JP6322107B2 - マグマ発電システム、及び、マグマ発電システムの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、マグマ発電システム、及び、マグマ発電システムの製造方法に関する。

従来、マグマに由来する熱を地下から地上に輸送して発電に利用する技術が知られており、その改良が進められている。例えば、特許文献１には、地中の高温固体の熱をヒートパイプで効率よく地上に抽出する地熱抽出装置が開示されている。この地熱抽出装置は、ヒートパイプを差し込む穴を掘った後、穴の深い部分において穴に連続するフラクチャを形成し、フラクチャに熱媒体を満たすことによって、高温固体の熱がヒートパイプに効率的に伝わるように構成されている。

特開平７−２８６７６０号公報

ところで、ヒートパイプを設置する場所を選定するためには、マグマが存在すると考えられる地域において地中の深度方向の温度分布を広範に調査する必要がある。この調査には時間がかかるうえ、適当な候補地が見つからないことがあったり、発電に要する熱を得るためには穴を深く掘らなければならないことがあったりして、必ずしも所期の結果が得られない。

そこで本発明は、地中の温度分布の調査時間を短くすることができるとともに、必要な掘削量を小さくすることができ、且つ、十分な発電量を得ることができるマグマ発電システム、及びこのマグマ発電システムの製造方法を提供することを目的とする。

本発明のマグマ発電システムは、火山の火口からマグマ由来の熱を輸送する熱輸送手段と、熱輸送手段により輸送される熱、及び熱よりも温度の低い冷熱源から供給される熱を利用して発電する発電手段と、を備える。

このマグマ発電システムは、発電に要する高温の熱を火山の火口から得るものである。火口又は火口直下の浅い部分にはマグマが存在することが推定されるため、最小限の掘削量にて、発電に要する熱を得ることができる。すなわち、このマグマ発電システムによれば、地中の温度分布の調査時間を短くすることができるとともに、必要な掘削量を小さくすることができ、且つ、十分な発電量を得ることができる。

本発明のマグマ発電システムは、火口の上空に延在する構造物を更に備え、熱輸送手段は、構造物から火口の地表へ向けて延びるように設けられていることが好ましい。これによれば、火口のなかでも特に熱の高い部分を狙って熱輸送手段を到達させることができる。

また、発電手段は、汽力発電を行う設備であることが好ましい。これによれば、蒸気タービンや復水器等を含んで構成される、実績のあるシステムを適用して発電をすることができる。

また、熱輸送手段は、火口の地中に一部が埋設されている、又は、火口の地表へ向けて吊されていることが好ましい。熱輸送手段の一部が火口の地中に埋設されていると、高温の地熱を容易に抽出することができる。また、火口から噴出しているガスのみで発電に必要な熱が得られる場合は、熱輸送手段を火口の地表へ向けて吊すことで十分であり、この場合、熱輸送手段の設置が容易で地面を掘削する必要がない。

熱輸送手段は、ヒートパイプであることが好ましい。ヒートパイプによれば、熱輸送を迅速に行うことができ、輸送時の熱損失が小さい。

冷熱源は、海水、河川水、カルデラ湖水、又は万年雪であることが好ましい。これらは、火口の近くにある自然の冷熱源として、地域に合わせて選定することができる。

また、本発明は、上記マグマ発電システムを製造する製造方法であって、火口の上空に延在する構造物を構築する構築工程と、無人施工装置を用いて構造物に熱輸送手段を配設する配設工程と、を有するマグマ発電システムの製造方法を提供する。この製造方法によれば、構造物を構築した後に、無人施工装置を用いて、構造物に沿った所望の位置に熱輸送手段を配設することを容易に行うことができる。

本発明によれば、地中の温度分布の調査時間を短くすることができるとともに、必要な掘削量を小さくすることができ、且つ、十分な発電量を得ることができるマグマ発電システム、及びこのマグマ発電システムの製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態のマグマ発電システムの概略構成図である。 橋梁を利用した熱輸送手段の設置例を示す図である。 熱輸送手段の設置に関する他の実施形態を示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１に示されたとおり、本実施形態のマグマ発電システム１は、火山２の火口２１からマグマ２２由来の熱を輸送するヒートパイプ（熱輸送手段）４と、発電設備（発電手段）３とを備えている。発電設備３は、ヒートパイプ４により輸送される熱、及び、この熱よりも温度の低い冷熱源から供給される熱を利用して発電する。なお、ここで「ヒートパイプ」は、一本であってもよく、複数本を束ねたものであってもよい。以下で「ヒートパイプ」という場合、これら双方の態様を含むものとする。

ここで「火口」とは、火山２の山頂又は中腹に開いた穴であり、火山２の活動期に火山性の噴出物を吹き出すものをいう。本実施形態のマグマ発電システム１を適用するには、火口２１はすり鉢形状をなしていることが好ましい。

「マグマ由来の熱」とは、マグマ２２に由来するあらゆる熱をいい、マグマ２２から岩石や土壌を伝わってくる熱のほか、熱水、蒸気、泥、溶岩等が有する熱をいう。発電のための熱源としては、数百度以上の温度を有することが好ましい。

