JP5131952B2

JP5131952B2 - 海洋資源エネルギー抽出・生産海洋工場

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Publication number: JP5131952B2
Application number: JP2006168279A
Authority: JP
Inventors: 村原正隆; 和市関
Original assignee: 村原正隆; 和市関
Priority date: 2006-06-19
Filing date: 2006-06-19
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2026-06-19
Also published as: JP2007331681A

Description

浮体船甲板上に設置した風車や甲板下の表層海水中に設置した水車などから得られる電気エネルギーを電力として海水の淡水化過程で得られる真水や排出されるかん水の溶融塩電気分解で得られる水素発生金属あるいは海底鉱物などを生産・貯蔵・輸送システムに関する。

現在、エネルギー資源の大部分を占めているのは、石油、石炭、天然ガスなどの化石エネルギーであるが、エネルギー資源の大量消費により将来の枯渇化、およびそれら化石燃料の燃焼により発生する二酸化炭素による地球環境破壊が問題になり、京都議定書に見られるように炭素量削減が緊急課題となっている。

この二酸化炭素などの環境影響物質を一切発生しない貯蔵可能なクリーンエネルギーとして水素が脚光を浴びている。しかし貯蔵にボンベが必要なことから、持ち運びが簡便なエネルギー源の開発が急がれ、その１つとして水素吸蔵合金の研究がある。これを別の視点から考えると、消費場所で必要なだけ水素を生成することも一案である。水素の発生で最も簡単なのは光触媒による水の電気分解であるが、発生量が少ない。その点水素発生金属としてのナトリウム、カルシウムあるいはカリウムなどは水を注ぐだけで、あるいはマグネシウムは熱水を注ぐといずれも大量に水素を発生し、爆発的に酸素と反応して燃焼する。高速増殖炉もんじゅの冷却材として使われている金属ナトリウム蒸気が漏洩し、これと水が反応して火災事故を起こしたことは記憶に新しい。さらに最近非特許文献１に示すように金属マグネシウムと熱水の反応により水素を生成させ、これを運動エネルギーに変換し、燃え滓の酸化マグネシウムは太陽励起レーザー光で還元したとする提案が東京工業大学矢部孝教授よりなされている。

本発明はこれら水素発生金属が無尽蔵にある海水から風力や海流による流体エネルギーや太陽エネルギーなどの自然エネルギーを使って効率良く摂取しようとするものである。ただし太陽エネルギーの内、太陽電池は大電力を得るには効率が悪く、しかも洋上では受光面に食塩の結晶が付着するため保守が大変であることなどから本発明では太陽電池の使用は考えない。ここで水素発生金属とはナトリウム、マグネシウム、カルシウム、カリウムなどの水と激しく反応して水素を発生する卑金属を意味する。海水１ｋｇ中のナトリウム量は11.05ｇ、マグネシウムは1.32ｇ、カルシウムは0.422g、カリウムは0.416gと多く、非特許文献2のように、わが国におけるマグネシウム精錬はアルミニウムより1年早い昭和8年に開始され、その製造方法は海水による製塩の際の副産物の苦汁（含塩化マグネシウム水和物）を蒸発濃縮して得られる塩化マグネシウムを電気分解する方法であった。さらに特許文献１に示すように昭和８年（１９３３）酸化マグネシウムを塩素化して無水塩化物を作り、溶融塩電解法により金属マグネシウムを析出させる方法が昭和８年（１９３３）９月東京工業大学教授加藤興五郎と立木健吉によって特許化されている。

高温で溶融した溶融塩はイオン導電により高い導電性を呈する。この溶融塩電解では、電解質水溶液の電気分解とは異なり、水が存在しないので水素の発生は無い。このため、水溶液では陰極析出が困難な金属でも単離することが出来る。さらに酸素との結合が強いマグネシウムやナトリウムあるいはアルミニウムなどは炭素還元による冶金は困難で、溶融塩電解法により製造されている。実用化に於いては、その導電率を出来るだけ高くし、反応は出来るだけ低い温度で行いたい。非特許文献３によるとナトリウムの融点は97.7℃、沸点は882.9℃であり、塩化ナトリウムの融点は801℃と高いが、水酸化ナトリウムの融点は318℃と低いため金属ナトリウムを得るには出発原料は水酸化ナトリウムを溶融塩電解するＣastner法が経済的である。食塩を直接溶融塩電気分解するDowns法では反応温度を下げるため、塩化ナトリウム約60%に約40%の塩化カルシウムを混合して融点を600℃にしている。この方法によると析出ナトリウムには少量のカルシウムが含まれているので110℃まで冷却して両者を分離する。

マグネシウムの融点は６４８．８℃、沸点が1090℃であるのに対し、酸化マグネシウムの融点は２８２６℃、沸点は３６００℃と高い。しかし塩化マグネシウムならば融点は７１４℃と酸化マグネシウムの４分の１である。然るに電解温度を低くすれば溶融塩電気分解に要する電力を節約できる。このためには塩化マグネシウムの高純度化が必要である。このため特許文献２に開示されるように、マグネシウムを製造する電解槽から塩化マグネシウム濃度が低下した電解浴塩に酸化マグネシウムや炭酸マグネシウム粉末を加え、これに塩化マグネシウムの電解によって生成した塩素ガスあるいは塩素と一酸化炭素の混合ガスまたはホスゲンなどと反応させ、電解浴塩を循環させて塩素化と電解を繰り返し行っている。酸化マグネシウムの融点を下げるために塩化マグネシウムを添加する例は特許文献３、４に開示されており、酸化マグネシウムをフッ化物塩電解質に入れて電解する方法は特許文献５に開示されている。溶融塩電気分解に使用する電力を軽減するために、金属塩化物中の不純物を除去する方法が特許文献６に、溶融塩電気分解電極の陽極及び陰極間にグラファイトで構成された隔膜を配置することが特許文献7に開示されている。

海水の淡水化については、海水から塩分を残して真水のみ取り出す、蒸発法、冷却法、溶媒抽出法、逆浸透法があり、逆に塩分を除去して淡水を残す電気透析法、イオン交換樹脂法がある。海水から塩分を残して生産する場合淡水１立方メートル生産当たりの電力消費量は、代表的蒸発法の多段フラッシュ蒸留法で６３kＷｈ、冷凍法で１０．６kWｈであるが、逆浸透法は０．６９ｋＷｈとエネルギー消費量が他の方法に比べるきわめて少なく、さらに運転維持管理も容易である。

