JP2008309014A - 浸透圧式圧縮空気貯蔵タービン発電機システム - Google Patents

Abstract

【課題】 地球温暖化防止のためには、自然エネルギーの利用を推進する必要があり、海水と淡水の塩分濃度差により生じる浸透圧を利用した発電システムの開発が必要である。
【解決手段】 本発明の浸透圧式圧縮空気貯蔵タービン発電機システムは、海水と淡水間あるいは海水と高塩分濃度海水間の浸透圧を利用して、空気を高圧に圧縮してタンクに貯蔵し、貯蔵した圧縮空気を利用してガスタービン発電機の燃焼空気や膨張空気タービンの駆動源として利用して、発電機により交流電力を発電し、ピーク負荷電力の供給に寄与でき、上記課題を解決するものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、臨海地の工場等において海水と河川水、海水と工場排水処理装置から排出される淡水系排水、あるいは海水と浸透膜式海水淡水化装置から排出される高塩分濃度海水を利用して、半透膜の浸透圧により圧縮空気を製造して貯蔵し、必要時に圧縮空気をガスタービン発電機の燃焼用空気として、あるいは圧縮空気で膨張タービン発電機を駆動して電気を発生させる浸透圧式発電システムに関する。

半透膜は、海水と淡水を介して接触させると、半透膜を透過して淡水が海水中に浸透する現象が発生する。この浸透現象は半透膜を介して接する海水中と淡水中の塩分濃度が均一になろうとすることにより生じ、浸透圧を利用する発電技術として下記のものが出願されている。特許文献１は河川水と海底に設置した浸透室の間を導水管で連結し、浸透室から海水中に流出した淡水の不足分を河川から補給される際、流入する河川水の水頭落（位置エネルギー）差を利用して水車発電機を回転させて発電する浸透圧式淡水型水車発電システムである。
特許文献２は河川水と表層海水を半透膜に導き、海水と淡水間の塩分濃度差を利用して淡水が海水中に浸透して発生する流量増加による高流速水により水車発電機を回転させる浸透圧式海水型水車発電システムである。
特開昭和54-57116 特開昭和58-53684

圧縮空気を利用したガスタービン発電については地下タンクや地下の岩塩層内にタンクを作り、其の中に夜間の深夜電力を利用して高圧圧縮空気を製造・貯蔵し、昼間の電力需要がピークの時にガスタービンの燃焼用空気として高圧圧縮空気を使用して発電するピーク負荷用ガスタービン発電技術がドイツや米国では既に実用化されている。
国内でも経済産業省の委託により財団法人新エネルギー財団がＣＡＥＳ（圧縮ガス貯蔵ガスタービン）プロジェクトとして実証試験が行われている。ガスタービン発電の圧縮空気の製造には電動式の圧縮機が用いられるのが一般的である。特許文献３には機械式と異なり揚水式発電所の水位落差を利用した空気圧縮方法が記載されている。
特開2000-14052

浸透圧式水車発電装置を設置する場合の問題点として、設置場所の課題がある。例えば、特許文献１の発明は、陸上の淡水が海中の浸透室に送られるときの水頭差を利用して淡水型水車発電機を回転させて発電している。しかし、海底数十メートルに浸透室や発電設備を設置することは運転管理やメンテナンスの面での課題が多く、実用的なシステムとは言えない。

特許文献２には河口の河川水と海岸の海水を使用する浸透圧式海水型水車発電システムが示されている。この方式では、海水と河川水が得られれば地上設置が可能である。しかし、発電に利用できる水量は、海水と浸透した淡水の合計水量となり、早くなった流速を利用して水車発電機を回転させて発電をしている。
浸透圧式水車発電システムは自然エネルギーを利用するためにランニングコストはかからず、淡水がある限り季節、昼夜を問わず、一定負荷で発電できる。しかし、発電能力が小さく、ピーク電力用の電源としての適用能力はない。

圧縮空気貯蔵ガスタービン発電については、現在既に商用化されていることもあり技術的な課題は解決されている。しかし、夜間に深夜電力を利用して電動式空気圧縮機により高圧空気を製造するコストは、深夜電力（６〜７円／ｋｗｈ）は昼間電力（２３〜２４円／ｋｗｈ）よりも安価ではあるが、圧縮機の効率が低くコスト面の課題がある。このために低コストで空気を圧縮する空気圧縮方法の開発が必要である。

このため、海水と淡水間等の浸透圧の自然エネルギーを利用して圧縮空気を製造・貯蔵し、電力需要が多い時間帯に貯蔵した圧縮空気をガスタービン発電機の燃焼用空気として供給し、ピーク電力を供給するガスタービン発電機システムが提供できれば経済的に大きいメリットがある。
本発明は、浸透圧式空気圧縮システムの持つ、低コストでの圧縮性能と、ピーク負荷時に発電をして電力を供給する圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機あるいは圧縮空気貯蔵膨張タービン発電機とをハイブリッド化させることにより、経済効率の高いタービン発電システムを提供するものである。

