JP2013181501A - 浸透圧発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】浸透圧発電システムの発電効率を高める。
【解決手段】半透膜１３と、半透膜１３の一方の膜面側に形成され、海水淡水化プラント３１で海水を淡水化時に生成された濃縮海水１４が供給される高濃度水区画１５と、前記半透膜１３の他方の膜面側に形成され、濃縮海水１４よりも濃度が低い低濃度水１６が供給される低濃度水区画１７とを有する半透膜装置１２と、タービン１９を回転させて発電する発電機１８を備える。高濃度水区画１５に供給される濃縮海水１４に、製塩プラント４１で塩を製塩する工程で副産物として生成された塩化マグネシウムを主要成分とする苦汁２５を添加する。
【効果】高濃度水として苦汁２５を添加した濃縮海水１４を用いるので、浸透圧エネルギーが飛躍的に高くなる。濃縮海水３２，４２による海洋生態系への影響も低減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、浸透圧を飛躍的に高めると共に、海水淡水化プラント及び製塩プラントと組み合わせることにより、濃縮海水による海洋生態系への影響も低減できる浸透圧発電システムに関する。

半透膜を介して例えば海水と淡水を接触させると、淡水側の水分子が半透膜を透過して海水側に移動し、海水側の区画の水位が淡水側の区画の水位よりも高くなる。この水位差に相当する静水圧が浸透圧であり、海水と淡水の間では約２．５ＭＰａの浸透圧が得られる。

浸透圧発電は、上記のような塩分濃度差から生じる浸透圧を利用し、水流発電機のタービンを回転させて発電するものであり、自然エネルギーを利用した発電方式の一つとして従来から提案されている。

例えば、特許文献１の浸透圧発電システムは、海水淡水化装置から排出される濃縮海水を有効利用することを目的としている。この濃縮海水は塩分濃度が約７％であり、通常の海水の塩分濃度が約３．５％であることと比較すると、塩分濃度が約２倍に濃縮されている。そのため、半透膜を介して濃縮海水と淡水と接触させた場合、約６ＭＰａの浸透圧が得られる。

しかしながら、従来の浸透圧発電システムには、次の（１）〜（３）の課題があった。

（１）発電効率が低いこと
従来の浸透圧発電システムの発電コストは、例えば１４〜１８円／ＫＷｈ程度にとどまっている。これは風力発電と比較すると同程度、太陽光発電と比べると半分以下の発電コストであるから、浸透圧発電は、自然エネルギー発電の中では比較的優位性を保っていると言うことができる。また、浸透圧エネルギーを利用するので、風力や太陽光のように天候に左右されないという有利な点もある。

しかし、例えば原子力発電の発電コストが５．３円／ＫＷｈであることや、石油による火力発電の発電コストが１０．７円／ＫＷｈであることと比較すると、何れの自然エネルギー発電も、発電コストが高く、普及が進んでいないのが現状である。よって、浸透圧発電に関しても、発電効率を更に向上することが課題となっている。

（２）塩の漏出による濃度分極により半透膜の膜透過流量が低下すること
従来の浸透圧発電システムは、専用の半透膜を使用するのではなく、例えば海水淡水化プラントなどで使われている逆浸透膜（ＲＯ膜）を利用している。このＲＯ膜は、塩の除去率が９９．６％程度であるから、これを浸透圧発電システムで利用した場合、海水側から淡水側へ僅かではあるが塩が漏出する。そのため、ＲＯ膜の淡水側の表面に塩濃度の高い領域が形成され、この濃度分極によって膜透過流量が著しく低下する。

この濃度分極を防止する手段の一つとして、半透膜の塩除去率を９９．６％よりも高くすることが考えられる。しかし、半透膜の塩除去率を更に高くすると、水の透過率が著しく低下し、また、海水や淡水中の不純物が吸着するファウリングも生じやすくなって、かえって膜透過流量が低下してしまう。よって、浸透圧発電では、半透膜の塩除去率を現状よりも高くすることなく、濃度分極による膜透過流量の低下を防止することが課題となっている。