逆浸透法とは半透膜で仕切られた容器の一方に海水を、他方に真水を入れると、両方の溶液は塩分濃度が均一に成ろうとして真水が半透膜を通って海水側に移動する。この流れの圧力を浸透圧と言い、海水の浸透圧は約２５ｋｇｆ/ｃｍ２である。このとき、海水側に浸透圧以上の圧力が加えられると、海水側から半透膜を通して真水が押し出される。この原理を使って連続的に海水から真水が作られる。

逆浸透圧法により海水を淡水化するには２５ｋｇｆ/ｃｍ２以上の高い水圧を必要とする。そこで逆浸透モジュールを逆浸透圧以上の水深に沈め、淡水集水管に浸透した淡水を大気中に汲み上げる方法が特許文献8に開示されている。また逆浸透法による海水の淡水化を行うに先立ち海水を深度１００メーター以上の海水層より取り込むことにより砂濾過処理や凝集剤注入を省略できることが特許文献9に開示している。

水深が２００ｍより深くなると太陽光線は到達できず、気圧も２０気圧以上と高い。この深さの水は海洋深層水といわれ、表層海水に比べて細菌も著しく少ない。このため深層水から得られた淡水は清浄性・熟成性・高ミネラル性を有することから食品・美容・医薬品などに利用される。

かん水を濃縮して、海水の量が10分の1以下になると塩化ナトリウムが結晶化して析出し始める。やがて量の少ない硫酸マグネシウム、塩化マグネシウム、塩化カリウムなどが結晶化する。海水を逆浸透膜法で濃縮したかん水には炭酸カルシウムの析出があるので、３.３％の海水は約６％でしか濃縮できない。一方イオン交換膜透析法では電気透析膜を使って２０％まで濃縮できる。工業的にはこの電気透析膜を数千枚重ねて使う。このイオン交換膜透析法で海水を濃縮するのと蒸発濃縮法では析出結晶が少々異なる。硫酸マグネシウムはイオン交換膜透析法では析出しないが蒸発濃縮法では析出する。他方塩化カルシウムはイオン交換膜透析法では析出するが蒸発濃縮法では析出しない。

１９９４年発効した海洋法に関する国際連合条約によると、沿岸国は２００海里（３７０kｍ）までの海底および海底下を大陸棚とすることが出来るほか、海底の地形・地質が一定条件を満たせば、２００海里の外側に大陸棚の設定することが出来る。この大陸棚を国連海洋法条約では排他的経済水域といい、水産資源や鉱物資源などの非生物資源の開発が出来る。水深２０００m 内外に存在する熱水鉱床は亜鉛、銅、鉛、銀などを含む泥状の硫化物で、海底において熱水作用に伴い形成された多金属硫化物鉱床である。マンガンクラフトは、マンガン団塊が水深５０００ｍの海底に存在しているのに対し、マンガンクラフトは水深１５００ｍから２５００ｍ付近にあり、マンガンやコバルトの資源として有望である。

海水の淡水化や水素発生金属の生産あるいは海底掘削には大電力が必要である。このため化石燃料を用いない自然エネルギーに頼ろうとする気運が高い。自然エネルギー発電には風力、水力（潮力）、波力、太陽電池、太陽熱などがあるが、この中でも風力は地表に対して垂直に設置できるため他の自然エネルギー発電設置に比べて設置面積が少なく、しかも昼夜問わず利用できる。この風力発電を利用して未処理水や海水を逆浸透プラントで処理するための圧力ポンプの電力に利用することが特許文献１０，１１に開示されている。同様に海水の淡水化を目的として海水の汲み上げポンプの電力に風力発電を使用することが特許文献１２に開示されている。また海水の淡水化装置から得られた淡水を電気分解して水素を生産する電力として風力発電を利用することが特許文献１３に開示されている。

風力を直接動力源として用い海水の淡水化を行う試みもある。特許文献１４には風車軸に空気圧縮機を連結し、圧縮空気タンクからの圧縮空気を海水に作用させて海水から真水を製造する浸透圧式海水淡水化装置が開示されている。また特許文献１５には海水淡水化プラント用蒸発管に海水を送る手段として風力駆動式海水淡水化プラントが開示されている。

風力発電で得られるエネルギー（Ｗ）は、受風面積（Ａ）、空気密度（ρ）、風速（Ｖ）とするとＷ＝ＡρＶ３／２で与えられる。ここで空気の密度は1.2kg/m3に対し水の密度は1025kg/m3である。このため風の流を水の流に代えれば８５４倍のエネルギーを得ることが出来る。日本周辺には黒潮（日本海流）と対馬海流があり、トカラ海峡、足摺岬、室戸岬、潮岬、三宅島・御蔵島を流れる黒潮は幅２５０ｋｍ、水深１０００ｍ、流速０．３〜２ｍ/秒であり格好の水流発電源と思われる。

上述した風力、流水力、太陽熱などの自然エネルギーは地球環境に優しく、かつ、資源の枯渇も起こさない格好なエネルギー源であるように思われがちで在るが、しかしこれらは全て自然的・地理的条件に制約され、気象条件や場所によっては所望の発電電力を得ることは困難である。そこで太陽エネルギーや風力エネルギーあるいは潮流など自然エネルギーが豊富に存在する洋上でそれらを利用する方法が提案されている。特許文献１６では海上に浮遊設置されたプールに海洋深層水を汲み上げるために風力発電で得られた電力を使用することが開示されている。特許文献１７には海水の電気分解による淡水化に風力発電を用いることが開示されている。特許文献１８には海上に設置する大型浮体構造物の自然エネルギーを利用する発電設備として風力発電、波力発電、海洋温度差発電などが開示されている。移動可能な海上浮体上で太陽熱による蒸気タービン発電や波力発電、風力発電などで得られた電力により淡水化された水を電気分解して水素や酸素ガスを生産することが特許文献１９、２０に開示されている。洋上の浮遊あるいは浮体船の甲板に設置する風車は風向に関係ない無指向性が望ましい。本願発明者は風力や水力の両エネルギーから電力を取り出す垂直軸風水車を特許文献２１、２２に開示している。

