JP4261813B2 - ガスハイドレートの海中生成方法、ガスハイドレート生成装置、および二酸化炭素の海中貯蔵システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば炭酸ガス（二酸化炭素ガス）をハイドレート化して海中に貯蔵する目的等に使用できるガスハイドレートの海中生成方法および海中ガスハイドレート生成装置並びに二酸化炭素の海中貯蔵システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭酸ガスによる地球温暖化の進行に伴い、大気中の炭酸ガスを海洋中に固定して隔離する技術の開発が計画されている［「日本エネルギー学会誌」Vol.80 No.896, p1156-1164(2001.12月)；「高圧力の科学と技術」第１１巻（２００１年）特別号第４２回高圧討論会 講演要旨集p34-35、ＣＯ２海洋隔離とＣＯ２ハイドレート（綾 威雄）］。炭酸ガスの海洋隔離は、「溶解法」と「貯留法」に大別することができる。貯留法としては、液体ＣＯ２貯留法、ハイドレート貯留法等が提案されており、液体ＣＯ２貯留法の代表的な例としては、ＣＯ２貯留海域まで二酸化炭素を船で移送し、水深３５００ｍより深い海底の貯留地へパイプを通じて液体二酸化炭素を送る方法等が検討されている。また、ハイドレート貯留法は、二酸化炭素をクラスレート・ハイドレート（本発明で単に「ハイドレート」と記す）と呼ばれる包接化合物にして海底に貯留する方法である。
【０００３】
ところで、陸上設備でＣＯ２ハイドレートを製造する場合、原料として二酸化炭素と水を用い、反応器内を１ＭＰａ以上の圧力に加圧し、温度を０℃近くまで冷却する必要があるため、高圧設備と冷却装置が必要になる。地球温暖化の緩和という目的では、大量の二酸化炭素を隔離しなければならないが、ＣＯ２ハイドレートを大量生成するためには、大規模な高圧・冷却設備が必要になり、陸上設備で二酸化炭素からハイドレートへの転換を行うことは現実的ではない。
【０００４】
海中でハイドレートを製造する技術として、特開平５−４０３９号公報に記載された二酸化炭素ガスの深海固定化方法が提案されている。この方法は、深海まで延びる輸送管内に炭酸ガスと海水を圧送してＣＯ２ハイドレートを生成させるとともに、深海に存在するメタンハイドレートを採取して、ＣＯ２ハイドレートの生成熱とメタンハイドレートの分解熱を熱交換させるというものである。しかし、この方法は輸送管内でハイドレートの生成を行う方法であるため、塊状ハイドレートの生成による目詰まりが生じることが懸念される。また、５００ｍ〜６００ｍ以上の深海まで二重管を延設する必要があるため、装置が大掛りなものになり、実現性に乏しい。さらに、メタンハイドレートを含有する地点（近海とは限らない）まで二酸化炭素を輸送しなければならないという点で設置場所の制約も大きい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、海中で効率良く大量のガスハイドレートを製造するための方法および該方法に適した装置を提供することを第１の課題とし、以って地球温暖化の原因となる二酸化炭素を海洋に隔離するために、簡易な構成により大量のＣＯ２ハイドレートを生成させて海中に貯蔵する実用性の高いシステムを提供することを第２の課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様に係るガスハイドレートの海中生成方法の発明は、所定の水深の海中に設けたガスハイドレート生成装置にガスハイドレート形成物質を導入し、該ガスハイドレート形成物質と海水とを接触させ、前記水深に対応する海水圧を利用してガスハイドレートを生成させるガスハイドレートの海中生成方法であって、前記ガスハイドレート生成装置の気体貯留部に気体を貯留し、貯留する気体量に応じて発生する浮力を利用して当該装置の水深位置を調整し、前記水深位置は、前記気体貯留部に貯留される気体量を制御することによって、該水深位置での海中の水圧がガスハイドレートの生成反応の圧力条件を満たすように調整されることを特徴とする。
【０００７】
このガスハイドレート海中生成方法の発明によれば、海中での水圧を利用してガスハイドレートを生成させるため、陸上でのガスハイドレート生成におけるような高圧設備は不要である。そして、生成装置の水深位置を、生成装置の浮力により調整可能にしたので、容易に所望の水深位置を維持することが可能になり、最適なガスハイドレート生成環境を維持できる。
【０００８】
また、本発明の第２の態様に係る二酸化炭素の海中貯蔵システムの発明は、第１の態様に係るガスハイドレートの海中生成方法により、陸上から導入した二酸化炭素を海中でハイドレート化した後、生成したＣＯ２ハイドレートを沈降させて、海底の貯留部に貯蔵することを特徴とする。
【０００９】
二酸化炭素をハイドレート化して海中に隔離する方法は、二酸化炭素を溶解させて海中に貯蔵する方法（いわゆる溶解法）において懸念される溶存二酸化炭素濃度の局所的増加や海中への拡散など、海水環境へ悪影響を与えるおそれがないので、その実現が望まれている。本発明の二酸化炭素の海中貯蔵システムの発明では、海水圧と海水温を利用してガスハイドレートを生成させるとともに、生成装置の浮力を利用して水深位置を制御するため、消費エネルギーを低く押さえることが可能であり、使用する装置も簡易なもので済む。従って、本発明の海中貯蔵システムは、温暖化の原因となっている大気中の二酸化炭素を大量に海中貯蔵する上で適したシステムである。
【００１０】
本発明の第３の態様に係るガスハイドレート生成装置の発明は、所定の水深の海中に配備され、ガスハイドレート形成物質と海水とを接触させ、前記水深に対応する海水圧を利用してガスハイドレートを生成させるガスハイドレート生成装置であって、該ガスハイドレート生成装置は、気体を貯留する気体貯留部を備えており、該気体貯留部に貯留される気体量に応じて発生する浮力を利用して当該装置の水深位置を調整可能に構成され、前記水深位置は、前記気体貯留部に貯留される気体量を制御することによって、該水深位置での海中の水圧がガスハイドレートの生成反応の圧力条件を満たすように調整される構成であることを特徴とする。
【００１１】
この海中ガスハイドレート生成装置の発明によれば、装置の浮力により水深位置を調整できるようにしたので、ガスハイドレート生成に適した所望の水深位置の維持が容易に行える。
海中での水圧を利用してガスハイドレートを生成させるためには、水圧がハイドレート生成条件になるように、生成装置の水深位置を制御する必要がある。この水深位置の制御を、固定具により行うとすれば、水深１００ｍ以上の海中まで器具を敷設する必要があり、海流や潮位の変動に対応させるための強度も必要であるため、大規模な設備が必要になる。これに対して、本発明では、生成装置内に貯留する原料ガス等の浮力を利用して位置調整を行えるため、微調整も容易であり、簡易な装置構成で常に最適なハイドレート生成環境を維持できる。さらに、装置を設置する場合は、海面から浮力を調節して少しずつ下降させることが可能であり、また、装置のメンテナンス等を行う場合も、浮力を調節して海面まで上昇させることができるので、設置時やメンテナンス時に大型のウインチなどを使用する必要がない。従って、本発明のガスハイドレート生成装置は、例えば、二酸化炭素の海中貯蔵などにおいて有利に使用できる。
【００１２】
本発明の第４の態様に係るに記載のガスハイドレート生成装置の発明は、第３の態様において、ガスハイドレート形成物質の導入を行うためのフレキシブルな供給手段に接続されていることを特徴とする。
この特徴によれば、フレキシブルな供給手段に接続されていることにより、陸上等からのガスハイドレート形成物質の導入を該フレキシブルな供給手段によって行うことが可能になり、水中におけるガスハイドレート生成装置の位置を柔軟に設定できるようになる。つまり、金属配管などに比べると生成装置を水平方向に移動したり、水深位置を調整することがはるかに容易である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る二酸化炭素の海中貯蔵システムの全体像を示す模式図である。本実施形態の海中貯蔵システムでは、ＣＯ２ハイドレート５０の生成に必要な圧力として海水圧を利用するため、陸上での製造のように高圧の反応容器を必要としない。