半透膜を介しその両側に水室Ａ・水室Ｂを配し、水室Ａに低塩分濃度の液体ｘ、水室Ｂには高塩分濃度の液体ｙが入った浸透圧室部および水室Ｂの出口側に設けられたガス圧縮室部により構成された浸透圧式ガス圧縮システムと、
ガス圧縮室部出口側に設けた圧縮空気貯蔵タンクと、
圧縮空気を使用するタービン発電機システムとからなり
浸透圧式ガス圧縮システムにより製造し、圧縮空気貯蔵タンクに貯蔵した圧縮空気によりタービン発電機システムを駆動させて発電する浸透圧式圧縮空気貯蔵タービン発電機システム（請求項１）

請求項１に示す浸透圧式圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機システムにおいて、
液体ｘを淡水、液体ｙを海水とする海水・淡水浸透圧式圧縮空気貯蔵タービン発電機システム（請求項２）

請求項１に示す浸透圧式圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機システムにおいて、
液体ｘを海水、液体ｙを高塩分濃度海水とする海水・高塩分濃度海水浸透圧式圧縮空気貯蔵タービン発電機システム（請求項３）

請求項３に示す海水・高塩分濃度海水浸透圧式圧縮空気貯蔵タービン発電機システムにおいて、
浸透膜式海水淡水化装置を備え、
液体ｘを海水、液体ｙを浸透膜式海水淡水化装置から排出される高塩分濃度海水を使用できるようにハイブリッド化した海水・高塩分濃度海水浸透圧式圧縮空気貯蔵タービン発電機システム（請求項４）

請求項１，２，３，４に示す浸透圧式圧縮空気貯蔵タービン発電機システムにおいて、
浸透圧式ガス圧縮システムの圧縮空気貯蔵タンク（低圧用）出口側に電動式空気圧縮機と圧縮空気貯蔵タンク（高圧用）を備え、
浸透圧式ガス圧縮システムにより製造された圧縮空気貯蔵タンクの圧縮空気を、深夜等の安価な時間帯の電力を利用してさらに高圧化して圧縮空気貯蔵タンク（高圧用）に貯蔵し、
昼間等のピーク電力の発生時間帯に圧縮空気貯蔵タンク（高圧用）に貯蔵した圧縮空気をタービン発電機システムの駆動用空気として供給する浸透圧式圧縮空気貯蔵タービン発電機システム（請求項５）

請求項４，５に示す浸透膜式海水淡水化装置と海水・高塩分濃度海水浸透圧式圧縮空気貯蔵タービン発電機システムとのハイブッリドシステムにおいて、
浸透膜式海水淡水化装置、淡水貯蔵タンク、浸透圧式空気圧縮システム、圧縮空気貯蔵タンク、電動式空気圧縮機、タービン発電機システム等を一隻の船に積載した海水・高塩分濃度海水浸透圧式圧縮空気貯蔵タービン発電機システム（請求項６）

請求項１〜６に記載する浸透圧式圧縮空気貯蔵タービン発電機システムにおいて、
タービン発電機は圧縮空気と燃料を燃焼させた燃焼ガスによりタービンと発電機を駆動する空気貯蔵ガスタービン発電機システムからなり、
浸透圧式空気圧縮システムにより製造されて圧縮空気貯蔵タンクに貯蔵した圧縮空気をガスタービン発電機の燃焼用空気として使用する浸透圧式圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機システム

請求項１〜６に記載する浸透圧式圧縮空気貯蔵タービン発電機システムにおいて、
タービン発電機システムは圧縮空気の膨張力によりタービンと発電機を駆動する空気膨張タービン発電機システムからなり、
浸透圧式空気圧縮システムにより製造されて圧縮空気貯蔵タンクに貯蔵した圧縮空気を空気膨張タービン発電機の駆動用空気として使用する浸透圧式圧縮空気貯蔵膨張タービン発電機システム

請求項１、請求項２、請求項７に示す、液体ｘとして淡水，液体ｙとして海水を使用する、海水・淡水浸透圧式圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機システムは、自然エネルギーである淡水と海水間の浸透圧を利用して製造した低コストの圧縮空気を、ガスタービン発電機の燃焼用空気として供給できる。このため、ガスタービン発電機の燃焼用空気を圧縮するために必要な圧縮機による動力損失を大幅に減少させることが可能となり、ガスタービン発電機の発電効率を大幅に向上させる効果がある。
また、昼夜間を通して浸透圧空気圧縮システムで製造する圧縮空気を一旦貯蔵タンクに貯蔵しておき、昼間時の電力負荷がピークの時間帯にガスタービン発電機の駆動に使用できるために、電力ピークカット運用ができ、その経済的な効果は大きい。

請求項１、請求項３、請求項７に示す、液体ｘとして海水，液体ｙとして高塩分濃度海水を使用する海水・高塩分濃度海水浸透圧式圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機システムの海水・高塩分濃度海水浸透圧式空気圧縮システムにおいては、高塩分濃度海水と通常海水間の塩分濃度差を利用して製造した低コストの圧縮空気をガスタービン発電機の燃焼用空気として供給できる。このため、ガスタービン発電機の燃焼用空気を圧縮するために必要な圧縮機による動力損失を大幅に減少させることが可能となり、ガスタービン発電機の発電効率を大幅に向上させる効果がある。また、海水・淡水浸透圧式圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機システムと同様にピーク電力カット効果を持つ。

