館山～富津～千葉～都心到着時の水温取水口（水深1,000m）3.20 ℃
館山基地
3.46 〃
富津
3.50 〃
千葉
3.57 〃
都心
3.70 〃
水温の上昇は0.5℃と小さい！！
冷熱は運べる！！

図-2 首都圏は海洋深層水に恵まれている
30.0

1,000
コスト（償却費）×1,000（円/m3)
コスト（電気料）×1,000（円/m3)
コスト計×1,000（円/m3）

900

2,000

1,5001,000800

L=100km
L=500km
L=1,000km
L=2,000km

25.0

700

到達温度（℃）

コスト（円/1,000m3/km）

2,500

流量（万m3/日）

管径～到達温度流量～送水コスト

管径～流量
3,000

600
500
400

20.0

15.0

10.0
300
200

500
5.0
100000.0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150

管径(m)110100流量（万m3/日）

1,000

10,000

0510

管径(m)

図-3 流量～送水管管径、送水コスト、到達温度（初期温度5℃、管外側温度30℃（熱帯）、流量に対し管径と流速は最適化）
215再生可能エネルギーの、基幹電源としての普及
熱交換プレート性能
機種
作動流体特性
発電効率（2）着目
その中で、海洋温度差発電は熱源は無尽蔵、発電コストを安くできれば、基幹電源になる。
現状は取水装置が割高、全体の最適化が不十分

熱交換器面積他算出（3）試算
取水工法を改良し、諸設定を最適化したが、発電コストの低減は不十分であった。
（原因：高温側・低温側熱源の温度差が小さい）（カルノーの定理より、発電効率は上限で2～3％）（日本エネルギー学会に投稿）（4）課題と開発
OTECの改良⇒高温側側熱源補助装置の開発（非集光型太陽熱温度差発電の提案）
非集光型太陽熱集熱装置… 材料は既往技術、形態は初めて… 既往技術
海洋深層水取水装置… 既往技術発電装置

値を変更，次の独立変数（1）背景熱サイクル独立変数の組み合わせ
普及には基幹電源としての特性を持つこと（低コスト、安全性、安定性、拡張性、環境保全など）
発電装置（熱サイクル）の最適化
再生可能エネルギーによるものは発電コストが高く、出力1MW, 10MW, 100MW, 1GW
特性も含め、基幹電源に足る方式はない。
海底、海洋条件⇒水温の最適化

日射量

集熱システムの最適化

取水施設の最適化

工事費積算

工事費積算

送水・制御動力（所内率①）
部材別耐用年数
償却費

設備費算出

揚水動力
（所内率 ②）

送水他動力（所内率 ③）

耐用年数

耐用年数

償却費

操業費、維持管理費、借地料、租税公課償却費

所内率①～③合計（独立変数の組み合わせに対する）発電コスト
発電コストの極値(最低値)か？

基本的には、既往技術の組み合わせであるが、全体としての設計、施工、運用は初めての試み（5）マクロエンジニアリングの出番
広範な技術領域の間で、コストエンジニアリング、およびサブシステムと全体の最適化を実施

図-4 非集光型太陽熱温度差発電の最適化フロー（6）成果（7）事業化への課題

発電コストは石炭火力以下
実証、良好なサイトを得る（国際協力）
基幹電源としての特性を満足
段階的拡張⇒海洋深層水のカスケード利用（日本エネルギー学会に投稿中） 低品位熱源を用いる発電方式の普遍的手法
3

表－1 海洋温度差発電と非集光型太陽熱温度差発電の比較

Non-Concentrating type Solar Heat collecting system
100mNorthP

Receiver

AP

95℃

AP

WestP

17@5.88m=100mReflector

EastPSouth55 ℃

項目単位
高温 入温度 ℃
熱出温度 〃側サ
低温 入温度 〃イ
側
出温度 〃ク
温度差
〃ル
発電効率
〃
表層水取水量m3/日
深層水取水量
〃
熱交換面積
比
所内率%
工事費億円

OTEC NC-STEC
25.7
95.0
18.3
55.0
7.0
7.0
11.9
17.0
13.8
78.0
2.2%
18.6%
128.0
2.8
189.1
9.1
21,839.7
689.6
28.1%
3.4%
347.1
150.4

