JP2014118813A - Marine hot water power generation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、海底下熱水を熱源とした地熱発電システムに関するものである。 The present invention relates to a geothermal power generation system using subseafloor hot water as a heat source.
クリーンなエネルギー供給源として太陽光発電、風力発電とともに、地熱発電が注目されている。しかしながら、陸上での地熱発電量は年々増加しているものの、日本国内での最大の地熱発電所でも出力112MWと、原子力発電所の10分の1程度である。また、日本合計でも540MWと、中型の原子炉一基分に過ぎない。 Geothermal power generation is attracting attention as a clean energy supply source along with solar power generation and wind power generation. However, although geothermal power generation on land has been increasing year by year, the largest geothermal power plant in Japan has an output of 112 MW, which is about 1/10 of that of a nuclear power plant. Japan's total is 540 MW, which is just one medium-sized nuclear reactor.
また、既存の陸上での地熱発電は、設置に対して厳しい制限がある。多くの熱源がある国立公園内ではそもそも許可が下りづらく、山林を切り開いて発電所施設を建設するために、周辺自然環境への影響調査をしなければならない。温泉地が近くにあると、そこへの熱源供給への影響について調査しなければならない、等があり。その為、綿密な地質調査の上で建設地の決定、蒸気井、還元井を掘る箇所を決める必要がある。 In addition, existing onshore geothermal power generation has severe restrictions on installation. In the first place, it is difficult to get permission in a national park where there are many heat sources. In order to open up the forest and construct a power plant facility, it is necessary to investigate the impact on the surrounding natural environment. If there is a hot spring area nearby, the effect on the heat source supply to the area must be investigated. For this reason, it is necessary to determine the construction site, the steam well, and the location to dig the reduction well after careful geological survey.
熱源として海洋海底下にある熱水を利用して地熱発電が実現できれば有用であると考える。 We think that it would be useful if geothermal power generation could be realized using hot water under the ocean floor as a heat source.
しかしながら、海洋に発電設備を設置するにあたって様々な問題が発生する。先ず、利用できる熱水は海水を由来とする塩分を含んでいる為、熱水からそのまま蒸気を発生させた場合、蒸気に含まれる塩分が配管や発電タービンの内部構造に腐蝕作用等の無視できない影響を与えることになる。 However, various problems occur when installing power generation facilities in the ocean. First, since the available hot water contains salt derived from seawater, when steam is generated as it is from the hot water, the salt contained in the steam cannot be ignored such as the corrosive action on the internal structure of the piping and power generation turbine. Will have an impact.
発電システムを洋上固定プラットフォーム上に構築する場合、潮汐力、海流、天候等による熱水源との距離の変動が発生せず、配管が容易となるが、その場所の海底深度によってはプラットフォーム建設に膨大なコストが発生する。 When constructing a power generation system on an offshore fixed platform, the distance to the hot water source does not change due to tidal forces, ocean currents, weather, etc., and piping becomes easy. Cost.
洋上浮体プラットフォーム上に構築する場合は、潮汐力、海流、天候等による熱水源との距離の変動を配管により吸収することが困難となる。 When building on an offshore floating platform, it is difficult to absorb the fluctuations in the distance from the hot water source due to tidal forces, ocean currents, weather, etc., with the piping.
また、深海海底面上に発電システムを全て設置する場合、構成機器全てを設置深度に耐えられるようにする為に開発コスト、および構築コストが膨大になる。 Further, when all the power generation systems are installed on the deep sea bottom, the development cost and the construction cost become enormous so that all the components can withstand the installation depth.
