JP6976656B2 - 発電システム - Google Patents

Description

本発明は、海洋温度差発電等の流体の温度差を利用して発電を行う発電システムに関する。

海洋温度差発電、温泉排熱発電、高温排水発電等の相対的に温度差が小さい熱源を利用して発電を行うバイナリー発電が開発されている。バイナリー発電では、熱源の熱で低沸点媒体を加熱してガス化し、低沸点媒体のガスで膨張機を回転させて発電する。

バイナリー発電に利用される低沸点媒体として、例えば、イソブタン、ペンタン等の炭化水素、アンモニア、フロンが利用されている（例えば、特許文献１、２）。

特開２０１４−１２５９９０号公報 特開２０１４−１９０２８５号公報

しかし、上記特許文献１、２に記載された炭化水素は可燃性を有するため、発電システムにおいて燃焼し爆発するおそれがある。また、アンモニアは環境に悪影響を及ぼすおそれがあり、また、可燃性であり、フロンは環境汚染物質であるため、外部への流出を防止する必要があり、流出防止に要するコストがかかるという問題がある。

本発明は、このような課題に鑑み、燃焼のおそれがなく、また、低コストで発電することが可能な発電システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の発電システムは、１−メチルピペリジンを含む原料水とクリプトンとの気液混合物を第１の流体で冷却して、該クリプトンのハイドレートを生成するハイドレート生成部と、生成された前記ハイドレートを、前記第１の流体より高温の第２の流体で加熱して、前記原料水と前記クリプトンとに分解するハイドレート分解部と、前記ハイドレート分解部で生じた前記クリプトンによって回転される膨張機と、
前記膨張機の回転によって発電する発電機と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、燃焼のおそれがなく、また、低コストで発電することが可能となる。

発電システムの概略的な構成を説明するための図である。 実施例と比較例とのハイドレート相平衡条件の実験結果を示す図である。 ハイドレートのエンジンサイクルと、従来のガスのランキンサイクルとの熱効率を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（発電システム１００）
図１は、発電システム１００の概略的な構成を説明するための図である。なお、図１中、原料水、および、ハイドレートの流れを実線の矢印で示し、不活性ガスの流れを破線の矢印で示し、海洋深層水（第１の流体）および海洋表層水（第２の流体）の流れを一点鎖線の矢印で示す。

本実施形態の発電システム１００は、海洋深層水（例えば、４℃〜８℃程度）と、海洋表層水（例えば、２０℃〜３０℃程度）との温度差を利用して発電するシステムである。発電システム１００では、原料水と不活性ガスとの気液混合物を海洋深層水で冷却して不活性ガスのハイドレートを生成し、生成したハイドレートを海洋表層水で加熱して分解し、得られた高圧の不活性ガスで膨張機を回転させて発電する。そして、膨張機を回転させることで減圧された不活性ガスは、再度原料水と混合される。このように発電システム１００において、不活性ガスは、気体（ガス）もしくはハイドレートとして循環し、循環過程において発電が為されることとなる。なお、本実施形態において、海洋深層水および海洋表層水は、サイフォンの原理を利用して（位置エネルギーを要しない構造で）汲み上げられる。海洋深層水および海洋表層水を汲み上げる技術は既存であるため、詳細な記載を省略する。以下、発電システム１００の具体的な構成について説明する。

図１に示すように、発電システム１００は、気液混合部１１０と、ハイドレート生成部１２０と、ハイドレート水分離部１３０と、ポンプ１４０と、ハイドレート分解部１５０と、脱湿部１６０Ａ、１６０Ｂと、発電ユニット１７０と、熱交換器１８０と、ハイドレート分離水落圧部１９０と、冷却部２００と、ブロワ２１０と、バッファタンク２２０と、中央制御部２３０とを含んで構成される。