差・比
69.3
36.7
0.0
5.1
64.2
1 ： 9
46 ： 1
21 ： 132 ： 1
8.4 ： 1
2.3 ： 1

備考
最適化による〃
海洋環境を踏まえた最適化
最適化による高温入－低温出
設定温度における最適発電装置
出力1万kW〃〃〃〃

PBReservoir

BWaterwayP

Hot side heat exchanger
G TPGenerator
Cool side heat exchanger

PDeep seawater

17 ℃
7℃

Fig. 5 Schematics of Non-concentrating type Solar Thermal
Energy Conversion system (NC-STEC)

Fig. 6 Cross-sectional view of NCSH
（Plan with reduced movement and manual position control）

Fig. 7 Sites suitable for NC-STEC in the world4

海水分離（製塩＋海水淡水化）
Former US President John F. Kennedy said, “If we can get fresh
water cheaply from sea water, it will bring human wealthfor a long time, and the performance of any other science is small
before that It will only be visible to things.“（1961）(1)分離技術と特徴①TC缶 気圧～沸点（状態図）
使用エネルギーを大幅に低減（ただし、それでも高い）②電気透析（ED） Na+イオン、Ｃｌ－イオンを電気的に誘引
塩分濃度10%に濃縮、TC缶でも蒸発に要するコストは大きい③RO膜 分子レベルの濾過汚れに弱い⇒圧力(動力)、逆洗、耐久性
表層水の場合、塩分濃度で5%（汚れが邪魔）
深層水の場合、15%～24%（NaClの溶解度）
深層水の有機物は表層水の1/200で、コスト低減
実験 高知県（淡水化）、富山県（濃縮）、高知工科大（分離）④NaClの純度を高める技術 塩事業センターの特許など

海洋深層水（3.56%）

凡例
原料
処理工程
中間生成物
中間生成物
生成物

疎NF多段分離
栄養塩濃縮水

透過水・大型分子,多価イオン（2.64%）（栄養塩濃縮液）
・圧力調整

海藻・海草類
戻り塩水

疎RO多段分離濃縮水

透過水

かん水（26%）

淡水

農業用水

電気透析

CR精製
精製かん水（26%）（2）着眼点、マクロエンジニアリングの出番
これらを俯瞰し、使用エネルギー最小化で使い分け(最適化)
低コストで、淡水とかん水に分離できる。
3%→24%RO膜（海洋深層水の清浄性を利用）
24%→99% 蒸発缶

ソーダ工程

精製かん水

捕集不純物

（純度99.82%）

Mg，Kなど濾過層で回収

TC製塩

飲料水

TC製塩

（3）成果
316 円/m （天候によらない無尽蔵で低コストの水源）
淡水コスト
製塩コスト 1,600 円/トン （vs. 国内塩原価10,000円/㌧，輸入CIF4,500円/㌧）（副産物、栄養塩、にがり（その他金属の混合））（4）事業化への課題
実証（膜の選定、操業条件の最適化、コスト）
NaCl精製工程、濾過層再生工程などの改良
海洋深層水の取水、温めること（水温と分離速度）

高純度精製塩（純度99.991%）
・特殊塩・ＣＲ精製濾過層

にがり

精製塩（純度99.88%）

反応晶析
工業塩
MgCl2
KCｌ

ソーダ工程
（従来ｲﾒｰｼﾞ）

図-8 海水分離フロー
5

にがり

題
❶ニーズ
⇒課題・目標【参考2】表-2 マクロエンジニアリングの流れ、提案3題の俯瞰Cool Tokyo

非集光型太陽熱温度差発電

発電効率の向上（発電コストの低海⽔分離(製塩+淡⽔化)

化⽯燃料に頼らない⾃然エネルギー発電 海⽔から淡⽔と溶存成分減、燃料節約)、ヒートアイランド で低コスト、安全性、安定性、拡張性を （⽔・栄養塩・ミネラル）を❷シーズの緩和、および新産業の創生
・首都圏への集中適える基幹電源を実現
・低コスト海洋深層⽔取⽔工法