【００１４】
すなわち、本発明の海中貯蔵システムでは、海水圧を利用してＣＯ２ハイドレート５０をマイルドな条件で大量製造し、生成したＣＯ２ハイドレート５０を海底２００に貯蔵、隔離することができる。ＣＯ２ハイドレート５０は海水温度が１０℃以下の条件では、１００〜数百ｍの水深で製造が可能であるため、比較的陸地に近い海域の海中１００にガスハイドレート生成装置１１を設置することが可能であり、容易に大量製造が可能となる。
【００１５】
ガスハイドレート生成装置１１は、水深１００〜数百ｍの海中１００に設置される。設置方法は、海面３００から係留する方法、海底２００から係留する方法、海底２００より架台を設けて設置する方法、特に係留を行わず、浮力調節および推進機による位置制御により海中１００で自立させる方法などから選択可能であり、特に限定されるものではない。
【００１６】
海中１００に配備されたガスハイドレート生成装置１１へのガスハイドレート形成物質の供給は、図１に示すように陸上に設置した供給装置６１から、ガスハイドレート形成物質の供給手段としてのフレキシブルチューブ６０を介して行うことができる。フレキシブルチューブ６０は、例えば合成樹脂などの可撓性材料を鋼線で補強したチューブなどを使用できる。供給装置６１は、海水圧に抗してガスハイドレート形成物質を圧送できるように、コンプレッサー等の圧送手段を備えている。また、ここでは図示していなが、ガスハイドレート生成装置１１に電力を供給する送電管もフレキシブルな構造にして、フレキシブルチューブ６０とともに並設配備されている。
【００１７】
なお、ガスハイドレート生成装置１１に供給されるガスハイドレート形成物質は、気体（例えば二酸化炭素ガス）でも、液体（液体二酸化炭素）でもよい。大気中の二酸化炭素を海中隔離する目的で大量の二酸化炭素を液化するには、別途多大なエネルギーと設備が必要になるが、本発明の海中貯蔵システムでは、気体のままガスハイドレート形成物質として使用することができる利点がある。
【００１８】
ハイドレート形成の効率上、ガスハイドレート形成物質は、気体あるいは液体のいずれも場合においても１００％に近い純度のものが好ましいが、本発明では、後述するようにガスハイドレート生成装置１１の特徴的構造により、二酸化炭素中に酸素や窒素等が混入していても、そのままガスハイドレート形成物質として利用できる。従って、ガスハイドレート形成物質の予備精製に係る設備を簡略化でき、エネルギー消費や処理コストも低減できる。
【００１９】
ガスハイドレート生成装置１１内部の温度は、設置海域の温度が１０℃以下であれば特に冷却を必要としないが、生成速度を上げるために冷却装置を設けても良い。冷却装置としては、例えば後述するように、ジャケット式の冷却装置をガスハイドレート生成装置１１の周囲に配設する方式が挙げられる。
【００２０】
ガスハイドレート生成装置１１において生成したＣＯ２ハイドレート５０は、通常海水よりも比重が大きいため、自然沈降して、海底の貯留部に貯蔵される。ＣＯ２ハイドレートは海底では安定化するので、周辺への環境影響が比較的小さく、また、万一溶存二酸化炭素量の増加などが生じた場合はＣＯ２ハイドレート５０を回収し、場所を移動することも可能である。図１では、沈降したＣＯ２ハイドレート５０を貯留する一次貯留部８１と、さらにより水深の深い海底に設けた二次貯留部８２を示している。一次貯留部８１、二次貯留部８２ともに、自然の海底の地形を利用することが可能であるが、必要に応じて掘削等の施工を行うことも可能である。一次貯留部８１から二次貯留部８２までのＣＯ２ハイドレート５０の移送は、任意の方法で行うことが可能であるが、本実施形態に係る海中貯蔵システムでは、移送手段として、水流とともにＣＯ２ハイドレート５０を流送するジェットポンプ８３を備えている。
【００２１】
次に、ガスハイドレート生成装置１１の構造について詳述する。
図２は、本発明の一実施形態に係るガスハイドレート生成装置１１の概略構成を示したものである。ガスハイドレート生成装置１１は、耐食性の金属材料（例えばステンレスなど）による筒状体３１を以って外形輪郭が形成されている。このガスハイドレート生成装置１１は、特に耐圧構造である必要はない。筒状体３１の下部はガスハイドレート排出部として機能する開口部３５により開放されており、上部は気体を内部に貯留できるように塞がれた構造をしている。
【００２２】
このガスハイドレート生成装置１１の内部空間の上部は、気体を貯留する気体貯留部３３を構成している。この気体貯留部３３に貯留される気体の浮力を利用して、水深位置を制御することができる。
【００２３】
また、ガスハイドレート生成装置１１の上部には、上記気体貯留部３３と装置外部を連通するバルブ機構３９が配備されている。このバルブ機構３９は、気体貯留部３３内の余分な気体を放出する機能と、気体貯留量を調節することによる浮力コントロール機能を有している。
【００２４】
外形が筒状のガスハイドレート生成装置１１の中心には、ガスハイドレートの生成効率を高めるため、攪拌軸４６と攪拌翼４７（図２では３対）が配備されている。攪拌軸４６は装置の上部に付設されたモータ４５の動力により回転し、ガスハイドレート生成装置１１内の海水とガスハイドレート形成物質を混合できるようになっている。
【００２５】
ガスハイドレート形成物質の供給手段を構成するフレキシブルチューブ６０は、本実施形態では末端が３本（６０ａ、６０ｂ、６０ｃ）に分岐しており、ガスハイドレート生成装置１１の任意の位置に設けた導入部３７ａ、３７ｂ、３７ｃにそれぞれ接続されている。導入部３７ａ〜３７ｃの位置は、図２ではガスハイドレート生成装置１１の側面下部の片側に集中しているが、これに限らず、任意の位置から導入でき、導入部位の数も任意に設定できる。また、導入部３７ａ、３７ｂ、３７ｃとその付近の内面には、例えばテフロン（登録商標）などのフッ素樹脂やシリコーンなどによるライニングが施されている。これは、導入部３７から導入された二酸化炭素ガス等のガスハイドレート形成物質がハイドレート化して、この部分で塊状ハイドレートに成長して閉塞の問題を引き起こすことを防止するためである。
【００２６】
ガスハイドレート生成装置１１内部における気体貯留部３３と海水面５３との界面位置は、一定に制御することが必要であり、この制御を行うためにガスハイドレート生成装置１１には、界面レベル計４２が配備されている。
また、ガスハイドレート生成装置１１は、海中１００における水深位置を感知するための水圧センサー４１を備えている。
図１中、符号４３ａ、４３ｂは、ガスハイドレート生成装置１１の水平方向への移動や、水流による傾斜の補正などを行うための推進装置である。
【００２７】
以上の構成を踏まえ、本発明のガスハイドレート生成装置１１によるＣＯ２ハイドレート５０の海中製造について説明する。
図２に示すように、ガスハイドレート生成装置１１内部には、下部および／または側面に適宜配設した海水流入口より周囲の海水が流入しており、気体貯留部３３との間に気液界面を形成している。この気液海面となる海水面５３は所定のレベルに維持されている。
【００２８】
ガスハイドレート形成物質としての二酸化炭素ガスは、陸上に設置された供給装置６１からガスハイドレート生成装置１１にフレキシブルチューブ６０より導入される。ガスハイドレート生成装置１１内では、導入された二酸化炭素ガスと海水とを接触させ、海水圧を利用してＣＯ２ハイドレートを生成させる。ここでは、攪拌翼４７の回転により、二酸化炭素ガスと海水の接触効率を向上させ、ハイドレート生成効率を高めている。ガスハイドレート生成装置１１内に導入された二酸化炭素ガスは、気泡５１となって海水中を上昇していく過程で、少しずつハイドレート形成が行われる。導入された二酸化炭素ガスの中で、ハイドレート化しなかった残りの二酸化炭素ガスや、原料ガス中に不純物として含まれる酸素、窒素などのハイドレート化し難い気体成分は、気体貯留部３３に到達して貯留される。