気液混合部１１０は、原料水と不活性ガスとを混合して気液混合物を生成する。なお、本実施形態では、不活性ガスとしてクリプトン（Ｋｒ）を例に挙げて説明する。また、原料水には、後述するハイドレート生成部１２０におけるハイドレートの生成圧力を低下させる補助剤として、１−メチルピペリジン（１−ＭＰＤ）が含まれている。なお、気液混合物中の水とＫｒと１−ＭＰＤとのモル比は、例えば、水：Ｋｒ：１−ＭＰＤ＝３４：５：１である。Ｋｒと１−ＭＰＤとのモル比を上記に維持して、水を結晶水（モル比：３４）以上に存在させることで、ハイドレート生成部１２０におけるハイドレートの生成反応の安定化を図るとともに流動性を維持することが可能となる。気液混合部１１０の出口は、配管１１２を介して、ハイドレート生成部１２０の入口に接続される。

ハイドレート生成部１２０は、気液混合物を海洋深層水で冷却して、Ｋｒのハイドレートを生成する。ハイドレート生成部１２０は、例えば、液相（原料水）においてＫｒの気泡（マイクロバブル）が実質的に均等に分布するようなミキサーで構成され、配管中の流れを乱流になるようにする。ハイドレート生成部１２０の出口は、配管１２２を介して、ハイドレート水分離部１３０の入口に接続される。

ハイドレート水分離部１３０は、例えば、円筒形状の容器で構成され、容器全体が海洋深層水によって冷却される。ハイドレート水分離部１３０には、配管１２２を介して、ハイドレート生成部１２０から、ハイドレートと原料水との固液混合物が導入される。ハイドレート水分離部１３０は、固液混合物を、混在している遊離ガスと、ハイドレート混合水とに分離する。具体的に説明すると、遊離ガスと、ハイドレート混合水との質量密度の差によって、遊離ガスは、ハイドレート水分離部１３０の上部に、ハイドレート混合水は、ハイドレート水分離部１３０の底部に沈降する。ただし、通常運転では、多量の原料水（キャリア水）中の反応になるため、Ｋｒガスは、原料水中に溶け込む。したがって、遊離ガスはほとんど存在せず、ハイドレート水分離部１３０の上部に遊離ガスが溜まることはほとんどない。なお、ハイドレート水分離部１３０は、容器全体が海洋深層水で冷却されているため、ハイドレート水分離部１３０においてもハイドレートの分解が抑制されるとともに、Ｋｒガスの溶解も促進され、さらにハイドレートの生成が促進されることとなる。

また、本実施形態では、固液混合物がハイドレート水分離部１３０の接線方向に噴射されて導入される。これにより、固液混合物をハイドレート水分離部１３０内で緩く旋回させて、ハイドレートの結晶がハイドレート水分離部１３０の内壁に付着しないようにするとともに、遠心力および比重差でハイドレートをハイドレート水分離部１３０の中心に集約する。したがって、共存している遊離水（原料水）にハイドレートが懸濁されやすくなり、ポンプ１４０への排出が容易になる。また、未反応のＫｒガスが存在する場合には、気泡と原料水との接触効率を向上させることができ、ハイドレート水分離部１３０におけるハイドレートの生成効率を向上させることが可能となる。

ハイドレート水分離部１３０の底部には、ハイドレート水分離部１３０と、後述するハイドレート分解部１５０とを接続する配管１３２が接続されており、配管１３２には、ポンプ１４０が設けられる。したがって、ハイドレート水分離部１３０によって沈降分離されたハイドレート懸濁水（スラリー）は、ポンプ１４０によって、ハイドレート分解部１５０に送出されることとなる。

なお、通常運転時にはハイドレート水分離部１３０においてＫｒガスが発生することは殆どないが、発電システム１００の起動時等、原料水の流量が小さかったり、ハイドレート生成部１２０における圧力や温度がハイドレートの生成条件から外れたりした場合、ハイドレート水分離部１３０へ導入される固液混合物に遊離ガス（Ｋｒガス）が混入する。

