JP6605210B2 - 海底熱水井掘削装置 - Google Patents
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Description
特表2010-534777号公報の開示は、発明名称「熱水エネルギーおよび深海資源回収システム」に係り、「発電または水の淡水化のように熱の利用に適する他のいかなるメカニズムにも使われる確実なメカニズムによって過熱した深海の熱水流体の流れを表面に導くように構成される。同装置はまた、熱エネルギー回収と同時にまたはそれとは別に、改造することなく、金属および鉱物の深海の資源回収に確実なメカニズムを提供する」技術分野において(同公報明細書段落番号0001参照)、「熱水流体に含まれる資源を熱水噴出孔から回収するシステムであって、(a)前記熱水流体またはその熱水流体を含む資源を前記熱水噴出孔から集めるための収集手段と、(b)前記熱水流体またはその中に含まれる資源を受容するため、海洋表面またはそれより上に位置する回収ステーションと、(c)前記海洋表面またはそれより上の前記回収ステーションに前記噴出孔から前記熱水流体または前記流体において含まれる資源を送達し、一方で、前記熱水流体またはその流体の資源の有意な劣化なしで周囲の海洋の状況から前記流体または前記流体に含まれる資源を保護するための送達手段と、を含む」ことにより(同公報明細書特許請求の範囲の請求項1の記載等参照)、「回収された熱水流体はそれから、発電、淡水化または他のいかなる熱エネルギー使用のため、熱の供給源として使われる。それは、有益な鉱物、金属、および、化学製品の除去のための資源回収装置に、同時にまたは別々に供給されることもできる。」等の効果を奏するものである(同公報明細書段落番号0012参照)。
(1)本願発明に係る海底熱水井掘削装置によれば、海面下1000m〜1500m程度10〜15MPa程度の水圧の海水を利用して海底の掘削を行うので、ポンプ効率が高く、また、掘削により発生する掘削屑(岩石の破片)を周囲の海水により泥水としてそのまま放出することができるので、掘削効率の優れたものとなる。
(2)本願発明に係る海底熱水井掘削装置と同海底地熱バイナリー発電装置等と組み合わせて実現することにより、掘削に要する電力を近隣に掘削された掘削孔に設置された発電設備から得ることにより、掘削工事に係る燃料費も節減することができる。
(4)海底地熱バイナリー発電装置をモジュール化して陸上で組み立てるので、海底の熱水坑への設置に現場での作業を軽減でき、設置するだけで発電が可能である。
(5)バイナリー発電装置の蒸発器を熱水噴出孔の直上に設置するだけで、その反対側に配置される凝縮器は、冷たい海水中に配置され、わざわざ冷却のために凝縮器に冷たい水まで引き回す必要がなく、地上における地熱発電等の設備に比し、極めて簡便に熱交換が可能である。
(7)複数の構成ユニットを重畳的に設置することにより、多種類の有用物質の回収が可能となる。
まず最初に、本発明に係る海底熱水発電及び熱水含有有用物質回収装置を実施するための形態の一実施例である海底熱水発電及び熱水含有有用物質回収装置を実現するための実施例1に係る「海底熱水井掘削装置」について図面に基づいて説明する。
海底熱水発電に際しては、自然に存する熱水チムニー等からの熱水を利用する場合も考えられるが、継続的に多岐に渡り利用するには熱水井の掘削が必須である。そこで、海底における熱水井を掘削する実施例1に係る「海底熱水井掘削装置」について図面に基づいて説明する。
図1において、符号1は、本実施例1に係る海底熱水井掘削装置であり、2は、海底熱水鉱床(H)に孔を穿つための高温用掘削ビット、3は、先端の前記ビット2に回転力を伝達するとともに孔底に溜まる掘屑(岩石の破片)をポンプで送られた掘削水で排出する掘管、4は、従来の掘削のように泥水を循環させることなく、周辺にある海水をそのまま掘管に送水するための掘削水用ポンプ、5は、前記掘管3を昇降し、掘削中は当該掘管3の最上部をつかんで回転させることで、前記掘削ビット2に回転力を伝達する自動昇降式トップドライブ掘削装置、6は、動力を与える電源を搭載し、予めプログラミングされた地点の掘削を行う無人制御・電源供給塔、7は、上下に接続用のネジを持つ前記堀管3を掘削に必要な複数本を搭載し、前記自動昇降式トップドライブ掘削装置5で掘削中の前記掘管3が掘削面まで掘進した段階で、搭載された前記掘管3のうちの1本の掘管3(例えば、掘管3b)を取り出して掘削中の掘管3(例えば、掘管3a)の上部に順次接続することが可能な自動式掘管接続装置、8は、無限軌道により海底を自走することができる自走式無限軌道車、9は、海水、10は、海上まで接続される送電・通信用メーブル、Hは、海底熱水鉱床である。