【００２９】
以上のようなガスハイドレート生成反応において、ガスハイドレート生成装置１１を設置した場所の水圧と水温がガスハイドレート生成条件に合致していることが重要になる。本発明では、ガスハイドレート生成装置１１の水深位置を、装置内の気体貯留部３３に貯留する気体の浮力により調整することによって、海水圧が最適になる条件の下でガスハイドレートを生成させることができる。浮力は、気体貯留部３３に貯留されている気体量に依存する。従って、界面レベル計４２により海水面５３のレベルを検知して、気体貯留部３３の気体量が一定になるように監視している。
【００３０】
気体貯留部３３の気体量の制御は、ガスハイドレート生成装置１１上部のバルブ機構３９によって容易に実現できる。このバルブ機構３９により、気体貯留部３３内の余分な気体を放出し、気体貯留量を調節することによって浮力のコントロールができる。また、原料ガス中に酸素や窒素などのハイドレート化しにくいガス成分が含まれている場合には、これらが気体貯留部３３に蓄積していくので、バルブ機構３９により定期的に排出させる。さらに、水圧センサー４１により、ガスハイドレート生成装置１１の海中１００における水深位置を常に感知するとともに、所定の水圧が維持されているかどうかを監視できる。ガスハイドレート生成装置１１の水平方向への移動や傾きは、推進装置４３ａ、４３ｂによって調整できる。
【００３１】
以上のような構成により、本発明の海中ガスハイドレート生成装置１１では、陸上でのガスハイドレート生成におけるような高圧設備は一切必要としない。そして、ガスハイドレート生成装置１１の水深位置を、生成装置内に貯留する気体の浮力により調整するという方法により、容易に所望の水深位置を維持することが可能になり、常に最適なハイドレート生成環境を維持できる。
【００３２】
ガスハイドレート生成装置１１内で生成したＣＯ２ハイドレートは、通常水より比重が大きいので沈降し、ガスハイドレート生成装置１１底部の排出用開口部３５から排出され、例えば海底の所定場所に貯留される（図１参照）。
【００３３】
図３は、本発明の第２実施形態に係るガスハイドレート生成装置１２の概要を示す図面である。本実施形態のガスハイドレート生成装置１２は、基本的構成において図２の第１実施形態のガスハイドレート生成装置１１と同じであるため、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略し、以下では相違点を中心に説明する。
【００３４】
ガスハイドレート生成装置１２の周囲には、ジャケット式冷却装置４４が配備されており、所定の水圧（つまり、水深）があれば、海水温に係らずガスハイドレート生成装置１２内にガスハイドレート生成条件を作り出せるように構成されている。また、ガスハイドレート生成反応は発熱反応であるため、設置海域の海水温がガスハイドレート生成温度に合致している場合でも、ガスハイドレート生成装置１２内部の温度が上昇してガスハイドレート生成効率が低下することがあり得るが、ジャケット式冷却装置４４を配備することによって、常に適正な温度を維持できる。
【００３５】
また、本実施形態では、スパージャ型の攪拌手段を採用している。つまり、攪拌軸４６’は中空に形成され、この攪拌軸４６’の内部にフレキシブルチューブ６０を接続することにより、ガスハイドレート形成物質としての二酸化炭素ガスを導入できるように構成されている。攪拌軸４６’に導入された二酸化炭素ガスは、攪拌翼４７’の先端から排出されるようになっており、モータ４５’の駆動により回転する攪拌翼４７’の遠心力を利用して二酸化炭素ガスを細かな気泡として導出できる。このように、スパージャ型の攪拌手段では、攪拌による混合作用と、気泡の細粒化作用が同時に得られるほか、前記した導入部におけるハイドレート塊の生成による閉塞の問題も生じることがないので有利である。
【００３６】
さらに、本実施形態に係るガスハイドレート生成装置１２には、水導入部３８において、水の供給ラインとしてのフレキシブルチューブ６３に接続されている。フレキシブルチューブ６３としては、前記したガスハイドレート形成物質の供給手段としてのフレキシブルチューブ６０と同様のものを用いることが可能である。このフレキシブルチューブ６３は、図示しない給水装置（ポンプなど）に接続されており、必要に応じ真水を海中のガスハイドレート生成装置１２内に導入して海水の塩分濃度を希釈することができる。原料水中に塩化ナトリウム等の物質が所定濃度存在するとガスハイドレートの生成条件が低温・高圧側にシフトし、ガスハイドレートが生成しにくくなることが知られているが、真水を導入することにより、海水中の塩分濃度を希釈してガスハイドレート生成条件を高温・低圧側に緩和することが可能になる。
【００３７】
図４は、本発明の第３実施形態に係るガスハイドレート生成装置１３の概要を示す図面である。このガスハイドレート生成装置１３は、基本的構成において図２の第１実施形態のガスハイドレート生成装置１１と同じであるため、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略し、以下では相違点を中心に説明する。
【００３８】
本実施形態に係るガスハイドレート生成装置１３は、生成したガスハイドレートの比重が海水よりも軽い場合（つまり、海水中を沈降せずに、浮上する場合）に適した装置の例である。このガスハイドレート生成装置１３は、筒状体３１の所定部位に設けた排出部２１において、移送管２５に接続している。排出部２１の近傍にはモータ２３が配備されており、海水より比重の軽いガスハイドレート５０’を移送管２５を介して移送できるように構成されている。
また、筒状体３１内部の所定位置には、一対の界面検知センサー２７、２７が配備されている。この界面検知センサー２７、２７は、例えば超音波を利用してガスハイドレート５０’と海水面との境界の高さをモニターするために使用されるものである。
ガスハイドレート生成装置１３において、ガスハイドレート形成物質は、装置側面の導入部３７（本例では１箇所）より導入される。装置内部では、攪拌翼４７による攪拌によって海水とガスハイドレート形成物質の気泡５１との気液接触が促進され、ガスハイドレートを生成する。生成したガスハイドレートは、海水より比重が軽いため、装置内を浮上し、気体貯留部３３と海水との間に層状に集合する。つまり装置内部には、気体、ガスハイドレート５０’、海水の３つの層が形成されることになる。そこで、前記界面検知センサー２７、２７により、ガスハイドレート層（５０’）と海水との界面をモニターするとともに、排出部２１からガスハイドレート５０’を導出することによって、ガスハイドレート層の厚み（量）が一定になるようにする。かかる構成により、海水より比重が軽いガスハイドレート５０’についても連続的な製造が可能になる。取り出したガスハイドレート５０’は、図中、矢印で示すように、移送管２５を通じて例えば陸上まで汲み上げることができる。したがって、本実施形態のガスハイドレート生成装置１３は、原料となるガスハイドレート形成物質が、例えばメタンガスや天然ガスなどの場合に適した装置である。
【００３９】
図５は、本発明の第４実施形態に係るガスハイドレート生成装置１４の概要を示す図面である。このガスハイドレート生成装置１４は、基本的構成において図４の第３実施形態のガスハイドレート生成装置１３と同じであるため、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略し、以下では相違点を中心に説明する。本実施形態に係るガスハイドレート生成装置１４は、筒状体３１の下部が下方へむけて拡開しており、この拡開部３２により開口部３５が広げられて形成されている。この広い開口部３５から、原料ガス（ガスハイドレート形成物質）を導入してガスハイドレート５０’を生成できるように構成されている。このため、ガスハイドレート生成装置１４では、ガスハイドレート形成物質の供給手段としてのフレキシブルチューブ６０には接続されていない。