（３）濃縮海水が海洋生態系に悪影響を及ぼすこと
例えば特許文献２に示すような海水淡水化装置を設置する場合、海水を淡水化する際に同時に生成される濃縮海水をそのまま海洋に排出すると、海洋の生態系に悪影響を及ぼすことが懸念される。特に、波浪や潮流が少ない海域では、排出された濃縮海水が拡散されにくく生態系に影響を及ぼすおそれが高まるため、海水淡水化プラントの建設を困難にしている。そこで、濃縮海水を周辺の海域にそのまま放出しないようにする手段の一つとして、特許文献１では、海水淡水化装置と浸透圧発電システムを並設し、海水淡水化装置から排出される濃縮海水を、浸透圧発電システムで利用することが提案されている。

しかし、特許文献１の方式では、浸透圧発電システムにおいて水流発電機のタービンを回転させた後に排出される濃縮海水の再利用は考慮されていない。浸透圧発電システムから排出される濃縮海水は、半透膜を介して淡水側から水が流入するため、海水淡水化装置から導水された当初の濃度よりは希釈されているが、自然の海水よりは塩濃度が高い場合もあるため、そのまま排出する場合は海洋生態系への影響が懸念される。

また、特許文献１の方式は、海水淡水化装置から副産物として生成される濃縮海水の量が、浸透圧発電システムで利用可能な濃縮海水の量を上回る場合、余剰の濃縮海水は別の手段で希釈する必要がある。

特許第４１６６４６４号公報 特開昭５９−１４７６９１号公報

本発明が解決しようとする問題点は、従来の浸透圧発電システムは、１）発電効率が低い点、２）塩の漏出による濃度分極により半透膜の膜透過流量が低下する点、３）海水淡水化装置と組み合わせる場合でも、浸透圧発電システムから排出される濃縮海水が海洋生態系に悪影響を及ぼすおそれがあり、余剰の濃縮海水が生じた場合は別の手段で希釈する必要がある点である。

本発明は、半透膜を介して接触させる高濃度水と低濃度水の間に生じる浸透圧エネルギーを飛躍的に高めてタービン発電量を増加させ、発電効率を高めて発電コストを低くすることを第１の目的としている。また、濃度分極により半透膜の膜透過流量が低下するのを防止することを第２の目的としている。さらに、浸透圧発電システムから排出される濃縮海水の塩濃度が高い場合や、海水淡水化プラントから副産物として生成される濃縮海水が余剰になった場合でも、これらを有効利用して環境保全対策をより万全にすることを第３の目的としている。

本発明は、上記の目的を達成するためになされたものであって、
半透膜と、前記半透膜の一方の膜面側に形成され、海水淡水化プラントで海水を淡水化時に生成された濃縮海水が供給される高濃度水区画と、前記半透膜の他方の膜面側に形成され、前記濃縮海水よりも濃度が低い低濃度水が供給される低濃度水区画とを有する半透膜装置と、前記低濃度水が前記半透膜を介して前記濃縮海水に浸透することによって生じる浸透圧エネルギーを利用してタービンを回転させて発電する発電機と、を備えた浸透圧発電システムにおいて、
前記高濃度水区画に供給される濃縮海水に、製塩プラントで塩を製塩する工程で副産物として生成された塩化マグネシウムを主要成分とする苦汁を添加することを最も主要な特徴としている。

上記本発明によれば、高濃度水区画に供給される濃縮海水に、製塩プラントで塩を製塩する工程で副産物として生成された塩化マグネシウムを主要成分とする苦汁を添加するので、低濃度水区画に供給される低濃度水との間に生じる浸透圧エネルギーが飛躍的に高まる。

具体的には、濃縮海水（塩分濃度：約７％）と淡水の間の浸透圧は、上述のとおり約６ＭＰａにとどまるが、苦汁を添加することによって主要成分である塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ₂）のモル濃度が例えば５Ｍとなるようにした場合は、約１００ＭＰａの極めて高い浸透圧が得られる。