発電設備３は、汽力発電を行う公知の設備であり、ヒートパイプ４により輸送される熱を熱源とするボイラ３１と、ボイラ３１で生じた蒸気を受けて回転する蒸気タービン３２と、蒸気タービン３２の回転に伴って発電する発電機３３と、蒸気タービン３２を通過した蒸気を冷却して液体の水に戻す復水器３４と、復水器３４で液体に戻された水をボイラ３１に給水する給水ポンプ３５とを有している。

そして、ボイラ３１と蒸気タービン３２とは配管Ｌ１で接続され、蒸気タービン３２と復水器３４とは配管Ｌ２で接続され、復水器３４と給水ポンプ３５とは配管Ｌ３で接続され、給水ポンプ３５とボイラ３１とは配管Ｌ４で接続されている。これらは閉鎖系となっており、水が熱媒として配管Ｌ１〜Ｌ４内を循環する。一方、復水器３４には、発電設備３の外部の冷熱源から取り入れた水Ｗを流通させるための配管Ｌ５が設けられている。配管Ｌ１〜Ｌ４内を循環する水と、復水器内の配管Ｌ５内を通流する水Ｗとは別系統とされており、互いに混合されず、復水器３４内で熱交換を行う。

ヒートパイプ４は、図２に示されるとおり、カルデラ湖水（冷熱源；前述の水Ｗに相当する。）２３を湛える火口２１に設置される。図２に示されたマグマ発電システム１は、カルデラ湖を有する火口２１の上空に、火口２１の縁間を架け渡すようにして延在する橋梁（構造物）５を有している。そして、橋梁５の下部から火口２１の地表へ向けてヒートパイプ４が下ろされ、その先端部４１が火口２１の地中に埋設されている。埋設された先端部４１は、マグマ２２に触れていてもよく、触れていなくてもよい。

ヒートパイプ４の他端は、橋梁５の下部に沿って火口２１の縁へ向けて延び、火口２１付近に建設された発電設備３内のボイラ３１へ熱的に接続している。ここで、ヒートパイプ４が延在方向を変える部分は、ヒートパイプ４自体が折れ曲がった形状をしてもよいし、複数の直線状のヒートパイプが熱的に接続されていてもよい。

また、マグマ発電システム１では、カルデラ湖水２３を発電設備３内の復水器３４に供給するための配管Ｌ５が、カルデラ湖内の地中から発電設備３へ向けて延びている。

ヒートパイプ４としては、公知のものを使用することができる。ヒートパイプ４は、銅等の金属製の中空の柱の中にアルコール等の凝縮性の作動流体を減圧封入したものである。一端が高温の熱源に接することで内部の作動流体が蒸発し、この熱が他端へ輸送される。そして、他端の低温部では輸送された熱を放熱して作動流体が凝縮する。そして、凝縮した作動流体は、ヒートパイプ４の内面に設けられたウィックと呼ばれる金属メッシュにより生じる毛細管現象によって、一端側へ移動する。ヒートパイプ４は、こうした原理によって一端側の熱を他端側へ輸送することができる。

ヒートパイプ４は、メンテナンスや交換の作業の簡便さの観点から、直径が数ｃｍ〜十数ｃｍであることが好ましく、これを一本又は複数本束ねて用いる。複数本を束ねて用いると、束ねたうちのいくつかが破損したとしても熱を続けて輸送し続けることができる。そしてこの場合、破損したヒートパイプのみを交換することができる。

ヒートパイプ４は、マグマ２２由来の熱に耐える耐熱性を備えている。マグマ２２は通常、１０００℃以上であるため、ヒートパイプ４の耐熱温度は、好ましくは１５００℃、より好ましくは２０００℃である。ヒートパイプ４は、熱輸送中の放熱を抑制するために、断熱材で覆われていることが好ましい。

次に、このマグマ発電システム１の作用効果について説明する。このマグマ発電システム１は、発電に要する高温の熱を火山２の火口２１から得るものである。火口２１又は火口２１直下の浅い部分にはマグマ２２が存在することが推定されるため、最小限の掘削量にて、発電に要する熱を得ることができる。すなわち、このマグマ発電システム１によれば、従来必要であった地中の温度分布の調査時間を短くすることができるとともに、必要な掘削量を小さくすることができ、且つ、十分な発電量を得ることができる。

また、マグマ発電システム１は、火口２１の上空に延在する橋梁５を更に備え、熱輸送手段としてのヒートパイプ４は、橋梁５から火口２１の地表へ向けて延びるように設けられているため、火口２１のなかでも特に熱の高い部分を狙ってヒートパイプ４を到達させることができる。そして、ヒートパイプ４をこのように直線状に設けることができると、形状の加工が少なくて済み、取り換え等のメンテナンスも容易になる。

また、ヒートパイプ４は、火口２１の地中に一部が埋設されているため、マグマ２２由来の高温の地熱を容易に抽出することができる。そしてヒートパイプ４は、熱輸送を迅速に行うことができ、輸送時の熱損失が小さい。