なお、図５では海底から噴出する天然ガス等の気泡５１’を直接装置内に採り込み、ガスハイドレートを製造している状態を示している。
【００４０】
次に、本発明のガスハイドレート生成装置１１の海中での固定方法について説明する。前記したように、ガスハイドレート生成装置１１の設置方法は任意であり、固定は必須ではないが、海流の強い海域などでは、固定することにより安定した水深位置を保つことができる。ガスハイドレート生成装置１１の固定例を図６〜図８に示す。
【００４１】
図６は、海底２００にワイヤ７１を用いてガスハイドレート生成装置１１を係留した状態を示している。図６のように海底２００に係留する場合には、気体貯留部３３の気体の浮力に抗する張力がワイヤ７１に作用する。そのため、図示のように、ワイヤ７１に張力計７２を設置して、ワイヤ７１に加わる張力を検知することによって、気体貯留部３３の気体量（つまり、海水面５３のレベル）を知ることができる。したがって、図６の場合には、ガスハイドレート生成装置１１の界面レベル計４２を省略することが可能になる。
【００４２】
図７は、海面３００にフロート（浮体式海洋構造物）７５を配置し、ワイヤ７３を用いてガスハイドレート生成装置１１を係留した状態を示している。図７のように海面３００に係留する場合には、海底２００に係留する場合（図６）に比べて潮位や海流の影響は受けやすくなるが、設置場所の移動が容易であるという長所がある。また、海中に浮遊させるだけの方式に比べれば、はるかに安定である。
【００４３】
図８は、ガスハイドレート生成装置１１の海中での固定方法のさらに別の例であり、陸地から離れた海域でメガフロート７５’により３基のガスハイドレート生成装置１１を係留している状態を示している。この例では、供給装置６１もメガフロート７５’上に配備されており、沿岸海域から外洋まで、どこでも自由に移動できるため、設置場所の制約を受けない。本発明に係るガスハイドレート生成装置１１は、簡易な構成であり、フレキシブルチューブ６０に接続することによって位置調整も自由自在であるため、図８のように複数のガスハイドレート生成装置１１を並列配備することも容易になる。従って、大気中に蓄積している大量の二酸化炭素ガスをハイドレート化して海中隔離する用途に適したものである。
【００４４】
以上、本発明を種々の実施形態に関して述べたが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、他の実施形態についても適用されるものであることは勿論である。
【００４５】
例えば、上記第１〜第４実施形態のガスハイドレート生成装置１１、１２、１３、１４では、筒状体３１の気体貯留部３３内に貯留する気体によって装置に浮力を与えているが、これに限らず、例えば浮袋のような気体貯留部を装置外部に設け、そこにガスハイドレート形成物質の気体や、別途空気等の気体を導入して浮力を与えるような構成とすることも可能である。また、浮力を与える材料としては気体に限らず、例えば装置外部に発泡体等からなる浮力器を付設して浮力を与えてもよい。
【００４６】
【発明の効果】
本発明のガスハイドレート海中生成方法によれば、海中での水圧を利用してガスハイドレートを生成させるため、陸上でのガスハイドレート生成におけるような高圧設備は不要である。また、海水温が１０℃以下の海域であれば、冷熱も必要としない。さらに、ガスハイドレート製造に要する水は海水を利用するので、水の供給設備も不要である。そして、生成装置の水深位置を、生成装置の浮力により調整可能にしたので、容易に所望の水深位置を維持することが可能になり、最適なガスハイドレート生成環境を維持できる。
【００４７】
また、本発明の二酸化炭素の海中貯蔵システムの発明では、海水圧と海水温を利用してガスハイドレートを生成させるとともに、生成装置の浮力を利用して水深位置を制御するため、消費エネルギーを低く押さえることが可能であり、使用する装置も簡易なもので済む。従って、本発明の海中貯蔵システムは、温暖化の原因となっている大気中の二酸化炭素を大量に海中貯蔵する上で適したシステムである。
【００４８】
本発明の海中ガスハイドレート生成装置によれば、装置の浮力により水深位置を調整できるようにしたので、ガスハイドレート生成に適した所望の水深位置の維持が容易に行える。すなわち、海中での水圧を利用してガスハイドレートを生成させるためには、水圧がガスハイドレート生成条件になるように、生成装置の水深位置を制御する必要がある。この水深位置の制御を、固定具により行うとすれば、水深１００ｍ以上の海中まで器具を敷設する必要があり、海流や潮位の変動に対応させるための強度も必要であるため、大規模な設備が必要になる。これに対して、本発明装置では、生成装置内に貯留する原料ガス等の浮力を利用して位置調整を行えるため、微調整も容易であり、簡易な装置構成で常に最適なガスハイドレート生成環境を維持できる。さらに、装置を設置する場合は、海面から浮力を調節して少しずつ下降させることが可能であり、また、装置のメンテナンス等を行う場合も、浮力を調節して海面まで上昇させることができるので、設置時やメンテナンス時に大型のウインチなどを使用する必要がない。従って、本発明のガスハイドレート生成装置は、例えば、二酸化炭素の海中貯蔵などにおいて有利に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】二酸化炭素の海中貯蔵システムの概要を示す模式図。
【図２】本発明の第１実施形態に係るガスハイドレート生成装置の概略構成を示す模式図。
【図３】本発明の第２実施形態に係るガスハイドレート生成装置の概略構成を示す模式図。
【図４】本発明の第３実施形態に係るガスハイドレート生成装置の概略構成を示す模式図。
【図５】本発明の第４実施形態に係るガスハイドレート生成装置の概略構成を示す模式図。
【図６】ガスハイドレート生成装置の海底係留方式の説明に供する図面。
【図７】ガスハイドレート生成装置の海面係留方式の別の例の説明に供する図面。
【図８】ガスハイドレート生成装置の海面係留方式のさらに別の例の説明に供する図面。
【符号の説明】
１１、１２、１３、１４ ガスハイドレート生成装置
２１ 排出部
２３ モータ
２５ 移送管
２７ 界面検知センサー
３１ 筒状体
３２ 拡開部
３３ 気体貯留部
３５ 開口部
３７ａ、３７ｂ、３７ｃ 導入部
３９ バルブ機構
４１ 水圧センサー
４２ 界面レベル計
４３ａ、４３ｂ 推進装置
４４ ジャケット式冷却装置
４５ モータ
４６ 攪拌軸
４７ 攪拌翼
５０ ＣＯ２ハイドレート
５０’ ガスハイドレート
５１、５１’ 気泡
５３ 海水面
５３’ 海水−ガスハイドレート境界
５４ 気体−ガスハイドレート境界
６０ フレキシブルチューブ
６１ 供給装置
６３ フレキシブルチューブ
７１ ワイヤ
７２ 張力計
７３ ワイヤ
７５ フロート
８１ 一次貯留部
８２ 二次貯留部
８３ ジェットポンプ
１００ 海中
２００ 海底
３００ 海面
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば炭酸ガス（二酸化炭素ガス）をハイドレート化して海中に貯蔵する目的等に使用できるガスハイドレートの海中生成方法および海中ガスハイドレート生成装置並びに二酸化炭素の海中貯蔵システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭酸ガスによる地球温暖化の進行に伴い、大気中の炭酸ガスを海洋中に固定して隔離する技術の開発が計画されている［「日本エネルギー学会誌」Vol.80 No.896, p1156-1164(2001.12月)；「高圧力の科学と技術」第１１巻（２００１年）特別号第４２回高圧討論会 講演要旨集p34-35、ＣＯ２海洋隔離とＣＯ２ハイドレート（綾 威雄）］。炭酸ガスの海洋隔離は、「溶解法」と「貯留法」に大別することができる。貯留法としては、液体ＣＯ２貯留法、ハイドレート貯留法等が提案されており、液体ＣＯ２貯留法の代表的な例としては、ＣＯ２貯留海域まで二酸化炭素を船で移送し、水深３５００ｍより深い海底の貯留地へパイプを通じて液体二酸化炭素を送る方法等が検討されている。また、ハイドレート貯留法は、二酸化炭素をクラスレート・ハイドレート（本発明で単に「ハイドレート」と記す）と呼ばれる包接化合物にして海底に貯留する方法である。