本発明では、高濃度水として塩化マグネシウムを主要成分とする苦汁を添加した濃縮海水を用いるので、低濃度水との間の浸透圧エネルギーが飛躍的に高くなる。よって、この苦汁によって高められた浸透圧エネルギーを利用して発電機のタービンを回せば、極めて発電効率が高い浸透圧発電システムを実現できる。

また、本発明では、苦汁によって高められた浸透圧エネルギーを利用するので、２価の塩である塩化マグネシウムさえ半透膜を通過しなければ高浸透圧性を維持できる。そのため、仮に塩化マグネシウム以外の塩が僅かに低濃度水側に漏出して濃度分極が生じても、それによる膜透過流量低下の影響は非常に小さなものとなる。

また、本発明では、塩化マグネシウムさえ半透膜を通過しなければ高浸透圧性を維持できるので、逆浸透膜（ＲＯ膜）を用いる必要はない。例えば、ナノ濾過膜（ＮＦ膜）のようにＣａ²⁺、Ｍｇ²⁺などの２価のイオンは透過しにくく、膜透過水量が大きい膜も適用することができる。透過水量が多いほど発電コストは低下するため、現状のＲＯ膜適用よりも大幅に発電コストを低下することができる。このように透水性の高い膜の適用が浸透圧発電の鍵であり、透水性の高い正浸透膜の開発も進められているが、本発明のように分離対象を２価のイオンとすることで、どのような正浸透膜であっても優位性は確保される。そして、例えばＮＦ膜を用いた場合は、逆浸透膜（ＲＯ膜）よりも細孔径が大きいので、不純物の吸着によるファウリングの影響も低減できる。

本発明は、海水淡水化プラントの副産物である濃縮海水を浸透圧発電システムで利用すると共に、この浸透圧発電システムから排出される濃縮海水は製塩プラントで利用するので、濃縮海水による海洋生態系への影響をより一層低減できる。

また、本発明では、海水淡水化プラントから副産物として生成される濃縮海水は、浸透圧発電システムのみならず、製塩プラントでも利用するので、濃縮海水が余剰になることがなく量的バランスが取りやすくなる。

本発明の浸透圧発電システムの全体構成の一例を示す図である。 高濃度水として苦汁を添加した濃縮海水を、低濃度水として淡水を用いる場合の、本発明の半透膜装置の一例を示す図である。 ２５℃における塩化マグネシウム水溶液、塩化カルシウム水溶液、その他の塩水溶液のモル濃度と浸透圧の関係を示したグラフである。 低濃度水として淡水を用いる場合の、浸透圧発電システム、海水淡水化プラント、製塩プラント間の、濃縮海水及び苦汁の循環利用方式を説明する図である。 （ａ）は海水中に塩分が占める割合を示したグラフ、（ｂ）は海水の塩分の組成を示したグラフである。 高濃度水として苦汁を添加した濃縮海水を、低濃度水として海水を用いる場合の、本発明の半透膜装置の一例を示す図である。 低濃度水として海水を用いる場合の、浸透圧発電システム、海水淡水化プラント、製塩プラント間の、濃縮海水及び苦汁の循環利用方式を説明する図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図１〜図７を用いて詳細に説明する。本実施例の浸透圧発電システム１１は、海水淡水化プラント３１及び製塩プラント４１と並設されている。

図１は、本実施例の浸透圧発電システム１１の全体構成図であり、１２は、半透膜１３と、この半透膜１３の一方の膜面側に形成され、濃縮海水１４が供給される高濃度水区画１５と、前記半透膜１３の他方の膜面側に形成され、前記濃縮海水１４よりも濃度が低い低濃度水１６が供給される低濃度水区画１７とを有した半透膜装置を示している。浸透圧発電システム１１は、低濃度水１６側の水分子が半透膜１３を透過して濃縮海水１４側に浸透することによって生じる浸透圧エネルギーを利用し、濃縮海水１４側の流量を増加させて、発電機１８のタービン１９を回転させて発電するものである。

