海洋温度差発電と海水淡水化複合プラントのシミュレーションモデル ∗後藤聡 ∗1 ，中村翔 ∗1 ，杉剛直 ∗1 ，池上康之 ∗1Simulation Model of Integrated OTEC and Desalination Plant
Satoru Goto∗2 , Syo Nakamura, Takenao Sugi, Yasuyuki Ikegami∗2 Saga University, 1 Honjomachi, Saga, 840-8502, Japan

Energy and water are indispensable for human life. Fossil fuels such as oil and coal
are usually used for power generation, however, the environment impact of these thermal power
generation is relatively large. Moreover, shortage of water caused by a population increase andglobal warming also become a serious problem. In order to solve these energy and water problems
at the same time, an integrated plant of the ocean thermal energy conversion (OTEC) system anddesalination system has been developed. In this research, a simulation model of the integrated OTEC
and desalination plant was constructed.
Key Words : OTEC, Uehara Cycle, Desalination, Spray Flash Evaporation, Simulation Model

1. 緒

水資源に関しては，急激な人口増加，産業の発達，

言

現在，我々が社会生活を営むにあたって，エネルギーおよび水資源の安定供給は重要な課題である．これまでわが国は，エネルギーの多くを石油や石炭，天然ガスといった化石エネルギーに依存してきた．これら化
石燃料の燃焼による二酸化炭素および窒素酸化物排出量の増加によって，地球温暖化や大気汚染等の深刻な(1) (2)問題を引き起こす結果となった．化石燃料に比べて二酸化炭素や窒素酸化物等の排出なしにエネルギーを供給できる原子力も利用されているが，原子力燃料の管理や放射性廃棄物の処理等の問題がある．そこで近年，太陽光発電や，風力発電，地熱発電などの再生可能エネルギーが注目されつつある(3)∼(5)．

海 洋 温 度 差 発 電 (OTEC: Ocean Thermal Energy

Conversion) とは，温海水と冷海水の温度差から電気(6)∼(8)
エネルギーを取り出す発電方法である. 海洋温度差発電では自然エネルギーを利用しているため，発電時に二酸化炭素の排出が無く，環境にやさしい半永久的に利用可能なエネルギーとして期待されている．一方で，海洋温度差発電では，海水の自然エネルギーを用いているため，季節や一日を通じた水温の変化への対応や，火力発電などと比べ熱効率が低いという問題がある．
∗∗1

原稿受付 2009 年 2 月 23 日
佐賀大学 (〒 840-8502 佐賀市本庄町 1 番地)
goto@ee.saga-u.ac.jp

生活水準の向上による水需要の増加とともに，毎年のように起こる夏場の渇水が問題となっている．また，南洋の島国においては，電力と同様に飲料水も貴重な資源となっている．この水問題を解決するために，海(9)水の淡水化技術が重要となる ．海洋温度差発電は発電に海水を用いることから，その海水を利用した淡水化が可能である．海洋温度差発電と海水淡水化複合プ
ラントは，電力と淡水を同時に製造可能となるため，エネルギー問題と水問題を同時に解決する非常に有効なシステムである．
本研究では，海洋温度差発電と海水淡水化複合プラントのシミュレーションモデルを構成する．提案する
海洋温度差発電と海水淡水化の複合プラントのシミュレーションモデルを用いることによって，プラント設計において，効率の良い出力を得るための条件設定や制御器の設計を行うことができるようになる．

2. 海洋温度差発電と海水淡水化複合プラント
2·1 海洋温度差発電と海水淡水化複合プラントの必要性
水とエネルギーはヒトの生活に不可欠であり，佐賀大学海洋エネルギー研究センターにおいては，離島等でも水やエネルギーを確保するために，海洋温度差発電と淡水化システムの複合プラントを開発している．複合プラントは，海洋温度差発電プラント単体や淡水化プラント単体と比較してより有効に海洋資源を利用できる．また，複合プラントは，二酸化炭素の6!7"$"#'$/4$.3&!1

