JP6801937B2 - 気体注入システムおよび二酸化炭素地中貯留方法 - Google Patents

Description

本発明は、地球温暖化抑止のための二酸化炭素地中貯留技術等に関する。

地球温暖化抑止に向けて、二酸化炭素（ＣＯ２）排出量の削減が強く求められるようになっている。大気中への二酸化炭素排出量を削減策の一つとして、排出された二酸化炭素を大気中へ放出せずに、地中へ貯留する方法が検討されている。

粘土質等の不透水層より下層に存在する帯水層に二酸化炭素を溶解した状態で貯留することにより、注入後の二酸化炭素の地上へ漏出を防止できる。

さらに、二酸化炭素を安定的に貯留するため、マイクロバブル水に関する技術が注目されている。（たとえば、特許文献１または特許文献２）。

マイクロバブル水とは、気体をマイクロサイズの微細気泡(マイクロバブル)とし、水に溶解させたものである。

マイクロバブルは浮力が小さいため、ブラウン運動をしながら溶液中に存在し、安定性が高い。また、同一の電荷を帯電することで、マイクロバブル同士は合体が起こりにくく、小さい状態のままを保つ。この点でも安定性が高い。さらに、マイクロバブルの自己加圧効果により二酸化炭素の溶解度も向上する。なお、強い毒性をもつ化学薬品を用いない点で、極めて安全性が高い。

すなわち、マイクロバブル水に溶解された二酸化炭素は、安定して効率よく帯水層に貯留される。

特開２０１０‐１１９９６２号公報 特開２０１６−０１６３４８号公報

しかしながら、上記の技術は、二酸化炭素が完全にマイクロバブル化され、すべて地中に注入されることを前提とするものであり、地中貯留されなった余剰ガスが発生することは考慮されていなかった。

したがって、余剰ガスを回収することやその際の課題等も検討されていなかった。

本発明は上記課題を解決するものであり、二酸化炭素地中貯留における余剰ガスに対する技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明は、気体をマイクロバブル水とし、不透水層より下層の帯水層に注入するとともに、帯水層に注入されなかった気体を地中より回収する気体注入システムである。

上記課題を解決する本発明は、不透水層より下層の帯水層まで削孔されたボーリング孔内を遮蔽する遮蔽栓と、前記遮蔽栓により下方に形成される空間に、水を供給する水供給ラインと、前記遮蔽栓により下方に形成される空間に、気体を供給する気体供給ラインと、前記水および気体を混合撹拌し、マイクロバブル水を発生させるマイクロバブル水発生部と、前記空間から帯水層に注入されるマイクロバブル水のうち注入されなかった気体を地中より回収する排気ラインとを備える気体注入システムである。

本発明において、好ましくは、前記帯水層に注入されず回収される気体の圧力を制御する制御手段を備える。

本発明において、好ましくは、前記帯水層に注入されず回収される気体の圧力が、前記帯水層に注入される圧力より低く、前記帯水層の間隙水圧より高くなるように制御する制御手段を備える。

これにより、注入されなかった気体を回収する排気ラインからの地下水の噴発を防止できる。

上記課題を解決する本発明は、二酸化炭素をマイクロバブル水とし、該マイクロバブル水を不透水層より下層の帯水層に注入し、帯水層に注入されなかった二酸化炭素を地表にて回収する二酸化炭素地中貯留方法である。

本発明により、地中貯留できなかった二酸化炭素（余剰ガス）を回収できる。

本実施形態の全体構成図である。 ボーリング孔下端における詳細構成図である。 制御装置の機能ブロック図である。 マイクロバブル化による効果についての説明図である。

〜概要〜
まず、本実施形態にかかる気体注入システムの構成の一例について説明する。次いで、本実施形態にかかる気体注入システムを二酸化炭素の地中貯留に適用した場合の動作および制御について説明する。また、備考として本願発明に至った経緯について説明する。