請求項１、請求項３、請求項７に示す海水・高塩分濃度海水浸透圧式圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機システムは、請求項４に示すように浸透膜式海水淡水化装置から排出される高塩分濃度海水を利用して通常の海水との間でも海水・高塩分濃度海水浸透圧式空気圧縮システムを動作させることが可能である。このため、淡水が得られない地域に浸透膜式海水淡水化装置と海水・高塩分濃度海水浸透圧式圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機システムを設置することにより、淡水を得ると共に、高塩分濃度海水と海水との間で海水・高塩分濃度海水浸透圧式圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機システムにより発電をして電力を供給することができる効果がある。ガスタービン発電機で発電した電気の一部は浸透膜式圧縮空気製造システムの所内動力としても使用することができる。

浸透圧式空気圧縮システムは従来の電動機式空気圧縮機と併用可能である。電動式空気圧縮機の利点は安価な深夜電力を利用できることであり、浸透膜式圧縮空気製造システムのみでは貯蔵する圧縮空気量が不足する場合は電動式空気圧縮機を並列にして設置し、貯蔵空気をさらに高圧に加圧して貯蔵する場合には請求項５に示すように電動式空気圧縮機を直列に設置して運用することにより、浸透圧式圧縮空気貯蔵タービン発電機システム全体を経済的に運用ができる効果がある。

請求項６に示すように、浸透膜式海水淡水化装置、淡水貯蔵タンク、浸透圧式空気圧縮システム、圧縮空気貯蔵タンク、電動式空気圧縮機、ガスタービン発電機システム等をハイブッリド化して一隻の船に積載することにより、システム全体としての移動や係留が可能となる。この結果、洋上、離島や護岸に係留することにより、電力を自家発電しながら海水から大量の淡水を製造することが可能となり、民生用、工業用、農業用、灌漑用、資源開発等の広範囲の用途に使用できる効果が生じる。

請求項１、請求項２、請求項８において、液体ｘとして淡水，液体ｙとして海水を使用する浸透圧式圧縮空気貯蔵膨張タービン発電機システム、
および請求項１、請求項３、請求項４、請求項８において、液体ｘとして海水，液体ｙとして高塩分濃度海水を使用する海水・高塩分濃度海水浸透圧式圧縮空気貯蔵膨張タービン発電機システムは、
発電出力は小さいが、化石エネルギーを使用しないので、燃料補給の困難な地域での電源として利用できる効果がある。また、環境負荷の少ない自立型発電設備として、環境保護が必要な場所の自然エネルギー利用電源として使用できる効果がある。

請求項６に示すように、浸透膜式海水淡水化装置、淡水貯蔵タンク、浸透圧式空気圧縮システム、圧縮空気貯蔵タンク、電動式空気圧縮機、空気膨張タービン発電機システム等をハイブッリド化して一隻の船に積載することにより、システム全体としての移動や係留が可能となる。この結果、洋上、離島や護岸に係留することにより、電力を自家発電しながら海水から大量の淡水を製造することが可能となり、民生用、工業用、農業用、灌漑用、資源開発等の広範囲の用途に使用できる効果が生じる。

本発明は、主として海水・淡水間、あるいは海水・高塩分濃度海水間で浸透圧式空気圧縮システムを動作させ、製造された圧縮空気によりガスタービン発電機や膨張式タービン発電機を駆動して発電するものである。以下、その動作原理と具体的な実施例について示す。

図１は本発明の代表的な実用的な実施例として、動作液体として液体ｘを淡水ａ、液体ｙを海水ｂとした、海水・淡水浸透圧式圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機システム４００の基本システム構成を示す。主要部は浸透圧室部１００、空気圧縮部１０１、圧縮空気貯蔵タンク部１０２、 ガスタービン発電機システム部２００と、必要に応じて電動式空気圧縮機１０３から構成されている。浸透圧室部１００と空気圧縮部１０１は海水・淡水浸透圧式空気圧縮システム１１０を構成し、図１は３基の海水・淡水浸透圧式空気圧縮システム１１０と１基のガスタービン発電機システム部２００とで海水・淡水浸透圧式圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機システム４００を構成している。以下各部の機能について説明する。

海水・淡水浸透圧式空気圧縮システム１１０において、水室Ａ１の海水ｂと水室Ｂ２の淡水ａ間の浸透圧を利用して、半透膜３を透過して水室Ｂ２の海水ｂ中に移動した淡水ａにより空気圧縮部１０１に密閉された空気ｇを圧縮して圧縮空気ｈを製造する。
海水・淡水浸透圧式空気圧縮システム１１０の動作では空気の圧縮に要する動力は不要で、海水ｂと淡水ａの供給があれば昼夜間を問わず、年間を通して一定負荷で運転することができる。
図８，９により海水・淡水浸透圧式空気圧縮システム１１０の動作工程について簡潔に説明する。

図８（ａ）は空気の吸気工程を示す。当初、海水系統の水室Ｂ入口弁８、水室Ｂ出口弁９、空気圧縮室水ブロー弁２３は開とする。ポンプＢ７を起動して、海水ｂは水室Ｂ２、空気圧縮室２０に入り、空気圧縮室水ブロー弁２３から排出される。
空気圧縮室２０の最低水位（ＬＷＬ）以上まで海水ｂが入った状態にして、空気圧縮室水ブロー弁２３、水室Ｂ入口弁８・水室Ｂ出口弁９を閉止し、ポンプＢ７も停止する。
その後、空気圧縮室空気入口弁２４を開とし、空気圧縮室水ブロー弁２３から余剰海水をブローしながら空気圧縮室２０の海水レベルを最低水位（ＬＷＬ）にする。この時圧縮する空気ｇはシリンダー内部２１に吸気される。
一方、淡水系統の水室Ａ入口弁５、水室Ａ出口弁６は開とし、淡水ａはポンプＡ４により水室Ａ１に送られる。水室Ａ１に淡水ａを給水した後は、水室Ａ出口弁６を閉止し、ポンプＡ４も停止する。
これで空気の圧縮準備が完了したこととなる。

