JP2019082275A

JP2019082275A - 地熱発電用パイプ

Info

Publication number: JP2019082275A
Application number: JP2017209364A
Authority: JP
Inventors: 高木　俊; Takashi Takagi; 俊高木
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2017-10-30
Publication date: 2019-05-30

Abstract

【課題】耐食性と、十分な強度を備えた地熱発電用パイプを提供する。【解決手段】黒鉛からなる芯材を備えていることを特徴とする地熱発電用パイプ。【選択図】図３

Description

本発明は、地熱発電用パイプに関する。

従来、火山の近くなど地熱地帯をボーリングすることにより利用が可能となる地中の熱水を用いて地熱発電が行われてきた。しかしながらこうした地熱地帯は、法律で利用が制限される地域にある、温泉の利用などの既得権に影響があるなどの理由で、利用が十分に進んでいなかった。自然エネルギーの有効活用が注目される中、法律や第３者の権益の影響の及ばない地熱地帯として、地中深くの地熱を使用する新しい方式の地熱発電が注目されている。

非特許文献１には、加圧水型同軸熱交換方式の地熱発電が記載されている。この方式では、循環水を使用するので、目詰まりがなく、出力ダウンがないという特徴を有する他、不純物除去の必要がない、不純物が混入しないので発電用タービンが長持ちする、地中の水を取り出さないので還元井が不要であるなどの特徴があることが記載されている。また、地熱発電用の配管の素材として、ＳｉＣが例示されている。

また、特許文献１には、高温、高圧、酸化雰囲気などの極限環境においても長時間連続反応が可能な超臨界流体反応炉又はその反応炉壁として、無機複合材料からなる壁を有する超臨界流体反応炉であって、前記無機複合材料が、炭化珪素マトリックス中に保持された炭素繊維、炭化珪素繊維又は窒化珪素繊維からなることを特徴とする超臨界流体反応炉が記載されている。このような超臨界反応炉を用いることにより、長期間にわたって超臨界水による腐食を防止することができることが記載されている。

特開２００１−２３９１４６号公報

室蘭工業大学環境・エネルギーシステム材料研究機構「ＯＡＳＩＳにおける革新的な地熱発電・原子力発電技術開発の現状」http://oasis.muroranit.ac.jp/FEEMA/pic/event/130207houraiden/kohyama130207.pdf

しかしながら、特許文献１の実施例４に記載されているように、上記された無機複合材料からなる超臨界反応炉の壁は、長期間の使用により劣化していることが確認されている。すなわち、ＳｉＣの耐食性は、表面に形成される薄い酸化被膜（ＳｉＯ_２）による保護作用によって得られている。しかし、洗浄作用の強い高温高圧の亜臨界水中では、酸化被膜が少しずつ溶出する。従って、ＳｉＣは、初期には十分な強度を備えているものの、長期間の使用ではＳｉＣが腐食し、強度も低下してしまうという課題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、耐食性と、十分な強度を備えた地熱発電用パイプを提供することを目的とする。

本発明の地熱発電用パイプは、黒鉛からなる芯材を備えていることを特徴とする。

地熱発電用に空けられた穴には通常地下水が充填されている。水の臨界点は３７４℃、２２ＭＰａである。深井戸の深さが２２００ｍ以上であると、最深部で２２ＭＰａの水圧が加わる。２２００ｍ以上の深さでかつ温度が３７４℃以上であれば地熱発電用パイプは腐食性の強い超臨界水に曝される。また、温度、圧力のいずれかがそれらを下回ってもなお、腐食性を有している。

本発明の地熱発電用パイプに用いられている上記芯材は、黒鉛からなるので、ＳｉＣのように酸化被膜で保護されることはなく、亜臨界水に対する耐食性は、そもそも黒鉛の素材自体の有する特徴である。このため上記芯材は、耐食性に優れている。