【０００３】
ところで、陸上設備でＣＯ２ハイドレートを製造する場合、原料として二酸化炭素と水を用い、反応器内を１ＭＰａ以上の圧力に加圧し、温度を０℃近くまで冷却する必要があるため、高圧設備と冷却装置が必要になる。地球温暖化の緩和という目的では、大量の二酸化炭素を隔離しなければならないが、ＣＯ２ハイドレートを大量生成するためには、大規模な高圧・冷却設備が必要になり、陸上設備で二酸化炭素からハイドレートへの転換を行うことは現実的ではない。
【０００４】
海中でハイドレートを製造する技術として、特開平５−４０３９号公報に記載された二酸化炭素ガスの深海固定化方法が提案されている。この方法は、深海まで延びる輸送管内に炭酸ガスと海水を圧送してＣＯ２ハイドレートを生成させるとともに、深海に存在するメタンハイドレートを採取して、ＣＯ２ハイドレートの生成熱とメタンハイドレートの分解熱を熱交換させるというものである。しかし、この方法は輸送管内でハイドレートの生成を行う方法であるため、塊状ハイドレートの生成による目詰まりが生じることが懸念される。また、５００ｍ〜６００ｍ以上の深海まで二重管を延設する必要があるため、装置が大掛りなものになり、実現性に乏しい。さらに、メタンハイドレートを含有する地点（近海とは限らない）まで二酸化炭素を輸送しなければならないという点で設置場所の制約も大きい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、海中で効率良く大量のガスハイドレートを製造するための方法および該方法に適した装置を提供することを第１の課題とし、以って地球温暖化の原因となる二酸化炭素を海洋に隔離するために、簡易な構成により大量のＣＯ２ハイドレートを生成させて海中に貯蔵する実用性の高いシステムを提供することを第２の課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様に係るガスハイドレートの海中生成方法の発明は、所定の水深の海中に設けたガスハイドレート生成装置にガスハイドレート形成物質を導入し、該ガスハイドレート形成物質と海水とを接触させ、前記水深に対応する海水圧を利用してガスハイドレートを生成させるガスハイドレートの海中生成方法であって、前記ガスハイドレート生成装置の気体貯留部に気体を貯留し、貯留する気体量に応じて発生する浮力を利用して当該装置の水深位置を調整し、前記水深位置は、前記気体貯留部に貯留される気体量を制御することによって、該水深位置での海中の水圧がガスハイドレートの生成反応の圧力条件を満たすように調整されることを特徴とする。
【０００７】
このガスハイドレート海中生成方法の発明によれば、海中での水圧を利用してガスハイドレートを生成させるため、陸上でのガスハイドレート生成におけるような高圧設備は不要である。そして、生成装置の水深位置を、生成装置の浮力により調整可能にしたので、容易に所望の水深位置を維持することが可能になり、最適なガスハイドレート生成環境を維持できる。
【０００８】
また、本発明の第２の態様に係る二酸化炭素の海中貯蔵システムの発明は、第１の態様に係るガスハイドレートの海中生成方法により、陸上から導入した二酸化炭素を海中でハイドレート化した後、生成したＣＯ２ハイドレートを沈降させて、海底の貯留部に貯蔵することを特徴とする。
【０００９】
二酸化炭素をハイドレート化して海中に隔離する方法は、二酸化炭素を溶解させて海中に貯蔵する方法（いわゆる溶解法）において懸念される溶存二酸化炭素濃度の局所的増加や海中への拡散など、海水環境へ悪影響を与えるおそれがないので、その実現が望まれている。本発明の二酸化炭素の海中貯蔵システムの発明では、海水圧と海水温を利用してガスハイドレートを生成させるとともに、生成装置の浮力を利用して水深位置を制御するため、消費エネルギーを低く押さえることが可能であり、使用する装置も簡易なもので済む。従って、本発明の海中貯蔵システムは、温暖化の原因となっている大気中の二酸化炭素を大量に海中貯蔵する上で適したシステムである。
【００１０】
本発明の第３の態様に係るガスハイドレート生成装置の発明は、所定の水深の海中に配備され、ガスハイドレート形成物質と海水とを接触させ、前記水深に対応する海水圧を利用してガスハイドレートを生成させるガスハイドレート生成装置であって、該ガスハイドレート生成装置は、気体を貯留する気体貯留部を備えており、該気体貯留部に貯留される気体量に応じて発生する浮力を利用して当該装置の水深位置を調整可能に構成され、前記水深位置は、前記気体貯留部に貯留される気体量を制御することによって、該水深位置での海中の水圧がガスハイドレートの生成反応の圧力条件を満たすように調整される構成であることを特徴とする。
【００１１】
この海中ガスハイドレート生成装置の発明によれば、装置の浮力により水深位置を調整できるようにしたので、ガスハイドレート生成に適した所望の水深位置の維持が容易に行える。
海中での水圧を利用してガスハイドレートを生成させるためには、水圧がハイドレート生成条件になるように、生成装置の水深位置を制御する必要がある。この水深位置の制御を、固定具により行うとすれば、水深１００ｍ以上の海中まで器具を敷設する必要があり、海流や潮位の変動に対応させるための強度も必要であるため、大規模な設備が必要になる。これに対して、本発明では、生成装置内に貯留する原料ガス等の浮力を利用して位置調整を行えるため、微調整も容易であり、簡易な装置構成で常に最適なハイドレート生成環境を維持できる。さらに、装置を設置する場合は、海面から浮力を調節して少しずつ下降させることが可能であり、また、装置のメンテナンス等を行う場合も、浮力を調節して海面まで上昇させることができるので、設置時やメンテナンス時に大型のウインチなどを使用する必要がない。従って、本発明のガスハイドレート生成装置は、例えば、二酸化炭素の海中貯蔵などにおいて有利に使用できる。
【００１２】
本発明の第４の態様に係るに記載のガスハイドレート生成装置の発明は、第３の態様において、ガスハイドレート形成物質の導入を行うためのフレキシブルな供給手段に接続されていることを特徴とする。
この特徴によれば、フレキシブルな供給手段に接続されていることにより、陸上等からのガスハイドレート形成物質の導入を該フレキシブルな供給手段によって行うことが可能になり、水中におけるガスハイドレート生成装置の位置を柔軟に設定できるようになる。つまり、金属配管などに比べると生成装置を水平方向に移動したり、水深位置を調整することがはるかに容易である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る二酸化炭素の海中貯蔵システムの全体像を示す模式図である。本実施形態の海中貯蔵システムでは、ＣＯ２ハイドレート５０の生成に必要な圧力として海水圧を利用するため、陸上での製造のように高圧の反応容器を必要としない。
【００１４】
すなわち、本発明の海中貯蔵システムでは、海水圧を利用してＣＯ２ハイドレート５０をマイルドな条件で大量製造し、生成したＣＯ２ハイドレート５０を海底２００に貯蔵、隔離することができる。ＣＯ２ハイドレート５０は海水温度が１０℃以下の条件では、１００〜数百ｍの水深で製造が可能であるため、比較的陸地に近い海域の海中１００にガスハイドレート生成装置１１を設置することが可能であり、容易に大量製造が可能となる。
【００１５】