このため、ブロワ２１０と、バッファタンク２２０とを設けておき、ハイドレート水分離部１３０において生じたＫｒガスをブロワ２１０によってバッファタンク２２０に送出する。具体的に説明すると、ハイドレート水分離部１３０の上部にＫｒガスを滞留させておき、原料水の液面が所定の高さ未満となったら、ハイドレート水分離部１３０の上部とバッファタンク２２０とを接続する配管１３４に設けられたブロワ２１０を駆動させる。そうすると、ハイドレート水分離部１３０の上部に滞留したＫｒガスは、バッファタンク２２０へ排出されることとなる。バッファタンク２２０を備える構成により、ハイドレート水分離部１３０からＫｒガスを排出する際の圧力変動を小さくすることができる。なお、配管１３４におけるブロワ２１０とバッファタンク２２０の間には、開閉弁１３４ａと、逆止弁１３４ｂとが設けられている。開閉弁１３４ａは、ブロワ２１０の駆動とともに開弁され、ブロワ２１０の停止とともに閉弁される。逆止弁１３４ｂは、バッファタンク２２０からハイドレート水分離部１３０へのＫｒガスの逆流を防止している。

ポンプ１４０は、ハイドレート水分離部１３０によって分離されたハイドレート（詳細にはハイドレートと原料水とのスラリー）を昇圧（ハイドレート分解部１５０において分解できる圧力まで昇圧）してハイドレート分解部１５０に送出する。なお、配管１３２におけるポンプ１４０とハイドレート分解部１５０との間には、逆止弁１３２ａと、流量調整弁１３２ｂとが設けられている。また、配管１３２におけるポンプ１４０と逆止弁１３２ａとの間と、配管１２２とを接続する配管１３６が設けられており、配管１３６には、流量調整弁１３６ａが設けられている。逆止弁１３２ａを備える構成により、ハイドレート分解部１５０からハイドレート水分離部１３０へのハイドレートの逆流を防止している。また、流量調整弁１３２ｂ、１３６ａによってハイドレート水分離部１３０からハイドレート分解部１５０へ導入されるハイドレートの流量、ハイドレート水分離部１３０へ返送されるハイドレートの流量が調整されることとなる。なお、このＫｒガスは、ブロワ２１０を設けずとも、ベント１３４ｃ（安全弁）から放出しても大きな損失とはならない。

本実施形態において、ポンプ１４０は、後述するハイドレート分解部１５０によって生成された原料水の圧力（例えば、５〜７ＭＰａ程度）で回転するハイドレート分離水落圧部１９０によって駆動される。ハイドレート分離水落圧部１９０を備える構成により、ポンプ１４０を駆動させるエネルギーを削減することができる。

なお、本実施形態では、ハイドレート分離水落圧部１９０による回転のみではポンプ１４０の動力が不足する場合があるため、ハイドレート分離水落圧部１９０の駆動軸力を補助する補助駆動機１９２を備える。例えば、発電システム１００の起動時においては、ハイドレート分解部１５０において原料水が生成されないため、ハイドレート分離水落圧部１９０が機能しない。このため、ハイドレート分離水落圧部１９０が定格運転となるまでは、補助駆動機１９２でポンプ１４０を駆動させる。なお、補助駆動機１９２は、電動モータであってもよいし、他の動力であってもよい。

ハイドレート分解部１５０は、例えば、円筒形状の伝熱装置を備えた容器で構成され、容器内のハイドレートが海洋表層水（例えば、２７℃程度）によって間接的に加熱される。ハイドレート分解部１５０には、配管１３２を介して、ハイドレートが導入される。ハイドレート分解部１５０では、ハイドレートが海洋表層水で加熱されて、原料水と、高圧（例えば、５ＭＰａ〜７ＭＰａ程度）のＫｒガスとに分解される。ハイドレート分解部１５０の上部には、配管１５２を介して脱湿部１６０Ａ、１６０Ｂが接続されており、ハイドレート分解部１５０から排出されるガス（湿性のＫｒガス）は脱湿部１６０Ａ、１６０Ｂで水が除去され、乾燥Ｋｒガスとなる。