また、深い地中に長いパイプを到達させる地熱発電においては、沈める過程で地熱発電用パイプには重力により大きな力が加わる。一方、地熱発電用の穴には地下水が充填されているので、パイプを沈める過程では水による浮力が生じる。本発明の地熱発電用パイプにおいて、パイプの材料として、密度の低い等方性黒鉛（例えば、かさ密度：１．７〜１．９ｇ／ｃｍ^３）を用いると、地中の高温部に到達する前の水中では浮力の作用により約１ｇ／ｃｍ^３の密度が相殺され、実質的に０．７〜０．９ｇ／ｃｍ^３が荷重として作用する。従って、パイプを地上から沈める際に作用するパイプにかかる張力を大幅に小さくすることができ。

これに対してＳｉＣからなるパイプを用いた場合、ＳｉＣは、密度が約３．２ｇ／ｃｍ^３であるので、実質的に約２．２ｇ／ｃｍ^３が荷重として作用し、パイプにかかる張力が大きくなってしまう。

本発明の地熱発電用パイプでは、上記芯材のかさ密度が１．９５〜２．０５ｇ／ｃｍ^３であることが望ましい。

黒鉛は、一般に多孔体であるので、気孔が強度低下の大きな原因となっている。しかし、本発明の地熱発電用パイプでは、上記の場合、上記黒鉛からなる芯材のかさ密度が１．９５〜２．０５ｇ／ｃｍ^３であるので、気孔の割合が少なくなり、強度が高くなるので、地熱発電用パイプの破損を防止することができる。
かさ密度が１．９５〜２．０５ｇ／ｃｍ^３の黒鉛は、例えば、通常の等方性黒鉛をＨＩＰ成形（ＨｏｔＩｓｏｓｔａｔｉｃＰｒｅｓｓ）することに製造することができる。ＨＩＰとは、黒鉛がクリープ現象を生じる温度で成形するもので、例えば、２０００〜３０００℃の温度、１００〜３００ＭＰａの圧力の条件下で加圧することにより成形することができる。具体的には、例えば、圧力容器内で等方性黒鉛を加熱し、窒素ガスで加圧することにより成形する。

本発明の地熱発電用パイプは、上記黒鉛からなる芯材と上記芯材をコーティングする炭素被膜とからなることが望ましい。

本発明の地熱発電用パイプにおいて、上記芯材が炭素被膜でコーティングされていると、黒鉛の気孔を充填するので、地中で過熱された水が上昇し蒸気化しても、パイプが蒸気の圧力を封じ込めることができる。また炭素コーティングが黒鉛の気孔を充填し、比表面積を小さくする働きがあり、黒鉛と亜臨界水との反応界面を少なくすることができる。
本発明の地熱発電用パイプでは、上記のように、上記芯材が、直接、炭素被膜でコーティングされていてもよく、下記するように、上記黒鉛からなる芯材とその外側に形成されたＣ／Ｃ複合材層とが炭素被膜によりコーティングされていてもよい。

本発明の地熱発電用パイプでは、上記炭素被膜は、熱分解炭素又はガラス状カーボンからなることが望ましい。

本発明の地熱発電用パイプにおいて、上記炭素被膜が熱分解炭素又はガラス状カーボンであると、上記熱分解炭素、上記ガラス状カーボンは、いずれも黒鉛の気孔を覆い、比表面積を小さくする働きがあるので、黒鉛と亜臨界水との反応界面を少なくすることができる。
また、熱分解炭素は、黒鉛の表面に気孔のない層を沈積していくので、蒸気の圧力を効率よく封じ込めることができる。

本発明の地熱発電用パイプは、上記黒鉛からなる芯材とその外側に形成されたＣ／Ｃ複合材層とからなることが望ましい。

本発明の地熱発電用パイプが、上記黒鉛からなる芯材とその外側に形成されたＣ／Ｃ複合材層とからなるものであると、高温の水が上昇し、蒸気の内圧がかかっても地熱発電用パイプの破損を防止することができる。また、Ｃ／Ｃ複合材層は、すべて炭素からなるので、超臨界水によって分解する有機物がなく、安定的に使用することができる。
なお、Ｃ／Ｃ複合材とは、高強度炭素繊維で補強された炭素複合材料であり、例えば、炭素繊維の基材に熱分解炭素を沈積する方法、炭素繊維の基材に樹脂を含浸したのち炭素化する方法により得られる。