図８（ｂ）は空気の圧縮工程を示す。当初、浸透圧室部１００の海水ｂと淡水ａは半透膜３を挟んで接しているので、浸透圧により水室Ａ１の淡水ａが水室Ｂ２の中に入ろうとするが、水室Ｂ入口弁８・水室Ｂ出口弁９が閉止されているので淡水ａが水室Ｂ２の中に入ることはできずに、浸透圧のみが発生し、水室Ｂ２の圧力が高くなる。
水室Ｂ出口弁９を開とすると、海水ｂの塩分濃度が高いために淡水ａは半透膜３を透過して水室Ｂ２に入る。水室Ｂ２には海水ｂと淡水ａが入り、塩分濃度が低下した海水ｃの水量が増加してくる。
空気圧縮室２０のシリンダー内２１に海水ｃが流入し始めて水位が上昇すると、空気圧縮室２０のシリンダー２１内部に封入されている空気ｇは圧縮される。シリンダー２１の水位上昇は、海水ｃの塩分濃度の低下ととも遅くなり、浸透圧と逆浸透圧が平衡状態になると停止する。

空気の圧縮圧力Ｐは、シリンダー内部に密封された空気量をＶ、浸透圧により水室Ｂ２に移動した淡水量をＱとすると、下式で表せるが、圧縮圧力Ｐは浸透圧以上にすることはできない。
Ｐ＝Ｖ／（Ｖ−Ｑ）
水室Ｂ２の容積に対する空気圧縮室のシリンダー容積の比は最高圧縮空気圧力、空気圧縮率や空気圧縮速度に関係し、重要な設計条件となる。水室Ｂ２の容積に対する空気圧縮室２１のシリンダー容積の比が小さいと、最高圧縮空気圧力は高くなる、空気圧縮率は大きくなり、空気圧縮速度も早くなる特徴がある。しかし、一工程あたりの圧縮空気製造量が減少する。最適な容積比は必要とする最高圧力、必要とする空気量を考慮して決定すればよい。

海水ｂと淡水ａ間の浸透圧による空気圧縮能力は理論的には浸透圧に相当する２．６ＭＰａとなるが、圧縮工程の最終段階では海水ｃと淡水ａ間の浸透圧となるために、海水ｃの塩分濃度をいくらにするかが浸透圧を決定する主要因となる。また、淡水ａ中の不純物や空気の混入による浸透速度の低下、海水側から淡水ａ側への塩分の移動量の増加等の影響も受ける。
半透膜の耐圧強度は、ＲＯ膜を使用した場合の耐圧強度は５ＭＰａ程度であり、浸透圧による半透膜の耐圧強度が圧縮圧力に与える影響はない。

図９（ｃ）は送気工程を示す。空気の圧縮が完了すれば、空気圧縮室出口弁２５を開として、圧縮空気ｈを圧縮空気貯蔵タンク３０に送る送気工程になる。この際、圧縮ガスｈをさらに冷却して貯蔵する必要があれば、圧縮空気冷却器２９を設けて所定温度まで冷却すればよい。

図９（ｄ）は排水・給水工程を示す。送気工程が完了すると、空気圧縮室出口弁２５を閉止し、水室Ｂ２、空気圧縮室２０内の海水ｃをブローする工程に入る。まず、空気圧縮室水ブロー弁２３を開とし、空気圧縮室２０上部に残った圧縮空気の圧力により海水ｃは押されて、ブロー水ｆとして排出される。
その後も、水室Ｂ２内部や空気圧縮室２０のシリンダー２１の下部には海水ｃが残るために、ポンプＢ７を起動、水室Ｂ入口弁８、水室Ｂ出口弁９を開、空気圧縮室空気入口弁２４を微開として、海水ｃが海水ｂと完全に置換するまで海水ｂを流して、空気圧縮室水ブロー弁２３よりブロー水ｆとして放出する (排水工程) 。
海水置換が完了後、空気圧縮室２０内の海水bの水位がLWL以上になるようにして、空気圧縮室水ブロー弁２３を閉止、水室Ｂ入口弁８、水室Ｂ出口弁９を閉止する（給水工程）。以上の工程を海水系の排水・給水工程と呼ぶ。
淡水系統については特に弁操作を要さず、自然に水室Ａ１に淡水が給水される。

その後、空気圧縮室空気入口弁２４を開、空気圧縮室水ブロー弁２３を微開として、空気圧縮室２０に規定量の空気ｇを導入すると共に、海水ｂの水位がＬＥＬになると空気圧縮室水ブロー弁２３を閉止する。これは圧縮する空気をシリンダー内部に導入する吸気工程（ａ）になる。
排水・給水工程の変形パターンとして、排水・給水工程中に水室Ａ１の淡水ａと水室Ｂ２の海水ｂ間に浸透圧が発生しないように、水室Ａ１・水室Ｂ２ともに海水ｂを入れて排水・置換し、その後の圧縮工程に入ってから水室Ａ１に淡水ａを給水して、海水ｂを淡水ａに置換する方法もある。