ガスハイドレート生成装置１１は、水深１００〜数百ｍの海中１００に設置される。設置方法は、海面３００から係留する方法、海底２００から係留する方法、海底２００より架台を設けて設置する方法、特に係留を行わず、浮力調節および推進機による位置制御により海中１００で自立させる方法などから選択可能であり、特に限定されるものではない。
【００１６】
海中１００に配備されたガスハイドレート生成装置１１へのガスハイドレート形成物質の供給は、図１に示すように陸上に設置した供給装置６１から、ガスハイドレート形成物質の供給手段としてのフレキシブルチューブ６０を介して行うことができる。フレキシブルチューブ６０は、例えば合成樹脂などの可撓性材料を鋼線で補強したチューブなどを使用できる。供給装置６１は、海水圧に抗してガスハイドレート形成物質を圧送できるように、コンプレッサー等の圧送手段を備えている。また、ここでは図示していなが、ガスハイドレート生成装置１１に電力を供給する送電管もフレキシブルな構造にして、フレキシブルチューブ６０とともに並設配備されている。
【００１７】
なお、ガスハイドレート生成装置１１に供給されるガスハイドレート形成物質は、気体（例えば二酸化炭素ガス）でも、液体（液体二酸化炭素）でもよい。大気中の二酸化炭素を海中隔離する目的で大量の二酸化炭素を液化するには、別途多大なエネルギーと設備が必要になるが、本発明の海中貯蔵システムでは、気体のままガスハイドレート形成物質として使用することができる利点がある。
【００１８】
ハイドレート形成の効率上、ガスハイドレート形成物質は、気体あるいは液体のいずれも場合においても１００％に近い純度のものが好ましいが、本発明では、後述するようにガスハイドレート生成装置１１の特徴的構造により、二酸化炭素中に酸素や窒素等が混入していても、そのままガスハイドレート形成物質として利用できる。従って、ガスハイドレート形成物質の予備精製に係る設備を簡略化でき、エネルギー消費や処理コストも低減できる。
【００１９】
ガスハイドレート生成装置１１内部の温度は、設置海域の温度が１０℃以下であれば特に冷却を必要としないが、生成速度を上げるために冷却装置を設けても良い。冷却装置としては、例えば後述するように、ジャケット式の冷却装置をガスハイドレート生成装置１１の周囲に配設する方式が挙げられる。
【００２０】
ガスハイドレート生成装置１１において生成したＣＯ２ハイドレート５０は、通常海水よりも比重が大きいため、自然沈降して、海底の貯留部に貯蔵される。ＣＯ２ハイドレートは海底では安定化するので、周辺への環境影響が比較的小さく、また、万一溶存二酸化炭素量の増加などが生じた場合はＣＯ２ハイドレート５０を回収し、場所を移動することも可能である。図１では、沈降したＣＯ２ハイドレート５０を貯留する一次貯留部８１と、さらにより水深の深い海底に設けた二次貯留部８２を示している。一次貯留部８１、二次貯留部８２ともに、自然の海底の地形を利用することが可能であるが、必要に応じて掘削等の施工を行うことも可能である。一次貯留部８１から二次貯留部８２までのＣＯ２ハイドレート５０の移送は、任意の方法で行うことが可能であるが、本実施形態に係る海中貯蔵システムでは、移送手段として、水流とともにＣＯ２ハイドレート５０を流送するジェットポンプ８３を備えている。
【００２１】
次に、ガスハイドレート生成装置１１の構造について詳述する。
図２は、本発明の一実施形態に係るガスハイドレート生成装置１１の概略構成を示したものである。ガスハイドレート生成装置１１は、耐食性の金属材料（例えばステンレスなど）による筒状体３１を以って外形輪郭が形成されている。このガスハイドレート生成装置１１は、特に耐圧構造である必要はない。筒状体３１の下部はガスハイドレート排出部として機能する開口部３５により開放されており、上部は気体を内部に貯留できるように塞がれた構造をしている。
【００２２】
このガスハイドレート生成装置１１の内部空間の上部は、気体を貯留する気体貯留部３３を構成している。この気体貯留部３３に貯留される気体の浮力を利用して、水深位置を制御することができる。
【００２３】
また、ガスハイドレート生成装置１１の上部には、上記気体貯留部３３と装置外部を連通するバルブ機構３９が配備されている。このバルブ機構３９は、気体貯留部３３内の余分な気体を放出する機能と、気体貯留量を調節することによる浮力コントロール機能を有している。
【００２４】
外形が筒状のガスハイドレート生成装置１１の中心には、ガスハイドレートの生成効率を高めるため、攪拌軸４６と攪拌翼４７（図２では３対）が配備されている。攪拌軸４６は装置の上部に付設されたモータ４５の動力により回転し、ガスハイドレート生成装置１１内の海水とガスハイドレート形成物質を混合できるようになっている。
【００２５】
ガスハイドレート形成物質の供給手段を構成するフレキシブルチューブ６０は、本実施形態では末端が３本（６０ａ、６０ｂ、６０ｃ）に分岐しており、ガスハイドレート生成装置１１の任意の位置に設けた導入部３７ａ、３７ｂ、３７ｃにそれぞれ接続されている。導入部３７ａ〜３７ｃの位置は、図２ではガスハイドレート生成装置１１の側面下部の片側に集中しているが、これに限らず、任意の位置から導入でき、導入部位の数も任意に設定できる。また、導入部３７ａ、３７ｂ、３７ｃとその付近の内面には、例えばテフロン（登録商標）などのフッ素樹脂やシリコーンなどによるライニングが施されている。これは、導入部３７から導入された二酸化炭素ガス等のガスハイドレート形成物質がハイドレート化して、この部分で塊状ハイドレートに成長して閉塞の問題を引き起こすことを防止するためである。
【００２６】
ガスハイドレート生成装置１１内部における気体貯留部３３と海水面５３との界面位置は、一定に制御することが必要であり、この制御を行うためにガスハイドレート生成装置１１には、界面レベル計４２が配備されている。
また、ガスハイドレート生成装置１１は、海中１００における水深位置を感知するための水圧センサー４１を備えている。
図１中、符号４３ａ、４３ｂは、ガスハイドレート生成装置１１の水平方向への移動や、水流による傾斜の補正などを行うための推進装置である。
【００２７】
以上の構成を踏まえ、本発明のガスハイドレート生成装置１１によるＣＯ２ハイドレート５０の海中製造について説明する。
図２に示すように、ガスハイドレート生成装置１１内部には、下部および／または側面に適宜配設した海水流入口より周囲の海水が流入しており、気体貯留部３３との間に気液界面を形成している。この気液海面となる海水面５３は所定のレベルに維持されている。
【００２８】
ガスハイドレート形成物質としての二酸化炭素ガスは、陸上に設置された供給装置６１からガスハイドレート生成装置１１にフレキシブルチューブ６０より導入される。ガスハイドレート生成装置１１内では、導入された二酸化炭素ガスと海水とを接触させ、海水圧を利用してＣＯ２ハイドレートを生成させる。ここでは、攪拌翼４７の回転により、二酸化炭素ガスと海水の接触効率を向上させ、ハイドレート生成効率を高めている。ガスハイドレート生成装置１１内に導入された二酸化炭素ガスは、気泡５１となって海水中を上昇していく過程で、少しずつハイドレート形成が行われる。導入された二酸化炭素ガスの中で、ハイドレート化しなかった残りの二酸化炭素ガスや、原料ガス中に不純物として含まれる酸素、窒素などのハイドレート化し難い気体成分は、気体貯留部３３に到達して貯留される。
【００２９】
以上のようなガスハイドレート生成反応において、ガスハイドレート生成装置１１を設置した場所の水圧と水温がガスハイドレート生成条件に合致していることが重要になる。本発明では、ガスハイドレート生成装置１１の水深位置を、装置内の気体貯留部３３に貯留する気体の浮力により調整することによって、海水圧が最適になる条件の下でガスハイドレートを生成させることができる。浮力は、気体貯留部３３に貯留されている気体量に依存する。従って、界面レベル計４２により海水面５３のレベルを検知して、気体貯留部３３の気体量が一定になるように監視している。
【００３０】