具体的に説明すると、配管１５２は、一端がハイドレート分解部１５０の上部に接続されるとともに、他端が２つに分岐され、他端それぞれに脱湿部１６０Ａ、１６０Ｂが接続される。脱湿部１６０Ａ、１６０Ｂには、水を吸着する吸着剤（例えば、モレキュラーシーブ等）が充填されており、圧力スイング吸着（ＰＳＡ：Pressure Swing Adsorption）法によって、混合ガスから水を除去する。

そして、水が除去されたガス、つまり、乾燥Ｋｒガス（例えば、２４℃程度、５ＭＰａ〜７ＭＰａ程度）は、配管１６２を介して、発電ユニット１７０を構成する膨張機１７２に送出され、膨張機１７２において膨張されるとともに、膨張エネルギーによって膨張機１７２が回転されることとなる。

脱湿部１６０Ａ、１６０Ｂを備える構成により、膨張機１７２に送出されるガス（Ｋｒ）中の水分を低減することができ、膨張機１７２内で水が凍結して、膨張機１７２を構成する部品（例えば、ブレード等のガス接触部品、軸受等）に不具合が生じる可能性を低減することができる。

なお、脱湿部１６０Ａに湿性のＫｒガスを供給して脱湿部１６０Ａから膨張機１７２に乾燥Ｋｒガスを送出している間、つまり、脱湿部１６０Ａにおいて湿性のＫｒガス中の水を吸着して除去している間は、脱湿部１６０Ｂへの湿性のＫｒガスの供給を停止し、脱湿部１６０Ｂを再生する（吸着剤から水を脱着させる）。一方、脱湿部１６０Ｂに湿性のＫｒガスを供給している間は、脱湿部１６０Ａへの湿性のＫｒガスの供給を停止し、脱湿部１６０Ａを再生する。

具体的に説明すると、脱湿部１６０Ａ、１６０Ｂの出口は、配管１６２に加えて、配管１６４が接続されており、配管１６４は、気液混合部１１０に接続されている。そして、脱湿部１６０Ａに湿性のＫｒガスを供給する場合、開閉弁１５２ａ、１６２ａ、１６４ｂを開弁するとともに、開閉弁１５２ｂ、１６２ｂ、１６４ａを閉弁する。そうすると、ハイドレート分解部１５０で生成された湿性のＫｒガスは脱湿部１６０Ａに導入され、脱湿部１６０Ａで水が除去された後、膨張機１７２に送出される。また、脱湿部１６０Ｂと気液混合部１１０との差圧によって、脱湿部１６０Ｂの吸着剤に吸着された水が脱着され、脱湿部１６０Ｂに残存したＫｒガスと、脱着された水との混合ガス（湿性のＫｒガス）が気液混合部１１０に導入されることとなる。

同様に、脱湿部１６０Ｂに湿性のＫｒガスを供給する場合、開閉弁１５２ａ、１６２ａ、１６４ｂを閉弁するとともに、開閉弁１５２ｂ、１６２ｂ、１６４ａを開弁する。そうすると、ハイドレート分解部１５０で生成された湿性のＫｒガスは脱湿部１６０Ｂに導入され、脱湿部１６０Ｂで水が除去された後、膨張機１７２に送出される。また、脱湿部１６０Ａと気液混合部１１０との差圧によって、脱湿部１６０Ａの吸着剤に吸着された水が脱着され、脱湿部１６０Ａに残存したＫｒガスと、脱着された水との混合ガス（湿性のＫｒガス）が気液混合部１１０に導入されることとなる。