なお、マイクロバブル水には、気体が水に溶解した状態と微細気泡(マイクロバブル)状態とが混在する。また、微細気泡は自己圧潰により更に微細になり、溶解する。

〜システム構成〜
図１は、本実施形態に係る気体注入システムの全体構成図である。図２は、ボーリング孔下端における詳細構成図である。

気体注入システム１はボーリング孔２に設けられる。ボーリング孔２は、地表より不透水層３を貫通し、不透水層３より下層にある帯水層４まで削孔されている。

不透水層とは、地下水が浸透しない、あるいは浸透しにくい地層であり、シルトや粘土などからなる。帯水層とは、地下水によって飽和している地層である。

ボーリング孔２の帯水層４に接する側面はストレーナとなっており、ボーリング孔２と帯水層４は連通している。

気体注入システム１は、ポンプ６と、コンプレッサ７と、コンプレッサ８と、遮蔽栓１１と、水供給ライン１２と、気体供給ライン１３と、マイクロバブル水発生部１５と、排気ライン１６と、排気回収タンク１７と、弁１８とを備えている。

遮蔽栓１１は、ボーリング孔２下部に設けられる。遮蔽栓１１は、例えばゴムパッカーであり、パッカー拡張ライン３１を介して地表から供給される空気により膨らみ、空気圧によりボーリング孔内を遮蔽する。ボーリング孔２が深い場合は、ＳＵＳワイヤ３２により所定の深度まで降ろし、液圧で膨らませた遮蔽栓１１を吊支持する。

遮蔽栓１１により、ボーリング孔２下部では帯水層４に連続する空間が形成される。

水供給ライン１２および気体供給ライン１３は、地表より遮蔽栓１１を貫通して、ボーリング孔２下部に至る。水供給ライン１２は、ポンプ６を介して地表から水をボーリング孔２下部に供給する。気体供給ライン１３は、コンプレッサ７を介して地表から気体をボーリング孔２下部に供給する。

水供給ライン１２および気体供給ライン１３は末端においてマイクロバブル水発生部１５と接続している。ポンプ６は水を圧縮して高圧とする。コンプレッサ７は気体を圧縮して高圧とする。

マイクロバブル水発生部１５は、水供給ライン１２を介して供給される水と気体供給ライン１３を介して供給される気体とを撹拌混合し、気体をマイクロバブルとし、マイクロバブル水をノズルより噴射する。

なお、本実施形態では、地中深部の高圧を利用したほうがマイクロバブル水を発生させるのに有利なため、水供給ライン１２および気体供給ライン１３とを用いて、地中深部にマイクロバブル水を発生させているが、地表にマイクロバブル水発生プラントを設置し、マイクロバブル水を地表から供給してもよい。地表にてマイクロバブル水を発生させる場合は、耐圧タンクが必要になる。

排気ライン１６は、ボーリング孔２下部より遮蔽栓１１を貫通して、地表に設置された排気回収タンク１７に至る。

なお、排気ライン１６下端は、遮蔽栓１１の直近下部かつ、水供給ライン１２および気体供給ライン１３下端（またはマイクロバブル水発生部１５）より、上方になくてはならない。

排気ライン１６には、弁１８が設けられている。また、排気ライン１６の弁１８より排気上流側（排気ライン１６下側）にはコンプレッサ８が設けられている。弁１８を閉じコンプレッサ８により排気ライン１６を高圧とすることができる。

気体注入システム１は、センサ２１〜２８を有する。

圧力センサ２１はポンプ６の出力側に設けられ、水供給圧Ｐ１を検知する。圧力センサ２２はコンプレッサ７の出力側に設けられ、気体供給圧Ｐ１を検知する。

圧力センサ２３は排気ライン１６の弁１８より排気上流側に設けられ、排気圧Ｐ２を検知する。

圧力センサ２４は、遮蔽栓１１から吊支持され、ボーリング孔２下部での間隙水圧Ｐｗを検知する。

流量センサ２５はポンプ６の出力側に設けられ、水供給量を検知する。流量センサ２６はコンプレッサ７の出力側に設けられ、気体供給量を検知する。流量センサ２７は排気ライン１６に設けられ、排気量を検知する。

気体・水感知センサ２８は、排気ライン１６下端相当位置に設けられ、当該位置が気体状態か液体状態かを感知する。なお、センサ２８は、後述する圧力制御に不具合がないかの確認に用いる。

センサ２１〜２８の検出信号は、制御装置３０に入力される。制御装置３０は、これらの入力信号に基づき、ポンプ６、コンプレッサ７、コンプレッサ８、弁１８を制御する（制御詳細後述）。