本発明の地熱発電用パイプは、上記黒鉛からなる芯材とその外側に形成されたＣ／Ｃ複合材層とが炭素被膜によりコーティングされていることが望ましい。
本発明の地熱発電用パイプが、上記黒鉛からなる芯材とその外側に形成されたＣ／Ｃ複合材層とが炭素被膜でコーティングされている部材からなると、地熱発電用パイプの破損を防止することができ、また、炭素被膜が気孔を充填するので、地中で過熱された水が上昇し蒸気化しても、パイプが圧力を封じ込めることができる。また炭素コーティングは黒鉛の気孔を充填し、比表面積を小さくする働きがあり、黒鉛と亜臨界水との反応界面を少なくすることができる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る地熱発電用パイプを用いて深井戸が掘られた地層の断面を模式的に示す断面図である。本発明の実施の形態１に係る地熱発電用パイプの断面を模式的に示す断面図である。本発明の実施の形態２に係る地熱発電用パイプの断面を模式的に示す断面図である。本発明の実施の形態３に係る地熱発電用パイプの断面を模式的に示す断面図である。本発明の実施の形態４に係る地熱発電用パイプの断面を模式的に示す断面図である。

以下、本発明の地熱発電用パイプについて、各実施形態に分けて詳細に説明するが、本発明は、下記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して適用することができる。また、以下において記載する本発明の個々の実施形態を２つ以上組み合わせたものもまた本発明である。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る地熱発電用パイプを用いて深井戸が掘られた地層の断面を模式的に示す断面図であり、図２は、本発明の実施の形態１に係る地熱発電用パイプの断面を模式的に示す断面図である。
図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る地熱発電用パイプ１０では、地面１２に深井戸１３が掘られ、この深井戸１３の内部に黒鉛からなる芯材を有するパイプ１５が挿入されている。ここでパイプ１５は、長い管の両端外側にネジのきってある狭義のパイプである。

本発明の実施の形態１に係る地熱発電用パイプ１０では、等方性の黒鉛の芯材１１のみからなるパイプ１５がソケット１４によって接続されている。また、図２に示すように、パイプ１５は、黒鉛からなる芯材１１からなり、黒鉛からなる芯材１１の両端の外側には雄ネジ１１ａが切ってある。パイプ１５は、管状部材の内側に雌ネジ１４ａが切られた黒鉛製のソケット１４によって接続されている。この黒鉛製のソケット１４も同様に地熱発電用パイプ１０を構成している。

等方性黒鉛の材料は、特に限定されないが、例えばイビデン株式会社製のＥＴ−１０などを使用することができる。また、等方性黒鉛は、十分な長さのものが供給されていないので、図２に示すように、複数本をソケット等により接続して使用する。

本発明の実施の形態１に係る地熱発電用パイプ１０では、黒鉛製のソケット１４を用いてパイプ１５が接続されているが、ソケットの代わりにニップルを用いて接続してもよい。ニップルとは、外周部分にネジが切られた管状部材であり、端部の内側にネジが切られた黒鉛からなる芯材からなるパイプ１５の内側にニップルをねじ込んで、複数のパイプ１５を接続する。

上記したネジ部分は、炭素系接着剤を用いて接着されていてもよい。また、パイプを接続する部材では、ソケット、ニップルのようにネジが切ってあるものに限定されず、ねじのないスリーブ形状のものであってもよい。ネジが切っていない部材の場合、勘合部分は、炭素系接着剤を用いて接続されていることが好ましい。炭素系接着剤とは、フェノール樹脂、ピッチ、コプナ樹脂のような固定炭素を有する有機系接着剤であり、塗布した後焼成することで炭素化し、黒鉛同士を一体化することができる。