上述した参考文献を統括すると自然的・地理的条件あるいは気象条件や場所に制約されない手法として洋上で所望の発電電力と原料を得る構成により、すべて自然エネルギーを利用しながら、効率良く海水の淡水化および金属の採取あるいは海底資源の採鉱を行うことを可能としている。

特公昭０８−００１５９６号公報特公平６−６３１０８号特開平０７−０６９６４７号公報特開平０９−００３６８２号公報特開平０７−３１６８６６号公報特開２００６−０５７１４３号公報特開２００６−１６６３３号公報特開平１０−１５６３５６号公報特開平１０−２２５６８３号公報特公平２００４−５３７６６８号特開平２０００−２０２４４１号公報特開平２００４−２９０９４５号公報特開平２００５−０６９１２５号公報特開平２００３−０８３２３０号公報特公平２００５−５２１５５７号特開平２００２−０５９８９３号公報特開平２００１−２１３３８８号公報特開平２００２−２５５０９１号公報特開平２００２−３０３４５４号公報特開平２００５−１４５２１８号公報特開平２００３−２０６８４８号公報特開平２００３−２０６８４９号公報特開昭５３−５６４７号公報特願２００５−３３８４２５号公報日経産業新聞、２００６年４月１２日号最新商品の科学、株式会社国勢社、79頁、昭和４８年１２月２０日発行電気化学概論・高橋武彦著、槇書店、２２１〜２４０頁、１９９１年２月２０日新版４刷

従来のエネルギー資源の調達は経済性の観点から資源の豊富な場所に限られ、それを消費地に如何に経済的に運搬するかが課題であった。しかし近代産業は度重なる資源の乱獲をもたらし、これに起因する資源の世界的枯渇は、資源高をもたらし、これによる資源供給国の台頭は国際社会で影響力を拡大し、しいては我が国など需要国を脅かすような資源大国が台頭して来ている。まさに資源ウオーズの始まりである。幸いにも我が国は４面を海に囲まれ、２００海里の大陸棚の外周を考えると豊富な資源国に成り得る可能性を持っている。海底や海底地盤中の鉱物資源、海水に溶存する鉱物資源、海流・潮汐・海水の温度差などのエネルギー源、海中に生存する動植物、飲み水や工業用水も海洋資源である。これら無尽蔵にある海洋資源を化石燃料を使わず経済的に製造する事が本発明が解決しようとする課題である。

これまで海水の淡水化やナトリウムやマグネシウムなどの海水溶存金属の生産施設などは沿岸地域の火力発電所周辺に限られ、これら海水溶存金属はアルミニウム同様電力の化石と言われてきた。さらに石油掘削井戸のように洋上にプラットホームを建設する事はあったが、その開発に供給される莫大なエネルギーは石油に依存していた。ところが最近、洋上に豊富に在る太陽エネルギーや風力エネルギーを用いようとする提案がなされている。特許文献１８には海上に設置する大型浮体構造物の発電設備として風力発電、波力発電、海洋温度差発電などの自然エネルギー利用が開示されている。特許文献１９、２０では太陽熱による蒸気タービン発電、波力発電、風力発電などで得られた電力により海水を淡水化した真水を電気分解して水素や酸素ガスを生産している。特許文献１６では風力発電で得られた電力で海洋深層水を汲み上げている。風力発電を用いて海水の電気分解による淡水化が特許文献１７に開示されている。しかし殆どが海水の淡水化止りでかん水の回収・濃縮・溶融塩電気分解による金属の製造、あるいは海底の鉱物資源の採鉱は試みられず、まして、それら製造物を船倉に貯蔵・陸に搬送および出航の際陸積みした使用済み金属酸化物を海上で溶融塩電気分解の排ガスを使って再生産する海洋資源エネルギー生産海洋工場システムについては皆無である。

本発明は上述した問題点に鑑みて創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、海流、風力などの流体エネルギーによる大電力と集光された太陽熱などの自然エネルギーを効果的に用い水素発生金属の製造、真水の製造、液体酸素の製造、海底鉱物の採鉱などを行ない、それら生産物を寄港先で陸揚げし、陸地からは使用済み水素発生金属の酸化物や水酸化物を船積みし、これと海洋工場の廃棄ガスを用いて水素発生金属を再生産すること、あるいは海流発電から得られる豊富な電力を用いて陸積みされたボーキサイトとを溶融塩電気分解して金属アルミを製造する。これらの全ての仕事を行う海洋工場・貨物船として、あるいは現場に留まって生産を続ける母船として、生産・貯蔵・輸送時におけるエネルギーロスを低減し、かつ、システム全体の効率を向上させることができる海洋工場を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の海洋資源エネルギー生産海洋工場は、大型双胴船または単胴船から成り、洋上の資源採取場所で大量の電力を流体エネルギーから得るために甲板上に無指向性垂直軸風車を複数台備え、生産しながら洋上を航行したり、資源摂取現場で浮遊したり、係留したりすることが出来る。とくに黒潮などの海流の流れを利用した海流発電を行う際には船を係留する。また海流発電を行う為には単胴船よりも複胴船が望ましく、双胴船の２つの船体を結合した甲板上部に無指向性垂直軸風車を複数台備え、甲板下部の表層海面下には海流発電用垂直軸水車を備することを特徴とする。

洋上で生産した電力を用いて海水を逆浸透法や蒸発法あるいは冷凍法などにより淡水化して真水を製造・貯蔵する手段と、廃液として出るかん水を電気透析法により濃縮かん水を生産し、これをナトリウム、マグネシウム、カルシウム、カリウムなどの水素発生金属を回収するための製造工程に送る。逆浸透膜法による海水の淡水化には海水の圧入ポンプ用電力が必要である以外は電力消費がないため最も経済的である。本発明では逆浸透膜を重ね巻きしたスパイラル型モジュールを使うのが望ましいが、流体エネルギーからの電力生産量が多くなれば多段フラッシュ蒸着法蒸発法や海水を冷却して氷を作り、その氷を融解して淡水を得る冷凍法などを併用する。あるいは海水が満たされた容器のガラス窓から太陽光を入射し、蒸発した水蒸気をリービッヒなどの冷却管熱を通して純水を製造する。冷却管の外管には淡水化のために汲み揚げた海水や深層水を通した後、淡水化装置に送水する。これらの淡水化により得られた真水は貯蔵し、濃縮かん水は水素発生金属の回収に供される。