温室効果ガスの排出が無く，半永久的に利用できるため，前に述べたエネルギー問題と水資源問題の解決手!"#!$段として期待されている．

2·2 海洋温度差発電/4$.3&!5

海洋エネルギー研究セン%!&!$"#'$(.-'$.!$
A!B!&!$"#'$()#!$*+'&,!&-!$

ターの海洋温度差発電実験装置で採用されているウエ+'&,!&-!$

ハラサイクルについて説明する．ウエハラサイクルは，作動流体に単一流体ではなく，アンモニアと水の混合/"&05

流体を用いることで発電効率をあげており，通常の発:23))4-!$:を 2 個用いてタービン 1 を出た蒸気を抽気することで凝縮器への負荷を減らしている(7) (8):/"&01電ではタービンを 1 個用いてるのに対して，タービン>"$?*-!"<"#!$*"#*+';,*-!"<"#!$*3&*,!7#=*．

ウエハラサイクルの概略を説明する．ウエハラサ
イクルで用いる主な構成機器は，Fig. 1 に示す凝縮器(condenser)，加熱器 (heater)，蒸発器 (evaporator)，再生

Fig. 1 OTEC system74(%6)6(+8$&!"#$"%$&

器 (regenerator)，タービン (turbine)，減圧弁 (diffuser）である．海洋温度差発電の発電原理は，作動流体を蒸'()**+,-*+.'

発器に送り，温海水を使って温め蒸気に変える．蒸発器を通った作動流体は気液分離器に送られて蒸気と液体に分けられ，蒸気はタービン 1 へ，液体は再生器へと送られる．タービン 1 へと送られた蒸気は，タービ
ン 2 を通過して 2 つのタービンの軸に直結された発電機を回転させることによって発電する．また，タービン 1 を通って，液体に戻った作動流体は加熱器へと送られる．タービン 2 を出た作動流体は吸収器へと流され，ここで減圧弁から流れてくる作動流体と合流して凝縮器へと送られる．凝縮器へと送られた作動流体は，冷海水を使って冷やされ液体となる．凝縮器を出た作動流体はタンクに溜められ加熱器へと送られる．
加熱器では凝縮器とタービン 1 から送られた作動流体を熱交換させる．そして，タービン 1 から送られた作
動流体はタンク 2 へ流されて再生器へと送られるのに対し，凝縮器から送られた作動流体は再生器へ送られる．次に，再生器では加熱器と気液分離器から流れてきた作動流体とを熱交換させる．そして，加熱器から送られた作動流体は蒸発器へ，気液分離器から送られた作動流体は減圧弁へと送られる．減圧弁の役割は，高圧の気液分離機出口の作動流体と低圧の吸収器入口の作動流体との圧力差の調整である．

2·3 スプレーフラッシュ式海水淡水化
海水淡水化法として，大容量の淡水化装置に適した多段フラッ(10) (11)シュ蒸発法や逆浸透膜法が実用化されている．しかし，多段フラッシュ蒸発法では海水を加熱する必要があるので，石油などによるエネルギーを大量に必要とし，また，逆浸透膜法では海水に 10 気圧以上の高い圧力をかけて浸透させるので電力消費が多く，小容.
.*&$,0(1$&,1("3/(&+,%$(0(1$&,(1,%*&2()$!4#,%$(0(1$&,5",#$-16Fig. 2 Spray ﬂash desalination system
量の場合に経済的ではない．そこで，小規模の場合でも海水を低温で，効率よく蒸発させる方法としてスプ
レーフラッシュ蒸発法が提案されている．スプレーフ
ラッシュ蒸発法は，ある温度の海水をその温度における飽和圧力以下に減圧した容器内にノズルを通して放出し，蒸発させ，容器内で作られた蒸気を凝縮するこ(12) (13)とで淡水を得る手法である．