気体貯留部３３の気体量の制御は、ガスハイドレート生成装置１１上部のバルブ機構３９によって容易に実現できる。このバルブ機構３９により、気体貯留部３３内の余分な気体を放出し、気体貯留量を調節することによって浮力のコントロールができる。また、原料ガス中に酸素や窒素などのハイドレート化しにくいガス成分が含まれている場合には、これらが気体貯留部３３に蓄積していくので、バルブ機構３９により定期的に排出させる。さらに、水圧センサー４１により、ガスハイドレート生成装置１１の海中１００における水深位置を常に感知するとともに、所定の水圧が維持されているかどうかを監視できる。ガスハイドレート生成装置１１の水平方向への移動や傾きは、推進装置４３ａ、４３ｂによって調整できる。
【００３１】
以上のような構成により、本発明の海中ガスハイドレート生成装置１１では、陸上でのガスハイドレート生成におけるような高圧設備は一切必要としない。そして、ガスハイドレート生成装置１１の水深位置を、生成装置内に貯留する気体の浮力により調整するという方法により、容易に所望の水深位置を維持することが可能になり、常に最適なハイドレート生成環境を維持できる。
【００３２】
ガスハイドレート生成装置１１内で生成したＣＯ２ハイドレートは、通常水より比重が大きいので沈降し、ガスハイドレート生成装置１１底部の排出用開口部３５から排出され、例えば海底の所定場所に貯留される（図１参照）。
【００３３】
図３は、本発明の第２実施形態に係るガスハイドレート生成装置１２の概要を示す図面である。本実施形態のガスハイドレート生成装置１２は、基本的構成において図２の第１実施形態のガスハイドレート生成装置１１と同じであるため、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略し、以下では相違点を中心に説明する。
【００３４】
ガスハイドレート生成装置１２の周囲には、ジャケット式冷却装置４４が配備されており、所定の水圧（つまり、水深）があれば、海水温に係らずガスハイドレート生成装置１２内にガスハイドレート生成条件を作り出せるように構成されている。また、ガスハイドレート生成反応は発熱反応であるため、設置海域の海水温がガスハイドレート生成温度に合致している場合でも、ガスハイドレート生成装置１２内部の温度が上昇してガスハイドレート生成効率が低下することがあり得るが、ジャケット式冷却装置４４を配備することによって、常に適正な温度を維持できる。
【００３５】
また、本実施形態では、スパージャ型の攪拌手段を採用している。つまり、攪拌軸４６’は中空に形成され、この攪拌軸４６’の内部にフレキシブルチューブ６０を接続することにより、ガスハイドレート形成物質としての二酸化炭素ガスを導入できるように構成されている。攪拌軸４６’に導入された二酸化炭素ガスは、攪拌翼４７’の先端から排出されるようになっており、モータ４５’の駆動により回転する攪拌翼４７’の遠心力を利用して二酸化炭素ガスを細かな気泡として導出できる。このように、スパージャ型の攪拌手段では、攪拌による混合作用と、気泡の細粒化作用が同時に得られるほか、前記した導入部におけるハイドレート塊の生成による閉塞の問題も生じることがないので有利である。
【００３６】
さらに、本実施形態に係るガスハイドレート生成装置１２には、水導入部３８において、水の供給ラインとしてのフレキシブルチューブ６３に接続されている。フレキシブルチューブ６３としては、前記したガスハイドレート形成物質の供給手段としてのフレキシブルチューブ６０と同様のものを用いることが可能である。このフレキシブルチューブ６３は、図示しない給水装置（ポンプなど）に接続されており、必要に応じ真水を海中のガスハイドレート生成装置１２内に導入して海水の塩分濃度を希釈することができる。原料水中に塩化ナトリウム等の物質が所定濃度存在するとガスハイドレートの生成条件が低温・高圧側にシフトし、ガスハイドレートが生成しにくくなることが知られているが、真水を導入することにより、海水中の塩分濃度を希釈してガスハイドレート生成条件を高温・低圧側に緩和することが可能になる。
【００３７】
図４は、本発明の第３実施形態に係るガスハイドレート生成装置１３の概要を示す図面である。このガスハイドレート生成装置１３は、基本的構成において図２の第１実施形態のガスハイドレート生成装置１１と同じであるため、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略し、以下では相違点を中心に説明する。
【００３８】
本実施形態に係るガスハイドレート生成装置１３は、生成したガスハイドレートの比重が海水よりも軽い場合（つまり、海水中を沈降せずに、浮上する場合）に適した装置の例である。このガスハイドレート生成装置１３は、筒状体３１の所定部位に設けた排出部２１において、移送管２５に接続している。排出部２１の近傍にはモータ２３が配備されており、海水より比重の軽いガスハイドレート５０’を移送管２５を介して移送できるように構成されている。
また、筒状体３１内部の所定位置には、一対の界面検知センサー２７、２７が配備されている。この界面検知センサー２７、２７は、例えば超音波を利用してガスハイドレート５０’と海水面との境界の高さをモニターするために使用されるものである。
ガスハイドレート生成装置１３において、ガスハイドレート形成物質は、装置側面の導入部３７（本例では１箇所）より導入される。装置内部では、攪拌翼４７による攪拌によって海水とガスハイドレート形成物質の気泡５１との気液接触が促進され、ガスハイドレートを生成する。生成したガスハイドレートは、海水より比重が軽いため、装置内を浮上し、気体貯留部３３と海水との間に層状に集合する。つまり装置内部には、気体、ガスハイドレート５０’、海水の３つの層が形成されることになる。そこで、前記界面検知センサー２７、２７により、ガスハイドレート層（５０’）と海水との界面をモニターするとともに、排出部２１からガスハイドレート５０’を導出することによって、ガスハイドレート層の厚み（量）が一定になるようにする。かかる構成により、海水より比重が軽いガスハイドレート５０’についても連続的な製造が可能になる。取り出したガスハイドレート５０’は、図中、矢印で示すように、移送管２５を通じて例えば陸上まで汲み上げることができる。したがって、本実施形態のガスハイドレート生成装置１３は、原料となるガスハイドレート形成物質が、例えばメタンガスや天然ガスなどの場合に適した装置である。
【００３９】
図５は、本発明の第４実施形態に係るガスハイドレート生成装置１４の概要を示す図面である。このガスハイドレート生成装置１４は、基本的構成において図４の第３実施形態のガスハイドレート生成装置１３と同じであるため、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略し、以下では相違点を中心に説明する。本実施形態に係るガスハイドレート生成装置１４は、筒状体３１の下部が下方へむけて拡開しており、この拡開部３２により開口部３５が広げられて形成されている。この広い開口部３５から、原料ガス（ガスハイドレート形成物質）を導入してガスハイドレート５０’を生成できるように構成されている。このため、ガスハイドレート生成装置１４では、ガスハイドレート形成物質の供給手段としてのフレキシブルチューブ６０には接続されていない。
なお、図５では海底から噴出する天然ガス等の気泡５１’を直接装置内に採り込み、ガスハイドレートを製造している状態を示している。
【００４０】
次に、本発明のガスハイドレート生成装置１１の海中での固定方法について説明する。前記したように、ガスハイドレート生成装置１１の設置方法は任意であり、固定は必須ではないが、海流の強い海域などでは、固定することにより安定した水深位置を保つことができる。ガスハイドレート生成装置１１の固定例を図６〜図８に示す。
【００４１】
図６は、海底２００にワイヤ７１を用いてガスハイドレート生成装置１１を係留した状態を示している。図６のように海底２００に係留する場合には、気体貯留部３３の気体の浮力に抗する張力がワイヤ７１に作用する。そのため、図示のように、ワイヤ７１に張力計７２を設置して、ワイヤ７１に加わる張力を検知することによって、気体貯留部３３の気体量（つまり、海水面５３のレベル）を知ることができる。したがって、図６の場合には、ガスハイドレート生成装置１１の界面レベル計４２を省略することが可能になる。