逆浸透膜法による海水の淡水化には海水の圧入が必要であるが、これを深海で行えば水圧が高いため圧入ポンプを省略できる。特許文献18には逆浸透モジュールを逆浸透圧以上の水深に沈め、淡水集水管に浸透した淡水を大気中に汲み上げる方法が開示されている。本願発明では深層水層に逆浸透膜よりなる海水・真水・かん水の夫々の圧力センサーを着けたスパイラル型逆浸透膜モジュールを沈め、濃縮かん水と淡水を夫々別々に船上に揚水し、深層海水側への淡水の逆流を抑え、かつ淡水側およびかん水側への浸透圧差を打ち消すための引圧を施すための吸引ポンプを備えることにより海底の水圧を利用し連続的に深層淡水と濃縮かん水を汲み揚げ、これらの水を船上の設備類の冷却や船室の冷房に流用した後、海洋深層水は貯蔵タンクに、かん水は熱濃縮工程に送り、ナトリウム、マグネシウム、カルシウム、カリウムなどの水素発生金属を回収するため供される。本願特許の目的は海水の淡水化と水素発生金属を取り出すことであるから、先ず海水の淡水化を行い排出されたかん水を電気透析法すなわちイオン交換樹脂法でさらに濃縮し、濃度の高いかん水を得る方法を採用する。

ナトリウム、マグネシウム、カルシウム、カリウムなどの水素発生金属の内、ナトリウム、カルシウム、カリウムは水と激しく反応し、水素を発生する。しかしマグネシウムだけは水とは反応せず、熱水とのみ反応する。ところが水銀と反応させてマグネシウムアマルガムにすると水と激しく反応して水素を発生する。この性質を利用して、水を入れた金属マグネシウムに少量のマグネシウムアマルガムを投入するか、金属マグネシウムと少量のマグネシウムアマルガムの混合物に水を滴下すると水と激しく反応して水素を発生する。この理由はマグネシウムの酸化力が強いためマグネシウム表面の酸化皮膜が水の保護膜として働くためである。他方水銀化合物の使用は環境問題を引きお越しかねない。そこで水銀を使わない方法として、水の中に金属マグネシウムに傷をつけることにより冷水とも激しく反応して水素を発生するためマグネシウムを水素発生金属として使うことが出来る。これにより最も水と激しく反応するナトリウムは大規模発電施設の水素発生源あるいは原子力発電におけるウランの代替燃料として、マグネシウムは小規模発電施設や動力源として使用することが出来る。

海水の淡水化によって排出された濃縮かん水は水素発生金属の宝庫である。この濃縮かん水を煎ごうするために流体エネルギーによって得られた電力や溶融塩電気分解装置から発生した熱あるいは集光された太陽光によって結晶塩を析出させる。この結晶化する温度を利用して夫々の結晶塩を分別する。分別された結晶塩は夫々流体エネルギーから得られた大電力を用いて溶融塩電気分解を行い、陰極に水素発生金属を、陽極に塩素ガスを発生させる。そして水素発生金属のうちナトリウムやカリウムは石油の中に、他のマグネシウム、カルシウムなどは乾燥大気中で保管する。廃ガスとして発生する塩素は使用済み水素発生金属酸化物の塩素化に供される。

船積みされた使用済み酸化ナトリウムや酸化マグネシウムあるいは水酸化マグネシウムは溶融塩電気分解を行い易くするために塩化物にする必要がある。金属塩化物にするには塩化水素ガスとの反応が簡便である。そこで、塩化水素は塩素ガスと水素ガスを反応させて生成する。塩素ガスは溶融塩電気分解の廃ガスを利用し、水素は海水の淡水化によって得られた真水を電気分解する。この真水の電気分解で得られたもう一方の酸素ガスは圧縮して液体酸素として容器に保存する。ここで生産された塩化ナトリウムや塩化マグネシウムは溶融電気分解の原料として再利用される。ここで使用済み水酸化ナトリウムの融点は塩化ナトリウムよりも低いので、水酸化ナトリウムはそのまま溶融塩電気分解を行うことが出来る。

イオン化傾向が強い金属はそれよりもイオン化傾向が弱い金属の酸化物を還元することが出来る。そこで船積みされた使用済み酸化マグネシウムは洋上工場で食塩の溶融塩電気分解で得られた金属ナトリウムを使ってマグネシウム酸化物を還元して金属マグネシウムを生産し、酸化されたナトリウム酸化物は、同じく海洋工場で生産した塩化水素と反応させて塩化ナトリウムを作り、これを溶融塩電気分解して金属ナトリウムを生産する事が出来る。

溶融塩電気分解に必要な電力は莫大である。しかしその殆どが金属塩化物を溶融するために使われ、電気化学に関わる電子の移行による還元に使われる量は比較的少ない。そこで本発明では溶融塩電気分解に太陽熱と電力の両方を用いる。太陽光は1m２当たり１ｋＷである。そこで本発明では集光された太陽光を入射するためのガラス窓を有する溶融塩電気分解槽を備え、かん水の太陽熱による濃縮と蒸留水の製造を行う第1工程と、濃縮された卑金属塩化物を集光された太陽熱で溶融し、同時に電気分解する溶融塩電気分解をおこなう第2工程とを同時に行なう。第1工程では太陽光を入射するガラス窓とかん水とを密着させ、かん水を太陽熱によって蒸発させ、リービッヒなどの冷却管を通過させることにより純水を製造する。同時にかん水は太陽光の照射時間の経過に連れて濃度は高く成り、塩化ナトリウムが析出し、上澄み液として塩化マグネシウムを多量に含有する苦汁を取り出す。この塩化ナトリウム結晶と苦汁を別々に第２工程の溶融電気分解槽に移し、集光された太陽光を照射して熱溶融された夫々の金属塩化物結晶に電流を流し溶融塩電気分解を行う。ここで太陽光の集光には本願発明者が特許文献２３に開示するように非球面鏡の製作法あるいは特許文献２４に開示する両凹トロイダル鏡で矩形面状に集光するためのミラーを用いる。

深海の採鉱には海底で無人ブルドーザーやシャベルーを動かし、かつ、船上まで鉱物を持ち上げるための大電力が必要である。そこで海流発電を主体とした流体エネルギー発電により得られた電力により海底地盤中のマンガンやコバルトを含むマンガン団塊やマンガンクラスとあるいは海底熱水鉱床中に存在する亜鉛、銅、鉛、銀などの泥状硫化物などの鉱物資源を採鉱することが出来る。