スプレーフラッシュ式海水淡水化装置の淡水化の原理を説明する．スプレーフラッシュ式海水淡水化装置で使われている主な機器は，Fig. 2 に示すフラッシュ室 (ﬂash chamber)，凝縮器 (condenser)，真空ポンプ (vacuum pump) である．温海水はフラッシュ室へと送られる．フラッシュ室へと流れてきた温海水はスプ
レーフラッシュ蒸発法を用いて蒸気へと変えられる．
蒸発しなかった液体は，フラッシュ室の下部の出口から海へと戻される．蒸発した蒸気はフラッシュ室上部から出て行き凝縮器へと送られる．凝縮器では海洋温度差発電の凝縮器で使われた冷海水を利用して蒸気を凝縮させる．淡水化の凝縮器でできた淡水は淡水タンクに貯えられる．また，凝縮器で淡水にならなかった蒸気は真空ポンプから大気へと出される．

2·4 海洋温度差発電と海水淡水化の統合

海洋

温度差発電と海水淡水化を統合することで，温海水と流量，ṁLO は出口液体質量流量，hVO は出口蒸気比エンタルピ，hLO は出口液体比エンタルピ，mV は機器内の蒸気質量，mL は熱交換器内の液体質量を表す．
海洋温度差発電と海水淡水化ともにモデル化するにあたって，熱交換器における熱伝達が重要となる． 本
研究では，熱伝達のモデルとして，対数平均温度差を利用する．熱通過係数 U は(U = USDṁṁSD)0.5(3)で表される．ここで ṁSD は基準となる流量，USD は基準となる流量での熱通過係数，ṁ は流量を表す．これは，流量の流れが層流に近い場合に，熱通過係数が流量の 0.5 乗に比例するという関係に基づく．また対数
平均温度差 ∆T は

∆T =(TXI − TY O ) − (TXO − TY I )TXI − TY O
ln
TXO − TY I(4)で表され，熱交換器での熱交換量 Q はFig. 3

Integrated hybrid OTEC and desalination

Q = UA∆Tsystem(5)で表される．ここで，TXI は熱交換器の X 側流体の入冷海水との温度差で発電を行い，さらに海洋温度差発

口温度，TXO は X 側流体の出口温度，TY I は Y 側流体電で使用した海水と発電した電力を使って淡水化を行の入口温度，TY O は Y 側流体の出口温度，A 熱交換器

う．Fig.3 に海洋温度差発電と海水淡水化システムをの伝熱面積を表す．

統合したプラントの構成を示す．Fig. 3 で示されるよ

3·2 プロパスの利用
プロパスは物性値解析
プログラム（A program package for thermophysicalうに，海水淡水化部に流入する温海水は海洋温度差発
電部の蒸発器出口の温海水を利用し，淡水凝縮器に流水を利用することで，海洋温度差発電と海水淡水化を

properties of ﬂuid; PROPATH）であり，温度，圧力，組成比，エンタルピ，比容積，乾き度等を計算する関数(16)群で構成される ．本研究では，海洋温度差発電の作同時に行うことができる．

動流体（アンモニアと水の混合流体）の状態量 と海水入する冷海水は海洋温度差発電部の凝縮器出口の冷海

3. 複合プラントのモデル構成
3·1 物理則の利用
(14)

電モデル

過去に提案した海洋温度差発(15)と海水淡水化モデルを統合することで，複合プラントのシミュレーションモデルを構築する．
これらの熱系プラントのシミュレーションモデルを構築するための物理則は，主に質量保存則とエネルギー保存則である．質量保存則は
dm= ṁI − ṁO(1)dtで表され，エネルギー保存則はd(mV hVO + mL hLO )= ṁI hI − ṁVO hVO − ṁLO hLO (2)dtで表される．ここで ṁI は対象とする熱交換器の入口質量流量，ṁO は出口質量流量，ṁVO は出口蒸気質量