図１の海水・淡水浸透圧式空気圧縮システム１１０で製造された圧縮空気ｈは、圧縮空気冷却器２９により冷却して圧縮空気貯蔵タンク３０に蓄えられる。圧縮空気貯蔵部１０２は製造された圧縮空気ｈを一時的に貯蔵タンク３０に蓄えておき、必要時にガスタービン発電機システム２００に供給する役割を持つ。貯蔵タンク３０に必要な貯蔵空気容量はピーク負荷時に運転するガスタービン発電機の発電機出力と運転時間により決まる。

ガスタービン発電機システム部２００では、圧縮空気貯蔵タンク３０に蓄えられた圧縮空気ｈは燃料ｒと共にガスタービンの燃焼室２０１に送られて燃焼し、燃焼ガスｐがタービン本体２０２の翼に吹き付けられてガスタービンが回転し、タービン本体２０２と軸２０４で連結された発電機２０３が回転して発電する。燃料としては重油、灯油、ＮＧ、バイオガス燃料、アルコール等を使用すればよい。
ガスタービンではタービン出力の約２／３が空気の圧縮機動力として使用されるが、本発明のシステムでは、浸透圧式空気圧縮システム１１０で製造した安価な圧縮空気ｈをガスタービン発電機の燃焼用空気として供給して発電することにより、ガスタービン発電機の燃焼用空気圧縮機の動力損失を大幅に減少でき、ガスタービン発電機の発電効率が向上する効果がある。

本発明の浸透圧式圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機システムにおいて、貯蔵すべき圧縮空気ｈの製造量が海水・淡水浸透圧式空気圧縮システム１１０のみでは不足する場合、電動式空気圧縮機１０３を浸透圧式空気圧縮システム１１０と並列に併設し、深夜電力を利用して圧縮空気貯蔵量を多くして、昼間に圧縮空気ガスタービン発電機２００に供給する圧縮空気ｈの量を増加させる方式が有効である。

図１に電動式空気圧縮機１０３を設置したシステム構成を示す。深夜電力等の安価な時間帯の電力を利用して、不足する圧縮空気ｈを製造しておき、圧縮空気貯蔵タンク３０に蓄えるためのシステム構成である。
夏季や冬季の昼間ピーク電力の増加は、春や秋の中間期と比較して大きいために、海水・淡水浸透圧式空気圧縮システム１１０は年間を通して運用する最低限の設備容量とし、夏季や冬季の電力ピーク分が大きい時期の圧縮空気製造装置としては、ランニングコストは高いが設備コストの安い電動式空気圧縮機１０３を設置する方が、システム全体的を経済的にすることができる。

現在実用化されている圧縮空気貯蔵ガスタービン発電所としてはドイツのフントルフ発電所（２９０ＭＷ）や米国のマッキントッシュ発電所（１１０ＭＷ）がある。
国内では財団法人新エネルギー財団が２ＭＷのパイロットプラントで試験を行っており、貯蔵空気圧力は４〜８ＭＰａで、４ＭＰａ⇔８ＭＰａ間で圧縮空気の貯蔵と供給を行っている。
本発明の海水・淡水浸透圧式圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機システムにおいて、圧縮空気貯蔵タンク容積３０をさらに小型化するならば、海水・淡水浸透圧式空気圧縮システムで圧縮した空気をさらに圧縮して高圧化して貯蔵する必要がある。

浸透圧式空気圧縮システムでは２．６ＭＰａが理論上の上限で、４〜８ＭＰａへの加圧は困難なために、４〜８ＭＰａへ加圧する場合には、図２に示すように、第一段の圧縮は浸透圧式空気圧縮システム１１０で２ＭＰａ程度へ圧縮し、第二段の圧縮は深夜電力を利用した電動式空気圧縮機１０３で２→４〜８ＭＰａへ加圧する必要がある。このため、圧縮空気貯蔵タンクも低圧用と高圧用を設置し、圧縮空気貯蔵タンク（低圧用）３０へは常時浸透圧式空気圧縮システムで圧縮した空気を供給し、圧縮空気貯蔵タンク（高圧用）３４へは深夜電力を利用して、電動式空気圧縮機１０３で圧縮空気貯蔵タンク（低圧用）３０の圧縮空気をさらに圧縮して貯蔵することになる。

海水・淡水浸透圧式空気圧縮システム１１０においては、動作流体は海水ｂと淡水ａに限定されるものできない。浸透圧現象は濃度の異なる液体間の濃度差によるものであり、濃度差が異なれば浸透圧が発生する。このため、動作液体ｘとして海水ｂ、ｙとして高塩分濃度海水（海水ｄと言う）を使用し、両液体間の塩分濃度差を利用して空気圧縮室で圧縮空気を製造し、この圧縮空気を使用する圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機システムを構成することができる。

図３に海水・高塩分濃度海水浸透圧式圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機システム４１０を示す。
設備面については、図１の淡水ａの配管系統が図３では海水ｂの配管系統に、図１の海水ｂの配管系統が図３では高塩分濃度海水ｄの配管系統に変更されるが、空気圧縮室１０１、圧縮空気貯蔵部１０２、電動式空気圧縮機１０３、ガスタービン発電機システム２００の設備面の変更点はない。