塩分を含む熱水を利用して、熱交換により蒸気発生器で純水等の発電媒体を蒸発させ、発電タービンに送り、発電に使用した後の低温低圧蒸気を復水器で凝縮させ、再び蒸気発生器に供給することで、塩分が配管、発電タービンに与える影響を最小限とする。また、蒸気発生器、復水器を海中に、発電タービン本体は低深度海中に設置し、それらを一体として海底に係留し、自体の浮力で鉛直方向の安定を保つ構成とすることで、深度圧力に対する対応開発コストを最小限にし、大きな構築コストが掛かる海上固定プラットフォームの構築も不要とする。(請求項1) Using hot water containing salinity, the power generation medium such as pure water is evaporated by heat exchange by heat exchange, sent to the power generation turbine, and the low-temperature and low-pressure steam used for power generation is condensed by the condenser, and again Supplying to the steam generator minimizes the impact of salinity on piping and power generation turbines. In addition, the steam generator and condenser are installed in the sea, and the power generation turbine body is installed in the sea at a low depth. Corresponding to pressure, the development cost is minimized, and it is not necessary to construct an offshore fixed platform that requires a large construction cost. (Claim 1)
低深度海中に設置した発電タービンと海底の熱水供給口までの距離を利用して、主にその長さによって熱交換面積を確保する単純な管構造を持つ蒸気発生器を構成する。構造を単純にすることで開発コスト、構築コストを抑える。また、熱水を一度上昇させてから熱交換させることによって、熱供給流体と加熱流体を対向流式として熱効率を高める。熱水の供給循環は、熱水の供給圧力、および、上昇する熱水と下降する熱水の温度密度差によって発生する下降熱水側からの負圧によって実現される。(請求項2) A steam generator with a simple tube structure that secures the heat exchange area mainly by its length is constructed by using the distance between the power generation turbine installed in the deep sea and the hot water supply port on the seabed. Reduce development and construction costs by simplifying the structure. In addition, the heat supply fluid and the heating fluid are counterflowed to increase heat efficiency by raising the hot water once and then exchanging heat. The hot water supply circulation is realized by the hot water supply pressure and the negative pressure from the descending hot water side generated by the temperature density difference between the rising hot water and the descending hot water. (Claim 2)
また、上記と同じく復水器についても、海底までの距離を利用して、主にその長さによって熱交換面積を確保する、単純な管構造を持つ構造を採用することで、開発コスト、構築コストを抑える。復水の供給循環は、蒸気発生と復水による圧力差に対して、蒸気発生側と蒸気復水側の復水レベル差を、常に一定に保とうとする重力の働きによって実現される。(請求項3) Similarly to the above, the condenser also uses a structure with a simple tube structure that uses the distance to the seabed to secure the heat exchange area mainly by its length, so that the development cost and construction Reduce costs. Condensate supply circulation is realized by the action of gravity, which always keeps the condensate level difference between the steam generation side and the steam condensate side constant against the pressure difference between the steam generation and the condensate. (Claim 3)
以上の蒸気発生器、復水器、発電タービンを一体として海底に係留することで、潮汐力による海面高度変動による影響を排除できるが、海流および天候等による揺動発生により、熱水供給口との距離が変動することは避けられない。この変動を吸収する為に、蒸気発生器と熱水供給口を含む海底固定部分との接続には柔構造を持つ管で接続するものとする。(請求項4) By mooring the above steam generator, condenser, and power generation turbine together on the seabed, the influence of sea level altitude fluctuations due to tidal forces can be eliminated. It is inevitable that the distance of fluctuates. In order to absorb this variation, the connection between the steam generator and the seafloor fixed part including the hot water supply port is connected with a pipe having a flexible structure. (Claim 4)
図1に発電システム全体構成の概要図を示す。 FIG. 1 shows a schematic diagram of the overall configuration of the power generation system.
発電システムは、海上に浮かぶ蓄電プラント船11、浅海中に設置され、アンカーケーブル31よって海底面から一定距離に係留される発電タービン船12、蒸気復水管22、復水管23、蒸気発生管24、蒸気管25、熱水上昇管28、熱水下降管29、および海底面に固定される熱水供給管26、固形物除去器13、固形物除去器13と熱水上昇管28を接続する柔構造管27、メインアンカー14等からなる。