したがって、本発明は海洋に溶存する鉱物資源や海底鉱物資源を自然エネルギーを効果的に用いて、採取現場の船上で水素発生金属の製造、真水の製造、液体酸素の製造、海底鉱物の採鉱などを行い、それら生産物を寄港先で陸揚げし、陸地からは使用済み水素発生金属の酸化物や水酸化物を船積みし、これと海洋工場の排出ガスの塩素を用いて水素発生金属を再生産することにより、生産・貯蔵・輸送時におけるエネルギーロスを低減することが出来、この結果、システム全体のエネルギー効率の向上を図ることができる。

上記したように、本発明によれば、海洋資源を採取現場の洋上で自然エネルギーを効果的に使い、水素発生金属の製造、真水の製造、液体酸素の製造、海底鉱物の採鉱と貯蔵などを無駄なく行い、生産品の貯蔵・輸送時のエネルギーロスを低減することができ、かつシステム全体の効率を向上させることができる等の優れた効果が得られる。

以下、本発明の効果的な実施の形態を図１〜図７に基づいて詳細に説明する。なお、各図において同一部分には同一符号を付している。

図１は、本発明の実施形態の概略構成図である。この図に示すように、本願発明の海洋資源エネルギー生産海洋工場は、洋上に浮かぶ浮体船１に、流体エネルギーを利用して発電を行う風力発電手段２および海流発電手段３または太陽熱エネルギー集熱手段４と、海水を逆浸透法や蒸発法などにより淡水化して真水を製造する手段５と、真水を貯蔵する手段６と、得られた真水を電気分解して水素を生成する手段７と、真水の電気分解により発生した酸素を液化する手段８と、淡水化の廃液としてのかん水をイオン交換膜透析する電気透析手段９と、太陽熱あるいは電熱または溶融塩電気分解により発生する熱で濃縮する煎ごう手段１０と、せんごうされたかん水に溶存するナトリウム、マグネシウム、カルシウム、カリウムなどの塩化物を分離後溶融塩電気分解する手段１１と、陸地で船積みされた使用済み卑金属酸化物や水酸化物を格納する手段１２と、溶融塩電気分解で生成した塩素を真水の電気分解で得られた水素と反応させて塩化水素を製造する手段１３と、得られた塩化水素と使用済み酸化マグネシウムや水酸化マグネシウムあるいは使用済み過酸化ナトリウムと反応させて塩化物を作り、これを溶融塩電気分解する手段１１に戻し溶融塩電気分解することにより廃ガス塩素の有効利用を行う。陸積された使用済み水酸化ナトリウムはそのまま溶融塩電気分解に供する。そして溶融塩電気分解手段１１で生産した水素発生金属類を貯蔵する貯蔵手段１４と、マンガンやコバルトを含むマンガン団塊やマンガンクラストあるいは海底熱水鉱床中の亜鉛、銅、鉛、銀などの泥状硫化物などを海底採鉱する手段１５と、これら硫化物を貯蔵する手段１６と、海洋深層水から淡水及びかん水を採取するためにスパイラル型逆浸透膜モジュール１７を深層水層に沈め、分別されたかん水と淡水を夫々別々に洋上から揚水し、海底の水圧を利用し連続的に深層淡水やかん水を汲み揚げ、これらの水を船上の設備類の冷却や船室の冷房に使用した後、海洋深層水を貯蔵する手段６と、かん水をイオン交換膜透析する電気透析手段９に送り、海洋資源を陸地１８で積み降ろしすることを特徴とする海洋資源エネルギー生産海洋工場である。

本発明の海洋資源エネルギー生産海洋工場は、図1の浮体船１はタンカーなどの単胴船や双胴船を意味し、航行や浮遊しながら、あるいは係留して真水や水素発生金属を生産することが出来る。図２は流体エネルギー発電用風車と水車の配置を説明するための双胴船の中央横断面図であり、図3は双胴船の甲板下の表層水の流れと水車の位置を説明するための中央側面図である。双胴体船左１９と双胴体船右２０を２艘平行に並べ、２艇の間を甲板２１，２５で固定してあるため揺れが少なく、安定性が高く、かつ、甲板を広く取れるため海洋工場の製造施設や太陽炉あるいは風車を備すことが出来る。しかも係留された双胴船は海流３０に沿って位置するため、２つの胴体船１９，２０の間は海流が整流されているため造波抵抗が少ない。さらに水車２４の受水面積を大きくするために水車の垂直方向の長さを喫水線２３から竜骨２６あるいは内竜骨の位置まで長くしてある。そして、夫々の胴体船１９，２０の喫水線２３より下部の竜骨２６あるいはそれより上部の内竜骨と垂直に複数の細長い流線型状の鰭（水中翼）２７で2つの胴体船１９，２０を固定している。そして甲板下部２５と細長い流線型状の鰭（水中翼）２７とには軸受け２９で上下を支え、水車２４のシャフト２８が海流から変形加重を受けてたわまないよう設計している。この細長い流線型状の鰭（水中翼）２７は船首部から船尾部まで一定間隔を置いて複数本並べ、かつ、1本の細長い流線型状の鰭（水中翼）２７上にも複数台の水車を稼動させる。またこの細長い流線型状の鰭（水中翼）２７は船の安定翼としてあるいは船の浮上効果も高い。このように洋上の資源採取場所で大量の電力を流体エネルギーから得ることが出来る。とくに黒潮などの海流の流れを利用した海流発電を行う際には船を係留する。また海流発電を行う為には単胴船よりも双胴船が望ましい。