また、発電設備３は、汽力発電を行う設備であるため、蒸気タービン３２や復水器３４等を含んで構成される、実績のあるシステムを適用して発電をすることができる。

また、橋梁５は人間や自動車が通行することができ、景観に溶け込みやすく、観光スポットとしての役割を期待することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。以下、他の実施形態について説明する。

火口２１から噴出しているガスのみで発電に必要な熱が得られる場合は、ヒートパイプ４の先端部を埋設する代わりに、火口２１の地表へ向けて吊す態様が可能である。例えば、火口２１の上空に延在させる構造物として、図２に示された橋梁５の代わりに、図３（ａ）に示されたとおり、ロープ６を渡すようにしてもよい。そして、ロープ６の途中からヒートパイプ４を火口２１の地表へ向けて吊し、その下端を地表に接近させる。この場合、地面を掘削する必要がない。なお、図３では冷熱源及び発電設備の図示を省略している。

またこの場合、火口２１の上空にロープ６を渡すことは、飛翔作業装置（無人施工装置）にロープ６の一端を繋いで火口２１の縁間を飛翔させることによって達成することができる（構築工程）。また、ヒートパイプ４についても同様に、飛翔作業装置を用いてロープ６の任意の位置にヒートパイプ４を配置することができる（配設工程）。

また、火口２１の上空に延在させる構造物としては、図３（ｂ）に示されたとおり、火口２１の縁間に架け渡すのではなく、火口２１の縁から長い棒７を片持ち支持で延ばすようにしてもよい。この場合、棒７を支持するために足場材８を組み、棒７の先端からヒートパイプを吊す。これによれば、橋梁５の場合と比べて、構造物を建設する費用を小さく抑えることができる。またこの場合、片持ち支持で延ばす構造物としては、棒７のほか、桁や梁（手延桁）であってもよい。

また、火口２１の上空には構造物を延在させず、図３（ｃ）に示されたとおり、火口２１内の地表を這うようにヒートパイプ４を延ばしてもよい。この場合、ヒートパイプ４が地表の凹凸に沿う形状となるように、ヒートパイプ４を製造する際に加工しておく。これによれば、構造物を建設する費用をなくすことができる。

以上に示したとおり、本発明の実施形態としては、ヒートパイプ４の端部をマグマ２２の熱を十分に抽出できる地点に到達させることができればよく、構造物の有無や形状については適宜変更することができる。

また、上記実施形態では、ヒートパイプ４を一箇所から火口２１の地表へ向けて延ばす態様を示したが、複数箇所から、地表の同じ箇所又は異なる箇所へ延びるように複数のヒートパイプ４を使用してもよい。

また、上記実施形態では、熱輸送手段がヒートパイプである態様を示したが、熱を輸送することができる他の熱媒体を用いてもよい。

また、上記実施形態では、冷熱源としてカルデラ湖水を利用する態様を示したが、代わりに、海水、河川水、又は万年雪を用いてもよい。万年雪を用いる場合は、固体状態で用いてもよく、万年雪を融解させた水として用いてもよい。冷熱源が淡水で中性である場合は、ヒートパイプ４の腐食が起こりにくい。

また、上記実施形態では、火口２１の上空にロープ６を設置するために、及び、ロープ６にヒートパイプ４を配置するために、無人施工装置として飛翔作業装置を用いる態様を示したが、代わりに他の装置、例えば、火口２１の縁間に渡したケーブルクレーンを用いてもよい。

また、上記実施形態では発電設備３として汽力発電を行う設備を用いたが、温度差のある二つの熱源を利用する他の発電方式を適用してもよい。例えば、熱電変換素子を利用した温度差発電を適用してもよい。

１…マグマ発電システム、２…火山、２１…火口、３…発電設備（発電手段）、４…ヒートパイプ（熱輸送手段）、５…橋梁（構造物）、６…ロープ（構造物）、７…棒（構造物）、２１…火口、２２…マグマ、２３…カルデラ湖水（冷熱源）、４１…先端部（熱輸送手段の一部）。

Claims (5)

1. 火山の火口からマグマ由来の熱を輸送する熱輸送手段と、
   前記熱輸送手段により輸送される熱、及び前記熱よりも温度の低い冷熱源から供給される熱を利用して発電する発電手段と、
   前記火口の上空に延在する構造物と、を備え、
   前記熱輸送手段は、ヒートパイプであり、
   前記熱輸送手段は、前記構造物に沿って延びる部分と、前記構造物から前記火口の地表へ向けて下向きに延びる部分とを有するように設けられているマグマ発電システム。
2. 前記発電手段は、汽力発電を行う設備である、請求項１記載のマグマ発電システム。
3. 前記熱輸送手段は、火口の地中に一部が埋設されている、又は、火口の地表へ向けて吊されている、請求項１又は２記載のマグマ発電システム。
4. 前記冷熱源は、海水、河川水、カルデラ湖水、又は万年雪である、請求項１〜３のいずれか一項記載のマグマ発電システム。
5. 請求項１〜４のいずれか一項記載のマグマ発電システムを製造する製造方法であって、
   火口の上空に延在する構造物を構築する構築工程と、
   無人施工装置を用いて前記構造物に前記熱輸送手段を配設する配設工程と、を有するマグマ発電システムの製造方法。

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