３１は、蒸発法や逆浸透法による海水淡水化プラントである。海水淡水化プラント３１は、海水を加熱して蒸気を発生させ、その蒸気を凝縮して淡水を得る方法や、逆浸透膜（ＲＯ膜）を利用し、海水を高圧でＲＯ膜に送り込んでＲＯ膜の表面から淡水を抽出する方法等により、海水を淡水化するものである。海水淡水化プラント３１では、海水から淡水を生産する際に、塩分濃度が通常の海水に比べて約２倍に濃縮された濃縮海水３２が副産物として生成される。３３は、この副産物として生成された濃縮海水３２を一時的に貯留しておくタンクである。本発明は、この濃縮海水３２を送水ポンプ３４により浸透圧発電システム１１に送水し、高濃度水区画１５において利用するものである。

また、本実施例では、低濃度水１６としては河川や下水処理施設などから送水された淡水を使用している。なお、２０は、半透膜１３におけるファウリングを低減するために不純物を除去する前処理装置を、２１は送水ポンプを、２２はフィルターを、２３は高濃度水１４の圧力を最適な圧力に調節する圧力変換機を示している。

２４は、製塩プラント４１で塩を製塩する工程で副産物として生成された塩化マグネシウムを主要成分とする苦汁２５を水溶液の状態で一時的に貯留しておくタンクである。タンク２４に接続された苦汁用送水管２７は、半透膜装置１２の高濃度水区画１５に濃縮海水１４を供給する送水管２６と接続されており、ここで濃縮海水１４中に苦汁２５が添加される。なお、２８は、分岐管２７に設けた送水ポンプである。

また、４３は、浸透圧発電システム１１から送水された濃縮海水４２を一時的に貯留しておくタンクである。製塩プラント４１は、製塩の際に、発電機１８で浸透圧エネルギーを利用後に排出された濃縮海水４２を利用する。

図２は、図１の半透膜装置１２を模式的に表した図である。図２に示すように、半透膜１３を介して苦汁２５が添加された濃縮海水１４と淡水１６ａを接触させると、淡水１６ａ側の水分子が半透膜１３を透過して高濃度水区画１５側に移動し、高濃度水区画１５側の水位が低濃度水区画１７側の水位より高くなる。

このとき、濃縮海水と淡水の間であれば、浸透圧は約６ＭＰａ程度にとどまるが、本発明は、濃縮海水１４に上述のとおり塩化マグネシウムを主成分とする苦汁２５を添加しているので、高い浸透圧が得られる。

具体的には、図３のグラフに示すように、苦汁の主成分である塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ₂）の水溶液や塩化カルシウム（ＣａＣｌ₂）の水溶液は、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）や塩化カリウム（ＫＣｌ）など他の塩溶液と比較すると、浸透圧が極めて高いものである。例えばモル濃度が５Ｍの塩化マグネシウム水溶液であれば、約１００ＭＰａの極めて高い浸透圧が得られる（１ａｔｍ＝101325Ｐａ）。

そこで、本実施例では、高濃度水区画１５中の塩化マグネシウムのモル濃度が例えば１Ｍとなるように苦汁２５を添加し、濃縮海水１４による約６ＭＰａの浸透圧に、塩化マグネシウムによる約１０ＭＰａの浸透圧を加え、約１６ＭＰａの浸透圧でタービン１９を回転させる。

なお、本実施例では、上記のとおり濃縮海水１４に塩化マグネシウムを主要成分とする苦汁２５を添加したが、図３に示す通り、塩化カルシウムについても塩化マグネシウムとほぼ同程度の高い浸透圧が得られる。そこで、本発明は、高濃度水区画１５に供給される濃縮海水１４に、塩化カルシウムをさらに添加するように構成しても良い。

図４は、低濃度水として淡水１６ａを用いる場合の、浸透圧発電システム１１、海水淡水化プラント３１、製塩プラント４１間の、濃縮海水３２，４２及び苦汁２５の循環利用方式を説明する図である。

先ず、海水淡水化プラント３１は、海水３５（塩分濃度：約３．５％、１０００ｔ）を淡水化して生産水３６（淡水、５００ｔ）を生成する。このとき、副産物として、濃縮海水３２（塩分濃度：約７％、５００ｔ）が生成される。