発電ユニット１７０は、乾燥Ｋｒガスの膨張エネルギーによって回転される膨張機（例えば、タービン）１７２と、膨張機１７２の回転によって発電する発電機１７４とを含んで構成される。

膨張機１７２の出口は、配管１８２、１６４を介して気液混合部１１０に接続される。したがって、膨張機１７２で膨張した（減圧された）Ｋｒガスは、気液混合部１１０に返送されることとなる。なお、膨張機１７２で膨張したＫｒガスは、極低温（例えば、−１００℃程度）であるため、配管１８２には熱交換器１８０が設けられる。

熱交換器１８０は、配管１８２を通過するＫｒガスと、後述する配管１５６を通過する原料水とで熱交換を行い、原料水の熱をＫｒガスに伝達して、Ｋｒガスを０℃以上に加熱する。熱交換器１８０を備える構成により、配管１６４（脱湿部１６０Ａ、１６０Ｂで脱着された水が通過する配管）が凍結してしまう事態を回避するとともに、膨張機１７２に対する影響を回避することができる。

このように、気液混合部１１０には、膨張機１７２を通過したＫｒガス、脱湿部１６０Ａ、１６０Ｂの再生時に送出されるＫｒガス、バッファタンク２２０から送出されるＫｒガスが導入されることとなる。なお、脱湿部１６０Ａ、１６０Ｂの再生時には、圧力変動が大きくなり、気液混合部１１０において大量のＫｒガスが原料水に導入される可能性がある。そこで、配管１６４とバッファタンク２２０とを配管２２２で接続し、Ｋｒガスの圧力変動をバッファタンク２２０で吸収する。かかる構成により、ハイドレート生成部１２０において、Ｋｒガスの導入量の変動によるハイドレートの生成反応の停滞を抑制し、ハイドレートの収率の低下を低減することが可能となる。

一方、ハイドレート分解部１５０においてハイドレートが分解されることで生成された原料水（例えば、２４℃程度、５ＭＰａ〜７ＭＰａ程度）は、配管１５４を介してハイドレート分離水落圧部１９０に送出され、原料水によってハイドレート分離水落圧部１９０が回転することになる。かかる構成により、ハイドレート分離水落圧部１９０を回転させるために外部から投入するエネルギー、すなわち、ポンプ１４０を駆動させるために外部から投入するエネルギーを削減することができ、低コストでポンプ１４０を駆動させることが可能となる。

なお、上記したように、ハイドレート分解部１５０において生成された原料水は、例えば、２４℃程度、５ＭＰａ〜７ＭＰａ程度である。このため、原料水をそのままハイドレート分離水落圧部１９０の回転に用いると、ハイドレート分離水落圧部１９０において原料水が減圧される際に原料水に溶解しているＫｒガスが４０％程度ガス化してしまい、ハイドレート分離水落圧部１９０の運転を阻害するおそれがある。

そこで、配管１５４に冷却部２００を設けておき、ハイドレート分解部１５０で生成された原料水を７℃〜８℃程度に冷却する。これにより、ハイドレート分離水落圧部１９０におけるＫｒのガス化を５％以下に抑制することが可能となる。したがって、ハイドレート分離水落圧部１９０のブレード等に生じる影響（偏流）を低減して、ハイドレート分離水落圧部１９０の耐久性を向上させることができる。なお、本実施形態において、冷却部２００は、ハイドレート生成部１２０において気液混合物を冷却した後の海洋深層水（例えば、６℃〜１０℃程度）によって原料水を冷却する。かかる構成により、原料水を冷却するために外部から投入するエネルギーを削減することができる。

こうしてハイドレート分離水落圧部１９０を回転させることで１ＭＰａ〜１．５ＭＰａ程度まで減圧された原料水は、配管１５６を介して気液混合部１１０に導入される。また、上述したように、配管１５６には、熱交換器１８０が設けられていることから、熱交換器１８０によって原料水とＫｒガスとで熱交換が為されることとなる。したがって、原料水はＫｒガスによって冷却された（例えば、元の温度から２℃程度冷却される）後、気液混合部１１０に導入される。これにより、ハイドレート生成部１２０の冷熱源として利用する海洋深層水の量を低減することが可能となる。