The power generation system includes a power
但し、陸地が近い場合は蓄電プラント船11を省略して、発電タービン船12から陸上へ送電する構成をとることができる。
However, when the land is close, it is possible to omit the power
発電タービン船12は海上に露出するマンホール21を持つことでメンテナンス作業等で作業員が立ち入ることができる。
Since the power
熱伝達管は蒸気復水管22と蒸気発生管24のみで、他の管は断熱管として構成する。
The heat transfer pipe is only the
柔構造管27について、耐圧強度としては熱水供給管26からの熱水供給圧力に耐えられれば良いので、主に熱水の高温に耐えられる素材のものを使用する。
Since the
海底係留部分全体について、メインアンカー14と海底との間で十分な接地摩擦が得られるように、メインアンカー14を含んだ浮力、自重を調整する。また、海流、天候等による揺動を小さく抑えるためには、上部構造部分の浮力を大きくして、メインアンカーを重くすることが効果的であるが、構造各部に掛かる応力を考慮して最小限に留める。
The buoyancy and its own weight including the
発電タービン船12からメインアンカー14以外に下ろしたアンカーケーブル31は、これも海流、天候等による揺動を抑えるのに効果があるが、その他に地球自転によるコリオリ力を吸収する役目もある。
The
津波等による海面異常下降を考慮して、復水管23、蒸気発生管24の下部は、メインアンカー14からある程度の余裕(装置降下許容限度56)をもってアンカーケーブル31で接続する。海面異常上昇については、蓄電プラント船11が発電タービン船12に乗り上げる等しないように十分な安全距離57をとり、また、船間を結ぶ電力線32、アンカーケーブル31も潮汐力による変動分を考慮して余長を持たせる。
In consideration of abnormal sea level descent due to a tsunami or the like, the lower part of the
海底の熱水供給管26から供給される熱水は、固形物除去器13により固形物を除去される。これは、柔構造管27および熱水上昇管28に固形物が堆積して、管詰まりを発生させないようにする為である。固形物除去器13を通った熱水は、熱水供給管26からの供給圧力、および、熱水下降管29を下る熱水による負圧によって、柔構造管27および熱水上昇管28を上昇する。熱水下降管29に達した熱水は、熱伝達管である蒸気発生管24内部の復水を加熱し、熱交換によってそれ自体は温度を下げながら、熱水下降管29を下降する。熱水下降管29に最下部に達した温度の下がった熱水は、海中に放出する。海中に放出せずに、還元井を掘って海底下に戻す構成も可能であるが、コストを考えて図1の構成例では採用しない。熱水を一度上昇させてから熱交換させるのは、熱供給流体と加熱流体を対向流式として熱効率を高める為である。
Solid water is removed from the hot water supplied from the hot
蒸気発生管24において復水を加熱して発生した蒸気は、蒸気管25を通り、発電タービン船12に至り、発電タービンおよび発電機を回す。発電機を回して得られた電力は、蓄電プラント船11に送り蓄積する。蓄電プラント船11における蓄電方法は指定しないが、電気分解によって得られる水素で、または水素を原料として炭素酸化物を合成して蓄積することが考えられる。発電タービン船12で発電に使用された後の温度の下がった蒸気は、蒸気復水管22においてさらに冷やされて凝縮、液化する。蒸気復水管22は熱伝達管であり周囲の海水によって冷却される。冷却され液化した復水は復水管23を通り、蒸気発生管24に再び供給される。
The steam generated by heating the condensate in the
発電時の蒸気復水管22、復水管23側の復水レベルを低温側復水レベル41、蒸気発生管24、蒸気管25側の復水レベルを高温側復水レベル42とする。この二つの復水レベルの差を復水レベル差54と呼び、高温側蒸気圧と低温側蒸気圧の蒸気圧差を示す。
The condensate level on the
復水系統の管、蒸気復水管22、復水管23、蒸気発生管24、蒸気管25内部の圧力はその海中深度の圧力よりも低くなる。その為、これらの管は負圧に耐えられる圧縮強度を持つ必要がある。少なくとも、低温側復水レベル深度55における海水圧力以上の負圧に耐えられる圧縮強度を管全体で持たせる。
The pressure in the condensate system pipe, the
蒸気発生管上限深度52は、熱水供給管26から供給される熱水温度によって制限される。例えば熱水温度が摂氏200度以上の場合、約16.5気圧程度以上の圧力がなければ沸騰する恐れがある為、155メートル程度以上の深度が必要となる。
The steam generation pipe upper limit depth 52 is limited by the temperature of hot water supplied from the hot
摂氏200度以上の熱水が、深度1000メートルの海底から得られた場合、熱水下降管29の下端を海底から20メートル程度にとるとすると、蒸気発生管24長として最大約825メートル程度を確保できる。しかしながら、蒸気発生管24長を最大長で確保すると、復水レベル差(蒸気圧差)54を約160メートル(約16気圧)程度、発電タービン船12の高さを10メートルと仮定すると、蒸気復水管22長を確保できなくなる。蒸気発生管24長を725メートルとすれば、蒸気復水管22長を85メートル程度確保できる。これらの長さは蒸気復水管22、蒸気発生管24の材質等によって決まる熱伝達率から最適値を決める必要がある。また、長さだけではなく、太さ、本数等で熱伝達量を調整しても良い。
When hot water of 200 degrees Celsius or higher is obtained from the seabed at a depth of 1000 meters, assuming that the lower end of the hot
海洋で発電を実施するのに十分な熱水が得られる深海がある場所は、発電エネルギーの需要地域から遠く離れていると考えるのが妥当である。そこで需要地域までのエネルギー輸送が問題となる。需要地まで最大千数百キロメートルの距離があると仮定すると、送電線での電力供給は設置コスト的にも莫大で、また送電ロスも許容できる範囲に収めるのが難しいと考える。 It is reasonable to consider that the place where there is a deep sea where enough hot water is available to generate electricity in the ocean is far away from the generation energy demand area. Therefore, energy transportation to the demand area becomes a problem. Assuming that there is a distance of up to several thousand kilometers to the demand area, the power supply by the transmission line is huge in terms of installation cost, and it is difficult to keep the transmission loss within an allowable range.