また、製塩プラント４１は、図５に示すとおり、海水中に約３．５％含まれる塩分中に約７８％含まれる塩化ナトリウム（２７．３ｔ）を生成する。このとき、塩４４（２７．３ｔ）以外に、副産物として、塩分中に約９．６％含まれる塩化マグネシウムを主要成分とする苦汁２５（塩化マグネシウムの量として３．３６ｔ）が生成される。

この濃縮海水３２や苦汁２５は、そのまま周辺海域に排出すると海水の塩分濃度が高まり、生態系への影響が懸念される。

そこで、本実施例は、浸透圧発電システム１１と組み合わせることにより、海水淡水化プラント３１で副産物として生成される濃縮海水３２や、製塩プラント４１で副産物として生成される苦汁２５は、半透膜装置１２の高濃度水区画１５で利用する。よって、本実施例の構成によれば、濃縮海水３２や苦汁２５を有効利用できて、海洋生態系への影響は低減できる。

また、本実施例では、製塩プラント４１は、海水淡水化プラント３１で海水を淡水化時に生成された濃縮海水３２（塩分濃度：約７％、５００ｔ）の内、半分の量（２５０ｔ）と、浸透圧発電システム１１の発電機１８で浸透圧エネルギーを利用後に排出される濃縮海水４２（塩分濃度：約３．５％、５００ｔ）を用いて製塩する。よって、本実施例の構成によれば、浸透圧発電システム１１から排出される濃縮海水４２についても有効利用できて、海洋生態系への影響は低減できる。

また、本実施例では、海水淡水化プラント３１から排出される濃縮海水３２（塩分濃度：約７％、５００ｔ）は、周辺海域に放出せずに、導水管を介して、半分の量（２５０ｔ）を製塩プラント４１に、残りの半分の量（２５０ｔ）を浸透圧発電システム１１の半透膜装置１２の高濃度水区画１５に給水する。よって、本実施例の構成によれば、濃縮海水３２が余剰になることがなく、量的バランスが取りやすくなる。

また、本実施例の浸透圧発電システム１１は、製塩プラント４１との間で所要の量の塩化マグネシウムを循環利用するものである。

すなわち、本実施例では、浸透圧発電システム１１から排出された濃縮海水４２を製塩プラント４１の供給海水として利用する一方、製塩プラント４１の副産物である苦汁２５を浸透圧発電システム１１の高濃度水として利用するので、浸透圧発電システム１１と製塩プラント４１の間で所要の量の塩化マグネシウムを循環利用していることになる。よって、本実施例では、浸透圧発電システム１１において塩化マグネシウムが不足することはなく、循環利用することで濃度調整も容易となる。

具体的には、図４の実施例では、塩化マグネシウムによる浸透圧が１０ＭＰａ得られるよう塩化マグネシウムのモル濃度を１Ｍとするために、海水淡水化プラント１１と製塩プラント４１の間で循環させる塩化マグネシウムの量は２３．８tとしている。浸透圧を更に高くするには、この塩化マグネシウムの循環畳を多くすることで対応可能となる。

このように、本発明は、浸透圧発電システム１１と海水淡水化プラント３１、更には製塩プラント４１を組合せて濃縮海水３２，４２及び苦汁２５を有効に利用することで、周辺海域の環境に負担の少ないシステムを提供できる。また、波浪や潮流の少ない海域であっても海水淡水化プラント３１を建設しやすくなる。

また、本発明では、苦汁２５によって高められた浸透圧エネルギーを利用するので、２価の塩である塩化マグネシウムさえ半透膜を通過しなければ高浸透圧性を維持できる。そのため、仮に塩化マグネシウム以外の塩が僅かに低濃度水側に漏出して濃度分極が生じても、それによる膜透過流量低下の影響は非常に小さなものとなる。

本発明は、前記の実施例に限るものではなく、各請求項に記載の技術的思想の範疇であれば適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