中央制御部２３０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成され、ＲＯＭ（Read Only Memory：読み出し専用メモリ）からＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭ（Random Access Memory：読み書き可能なメモリ）や他の電子回路と協働して発電システム１００全体を管理および制御する。本実施形態において、中央制御部２３０は、ハイドレート分解部１５０の圧力が所定の設定値に維持されるように、流量調整弁１３２ｂ、１３６ａ、および、配管１６４に設けられた流量調整弁１６４ｃの開度を調整する。また、中央制御部２３０は、ハイドレート分解部１５０に設置した不図示の液面検知計に基づいて、発電システム１００の系全体の原料水の漏洩等を監視する。

以上説明したように、本実施形態にかかる発電システム１００によれば、海洋深層水でＫｒのハイドレートを生成し、海洋表層水でハイドレートを分解して高圧のＫｒガスを生成し、高圧のＫｒガスが低圧のＫｒガスに膨張する際の膨張エネルギーで膨張機１７２を回転させて発電する。これにより、燃焼のおそれがなく、また、低コストで発電することが可能となる。

また、本実施形態では、ハイドレートのゲスト物質としてＫｒを用いている。Ｋｒは、他の希ガスと比較して、ハイドレートの生成反応が安定しているため、Ｋｒをゲスト物質とすることにより、ハイドレートの生成反応の安定化を図ることができる。また、他の不活性ガス（ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ_２）、二酸化炭素（ＣＯ_２））と比較して、Ｋｒは分子量が大きい。したがって、膨張機１７２に送出する圧力が等しい場合、密度が大きくなるため、膨張機１７２を小型にすることが可能となる。

また、本実施形態では、Ｋｒのハイドレートを生成する際の生成圧力を低下させる補助剤として１−ＭＰＤを原料水に含有させている。従来、Ｋｒのハイドレートを生成する際の補助剤の開発が希求されていた。そこで、本願発明者らは、鋭意検討の結果、１−ＭＰＤがハイドレートの生成圧力を効率よく低減できることを見出した。したがって、Ｋｒのハイドレートを生成する際の生成圧力を低下させる補助剤であって、１−ＭＰＤであることを特徴とする補助剤、１−ＭＰＤを含有させた原料水とＫｒとを混合する気液混合部と、気液混合部によって生成された気液混合物を冷却するハイドレート生成部とを備えたことを特徴とするＫｒハイドレート製造装置、および、１−ＭＰＤを含有させた原料水とＫｒとを混合して気液混合物を生成し、生成した気液混合物を冷却することを特徴とするＫｒハイドレートの製造方法が提供される。

図２は、実施例と比較例とのハイドレート相平衡条件の実験結果を示す図である。図２中、比較例として補助剤なしを白い四角で示し、実施例を黒い丸で示す。比較例として、補助剤なしでＫｒのハイドレートを生成した場合の相平衡条件（ハイドレートとＫｒガスとが平衡状態となる圧力と温度の条件）を、実施例として、１−ＭＰＤを補助剤としてＫｒのハイドレートを生成した場合の相平衡条件を測定した。その結果、図２に示すように、相平衡条件のうち、相平衡温度が同じである場合であっても、実施例は、比較例より相平衡圧力が低くなることが分かった。

また、海洋深層水の温度範囲（４℃〜８℃程度、すなわち、２７７．１５Ｋ〜２８１．１５Ｋ程度）において、相平衡圧力は、比較例では３ＭＰａ程度であるのに対し、実施例では１ＭＰａ程度であることが確認された。つまり、補助剤として１−ＭＰＤを添加することにより、ハイドレート生成部１２０におけるハイドレートの生成圧力を１／３に低減できることが分かった。