しかしながら、発電した電力によって海水を電気分解して水素等を生成し、2次エネルギーとして需要地まで輸送することで解決できると考える。その為には今後、水素の大量輸送技術の発展によるコスト低減を期待する必要がある。また、水素と二酸化炭素からメタン、メタノール等の炭化水素化合物を効率良く生産できる技術が実用化すれば、火力発電所等で発生した二酸化炭素の処理プラントとして活用でき、また、生産した炭化水素化合物は現在の天然ガス輸送技術等を応用して需要地まで比較的低コストで運ぶことができる。 However, it is considered that the problem can be solved by electrolyzing seawater with the generated power to generate hydrogen and transport it as a secondary energy to the demand area. To that end, it is necessary to expect cost reductions through the development of mass transport technology for hydrogen. In addition, if technology that can efficiently produce hydrocarbon compounds such as methane and methanol from hydrogen and carbon dioxide is put into practical use, it can be used as a treatment plant for carbon dioxide generated in thermal power plants, and the produced hydrocarbon compounds. Can be transported to the demand area at a relatively low cost by applying the current natural gas transportation technology.
逆に需要自体を発電施設の近くに持ってくることも考えられる。大電力を必要とするプラント等を発電タービン船から送電可能な範囲にある陸地に建設するか、または海上浮体プラットフォーム上に建設したプラントを曳航して近くにもってくる等も考えられる。実現すれば全電力を再生可能エネルギーで賄うプラントとして競争力が確保できる可能性がある。 Conversely, it may be possible to bring the demand itself close to the power generation facility. It is also conceivable to construct a plant or the like that requires high power on land that is within the range where power can be transmitted from the power generation turbine ship, or tow a plant built on a floating floating platform and bring it close. If realized, there is a possibility that competitiveness can be secured as a plant that covers all electric power with renewable energy.
11 蓄電プラント船
12 発電タービン船
13 固形物除去器
14 メインアンカー
21 マンホール
22 蒸気復水管
23 復水管
24 蒸気発生管
25 蒸気管
26 熱水供給管
27 柔構造管
28 熱水上昇管
29 熱水下降管
31 アンカーケーブル
32 電力線
41 低温側復水レベル
42 高温側復水レベル
51 干潮時海面高度
52 蒸気発生管上限深度
54 復水レベル差(蒸気圧差)
55 低温側復水レベル深度
56 装置降下許容限度
57 安全距離
DESCRIPTION OF
55 Low-temperature side
Claims (4)
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Cited By (2)
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WO2016147419A1 (en) * | 2015-03-13 | 2016-09-22 | 地熱技術開発株式会社 | Drilling/power-generating/recovering apparatus for enabling seafloor hydrothermal generation and recovery of useful substances |
CN115355953A (en) * | 2022-10-21 | 2022-11-18 | 山东省鲁南地质工程勘察院(山东省地质矿产勘查开发局第二地质大队) | Device for measuring water level and water temperature of geothermal water |
-
2012
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WO2016147419A1 (en) * | 2015-03-13 | 2016-09-22 | 地熱技術開発株式会社 | Drilling/power-generating/recovering apparatus for enabling seafloor hydrothermal generation and recovery of useful substances |
JP2016169538A (en) * | 2015-03-13 | 2016-09-23 | 地熱技術開発株式会社 | Excavation/power generation/recovery apparatus for enabling submarine hot water power generation and useful substance recovery |
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