淡水化の水の状態量 の計算にプロパスを用いる．

3·3 統合方法
海洋温度差発電部で使用した温冷海水の流量を海水淡水化部に送ることで 2 つのモデルを統合する． 海洋温度差発電部と海水淡水化部で必要とされる温海水量と冷海水量が異なるため，両装置の能力を最大限活かせるように，利用する温海水と冷海水の流量のバランスをとることが重要である．淡水化部で利用する温海水流量 ṁFLI はEVṁFL
I = xṁO(6)で表され，排水する温海水流量 ṁOS はṁOS = (1 − x)ṁEVO(7)Table 1

Rotated values of OTEC part and desalination
partName

Value

Power generation (kW)30

Fresh water production (t/day)10

Table 2 Initial values
Name

Value

Mass ﬂow rates of warm seawater (kg/s)

194.17

Temperature of warm seawater (℃)

29.0

Mass ﬂow rates of cold seawater (kg/s)

110.56

Temperature of cold seawater (℃)

8.02で表される．ここで，ṁEV
O は海洋温度差発電で使用する温海水の質量流量，x は淡水化装置で利用する温海水の割合である．
淡水化部で利用する冷海水質量流量 ṁDCDはIṁDCD= yṁCN
IO(8)Fig. 4 Step response result (OTEC part)で表され，排水する冷海水流量 ṁOD はṁOD = (1 − y)ṁCNO(9)で表される．ここで ṁCN
O は海洋温度差発電で使用する冷海水の質量流量，y は淡水化装置で利用する冷海水の割合である．

4. シミュレーション結果
4·1 シミュレーション条件
海洋温度差発電装
置と海水淡水化装置は，Table 1 の仕様で設計されている．Table 2 の初期値を用いて，ステップ応答，ランプ応答と正弦波応答のシミュレーションを行った．

4·2 ステップ応答のシミュレーション結果

ス

テップ応答の結果を Fig. 4∼5 に示す．この結果から，一定の入力値 (温海水，冷海水) に対して安定した出力(発電量，淡水製造量) が得られていることがわかる．
4·3 ランプ変化応答のシミュレーション結果
30〜170 秒の間，温海水流量を 0.1 秒ごとに 0.05kg ずつランプ変化させた．ランプ応答の結果を Fig. 6∼7 に示す．この結果から，入力値 (温海水流量のみ) を増加していったとき，出力 (発電量，淡水製造量) も入力の増加に伴って増加していることがわかる．

4·4 正弦波応答のシミュレーション結果

20 秒の地点から，温海水流量を振幅 50kg の正弦波でシミュレーションを行った．正弦波応答の結果を Fig. 8∼9 に示す．この結果から，入力値 (温海水流量のみ) を増減を繰り返したときに，出力 (発電量，淡水製造量) も入力の特性に合わせて変化していることがわかる．

Fig. 5 Step response result (Desalination part)

5. 考察

5·1 シミュレーション結果について
ステップ応
答からは，一定の操作量から安定した出力を得られている．またランプ変化と正弦波応答からは，温海水流量の影響を受けるべき箇所は温海水の変化にあわせて変化している．これらの結果から操作量の変化にも対応したシミュレーションモデルが構築できたことがわ
かる．作成した複合プラントモデルのシミュレーショ

Fig. 6 Ramp response result (OTEC part)Fig. 8 Sine wave response result (OTEC part)Fig. 7 Ramp response result (Desalination part)Fig. 9 Sine wave response result (Desalination part)

ン結果は，同一の条件下における海洋温度差発電プラ

ト自身の設計等が可能となる．また，各々単体のシミュ

ント単体のシミュレーション結果および海水淡水化単レーション結果と，複合プラントのシミュレーション体のシミュレーション結果と一致することから，統合結果を比較することにより，複合プラントの有効性をしたシミュレーションモデルは正常に動作していると示すことができる．

考えられる．

5·2 複合プラントモデルの用途

シミュレーションモデルを利用した海洋温度差発電
提案した複合と海水淡水化複合プラントの設計法について述べる．

プラントのシミュレーションモデルを用いることでシ1. 生産したい発電量と淡水製造量を決定する．
2. 要求される発電量と淡水製造量から海洋温度差発ミュレーションに基づく制御器の設計や，複合プラン