低コストで分離・海洋深層⽔の清浄性⇒環境・技術，（3000万人、発電4,000万kW）

・太陽熱集熱装置の要素技術の進展（有機物は表層⽔の1/200）

要素技術は既往・シールド(推進トンエル)工法（反射、透過、断熱材）・RO(逆浸透)膜最先端。必要に・低コスト海洋深層⽔取⽔工法

・低温熱源⽤カリーナサイクル機（コストパフォーマンスの向応じて実証実験 （コストパフォーマンスの向上） （熱交換機の性能向上）❸全体計画、形態を想定し❹コストエンジニアリング、最適化を進め上）❶目標に適うか

マクロエンジニ・総事業費（大口径）3,000億円

・淡⽔コストアリングの効果・利益（税引後）（コロンブスの卵）・ROA❺ 実機建設費
事
業
化 残された課に 題・問題点
向けて 事業化(案)

720億円/年
24%

・発電コスト(太陽熱集熱装置の効果)
20.4円/kWh（1,000kW×久米島）

16円/m3・製塩コスト 1,600円/トン

3.6円/kWh（100万kW×ｲﾝﾄﾞﾈｼｱ） ・副産物…栄養塩，にがり

館⼭〜千葉〜都⼼ 1,480億円

143億円（久米島，1万kWで、集熱922.1億円（淡⽔1,000m3/日、油壷〜横浜〜都⼼ 1,520億円
・設備投資が高額になる。

億円、取⽔17億円、発電34億円）
・非集光型太陽熱集熱装置の実証

製塩1.0万トン/年）
・海洋深層⽔の取⽔・事業主体が継続的に顧客を確保で ・全体システムのコストエンジニアリン 小規模の場合、取⽔コストがきる新規ビジネスモデルの構築が必 グ及び最適化

高く、海⽔分離だけでは事業

要(既存の業界では商社やエンジニ ・実⽤化に向けたスケールアップ実験が 化は難しい。
アリングに近い)
やや高額(数千万円程度)になる。
・投資家、事業主体、顧客企業から ・実証実験（1,000kW規模、事業費30 左2題の実証〜実⽤に便乗で、なるエコシステムを創造・育成億円）に向けベンチャー投資を呼び込む 小規模から事業化が可能6