例えば、図２の実施例では低濃度水として淡水１６ａを用いる場合の例を開示したが、この場合、淡水１６ａを河川や下水処理施設等から取水することが必要となり、本システムの設置場所が限定されてしまう。

そこで、本発明においては、図６に示すように、低濃度水区画１７に供給される低濃度水は、海水１６ｂであっても良い。

本発明は、濃縮海水１４に苦汁２５を添加した高濃度水を使用することにより高い浸透圧が得られるので、低濃度水は、必ずしも淡水である必要はなく、海水１６ｂであっても約３Ｍｐ程度の十分に高い浸透圧エネルギーが得られる。このような構成とすれば、河川や下水処理施設がない地域にも、浸透圧発電システム１１を構築できる。

図７は、低濃度水として海水１６ｂを用いる場合の、浸透圧発電システム１１、海水淡水化プラント３１、製塩プラント４１間の、濃縮海水３２，４２及び苦汁２５の循環利用方式を説明する図である。図４との違いは、浸透圧発電システム１１が使用する低濃度水が海水１６ｂになったため、浸透圧発電システム１１から排出される濃縮海水４２の塩濃度が４．７６％と高くなり、質量も７５０ｔに増加している点である。

もっとも、本発明では、浸透圧発電システム１１から排出された濃縮海水４２は製塩プラント４１の供給海水として利用するので、低濃度水として海水１６ｂを用いたために、浸透圧発電システム１１から排出される濃縮海水４２の塩濃度が高くなり質量が増加しても、製塩プラント４１において、塩４４や苦汁２５の生成量が増加するのみである（図７の例では、図４と比較すると、塩化ナトリウムにつき、２７．３ｔ→４０．９５ｔ、塩化マグネシウムにつき、３．３６ｔ→５．０４ｔに増加している。）。

よって、本発明では、低濃度水として海水１６ｂを用いた場合でも、濃縮海水４２による周辺海域の生態系への影響は低減できる。

１１ 浸透圧発電システム
１２ 半透膜装置
１３ 半透膜
１４ 濃縮海水
１５ 高濃度水区画
１６ 低濃度水
１６ａ 淡水
１６ｂ 海水
１７ 低濃度水区画
１８ 発電機
１９ タービン
２５ 苦汁
３１ 海水淡水化プラント
３２ 濃縮海水
４１ 製塩プラント
４２ 濃縮海水

Claims (6)

1. 半透膜と、前記半透膜の一方の膜面側に形成され、海水淡水化プラントで海水を淡水化時に生成された濃縮海水が供給される高濃度水区画と、前記半透膜の他方の膜面側に形成され、前記濃縮海水よりも濃度が低い低濃度水が供給される低濃度水区画とを有する半透膜装置と、前記低濃度水が前記半透膜を介して前記濃縮海水に浸透することによって生じる浸透圧エネルギーを利用してタービンを回転させて発電する発電機と、を備えた浸透圧発電システムにおいて、
   前記高濃度水区画に供給される濃縮海水に、製塩プラントで塩を製塩する工程で副産物として生成された塩化マグネシウムを主要成分とする苦汁を添加することを特徴とする浸透圧発電システム。
2. 前記低濃度水区画に供給される低濃度水は、海水であることを特徴とする請求項１に記載の浸透圧発電システム。
3. 前記製塩プラントは、前記海水淡水化プラントで海水を淡水化時に生成された濃縮海水と、前記発電機で浸透圧エネルギーを利用後に排出される濃縮海水とを用いて製塩することを特徴とする請求項１又は２に記載の浸透圧発電システム。
4. 前記製塩プラントとの間で所要の量の塩化マグネシウムを循環利用することを特徴とする請求項３に記載の浸透圧発電システム。
5. 前記高濃度水区画に供給される濃縮海水に、塩化カルシウムをさらに添加することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の浸透圧発電システム。
6. 前記海水淡水化プラントから排出される濃縮海水は、周辺海域に放出せずに、導水管を介して前記製塩プラントと前記半透膜装置に給水することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の浸透圧発電システム。

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