なお、本発明の実施の形態１に係る地熱発電用パイプ１０では、一般の等方性黒鉛材に変えて、ＨＩＰ成形などによって高密度化した等方性黒鉛材も使用することができる。

本発明の実施の形態１に係る地熱発電用パイプ１０を用いた地熱発電では、黒鉛からなる芯材１１で構成されたパイプ１５を深井戸１３に挿入すると、パイプ１５を介して地熱により加熱された水蒸気及び熱水が地上に到達する。この水蒸気は、発電所の蒸気タービンを回してエネルギーを取り出すとともに温水に戻る。また、熱水は圧力が下がるとともに沸騰し、蒸気タービンを回転させる蒸気が取り出される。
蒸気タービンは発電機につながれ、該発電機を回すことにより電気が作られる。一方、温水は還元井により地下深部へ再び戻す。なお、図１では、発電所及び蒸気タービンは、図示していない。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２に係る地熱発電用パイプの断面を模式的に示す断面図である。
本発明の実施の形態２に係る地熱発電用パイプ２０では、パイプ２７が等方性黒鉛からなる芯材２１と芯材２１をコーティングする熱分解炭素により形成された炭素被膜２５とからなる点、及び、ソケット２８が黒鉛製ソケット２４と黒鉛製ソケット２４をコーティングする熱分解炭素により形成された炭素被膜２６とからなる点が実施の形態１に係る地熱発電用パイプ１０と異なっているほかは、実施の形態１に係る地熱発電用パイプ１０と同様に構成されている。すなわち、図３に示すように、複数のパイプ２７の両端の外側に雄ネジ２７ａが切られ、内側に雌ネジ２８ａが切られたソケット２８によって複数のパイプ２７が接続されている。
パイプ２７を接続するニップル等の部材を用いる場合、熱分解炭素によりコーティングされていることが望ましい。

（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３に係る地熱発電用パイプの断面を模式的に示す断面図である。
本発明の実施の形態３に係る地熱発電用パイプ３０では、パイプ３８は、本発明の実施の形態１に係る地熱発電用パイプで用いられた材料と同じ材料の芯材３１と、その外側に形成されたＣ／Ｃ複合材層３７とで構成され、さらに熱分解炭素により形成された炭素被膜３５によりコーティングされている点が異なる他は、本発明の実施の形態２に係る地熱発電用パイプ２０と同様に構成されている。
すなわち、図４に示すように、パイプ３８の両端の外側に雄ネジ３８ａが切られ、内側に雌ネジ２８ａが切られた黒鉛製ソケット２４と黒鉛製ソケット２４をコーティングする熱分解炭素により形成された炭素被膜２６とからなるソケット２８によってパイプ３８が接続されている。接合用のニップル等の部材を用いる場合、熱分解炭素によりコーティングされていることが望ましい。

（実施の形態４）
図５は、本発明の実施の形態４に係る地熱発電用パイプの断面を模式的に示す断面図である。
本発明の実施の形態４に係る地熱発電用パイプ４０では、本発明の実施の形態３に係るパイプ３８を金属パイプ５３に挿入し、その隙間にセラミック繊維のマット５２を充填したものである。金属パイプ５３は、地中に挿入する際に岩石などとの摩擦から黒鉛のパイプを保護する機能を有している。セラミック繊維のマット５２は、金属パイプ５３とパイプ３８との熱膨張差を吸収する作用を有しており、セラミック繊維をランダムに集めた集合体である。
また、パイプ３８の両端の内側に雄ネジ３８ｂが切られ、外周に雌ネジ５１ａが切られた黒鉛製のニップル５１によってパイプ３８が接続されている。
セラミック繊維のマット５２を構成する炭素繊維の平均長さは、１〜５０ｃｍが望ましく、その直径は、１〜２０μｍが望ましい。