一方、海洋表層水の温度範囲（２０℃〜３０℃程度、すなわち、２８３．１５Ｋ〜２９３．１５Ｋ程度）において、補助剤なしの場合の相平衡圧力は、比較例では３ＭＰａ〜９ＭＰａ程度であるのに対し、実施例では、１ＭＰａ〜３ＭＰａ程度であることが確認された。つまり、補助剤として１−ＭＰＤを添加することにより、ハイドレート分解部１５０におけるハイドレートの分解圧力を１／３に低減できることが分かった。

また、ハイドレートの生成圧力と、分解圧力との比、つまり、Ｋｒガスの膨張比を比較すると、比較例および実施例の双方において３倍程度と殆ど変わらないことが確認された。つまり、補助剤として１−ＭＰＤを添加することにより、発電システム１００の系全体の圧力を１／３に低減しつつ、膨張機１７２での回収圧力（膨張機１７２の出力（発電機１７４の発電量））を維持することが可能となることが分かった。

以上説明したように、１−ＭＰＤは、Ｋｒのハイドレートを生成する際の補助剤として効率よく機能することが確認された。

（ハイドレートのエンジンサイクルと、従来のランキンサイクルとの比較）
上記ハイドレートを利用した発電システム１００（ハイドレートのエンジンサイクル）の熱効率と、従来のガスを利用したランキンサイクルの熱効率とを下記式（１）〜（３）を用いて算出した。
Ｗ＝Δｈｇ＋Δｈｗ−ＶΔｐ …（１）
Ｑ＝∫Ｃｐ,ｈ×ｄＴ＋Ｌｈ …（２）
η＝Ｗ／Ｑ …（３）
ここで、Ｗは仕事（得られるエネルギー）、Δｈｇはガスのエンタルピー差、Δｈｗは水のエンタルピー差、Ｖはハイドレート、ガスのモル体積、Δｐは圧力差、Ｑは熱量（消費されるエネルギー）、Ｃｐ,ｈは、ハイドレートおよび共存水等の比熱、Ｌｈはハイドレートの生成熱、もしくは、従来のランキンサイクルのガスの凝縮潜熱を示す。
また、ハイドレートの生成温度、従来のランキンサイクルのガスの凝縮温度を２８２Ｋとし、ハイドレートの分解温度、従来のランキンサイクルのガスの蒸発温度を２９３Ｋとした。

図３は、ハイドレートのエンジンサイクルと、従来のガスのランキンサイクルとの熱効率を説明する図である。図３（ａ）に示すように、補助剤として１−ＭＰＤを用いた場合のＫｒハイドレートのエンジンサイクル（以下、「１−ＭＰＤを用いたＫｒハイドレートのエンジンサイクル」と称する）では、膨張機でのガスの膨張比が小さくなることはないため、圧力が低くなっても、補助剤を用いないＫｒハイドレートのエンジンサイクルの熱効率に近い熱効率を得ることができる。また、１−ＭＰＤを用いたＫｒハイドレートのエンジンサイクルは、補助剤を用いないＫｒハイドレートのエンジンサイクルと比較して、圧力を低くすることが可能となるため、装置の耐久強度を大幅に低くでき得る（図２参照）。したがって、補助剤として１−ＭＰＤを用いることにより、低圧であっても高い発電効率を得ることが可能となり、かつ、装置の設計圧力を大幅に低くでき得るためコストを削減できる。

また、Ｘｅハイドレートのエンジンサイクルの熱効率は、１−ＭＰＤを用いたＫｒハイドレートのエンジンサイクルの熱効率より高いことが分かった。ただし、Ｘｅハイドレートの反応は不安定であった。さらに、１−ＭＰＤを用いたＫｒハイドレートのエンジンサイクルの熱効率は、メタンハイドレートのエンジンサイクルの熱効率より高いことが分かった。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、１−ＭＰＤを用いたＫｒハイドレートのエンジンサイクルは、従来のアンモニアのランキンサイクルよりも熱効率が高いことが分かった。また、１−ＭＰＤを用いたＫｒハイドレートのエンジンサイクルは、従来のプロパンのランキンサイクルよりも熱効率が多少劣るものの、不燃性であるため、発電システムにおいて燃焼したり爆発したりする事態を回避することができる。