すなわち、本実施例1に係る海底熱水井掘削装置1においては、海面下1000m〜1500m程度の海底で、海底面下からの掘削深度が100〜200m程度の深さまで、最初は、洋上船舶から供給される電力を用いて、海底下で掘削を行う。掘削には、海中自動掘削ロボットを用いたBMS(ボーリング・マシン・システム)により、ノンケーシングで人口噴出孔を掘削するので、事前に綿密な海底調査が必要であり、事前の調査によって明らかにされた海底構造・地底構造に基づいて掘削箇所・掘削深さ等が決定され、予めプログラミングされた実行命令によって、本実施例1に係る海底熱水井掘削装置1が設置され、運転・駆動される。
この場合、掘削中は掘削井の坑壁を保持するため、最初に掘削した掘削井の坑径より一回り小さい鋼管を当該掘削井中に徐々に挿入し、前記ポンプ4を用いて前記掘削ビット2が砕いた岩屑を鋼管上部から海底に排出しながら行うようにしても良い。
また、本実施例1に係る海底熱水井掘削装置1においては、海面下1000m〜1500m程度での掘削であり、特徴的なのは、海面下1000m〜1500m程度10〜15MPa程度の水圧の周囲の海水9を前記掘削水用ポンプ4を洋上からの電力供給により駆動し、掘削後に発生する掘削泥水を海底にそのまま放出するので、地上での掘削のように泥水パイプにより長い距離を循環させる必要はなく、掘削効率の優れたものとなる。
さらに、本実施例1に係る海底熱水井掘削装置1においては、掘削に要する電力を洋上の船舶から供給するようにしたが、これは以下に述べる海底地熱バイナリー発電装置等と組み合わせて実現することにより、掘削に要する電力を近隣に掘削された掘削孔に設置された発電設備から得るようにすれば、本実施例1に係る海底熱水井掘削装置1により自動的に人手を要することなく掘削することができるので、掘削工事に係る労務費や燃料費も節減され得る。もちろん、海中設備であるので、水密や材料に関しては割高にならざるを得ないが、陸上と比べて経費削減が可能な部分も多いので、系統的なモジュール化や工法のシステム化を図ることで、全体として掘削費用を陸上並みに抑制することは可能である。
次に、熱水坑が掘削されたら、又は、自然に存する熱水チムニーやブラックスモーカー等からの熱水を利用する本発明に係る海底熱水発電及び熱水含有有用物質回収装置を実施するための形態の他の一実施例である実施例2に係る「海底熱水発電」の概略を図面に基づいて説明する。
図2において、符号11は、本実施例2に係る海底地熱バイナリー発電装置であり、12は、海底熱水鉱床(H)の熱水噴出孔から噴出する熱水、13は、前記熱水12に直接接触して、内部の二次媒体を沸騰させるための開放式熱交換器(蒸発器)、14は、沸騰した二次媒体を蒸気タービンへ輸送する配管、15は、沸騰した二次媒体の力で回転力を得るための蒸気タービン、16は、前記蒸気タービン15の回転力を電気に変換する発電機、17は、前記発電機16で得られた交流電気を商用電力に整流し、送電圧まで昇圧する変電装置、18は、送電を行う海底用ケーブル、19は、前記蒸気タービン15から排気された二次媒体を凝縮器に輸送するための配管、20は、排気された二次媒体を海水との間で熱交換して凝縮させるための開放式熱交換器(凝縮器)、21は、凝縮した二次媒体を輸送するための配管、22は、二次媒体を循環するためのポンプ、23は、ポンプで昇圧した媒体を熱交換器(蒸発器)に輸送するための配管、24は、洋上の船舶より投入して、海底熱水鉱床の熱水噴出孔まで曳航・設置が可能な水密式海底地熱バイナリー発電装置用筐体である。
特に、図2から明らかなように、本実施例2に係る海底地熱バイナリー発電装置11においては、前記蒸気タービン15を回転させる蒸気を発生する前記蒸発器13及び前記発電機16の排気蒸気を冷却して液化するための前記凝縮器20からなる2つの熱交換器は、それぞれ開放型のものが使用される。すなわち、これらの2つの熱交換器(前記蒸発器13及び前記凝縮器20)は、所定径の熱伝導率が高く、かつ、高い水圧に耐える材質からなる熱交換チューブが複数回巻回され、該熱交換チューブを流れる前記二次媒体と該チューブの周囲物質の間で直接熱交換可能に前記水密式海底地熱バイナリー発電装置用筐体24の両側に突出して配置される構造のものとしている。したがって、前記蒸発器13を熱水12が噴出する噴出孔の直上に設置するだけで、その反対側に配置される前記凝縮器20は、冷たい海水中に配置されることになるので、わざわざ冷却のために前記凝縮器20を冷たい海水まで引き回す必要がなく、地上における地熱発電等の設備に比し、極めて簡便に熱交換が可能である。