〜二酸化炭素の地中貯留〜
気体注入システムを二酸化炭素の地中貯留に適用した場合の動作および制御について説明する。

ポンプ６により供給水を地下水圧Ｐｗより若干高い圧力に調整する。コンプレッサ７により供給気体を地下水圧より若干高い圧力に調整する。供給水圧と供給気圧はほぼ同じＰ１となる。したがって、マイクロバブル水の供給圧はポンプ圧とほぼ同じになる。

地表から、高圧の水と高圧の二酸化炭素をボーリング孔２下部に供給し、マイクロバブル水発生部１５によりマイクロバブル水を発生させ、マイクロバブル水を帯水層に注入する。

マイクロバブル化することにより、溶解度および安定性が向上する。帯水層４は水平方向に広がっており、これに沿って注入水は拡散する。これにより、二酸化炭素を安定的に効率よく地中貯留することができる。

なお、帯水層４が炭酸塩を含む岩石であれば、弱酸性の注入水は自然に中和される。

しかしながら、供給された全ての二酸化炭素がマイクロバブル水発生部１５によりマイクロバブルとなって地中に貯留されるわけでなく、大きなバブルはボーリング孔２を上昇する等、地中貯留できなかった二酸化炭素（余剰ガス）が発生する。

マイクロバブルにならなかった大きなバブルは、排気ライン１６を上昇して排気回収タンク１７に回収される。排気回収タンク１７内の二酸化炭素は、再び地中に供給される。

これにより、余剰ガスに伴う不具合を防止できる。

このとき、二酸化炭素供給量と二酸化炭素排気量の差が二酸化炭素貯留量となる。

〜圧力制御〜
余剰ガスを回収する際に、地下水の圧力Ｐｗが高いと、地下水が排気ライン１６を上昇して、余剰ガスを回収することが困難となる。

そこで、本実施形態では、帯水層に注入されず回収される二酸化炭素の圧力Ｐ２が、帯水層に注入される圧力Ｐ１より低く、帯水層の間隙水圧Ｐｗより高くなるように制御する。

図３は、制御装置３０の機能ブロック図である。以下、圧力制御について説明する。

まず、Ｐ１の制御について説明する。Ｐ１の圧力をＰｗより高くする（Ｐ１＞Ｐｗ）ことにより、マイクロバブル水が帯水層に注入される。ポンプ６およびコンプレッサ７の出力を増加すると注入圧力Ｐ１が増圧される。

なお、Ｐ１の圧力をＰｗより高くする程、後述するＰ２制御の調整幅が広くなり、Ｐ２制御が容易になる。

次に、Ｐ２の制御について説明する。余剰ガスの圧力Ｐ２が間隙水圧Ｐｗより低い場合（Ｐ２＜Ｐｗ）は、Ｐ２の制御をおこなう。

弁１８を閉じると、排気ライン１６内に二酸化炭素が蓄積され、これに伴い余剰ガスの圧力Ｐ２も増加する。その結果、余剰ガスの圧力Ｐ２は間隙水圧Ｐｗより高くなる。

弁１８を閉じただけでは充分なＰ２増加が期待できない場合は、さらに、コンプレッサ８により増圧する。これに伴い余剰ガスの圧力Ｐ２も増加する。その結果、余剰ガスの圧力Ｐ２は間隙水圧Ｐｗより高くなる。これにより、地下水の上昇を防止できる。

このとき、コンプレッサ８の圧力を調整し、余剰ガスの圧力Ｐ２が、注入圧力Ｐ１より低い状態（Ｐ１＞Ｐ２）を維持する。

マイクロバブル水発生装置１５位置と排気管１６下端の水頭差を確保すると、Ｐ１＞Ｐ２を維持しやすい。

さらに、気体回収時の制御について説明する。気体回収時には弁１８を開く。このとき、余剰ガスの圧力Ｐ２が間隙水圧Ｐｗより高い状態（Ｐ２＞Ｐｗ）を維持する様にモニタリングをおこなう。余剰ガスの圧力Ｐ２が間隙水圧Ｐｗより低くなる場合（Ｐ２＜Ｐｗ）は、再び弁１８を閉じ必要に応じてコンプレッサ８を介してＰ２を制御する。