風車２２による風力発電２や水車２４による黒潮などの流体発電３などの流体エネルギーから生産した電力を用いて海水を逆浸透法や蒸発法あるいは冷凍法などによる淡水化装置５を用いて真水６を製造・貯蔵する手段と、廃液として出るかん水を電気透析法９により濃縮する。本発明では塩濃度３．３％の海水を逆浸透膜を用いて淡水化しているが、排出されるかん水濃度は自然海水の１．７倍の５．８％と低い。しかし、本発明では真水の生産も重要課題であるので、先ず海水を淡水化するために逆浸透膜法による海水の淡水化を行う。この逆浸透膜法は海水の圧入ポンプ用電力が必要である以外は電力消費がないため最も経済的である。そこで逆浸透膜を重ね巻きしたスパイラル型モジュールを使うが、流体エネルギーからの電力生産量が多くなれば多段フラッシュ蒸発法や海水を冷却して氷を作り、その氷を融解して淡水を得る冷凍法などを併用することも出来る。そしてこの淡水化装置から排出されるかん水をイオン交換透析装置（電気透析）９により、塩濃度を２０％にする。この２０％の濃度にした後、風力発電２や海流発電によって得られた電力あるいは溶融塩電気分解で排出される熱を使って煎ごう装置１０で濃縮する。塩化ナトリウムの飽和溶解度は２６％であるから、先ず塩化ナトリウムが結晶として析出するから、これを溶融塩電気分解装置１１に移し、残りの苦汁をさらに煎ごう１０で濃縮し、生成した結晶をマグネシウム用溶融塩電気分解装置１１に移す。ここで消費する電力はナトリウムの場合は約７ボルト、９.５アンペアを流し、１トン当たり１０６００ｋＷｈである。マグネシウムの場合は約７ボルト、６．５アンペア流し、１トン当たり１００００ｋＷｈである。これらの電力は風力発電や海流発電で賄う。風車１基当たり５，０００ｋＷとすると１日１０時間稼動で５０，０００ｋＷ、水車１基当り５０，０００ｋＷである。

溶融塩電気分解に必要な電力はその殆どが金属塩化物を溶融するために使われ、電気化学に関わる電子の移行による還元に使われる量は比較的少ない。そこで本発明では溶融塩電気分解に太陽熱と電力の両方を用いる。太陽光は1m２当たり１ｋＷである。そこで本発明では図４に示すように曲面ガラス板３１（メニスカスレンズ）2枚を凹面側を向かい合わせ、あるいはメニスカスレンズ３１の凹面と平板ガラスを向かい合わせ、その中にかん水３２を満たして構成した水レンズ３４に太陽光３５を入射し、集光された高密度光３６は濃縮かん水あるいは煎ごうした卑金属の塩化物３８が入った溶融塩電気分解槽３７に照射され、太陽熱により卑金属の塩化物を熱溶融すると同時に両電極間に直流を流し陰極に卑金属を、陽極に塩素ガスを発生させる。ここで水レンズとして供されたかん水は熱せられ、純水と濃縮かん水を製造する。この濃縮かん水をかん水出口３３から溶融塩電気分解槽３７に注ぐことにより、卑金属の電気分解に供する。ここで集光された太陽光で熱溶融された夫々の金属塩化物結晶に電流を流し溶融塩電気分解を行う。ここで太陽光の集光には本願発明者が特許文献２３に開示するように非球面鏡の製作法あるいは特許文献２４に開示する両凹トロイダル鏡で矩形面状に集光するためのミラーを用いる。またこの凹ガラス板３１は本発明者による特許文献２３に開示してあるように高温炉の中で凹面状に削られた耐熱煉瓦の上に平面ガラスを載せて造られた。

太陽光集光はミラーでも出来る。そこで図５に示すように樽型（トロイダル型）２重管４０と内管４１との間にかん水３２を注入し、石英ガラスパイプ製の内管４１の中に卑金属の塩化物４２を入れる。ここで凹面トロイダル鏡３９に入射された太陽光線３５は集光されながら樽型（トロイダル型）２重管４０の中に満たされているかん水を加熱し、さらに集光されて石英ガラスパイプ製の溶融塩電気分解槽４１の中の卑金属塩化物結晶４２を溶融する。この溶融塩電気分解槽４１は太陽熱により卑金属の塩化物を熱溶融すると同時に両電極間に直流を流し陰極に卑金属を陽極に塩素ガスを発生させる。ここで樽型（トロイダル型）２重管４０と内管４１との間のかん水３２は熱せられ、純水と濃縮かん水を製造する。この濃縮かん水をかん水出口３３から溶融塩電気分解槽４１に注ぐことにより、卑金属の電気分解に供する。ここで集光された太陽光（高密度光）３６で熱溶融された夫々の金属塩化物結晶に電流を流し溶融塩電気分解を行う。ここで樽型（トロイダル型）２重管４０をトロイダル形状にした理由は入射太陽光を垂直に入射窓に入れることにより入射窓での反射ロスを少なくするためである。ここで太陽光の集光には本願発明者が特許文献２４に開示する両凹トロイダル鏡３９を用いる。またこの凹面トロイダル鏡３９は本発明者による特許文献２３に開示してあるように高温炉の中でトロイダル面状に削られた耐熱煉瓦の上に平面ガラスを載せて造られた。

円筒型ミラー（２軸法物面鏡）４３を用い太陽を自動追尾する装置を図６に示す。樽型（トロイダル型）２重管４０と石英ガラス製内管（溶融塩電解槽）４１との間にかん水３２を注入し、石英ガラスパイプ製の内管（溶融塩電解槽）４１の中に卑金属の塩化物４２を入れる。ここでカセグレーンタイプ２軸法物面鏡４３に入射された太陽光線３５は線集光されながら凸凹トロイダル鏡４４で反射した後矩形ビームに変形され、２軸法物面鏡４３の中央部のビーム通過用窓４７を通過した後、樽型（トロイダル型）２重管４０の中に満たされているかん水３２を加熱し、さらに集光された太陽光は石英ガラスパイプ製の溶融塩電気分解槽４１の中の卑金属塩化物結晶４２を溶融する。この溶融塩電気分解槽４１は太陽熱により卑金属の塩化物４２を熱溶融すると同時に両電極間に直流を流し陰極に卑金属を陽極に塩素ガスを発生させる。ここで樽型（トロイダル型）２重管４０と内管４１との間のかん水３２は熱せられ、純水と濃縮かん水を製造する。この濃縮かん水をかん水出口３３から溶融塩電気分解槽４１に注ぐことにより、卑金属塩化物の溶融塩電気分解に供する。ここで集光された太陽光（高密度光）３６で熱溶融された夫々の金属塩化物結晶に電流を流し溶融塩電気分解を行う。ここで凸凹トロイダル鏡４４の煽り角調整装置４５、４６でＸ−Ｙ方向に調整することにより太陽の方向に自動追尾することが出来る。ここで太陽光の集光には本願発明者が特許文献２３に開示する２軸法物面鏡４３で矩形面状に集光するためのミラーを、特許文献２４に開示する凸凹トロイダル鏡４４を用いる。またこの凸凹トロイダル鏡４４および２軸法物面鏡４３は本発明者による特許文献２３に開示してあるように高温炉の中でトロイダル面状に削られた耐熱煉瓦の上に平面ガラスを載せて造られた。