【参考3】図-9 海洋深層⽔のカスケード利⽤（新しい産業の創出）

7

表-3 海洋深層⽔の経済的価値
提案
効果
従来の問題点日本では実績主義で技術開発は 低コスト取水工法 揚水原理、取水管材料、接続工法、敷設工法、取水ピット、取水管防護など、従来と一式更新
取水なかった。取水コスト 100円/m3
取水コスト
1.0円/m3 売価…ここではNCSH-OTEC事業に含む。
深層水の個別利用が先行すると、 多段利用計画当初から多段的に組合わせれば、資源利用が効果的に進み利用コストの大幅軽減が可能
多段利用後から多段利用の組込は難しい。 （特性の利用)
事業種と規模の選定、全体のバランス、優先順位が重要となる。
OTECは発電コストが高く実用化に NCSH-OTEC
再生可能エネルギーに基づき、環境にやさし 20
1,000kW注) 日射量(kWh/m2/d)
久米島 4.04
至らず（OTECにおける く無尽蔵、24時間・365日連続運転、低コスト
18
館山 4.39161.25MW：120円/kWh（久米島）
高温側熱源の改 な基幹電源となる。
ｲﾝﾄﾞﾈｼｱ西 4.73
14
ｲﾝﾄﾞﾈｼｱ東 5.81
良発電コストは右図のように日射量、出力規模
12ﾓﾝｺﾞﾙ (ゴビ砂漠) 6.32
海洋温1万kW→非集光型太陽ｵｰｽﾄﾗﾘｱ西 6.99
10に依存する。図中■は館山実証プラント、事度差発
熱集熱システム，8
業展開は日射量に恵まれた海外が良い（発10万kW
電6
低コスト海洋深層
電コストには取水を含み、温排水売価を含ま4(OTEC)
水取水工法，ない）2100万
カリーナサイクル
0
NCSH-OTECの採算性が確保されることで、
冷機）
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
最適傾斜角年平均全天日射量
海洋深層水多段利用の全体を牽引すること
熱(kWh（heat）/㎡・day)ができる。
利図－10
日射量×出力～発電コスト
低温による5～20%の発電効率増加
用 火力発 発電所の冷却水、ガスタービンの 冷却水の供給
吸気冷却
冷却水取水量と冷却系設備の1/3～1/4削減
電
取水コストが高く、未利用取水管と冷却装置の生物付着解消で、発電単価の大幅低減
空調、 取水コストが高く、未利用冷却水の供給
熱交換器を通して、冷却水として利用すると、70%～90%の節電効果
冷凍・ 魚介類の養殖・蓄養・鮮度保持〃40%前後の節電効果
冷蔵庫 魚介類の鮮度保持用の清浄氷製造〃
清浄で融解点（－1.8℃）が低く、塩分調整（1～2%）で温度調節可能（シャーベット製氷機）
深層水冷熱は未利用、実験段階 根域冷却農法
高温障害の解消、高付加価値化、生産量の増加
農業（ハワイ、久米島、農業試験所）（熱帯でも温帯野菜の栽培が可能）
養殖・ 一部で実用化、実験段階
冷却水の供給表層水と深層水の混合で海水温度を調節し生産性の向上、高付加価値化
蓄養（ハワイ、久米島など取水箇所）
出荷時期調整、高付加価値化
原未利用（冷熱利用の排水がない） 牡蠣の養殖
牡蠣は深層水で培養した植物プランクトンを餌とし、深層水の冷熱で温度調節し、陸上養殖
水 温排水 温度調整されるで、原水をそのまま 海藻類の培養
海水分離後の濃縮栄養塩を利用して藻類（海藻・植物プランクトン）を培養、直接の食用、貝利 利用
使うより処理コストが低減する。
類養殖用の餌料、化学物質抽出、あるいは農業用肥料として利用（排水の洗浄）
用
観光等
海洋療法、ホテルなどのSPA（温浴）施設として利用し、付加価値を高める。
3海水分離工法
コスト
売価
ROA コストは深層水取水量10万m3/日規模
淡水コストは100～300円/m
33
淡水
コストから用途は飲料水不足に限淡水 灌漑用水 淡水35% 食糧問題に寄与16円/m 35円/m
3
3定される
海
飲料水 飲料水
35% 水・健康・文化に寄与
30円/m 80円/m
33
水 栄養塩 未利用
栄養塩濃縮水 栄養塩濃縮水 25円/m 35円/m
33% 植物プランクトンの生産、肥料問題に寄与
分 NaCl他 製塩は伝統技術、コストは固定
21% 製塩工程へ(内部取引)
ﾐﾈﾗﾙ類濃縮水 ミネラル濃縮水 - 円/m3 - 円/m3
離 ミネラル 日本の製塩コスト 約10,000円/トン 製塩、精製方法 海水分離により低価格で高品質の塩が製造可能。TC、CRにより精製（NaCl 99.88%～99.99%）
類含有 海外の製塩コスト 約 2,000円/トン
製塩コスト
1,600円/トン 売価 2,200円/トン ROA 21%
工業塩平均99.66%
物
副産物のMg,Kは肥料
Mg，Kの精製方法 経済的なMg，Kの分離精製、資源回収、MgCl2コスト 17,000円/㌧，KCｌコストト 17,000円/㌧
発電コスト(¥/kWh）分野8注)数値は概略設計に基づくもので誤差を含みます私たちも日本マクロエンジニアリング学会に参加・応援しています！

設⽴
代表者
従業員数
資本⾦
売上高
本社所在地
電話番号
FAX番号
URL
お問い合わせ株式会社 ⻘南商事

1972年9⽉ 創業︓1955年4⽉
代表取締役 安東元吉
600名(グループ全体)
9800万円
215億円(2014年12⽉)〒036-8061 ⻘森県弘前市大字神⽥5丁目4-5
0172-35-1413
0172-35-1415
http://www.seinan-group.co.jp/
info@seinan-group.co.jp