動作原理は淡水・海水浸透圧式圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機システム４００と基本的には同様である。
圧縮工程では、淡水・海水浸透圧式と同様に水室Ａ出口弁９を閉止して運用することも可能である。しかしこの水室運用方法では、水室Ａに入る海水ｂは浸透圧により淡水分が高塩分濃度水室Ｂ２に移動するために水室Ａの海水の塩分濃度が高くなり、それに伴い水室Ａ，Ｂ間の塩分濃度差が小さくなり浸透性能が低下してゆく。
これを防止するために、水室Ａの弁８，９は常時開にしておき、新しい海水ｂを常時供給する運転方法を採用することにより、水室Ａ１と高塩分濃度の水室Ｂ２間の浸透性能を低下させずに運用することができる。この場合、水室Ａ１を正圧にする必要があるために、常時ポンプＡ４を運転しておくことになる。

図５に、浸透膜式海水淡水化装置３００と海水・高塩分濃度海水浸透圧式圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機システム４１０（１２０，２００により構成）を併設してハイブッリド化したシステム構成を示す。このシステムでは、浸透圧式空気圧縮システム１００の動作液体として浸透膜式海水淡水化装置３００から排出される海水ｄ（高濃度海水）と海水ｂを使用して浸透圧式空気圧縮システム１００を動作させて、圧縮空気ｈを製造する。圧縮空気ｈは圧縮空気貯蔵タンク１０２に貯蔵し、圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機システム２００に送られて燃焼室２０１で燃料ｒと燃焼し、ガスタービン本体２０２と発電機２０３を回転させて発電する。発電した電力は浸透膜式海水淡水化装置３００や海水・高塩分濃度海水浸透圧式圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機システム４１０の所内電力として使用すると共に、余剰電力は電力系統に供給する。

浸透膜式海水淡水化装置からは塩分濃度が約２倍となった海水ｄが排出される。この海水ｄは直接放流すると動植物の生態系や環境に悪影響を及ぼすために、海水ｂで希釈して放流されている。
しかし、浸透膜式海水淡水化装置３００と海水・高濃度海水浸透圧型圧縮空気ガスタービン発電型発電機システム４１０とのハイブッリドシステムからブロー水ｆとして放流される海水ｅの塩分濃度は、海水ｂよりは高いものの海水ｄよりも低くなり、放流の影響も緩和される。

浸透膜式海水淡水化装置３００と海水・高濃度海水浸透圧式圧縮空気ガスタービン発電型発電機システム４１０とをハイブリッド化して設置することにより、飲料水と電力の双方が得られるようになる。この発電方式は淡水を必要としないために、民生用や軍事用の海上基地、船舶用、臨海地等、多種の用途に使用できる可能性がある。

一例として、沖縄県北谷町宮城に設置された海水淡水化装置を使用してハイブリッド化が可能な海水・高濃度海水浸透圧型圧縮空気ガスタービン発電型発電機システム４１０の発電容量について試算した。
空気1ｍ^３を圧縮するのに必要な水量は1ｍ^３である。海水ｂと海水ｄが１：１で混合するまで圧縮すると仮定すると、空気1ｍ^３を圧縮するのに必要な海水ｄは1ｍ^３となる。沖縄県北谷町宮城に設置された海水淡水化装置から排出される海水ｄの量は60,000ton/dayのために、60,000ｍ^３/dayの空気を圧縮することができる。
財団法人新エネルギー財団の２ＭＷのＣＡＥＳ−Ｇ／Ｔのパイロットプラント場合、貯蔵空気容量約1,600ｍ^３で、８ＭＰａ→４ＭＰａまで減圧して2,000kWで４時間発電できるとしている。このために使用する空気量は大気圧状態に換算すると以下のように64,000ｍ^３となる。
1,600ｍ^３×（80−40）＝64,000ｍ^３
60,000ton/dayの海水ｄでは、海水ｄの利用率を７０％と仮定すると、
60.000ｍ^３／（1,600ｍ^３×40）×2,000ｋＷ×0.7＝1,313ｋＷ
以上より、沖縄県北谷町宮城に設置された海水淡水化装置では約1,300ｋＷのガスタービンを約４時間発電可能な圧縮空気の製造が可能と推定される。

図６に浸透膜式海水淡水化装置３００、淡水貯蔵タンク３０４、浸透圧式空気圧縮システム１００、圧縮空気貯蔵タンク１０２、圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機システム２００等を一隻の船に積載した海水・高塩分濃度浸透圧式圧縮空気ガスタービン発電機システム４１０と浸透膜式海水淡水化装置３００とのハイブッリドシステムを示す。ガスタービンの燃料ｒを燃料タンク２０５に補給すれば、飲料水を供給できると共に高効率発電により電力供給を行える。
海上移動をして海岸に係留ができるために、僻地に設置した大型プラントの工事用電源船、電源設備のない原料工場用電源船等として使用できる。また、洋上、離島や砂漠の多い地域などでも、水と電力の利用ができる設備になる。