凹トロイダルミラー３９を用い太陽を自動追尾する装置を図７に示す。石英ガラス製円筒型２重管４８と石英ガラス製内管（溶融塩電解槽）４１との間にかん水３２を注入し、石英ガラスパイプ製の内管（溶融塩電解槽）４１の中に卑金属の塩化物４２を入れる。ここでカセグレーンタイプ凹トロイダルミラー３９に入射された太陽光線３５は線集光されながら凸凸トロイダル鏡４９で反射した後平行矩形ビームに変形され、凹トロイダルミラー３９の中央部にビーム通過用窓４７を通過した後、円筒型２重管４８と内管４１との間に満たされているかん水３２を加熱し、さらに集光されて円筒石英ガラスパイプ製の溶融塩電気分解槽４１の中の卑金属塩化物結晶４２を溶融する。この溶融塩電気分解槽４１は太陽熱（高密度光）３６により卑金属の塩化物４２を熱溶融すると同時に両電極間に直流を流し陰極に卑金属を陽極に塩素ガスを発生させる。ここで円筒型２重管４８と内管４１との間のかん水３２は熱せられ、純水と濃縮かん水を製造する。この濃縮かん水をかん水出口３３から溶融塩電気分解槽４１に注ぐことにより、卑金属の電気分解に供する。ここで集光された太陽光で熱溶融された夫々の金属塩化物結晶に電流を流し溶融塩電気分解を行う。ここで凸凸トロイダル鏡４９の煽り角調整装置４５、４６でＸ−Ｙ方向に調整することにより太陽の方向に自動追尾することが出来る。ここで太陽光の集光には本願発明者が特許文献２４に開示する凹トロイダル鏡３９および凸凸トロイダル鏡４９を用いる。またこの凹トロイダル鏡３９および凸凸トロイダル鏡４９は本発明者による特許文献２３に開示してあるように高温炉の中でトロイダル面状に削られた耐熱煉瓦の上に平面ガラスを載せて造られた。

逆浸透膜法による海水の淡水化には高々２５ｋｇｆ/ｃｍ２の圧入が必要であるが、これを深海で行えば水圧が高いため圧入ポンプを省略できる。図１に示すように本願発明では水深２５０メートル深層水層に耐圧容器に入れた逆浸透膜よりなるスパイラル型逆浸透膜モジュール１７を１セットを沈め、海水・真水・かん水の夫々の圧力をコンピューター制御しながら濃縮かん水と淡水を夫々別々に船上に揚水し、深層海水側への淡水の逆流を抑え、かつ淡水側およびかん水側への浸透圧差を打ち消すための引圧を施すための吸引ポンプを備えることにより海底の水圧を利用し連続的に深層淡水と濃縮かん水を汲み揚げ、これらの水を船上の設備類の冷却や船室の冷房に流用する。その後、海洋深層水は貯蔵タンク６に、かん水はイオン交換樹脂法（電気透析）９でさらに濃縮し、煎ごう１０の後溶融塩電解１１工程に送る。

図１の溶融塩電気分解１１で製造したナトリウム、マグネシウム、カルシウム、カリウムなどの水素発生金属１４の内、ナトリウム、カルシウム、カリウムは水と激しく反応し、水素を発生する。しかしマグネシウムだけは水とは反応せず、熱水とのみ反応する。この理由はマグネシウムの酸化力が強いためマグネシウム表面の酸化皮膜が水の保護膜として働くためである。そこで水の中に金属マグネシウム塊や屑を入れ、塊や屑同士に強い圧力を掛けたり、引っ張り破断させるたり、傷をつけたり、レンズで集光したレーザー光や太陽光を照射して、酸化膜をアブレーションすると金属マグネシウムの保護膜が破れ冷水とも激しく反応して水素を発生させることが可能に成った。

図１に示すように陸地で水素発生金属として使われた使用済みの酸化物や水酸化物１２は海洋資源エネルギー生産海洋工場の溶融塩電気分解１１で排ガスとして出る塩素ガスを有効利用するため、浮体船１の倉庫が空であるため、海洋では再生のためのエネルギーとして風力発電２や海流発電３から得られる電力や太陽熱４が豊富なためなどの理由で港１８から船積みする。使用済み酸化ナトリウムや酸化マグネシウムあるいは水酸化マグネシウム１２は溶融塩電気分解１１を行い易くするために塩化物にする必要がある。卑金属酸化物を塩化するために塩素ガスで直接反応させることも出来るが、この場合炭素が必要となる。この炭素は一酸化炭素や二酸化炭素を発生させるため地球温暖化の原因に成る。そこで炭素を使わない方法として、塩化水素ガス１３を用いる。塩化水素１３は塩素ガスと水素ガスを反応させて生成する。塩素ガスは溶融塩電気分解１１の廃ガスを利用し、水素は海水の淡水化によって得られた真水を電気分解７で生成したものを使う。この真水の電気分解で得られたもう一方の酸素ガスは圧縮して液体酸素８として容器に保存する。ここで生産された塩化ナトリウムや塩化マグネシウムは溶融電気分解１１の原料として再利用される。ここで水酸化ナトリウムの融点は３１８℃と塩化ナトリウムの融点８０１℃よりも著しく低いので、水酸化ナトリウムはそのまま溶融塩電気分解を行う。洋上工場には海流発電３から得られた豊富な電力と塩化ナトリウムの溶融塩電気分解１１から生産した金属ナトリウムが金属マグネシウムの約８倍生産される。そこで船積みされた使用済み酸化マグネシウム１２は洋上工場で食塩の溶融塩電気分解１１で得られた金属ナトリウムを使ってマグネシウム酸化物を還元して金属マグネシウムを生産し、酸化されたナトリウム酸化物は、同じく海洋工場で生産した塩化水素１３と反応させて塩化ナトリウムを作り、これを溶融塩電気分解１１して金属ナトリウムを生産する事が出来る。