また、膨張機に吸入されるガスの単位体積あたりの発電量を導出した。その結果、１−ＭＰＤを用いたＫｒハイドレートのエンジンサイクルの場合、１．６９９（ｋＷ／ｍ^３）であり、メタンハイドレートのエンジンサイクルの場合、２．５２９（ｋＷ／ｍ^３）であった。このように、単位体積あたりの発電量は、メタンハイドレートのエンジンサイクルの方がＫｒハイドレートのエンジンサイクルより大きいが、Ｋｒハイドレートは不燃性であるため、発電システムにおいて燃焼したり爆発したりする事態を回避することができる。

また、アンモニアのランキンサイクルの場合、０．０８２（ｋＷ／ｍ^３）であり、プロパンのランキンサイクルの場合、０．０８３（ｋＷ／ｍ^３）であり、Ｒ−４０４Ａ（分子量：１０７．７５）のランキンサイクルの場合、０．１２８（分子量：１０７．７５）であった。したがって、Ｋｒハイドレート等のハイドレートのエンジンサイクルは、従来のガスのランキンサイクルと比較して単位体積あたりの発電量が大きいことが分かった。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態において、不活性ガスとしてＫｒガスを例に挙げて説明した。しかし、不活性ガスは、希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン、ラドン（Ｒｎ））であってもよいし、窒素、二酸化炭素であってもよい。いずれにせよ、不活性ガスのハイドレートを生成し、さらに、ハイドレートを分解して高圧の不活性ガスを生成して膨張機１７２を回転させることにより、発電システム１００において燃焼や爆発が生じる事態を回避しつつ、効率よく発電することが可能となる。

また、上記実施形態において、補助剤として１−ＭＰＤを例に挙げて説明した。しかし、補助剤は、ハイドレートのゲスト物質に応じて適宜選択すればよい。例えば、ゲスト物質がＫｒである場合、２，２−ジメチルブタンを補助剤として用いてもよい。また、補助剤は必須ではなく、補助剤を含まない原料水を用いてハイドレートを生成してもよい。

また、上記実施形態において、脱湿部１６０Ａ、１６０Ｂが圧力スイング吸着法によって、混合ガスから水を除去する構成を例に挙げて説明した。しかし、脱湿部は、混合ガスから水を除去できれば、水分離膜等で構成されてもよい。

また、上記実施形態において、第１の流体として海洋深層水を、第２の流体として海洋表層水を例に挙げて説明した。しかし、第１の流体と、第２の流体とに限定はなく、第２の流体が第１の流体よりも高温で（温度差が例えば、２０℃〜２５℃程度）あればよい。例えば、第１の流体として、常温の水を採用し、第２の流体として温泉水や、高温排水を採用してもよい。

本発明は、海洋温度差発電等の流体の温度差を利用して発電を行う発電システムに利用することができる。

１００ 発電システム
１２０ ハイドレート生成部
１５０ ハイドレート分解部
１７２ 膨張機
１７４ 発電機
１８０ 熱交換器

Claims (1)

1. １−メチルピペリジンを含む原料水とクリプトンとの気液混合物を第１の流体で冷却して、該クリプトンのハイドレートを生成するハイドレート生成部と、
   生成された前記ハイドレートを、前記第１の流体より高温の第２の流体で加熱して、前記原料水と前記クリプトンとに分解するハイドレート分解部と、
   前記ハイドレート分解部で生じた前記クリプトンによって回転される膨張機と、
   前記膨張機の回転によって発電する発電機と、
   を備えたことを特徴とする発電システム。

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