図４に海水・淡水浸透圧式圧縮空気貯蔵膨張タービン発電機システム５００の基本システムの構成を示す。浸透圧式空気圧縮システム１１０により圧縮空気ｈを製造して、圧縮空気ｈを圧縮空気貯蔵タンク１０２に貯蔵するまでのシステム構成や動作は海水・淡水浸透圧式圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機システム４００と同じである。
圧縮空気貯蔵タンク３０に貯蔵した圧縮空気ｈを空気膨張タービン２１１に供給して、軸２０４で連結された発電機２０３を駆動することにより発電し、燃料を必要とせずに発電することができる。このため、浸透圧式圧縮空気貯蔵膨張タービン発電機システム５００は、発電出力は小さいが、化石エネルギーを使用しない環境負荷の少ない自立型の発電設備として利用できる効果がある。

図７に示す内陸部の塩水湖５０５での塩水・淡水浸透圧式圧縮空気貯蔵膨張タービン発電機システム５００の使用例を示す。雪解け水の淡水５０４を集めて淡水導水配管５０３を通して水車発電機５０１で発電をし、仕事をした淡水５０４を集めて淡水タンク５０２に貯蔵する。この淡水と塩水湖５００の塩水との間の浸透圧を利用して塩水・淡水浸透圧式圧縮空気貯蔵膨張タービン発電機システム５００を運転することができる。
このような塩水・淡水浸透圧式圧縮空気貯蔵膨張タービン発電機システム５００は化石燃料が手に入らない、燃料輸送の困難な大陸の内陸部での小規模発電設備として使用することができる。

海水・淡水浸透圧式圧縮空気貯蔵膨張タービン発電機システム５００の動作流体を海水ｂと高塩分濃度海水ｄにして使用することも可能であり、高塩分濃度海水の供給源を浸透膜式海水淡水化装置３００からの高塩分濃度海水ｄを使用すればよい。
この場合も、浸透膜式海水淡水化装置３００と高塩分濃度海水浸透圧式圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機システム５１０を併設してハイブッリド化し、一隻の船に積載して移動可能なシステムにすることが可能であり、洋上や離島の居住施設用として適用できる。

本発明の代表的な実施例である海水・淡水浸透圧式圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機システム構成図である。 本発明の電動式空気圧縮機により高圧化した圧縮空気を貯蔵して発電する海水・淡水浸透圧式圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機システム構成図である。 本発明の代表的な実施例である海水・高塩分濃度海水浸透圧式圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機システム構成図である。 本発明の海水・淡水浸透圧式圧縮空気貯蔵膨張タービン発電型発電機システム構成図である。 本発明の浸透膜式海水淡水化装置と浸透圧式圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機システムとをハイブッリド化したシステム構成図である。 本発明の浸透膜式海水淡水化装置と浸透圧式圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機システムとのハイブッリドシステムを船に積載した模式図である。 本発明の海水・淡水浸透圧式圧縮空気貯蔵膨張タービン発電型発電機システムを内陸部の塩水湖での電源としての実施例を示す図である。 浸透圧式圧縮空気製造システムの動作原理図１である。 浸透圧式圧縮空気製造システムの動作原理図２である。

符号の説明

１ 水室Ａ
２ 水室Ｂ
３ 半透膜
４ ポンプＡ（ＰＡ）
５ 水室Ａ入口弁
６ 水室Ａ出口弁
７ ポンプＢ（ＰＢ）
８ 水室Ｂ入口弁
９ 水室Ｂ出口弁
１０ 水室Ｂブロー弁
１５ 水室Ａ連絡配管
１６ 水室Ａ連絡弁
２０ 空気圧縮室
２１ 空気圧縮室シリンダー
２２ 空気圧縮室水入口逆止弁
２３ 空気圧縮室水ブロー弁
２４ 空気圧縮室空気入口弁
２５ 空気圧縮室圧縮空気出口弁
２６ 空気圧縮室圧縮空気出口逆止弁
２７ 空気圧縮室ピストン
２８ 空気圧縮室冷却水配管
２９ 圧縮空気冷却器
３０ 圧縮空気貯蔵タンク（低圧用）
３１ 圧縮空気貯蔵タンク入口弁
３２ 圧縮空気貯蔵タンク出口弁
３３ 圧縮空気貯蔵タンクブロー弁
３４ 圧縮空気貯蔵タンク（高圧用）
１００ 浸透圧室部
１０１ 空気圧縮部
１０２ 圧縮空気貯蔵タンク部
１０３ 電動式空気圧縮機
１１０ 海水・淡水浸透圧式空気圧縮システム（１００，１０１により構成）
１２０ 海水・高塩分濃度海水浸透圧式空気圧縮システム（１００，１０１により構成）
２００ ガスタービン発電機システム
２０１ ガスタービン発電機燃焼室
２０２ ガスタービン本体
２０３ 発電機
２０４ ガスタービン発電機連結軸
２０５ ガスタービン用燃料タンク
２１０ 空気膨張タービン発電機システム
２１１ 膨張タービン本体
３００ 浸透膜式海水淡水化装置
３０１ 海水淡水化装置海水室
３０２ 海水淡水化装置淡水室
３０３ 海水淡水化装置半透膜
３０４ 淡水タンク
３０７ 海水淡水化装置海水室入口弁
３０８ 海水淡水化装置海水室出口弁
３０９ 海水淡水化装置海水ブロー弁
３１０ 海水淡水化装置淡水室出口弁
４００ 海水・淡水浸透圧式圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機システム
４１０ 海水・高塩分濃度海水浸透圧式圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機システム
５００ 海水・淡水浸透圧式圧縮空気貯蔵膨張タービン発電機システム
５０１ 水車発電機
５０２ 淡水タンク
５０３ 淡水導水配管
５０４ 雪融け水
５０５ 塩水湖
５１０ 海水・高塩分濃度海水浸透圧式圧縮空気貯蔵膨張タービン発電機システム