電と海水淡水化各々の装置の仕様を決定する．
3. 各々の仕様からシミュレーションモデルを作成する．

4. シミュレーションを実施し，発電量と淡水製造量を満足するかを確認する．
5. 実プラント設計に作成したモデルを反映させる．

6. 結語

本論文では，海洋温度差発電と海水淡水化複合プラントのシミュレーションモデルの構成およびシミュレーション結果を示した．これらのシミュレーション結果が，同一条件化でのプラント単体のシミュレーション結果と一致することから，構成したシミュレーションモデルは適切に複合プラントをモデル化していると考えられる．本モデルは，物理則に基づいてモデル化し械学会論文誌 (B 編), Vol. 64, No. 624 (1998-12),

pp. 2750-2755.
(9) 日本原子力産業協会, 海水淡水化の現状と原子力利用の課題-世界的水不足の解消をめざして-, 海
水の淡水化に関する検討会 (2006-7).
(10) Silver, R.S., Technological and Environmental
Aspects of Desalination, Desalination, Vol. 42(1982), pp. 1-9.
(11) Kershman, S.A., 25 Years of Experience in Operating Thermal Desalination Plants, Desalination,
Vol. 136 (2001), pp. 141-145.
(12) 宮武修, 他, スプレーフラッシュ蒸発に関する実験的研究，日本機械学舎論文集 B 編 1，Vol. 45-B,
No. 400 (1979-12), pp. 1883-1891.ているため，このモデルを使って制御器の設計や最適(13) Uehara, H. et al., Experimental Study of a Spray

な発電・淡水化のための入力の決定を行うことができFlash Desalination, Bulletin of the Society Sea
Water Science, Vol. 45, No. 1 (1997), pp.34-42.

る．さらに，本シミュレーションモデルを利用することによって，海洋温度差発電と海水淡水化ともに装置の能力を最大限に活かせるプラントを設計することが可能となる．

(14) Goto, S. et al., Construction of Simulation Modelfor OTEC Plant Using Uehara Cycle, IEEJ Trans.
PE, Vol. 129, No. 2 (2009).

本研究の一部は佐賀大学海洋エネルギー研究セン
ター共同利用研究（08020A）として行われた．

文

献(1) 矢尾由佳, 地球温暖化とエネルギー問題, 経済政策研究, No. 2 (2006-3), pp. 207-228.
(2) 武石礼司, アジア地域の大気汚染とその対策,
Economic Review (2002-1), pp. 126-127.
(3) 大 特 集 エネルギー供給と環境, 電気学会誌,
Vol. 126, No. 4 (2006-4), pp. 189-234(4) 深川雅幸, 他, 自然エネルギーの有効活用技術, 三菱重工技報, Vol. 42, No. 4 (2005-11), pp. 164-166.

(5) 一ノ瀬利光, 他, 三菱重工の自然エネルギー利用技術, 三菱重工技報, Vol. 39, No. 5 (2002-9), pp. 290293.

(6) Avery, W.H. and Wu, C., Renewable Energy fromthe Ocean, A Guide to OTEC, Oxford University
Press (1994).
(7) 池上康之, 他, ウエハラサイクルを用いた海洋温度差発電システムの性能試験, 日本海水学会誌

Vol. 60, No. 1 (2006), pp. 32-38.
(8) 上原春男, 他, 吸収と抽気作用を伴うサイクルを用いた海洋温度差発電システムの性能解析, 日本機(15) Goto, S. et al., Construction of Simulation Modelfor Spray Flash Desalination System, IEEJ Trans.
PE, Vol. 128, No. 8 (2008), pp.993-999.
(16) プロパスグループ, PROPATH 流体熱物性値プログラムパッケージ，第 7.1 版 コロナ社 (1991).