上記のような構成としたので、本実施例2に係る海底地熱バイナリー発電装置11は、陸上における地熱発電に比し、現地での設置工事の手間を大きく軽減することができ、したがって、これらの各装置13〜24をさらにモジュール化して陸上で組み立てることで、太陽光発電や風力発電のように迅速に設置することが可能である。
次に、上記実施例2に係る海底地熱バイナリー発電に加え、または、これとは単独に、掘削された熱水坑又は自然に存する熱水チムニー等からの熱水から本発明に係る海底熱水発電及び熱水含有有用物質回収装置を実施するための形態の他の一実施例である実施例3に係る「熱水含有有用物質回収装置」の概略を図面に基づいて説明する。
本実施例3に係る熱水含有有用物質回収装置は、海底の人工掘削熱水孔又は熱水チムニー等から熱水を洋上に設置される浮体上の回収装置まで導き、有用金属等資源を回収する装置であり、本実施例3に係る熱水含有有用物質回収装置は、熱交換器により温度制御される反応槽、熱水ポンプ、海水ポンプ、薬液調整装置及び逆浸透装置を基本的構成ユニットとする装置であり、この構成からなる構成ユニットを一又は複数重畳した構成からなるものである。
したがって、重複的な説明を避けるため、図3に示す一組のユニットについてのみ説明し、その後のユニットにおける処理は繰り返し処理となるので詳しい説明は省略して説明する。
以上の説明したように、本実施例3に係る熱水含有有用物質回収装置30は、有用物質回収の薬液調整と、その反応温度を高い方から順次段階的に設定するプロセスをとり、かつ、それをくり返し可能とすることにより、効率的に必要とする有用物質の回収を可能とするものである。
2 掘削ビット
3、3a、3b、・・ 堀管
4 掘削水用ポンプ
5 自動昇降式トップドライブ掘削装置
6 無人制御・電源供給塔
7 自動式掘管接続装置
8 自走式無限軌道車
9 海水
10 送電・通信用メーブル
11 実施例2に係る海底地熱バイナリー発電装置
12 熱水
13 蒸発器
14 配管
15 蒸気タービン
16 発電機
17 変電装置
18 前記海底用ケーブル
19 配管
20 凝縮器
24 海底地熱バイナリー発電装置用筐体
25 有用物質回収パイプ
30 実施例3に係る熱水含有有用物質回収装置
31 反応槽
32 熱交換器
33 熱水ポンプ
34 海水ポンプ
35 薬液調整装置
36 逆浸透装置
37 熱水
38 海水
39 有用物質(A)
40 有用物質(B)
41 有用物質(最終回収物)
110 枠組み
111 流体
112 煙突
113 管
116 海洋表面
117 環状浮揚装置
118 海底
119 熱差強化管
124 プラットフォーム
126 戻り管
132 冷水ポンプ
133、150、151、152 リング
154 脚
172 円錐形
210 熱水動力装置
250 淡水化施設
252 採掘施設(資源回収装置)
H 海底熱水鉱床
Claims (1)
- 海底熱水鉱床に孔を穿つための高温用掘削ビットと、
前記ビットに回転力を伝達するとともに孔底に溜まる掘屑(岩石の破片)をポンプで送られた掘削水で排出する掘管と、
前記掘管に周辺海水を送水し、掘屑を掘削坑から排出する掘削水用ポンプと、
前記掘管を昇降し、掘削中は当該掘管の最上部をつかんで回転させて前記掘削ビットに回転力を伝達する自動昇降式トップドライブ掘削装置と、
動力を与える電源を搭載し、予めプログラミングされた地点の掘削を行う制御・電源供給塔と、上下に接続用のネジを持つ前記堀管を掘削に必要な複数本を搭載し、前記自動昇降式トップドライブ掘削装置で掘削中の前記掘管が掘削面まで掘進した段階で、搭載された前記掘管を順次上部に接続することが可能な自動式掘管接続装置とが無限軌道により海底を自走する自走式無限軌道車上に搭載されてなることを特徴とする海底熱水井掘削装置。
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