ａ 淡水
ｂ 海水（通常の海水）
ｃ 海水（淡水で塩分濃度が薄くなった海水）
ｄ 海水（高塩分濃度の海水）
ｅ 海水（海水で塩分濃度が薄くなった高塩分濃度の海水）
ｆ 海水系のブロー水
ｇ 大気状態の空気
ｈ 圧縮空気（ｈ１：低圧空気、ｈ２：高圧空気）
ｉ 冷却水（ｉ１：冷却水入口 ｉ２：冷却水出口）
ｊ 海水（海水中の水分が浸透圧により移動し、塩分濃度が濃くなった海水）
ｐ 燃焼ガス
ｑ 排気ガス
ｒ ガスタービン燃料
ｘ 低塩分濃度液体
ｙ 高塩分濃度液体

Claims (8)

1. 半透膜を介しその両側に水室Ａ・水室Ｂを配し、水室Ａに低塩分濃度の液体ｘ、水室Ｂに高塩分濃度の液体ｙが入った浸透圧室部および水室Ｂの出口側に設けられた空気圧縮室部により構成された浸透圧式空気圧縮システムと、
   圧縮空気を貯蔵する圧縮空気貯蔵タンク部と、
   圧縮空気を使用するタービン発電機システムとからなり、
   浸透圧式空気圧縮システムにより製造し、圧縮空気貯蔵タンクに貯蔵した圧縮空気によりタービン発電機システムを駆動させて発電することを特徴とする浸透圧式圧縮空気貯蔵タービン発電機システム
   
2. 請求項１に記載する浸透圧式圧縮空気貯蔵タービン発電機システムにおいて、
   液体ｘを淡水、液体ｙを海水とすることを特徴とする海水・淡水浸透圧式圧縮空気貯蔵タービン発電機システム
   
3. 請求項１に記載する浸透圧式圧縮空気貯蔵タービン発電機システムにおいて、
   液体ｘを海水、液体ｙを高塩分濃度海水とすることを特徴とする海水・高塩分濃度海水浸透圧式圧縮空気貯蔵タービン発電機システム
   
4. 請求項３に記載する海水・高塩分濃度海水浸透圧式圧縮空気貯蔵タービン発電機システムにおいて、
   浸透膜式海水淡水化装置を備え、
   液体ｘを海水、液体ｙを浸透膜式海水淡水化装置から排出される高塩分濃度海水を使用するようにハイブリッド化したことを特徴とする海水・高塩分濃度海水浸透圧式圧縮空気貯蔵タービン発電機システム
   
5. 請求項１，２，３，４に記載する浸透圧式圧縮空気貯蔵タービン発電機システムにおいて、
   浸透圧式空気圧縮システムの圧縮空気貯蔵タンク（低圧用）出口側に電動式空気圧縮機を備え、
   浸透圧式空気圧縮システムにより製造された圧縮空気貯蔵タンク（低圧用）の圧縮空気を、安価な時間帯の電力を利用して電動式空気圧縮機でさらに高圧化して圧縮空気貯蔵タンク（高圧用）に貯蔵し、
   ピーク電力の発生時間帯に、圧縮空気貯蔵タンク（高圧用）に貯蔵した圧縮空気をタービン発電機システムの駆動用空気として供給することを特徴とする浸透圧式圧縮空気貯蔵タービン発電機システム
   
6. 請求項４，５に示す浸透膜式海水淡水化装置と海水・高塩分濃度海水浸透圧式圧縮空気貯蔵タービン発電機システムとのハイブッリドシステムにおいて、
   浸透膜式海水淡水化装置、淡水貯蔵タンク、浸透圧式空気圧縮システム、圧縮空気貯蔵タンク、電動式空気圧縮機、タービン発電機システム等を一隻の船に積載したことを特徴とする海水・高塩分濃度海水浸透圧式圧縮空気貯蔵タービン発電機システム
   
7. 請求項１〜６に記載する浸透圧式圧縮空気貯蔵タービン発電機システムにおいて、
   タービン発電機は圧縮空気と燃料を燃焼させた燃焼ガスによりタービンと発電機を駆動するガスタービン発電機システムからなり、
   浸透圧式空気圧縮システムにより製造され、圧縮空気貯蔵タンクに貯蔵した圧縮空気をガスタービン発電機の燃焼用空気として使用することを特徴とする浸透圧式圧縮空気貯蔵ガスタービン発電機システム
   
8. 請求項１〜６に記載する浸透圧式圧縮空気貯蔵タービン発電機システムにおいて、
   タービン発電機システムは圧縮空気の膨張力によりタービンと発電機を駆動する膨張タービン発電機システムからなり、
   浸透圧式空気圧縮システムにより製造され、圧縮空気貯蔵タンクに貯蔵した圧縮空気を膨張タービン発電機の駆動用空気として使用することを特徴とする浸透圧式圧縮空気貯蔵膨張タービン発電機システム
   

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