大陸棚に横たわる熱水鉱床の中には亜鉛、銅、鉛、銀など金属資源が泥状硫化物として存在する。また近海の海底地盤中にはマンガンやコバルトを含むマンガン団塊やマンガンクラストなどが海底層に堆積しているため、削岩機やダイナマイトなどで採掘するのでは無く無人ブルドーザーやシャベルーで拾い上げると言う表現が適切であると考える。この深海での海底採鉱１５と船上まで鉱物を持ち上げるためのには大電力が必要である。そこで風力発電２や海流発電３などから得られる電力を用い、鉱物資源を船上格納庫１６に保管する。この電力として特に海流発電３が有効である。

以上説明したように、本発明によれば、海洋に溶存する鉱物資源や海底鉱物資源を自然エネルギーの有効利用により、採取現場の船上で水素発生金属としての卑金属の製造、真水の製造、液体酸素の製造、海底鉱物の採鉱などを行い、それら生産物を寄港先で陸揚げし、陸地からは使用済み水素発生金属の酸化物や水酸化物を船積みし、これと海洋工場の排出ガスを用いて水素発生金属を再生産することにより、生産・貯蔵・輸送時におけるエネルギーロスを低減することが出来ることは勿論のこと、システム全体のエネルギー効率の向上をも図ることができる。

本願発明によれば、海洋資源採取現場の船上で、その場生産した風力や海流から得た豊富な電力あるいは太陽熱などの自然エネルギーから、ナトリウムやマグネシウムなどの水素発生金属、あるいは真水や液体酸素などを製造し、それら生産物を寄港先で陸揚げし、陸地からは使用済み水素発生金属の酸化物を船積みし、海上で再生産することにより、生産・貯蔵・輸送時におけるエネルギーロスを無くし、システム全体の効率を向上させることができる。このことは資源の世界的枯渇と資源高をもたらし、これに伴う資源供給国の台頭が国際社会に影響力を拡大させている現況を沈静化するに留まらず、無尽蔵にあるクリーンな海洋資源を化石燃料を使わず経済的に製造する事は、４面を海に囲まれる我が国の産業に取って重要な手段である。

本発明の実施の形態を示す概略構成図である。本発明の流体エネルギー発電用風車と水車の配置を説明するための双胴船の中央横断面図である。本発明の流体エネルギー発電用水車と表層水の流れの位置を説明するための双胴船甲板下の中央側面図である。本発明の水レンズを用いた太陽熱電力併用型卑金属溶融塩電気分解装置の概略構成図である。本発明のトロイダル鏡を太陽光の集光に用いた太陽熱電力併用型トロイダル型溶融塩電気分解装置の概略構成図である。本発明の２軸法物面鏡を太陽光の集光に用い、太陽追尾装置を持った太陽熱電力併用型トロイダル型溶融塩電気分解装置の概略構成図である。本発明のトロイダル鏡を太陽光の集光に用い、太陽追尾装置を持った太陽熱電力併用型筒型溶融塩電気分解装置の概略構成図である。

１浮体船
２風力発電手段
３流体発電手段
４太陽熱集光手段
５淡水化装置
６真水貯蔵手段
７水の電気分解装置
８液体酸素貯蔵手段
９電気透析手段
１０煎ごう（かん水濃縮）手段
１１溶融塩電気分解装置
１２使用済み貴金属酸化物倉庫
１３塩化水素製造施設
１４水素発生金属（卑金属）貯蔵倉庫
１５海底採鉱手段
１６海底鉱物資源格納倉庫
１７海洋深層水逆浸透膜モジュール
１８陸地（港）
１９双胴船体左
２０双胴船体右
２１双胴船甲板上部
２２風車（垂直軸風車）
２３喫水線
２４水車（垂直軸水車）
２５双胴船甲板下部
２６竜骨
２７鰭（水中翼）
２８シャフト
２９軸受け
３０水流
３１曲面ガラス板（メニスカスレンズ）
３２かん水入り口
３３かん水出口
３４水レンズ
３５太陽光線
３６高密度光
３７溶融塩電解槽
３８卑金属塩化物
３９凹トロイダル鏡
４０樽型（凸トロイダル）溶融塩電気分解装置
４１石英ガラス製溶融塩電解槽
４２卑金属塩化物
４３２軸法物面鏡（円筒型ミラー）
４４凸凹トロイダル鏡
４５煽り（太陽光自動追尾・垂直軸）
４６煽り（太陽光自動追尾・水平軸）
４７高密度太陽光取り出し口（カセグレーン鏡型）
４８円筒型溶融塩電気分解装置
４９凸凸トロイダル鏡

Claims

海流或いは風力による流体エネルギーを利用して電力を得る発電手段と、
海洋の表層水や深層水を淡水化して真水とかん水とに分離する手段と、
かん水をイオン交換膜透析する手段と、
太陽熱あるいは電熱で煎ごうして結晶化させ、析出した夫々の卑金属塩化物を前記発電手段による電力で溶融塩電気分解することで、陰極で卑金属を単離し、陽極で塩素を生成し、この塩素は前記淡水化された真水を前記発電手段による電力で電気分解して発生した水素と反応させて塩化水素を製造し、使用済みマグネシウムの酸化物あるいは水酸化物とこの塩化水素を反応させて塩化物とし、この塩化物も溶融塩電気分解する水素発生金属製造設備と、
を洋上に浮かぶ複胴又は単胴からなる浮体船又は浮遊船に具備させたことを特徴とする海洋資源エネルギー抽出・生産海洋工場。
浮体船又は浮遊船が複胴とされ、
前記発電手段が、甲板上に具備された無指向性垂直軸風車及び、甲板下の喫水線下に具備された無指向性垂直軸水車とされ、
該無指向性垂直軸水車の上下の回転軸の一方が甲板下部に取り付けられ、他方が２艘の竜骨あるいは内竜骨の側舷同士をそれぞれ結んだ複数個で断面が流線型状の細長い水平安定板上に取り付けられることで、無指向性垂直軸水車が複数台あることを特徴とする請求項１記載の海洋資源エネルギー抽出・生産海洋工場。
前記太陽熱を用いる際に、少なくとも１枚が曲面ガラス板である２枚のガラス板を、該曲面ガラス板の凹面側を内側にした状態で重ね合わせ、この重ね合わせた部分内に水を満たして水レンズを形成し、
太陽光を該水レンズに常時入射して集光させ、集光面で得た太陽熱による補助熱源で卑金属塩化物を溶融塩電気分解して卑金属を単離することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の海洋資源エネルギー抽出・生産海洋工場。