（実施例１及び比較例１）
本発明の地熱発電用パイプに用いられる熱分解炭素をコーティングした黒鉛（実施例１）と、従来のＳｉＣからなる材料（比較例１）との熱水に対する耐久性を比較するため、それぞれの試料を準備し、熱水中で消耗試験を行った。具体的には、化学天秤を用い、試験前後の各試料の重量変化を比較した。

なお、実施例１、比較例１とも吸湿による影響を排除するため、ＣＶＤで得られた被膜で評価した。
具体的には、熱分解炭素の厚い素材は、剥離しやすいため、実施例１では、黒鉛にＣＶＤ法を用いて熱分解炭素を被覆して試料とし、比較例１では、ＣＶＤ−ＳｉＣを加工して試料を得た。

オートクレーブに精製水と実施例１及び比較例１に係る試料とをそれぞれ入れ、下記の圧力と温度を加え、消耗試験を行った。試験条件は以下のとおりである。
圧力８ＭＰａ
温度３００℃
時間４０時間
水精製水
循環なし
試料サイズ４×３×４０ｍｍ（表面積５８４ｍｍ^２）
試料数実施例１、比較例１とも各３個
化学天秤感度１μｇ
測定回数ｎ＝５

並行して秤の測定の精度を解析するため、各試料の測定値を用いて標準偏差を求めた。具体的には、
材質２水準（実施例１、比較例１）
段階２水準（消耗試験前、後）
試料数各３個
測定回数５回
各測定値と各水準の平均値との差を用いて、計６０のデータにより、標準偏差を求めた。
その結果、化学天秤の標準偏差は、１９μｇであった。
下記の表１に各試料の密度、試験前重量、試験後重量、重量変化量を記載している。

上記表１に示しているように、実施例１の熱分解炭素を被覆した黒鉛は、４０時間の消耗試験後に５μｇの増加が確認されたが、化学天秤の標準偏差と比較すると有意に質量が増加したとは言えない。

これに対して、比較例１では８２μｇの減少が確認された。化学天秤の標準偏差と比較して、有意に質量が減少したといえる。すなわち、比較例１のＣＶＤ−ＳｉＣを加工した物では、８ＭＰａ、３００℃の熱水による腐食が確認された。
以上の結果より明らかなように、黒鉛パイプからなる地熱発電用パイプは、軽量であり、耐食性も有しているので、従来のＳｉＣからなる地熱発電用パイプよりも好適に利用することができることが判明した。

１０、２０、３０、４０地熱発電用パイプ
１１、２１、３１芯材
１１ａ、２７ａ、３８ａ、３８ｂ雄ネジ
１２地面
１３深井戸
１４、２８ソケット
１４ａ、２８ａ、５１ａ雌ネジ
１５、２７、３８パイプ
２４黒鉛製ソケット
２５、２６、３５炭素被膜
３７Ｃ／Ｃ複合材層
５１ニップル
５２セラミック繊維のマット
５３金属パイプ

Claims

黒鉛からなる芯材を備えていることを特徴とする地熱発電用パイプ。
前記芯材は、かさ密度が１．９５〜２．０５ｇ／ｃｍ^３であることを特徴とする請求項１に記載の地熱発電用パイプ。
前記地熱発電用パイプは、前記芯材と前記芯材をコーティングする炭素被膜とからなることを特徴とする請求項１または２に記載の地熱発電用パイプ。
前記炭素被膜は、熱分解炭素又はガラス状カーボンからなることを特徴とする請求項３に記載の地熱発電用パイプ。
前記地熱発電用パイプは、前記芯材とその外側に形成されたＣ／Ｃ複合材層とからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の地熱発電用パイプ。
前記地熱発電用パイプは、前記芯材とその外側に形成されたＣ／Ｃ複合材層とが炭素被膜によりコーティングされていることを特徴とする請求項５に記載の地熱発電用パイプ。