【００４２】
図７は、海面３００にフロート（浮体式海洋構造物）７５を配置し、ワイヤ７３を用いてガスハイドレート生成装置１１を係留した状態を示している。図７のように海面３００に係留する場合には、海底２００に係留する場合（図６）に比べて潮位や海流の影響は受けやすくなるが、設置場所の移動が容易であるという長所がある。また、海中に浮遊させるだけの方式に比べれば、はるかに安定である。
【００４３】
図８は、ガスハイドレート生成装置１１の海中での固定方法のさらに別の例であり、陸地から離れた海域でメガフロート７５’により３基のガスハイドレート生成装置１１を係留している状態を示している。この例では、供給装置６１もメガフロート７５’上に配備されており、沿岸海域から外洋まで、どこでも自由に移動できるため、設置場所の制約を受けない。本発明に係るガスハイドレート生成装置１１は、簡易な構成であり、フレキシブルチューブ６０に接続することによって位置調整も自由自在であるため、図８のように複数のガスハイドレート生成装置１１を並列配備することも容易になる。従って、大気中に蓄積している大量の二酸化炭素ガスをハイドレート化して海中隔離する用途に適したものである。
【００４４】
以上、本発明を種々の実施形態に関して述べたが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、他の実施形態についても適用されるものであることは勿論である。
【００４５】
例えば、上記第１〜第４実施形態のガスハイドレート生成装置１１、１２、１３、１４では、筒状体３１の気体貯留部３３内に貯留する気体によって装置に浮力を与えているが、これに限らず、例えば浮袋のような気体貯留部を装置外部に設け、そこにガスハイドレート形成物質の気体や、別途空気等の気体を導入して浮力を与えるような構成とすることも可能である。また、浮力を与える材料としては気体に限らず、例えば装置外部に発泡体等からなる浮力器を付設して浮力を与えてもよい。
【００４６】
【発明の効果】
本発明のガスハイドレート海中生成方法によれば、海中での水圧を利用してガスハイドレートを生成させるため、陸上でのガスハイドレート生成におけるような高圧設備は不要である。また、海水温が１０℃以下の海域であれば、冷熱も必要としない。さらに、ガスハイドレート製造に要する水は海水を利用するので、水の供給設備も不要である。そして、生成装置の水深位置を、生成装置の浮力により調整可能にしたので、容易に所望の水深位置を維持することが可能になり、最適なガスハイドレート生成環境を維持できる。
【００４７】
また、本発明の二酸化炭素の海中貯蔵システムの発明では、海水圧と海水温を利用してガスハイドレートを生成させるとともに、生成装置の浮力を利用して水深位置を制御するため、消費エネルギーを低く押さえることが可能であり、使用する装置も簡易なもので済む。従って、本発明の海中貯蔵システムは、温暖化の原因となっている大気中の二酸化炭素を大量に海中貯蔵する上で適したシステムである。
【００４８】
本発明の海中ガスハイドレート生成装置によれば、装置の浮力により水深位置を調整できるようにしたので、ガスハイドレート生成に適した所望の水深位置の維持が容易に行える。すなわち、海中での水圧を利用してガスハイドレートを生成させるためには、水圧がガスハイドレート生成条件になるように、生成装置の水深位置を制御する必要がある。この水深位置の制御を、固定具により行うとすれば、水深１００ｍ以上の海中まで器具を敷設する必要があり、海流や潮位の変動に対応させるための強度も必要であるため、大規模な設備が必要になる。これに対して、本発明装置では、生成装置内に貯留する原料ガス等の浮力を利用して位置調整を行えるため、微調整も容易であり、簡易な装置構成で常に最適なガスハイドレート生成環境を維持できる。さらに、装置を設置する場合は、海面から浮力を調節して少しずつ下降させることが可能であり、また、装置のメンテナンス等を行う場合も、浮力を調節して海面まで上昇させることができるので、設置時やメンテナンス時に大型のウインチなどを使用する必要がない。従って、本発明のガスハイドレート生成装置は、例えば、二酸化炭素の海中貯蔵などにおいて有利に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】二酸化炭素の海中貯蔵システムの概要を示す模式図。
【図２】本発明の第１実施形態に係るガスハイドレート生成装置の概略構成を示す模式図。
【図３】本発明の第２実施形態に係るガスハイドレート生成装置の概略構成を示す模式図。
【図４】本発明の第３実施形態に係るガスハイドレート生成装置の概略構成を示す模式図。
【図５】本発明の第４実施形態に係るガスハイドレート生成装置の概略構成を示す模式図。
【図６】ガスハイドレート生成装置の海底係留方式の説明に供する図面。
【図７】ガスハイドレート生成装置の海面係留方式の別の例の説明に供する図面。
【図８】ガスハイドレート生成装置の海面係留方式のさらに別の例の説明に供する図面。
【符号の説明】
１１、１２、１３、１４ ガスハイドレート生成装置
２１ 排出部
２３ モータ
２５ 移送管
２７ 界面検知センサー
３１ 筒状体
３２ 拡開部
３３ 気体貯留部
３５ 開口部
３７ａ、３７ｂ、３７ｃ 導入部
３９ バルブ機構
４１ 水圧センサー
４２ 界面レベル計
４３ａ、４３ｂ 推進装置
４４ ジャケット式冷却装置
４５ モータ
４６ 攪拌軸
４７ 攪拌翼
５０ ＣＯ２ハイドレート
５０’ ガスハイドレート
５１、５１’ 気泡
５３ 海水面
５３’ 海水−ガスハイドレート境界
５４ 気体−ガスハイドレート境界
６０ フレキシブルチューブ
６１ 供給装置
６３ フレキシブルチューブ
７１ ワイヤ
７２ 張力計
７３ ワイヤ
７５ フロート
８１ 一次貯留部
８２ 二次貯留部
８３ ジェットポンプ
１００ 海中
２００ 海底
３００ 海面
Claims (4)
- 所定の水深の海中に設けたガスハイドレート生成装置にガスハイドレート形成物質を導入し、該ガスハイドレート形成物質と海水とを接触させ、前記水深に対応する海水圧を利用してガスハイドレートを生成させるガスハイドレートの海中生成方法であって、
前記ガスハイドレート生成装置の気体貯留部に気体を貯留し、貯留する気体量に応じて発生する浮力を利用して当該装置の水深位置を調整し、
前記水深位置は、前記気体貯留部に貯留される気体量を制御することによって、該水深位置での海中の水圧がガスハイドレートの生成反応の圧力条件を満たすように調整されることを特徴とする、ガスハイドレートの海中生成方法。 - 請求項１に記載のガスハイドレートの海中生成方法により、陸上から導入した二酸化炭素を海中でハイドレート化した後、生成したＣＯ２ハイドレートを沈降させて、海底の貯留部に貯蔵する二酸化炭素の海中貯蔵システム。
- 所定の水深の海中に配備され、ガスハイドレート形成物質と海水とを接触させ、前記水深に対応する海水圧を利用してガスハイドレートを生成させるガスハイドレート生成装置であって、
該ガスハイドレート生成装置は、気体を貯留する気体貯留部を備えており、該気体貯留部に貯留される気体量に応じて発生する浮力を利用して当該装置の水深位置を調整可能に構成され、
前記水深位置は、前記気体貯留部に貯留される気体量を制御することによって、該水深位置での海中の水圧がガスハイドレートの生成反応の圧力条件を満たすように調整される構成であることを特徴とする、ガスハイドレート生成装置。 - 請求項３に記載のガスハイドレート生成装置において、ガスハイドレート形成物質の導入を行うためのフレキシブルな供給手段に接続されていることを特徴とする、ガスハイドレート生成装置。
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