気体・水感知センサ２８からの信号は圧力制御に不具合がないかの確認に用いる。制御装置３０は、気体・水感知センサ２８からの水感知信号に基づいて圧力制御に不具合があると判断し、警報を出力する。

〜備考〜
本願発明者は、二酸化炭素のマイクロバブル化の効果の確認試験をおこなった。図４は、確認試験の結果についての説明図である。

図示上側は、マイクロバブル化していない二酸化炭素の溶解状況を示す。図示下側は、マイクロバブル化された二酸化炭素の溶解状況を示す。

気体注入システム１の試験機を作成し、常温（約20℃）、深度2.5mの水圧の状況で、二酸化炭素を所定速度・所定時間、水に注入し、注気量と排気量を観測した。

図示上側では、約２／３の二酸化炭素が排気されており、溶解された二酸化炭素は約１／３であった。これに対し、図示下側では、ほぼすべての二酸化炭素が溶解されており、マイクロバブル化により溶解度が飛躍的に向上することを確認した。

一方で、マイクロバブル化しても無視できない量（図示では約１％以上）の余剰ガスが発生していることに着目した。試験機を実際の二酸化炭素の地中貯留に適用した場合も、無視できない量の余剰ガスが大気中に拡散するおそれがある。

発明者は、余剰ガスが発生する原因について推測した。ところで、一般に、直径５０μｍ以下の微細な気泡をマイクロバブルと呼ぶが、厳格な定義はない。マイクロバブル化する際に、気泡のサイズを均一に制御するのは困難であり、一定の割合で、比較的サイズの大きい気泡が発生する。サイズの大きな気泡は水中を上昇し気体に戻る。

またサイズの大きな気泡を地中に押し込もうとすると気体の抵抗のために透水性が阻害される。その結果、地中貯留の効率が低下するおそれがある。

発明者は、余剰ガスが発生しないようにマイクロバブルを生成するよりも、余剰ガス発生を許容し余剰ガスを回収した方が実用的であると考え、本願発明を着想した。

さらに、余剰ガスを回収する際に、水が排気ラインを上昇することにも着目し、本願発明を着想した。

１ 気体注入システム
２ ボーリング孔に
３ 不透水層
４ 帯水層
１１ 遮蔽栓
１２ 水供給ライン
１３ 気体供給ライン
１４ コンプレッサ
１５ マイクロバブル水発生部
１６ 排気ライン
１７ 排気回収タンクと
１８ 弁
２１〜２４ 圧力センサ
２５〜２７ 流量センサ
２８ 気体・水感知センサ
３０制御装置
３１ パッカー拡張ライン
３２ ＳＵＳワイヤ

Claims (2)

1. 不透水層より下層の帯水層まで削孔されたボーリング孔内を遮蔽する遮蔽栓と、
   前記遮蔽栓により下方に形成される空間に、水を供給する水供給ラインと、
   前記遮蔽栓により下方に形成される空間に、気体を供給する気体供給ラインと、
   前記水および気体を混合撹拌し、マイクロバブル水を発生させるマイクロバブル水発生部と、
   前記空間から帯水層に注入されるマイクロバブル水に含まれる気体のうち注入したけれども帯水層に注入されず貯留できなかった気体を地中より回収する排気ラインと、
   帯水層の間隙水圧を測定し、前記遮蔽栓の下に支持された圧力センサと、
   前記帯水層に注入されず貯留されず回収される気体の圧力を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記帯水層に注入されず貯留されず回収される気体の圧力が、前記帯水層に注入される圧力より低く、前記帯水層の間隙水圧より高くなるように制御する
   ことを特徴とする気体注入システム。
2. 二酸化炭素をマイクロバブルとし、水に溶解させマイクロバブル水とし、
   前記マイクロバブル水を不透水層より下層の帯水層に注入するとともに、
   帯水層に注入したけれども帯水層に注入されず貯留できなかった二酸化炭素を地中より回収し、
   前記帯水層の間隙水圧を測定し、
   前記帯水層に注入されず貯留されず回収される気体の圧力が、前記帯水層に注入される圧力より低く、前記帯水層の間隙水圧より高くなるように制御する
   ことを特徴とする二酸化炭素地中貯留方法。