海洋温度差エネルギー

佐賀大学では、エネルギーや環境問題に関心のある学生とともに新しいエネルギーシステムの実現にむけて、積極的な取り組みをおこなっています。
現在、附属海洋温度差エネルギー実験施設において、海水の表層と深層との温度差による海洋熱エネルギーを電気エネルギーに変換するシステム、海洋温度差発電( Ocean Thermal Energy Conversion, 通称 OTEC）に関する研究をおこなっており、この研究は、世界が注目しています。

日本の経済水域での海洋温度差エネルギーの総量は、試算によると1年間に1014kWhになります。これは石油に換算すると約86億トンに相当し、2000年に日本が必要とするエネルギーの約15倍に相当します。仮に、日本経済水域内の温度差エネルギーの1%を利用するとすると、年間8600万トンの石油を節約できることになります。

海洋の表層部の温海水と深層部の冷海水との間には約10～25℃の温度差がある。この海洋に蓄えられた海洋温度差エネルギーである熱エネルギーを、電気エネルギーに変換する発電システムが海洋温度差発電です。図3に基本的な海洋温度差発電システムを示します。主な構成機器は、蒸発器、凝縮器、タービン、発電機、ポンプであります。これらの構成機器はパイプで連結され、作動流体としてアンモニアが封入されています。作動流体は、液体の状態でポンプによって蒸発器に送られます。そこで、表層の温海水によって加熱され、蒸発し、蒸気となります。蒸気は、タービンを通過することによって、タービンと発電機を回転させて発電します。タービンを出た蒸気は、凝縮器で約600～1000mの深層より汲み上げられた冷海水によって冷却され、再び液体になります。この繰り返しを行うことで、化石燃料やウランを使用することなく海水で発電することができます。

佐賀大学では、新しいサイクル（50kW温度差発電実験装置）を佐賀大学方式として考案しました。このサイクルは、1994年海洋温度差発電国際会議(IOA‘94)で発表以来「ウエハラサイクル」と呼ばれています。この新しいサイクルを用いた海洋温度差発電が実用化されれば、海洋温度差発電の経済性は飛躍的に向上することが期待されています。また、これらを温泉水発電にも応用しています。

ウエハラサイクル 1970年代のOTECプラントではランキンサイクルと呼ばれる、媒体に純アンモニアを用いた発電方式で行なわれていました。しかし当時は熱交換器の性能が悪く、当時の技術では経済性を満足するまでには至りませんでした。
近年になり佐賀大学上原グループがアンモニア/水の混合媒体を冷媒に用いた「ウエハラサイクル」を発明、それによってランキンサイクルに比べて50～70%サイクル熱効率が上がり、かつ熱交換器の性能の飛躍的な向上とあいまって、実用的なレベルの効率を持つ発電プラントが実現可能となりました。

海水淡水化　印が新技術　水不足の途上国に期待　佐賀大、温度差発電で協力

　佐賀大の技術協力でインドの沿岸に建設していた海洋温度差発電（ＯＴＥＣ）の実証プラントを利用し、１日千トンの淡水を製造する海水淡水化装置の稼働実験に、インド国立海洋技術研究所が８日までに成功した。

　大量のエネルギーを使わず、海水の質なども問わない新たな海水淡水化技術で、インドをはじめとする多くの発展途上国で深刻化している水資源問題の解決に貢献する新技術として注目される。

　インド南東部チェンナイ沿岸の海上プラントで直径１メートルの取水管を海中に設置し、深さ約５００メートルの海から温度の低い深層水をくみ上げ。ＯＴＥＣの熱交換器を利用して、低圧下で蒸発させた温かい表層水を、約１５度の温度差を利用して冷却し、淡水化する仕組み。同研究所によると、４月１３ー１６日に連続運転試験を行い、計４０００トンの淡水化に成功した。

　現在、海水のくみ上げなどにはディーゼル発電を使っているが、将来的にはＯＴＥＣによる発電で賄うよう改良し、自然エネルギーのみでの淡水製造を検討。佐賀大に技術協力を要請している。

　同研究所は「同タイプで１０倍の処理能力を持つ新しいプラントを１年以内に建設したい」としている。

　ＯＴＥＣは、温かい表層海水と、冷たい深層海水の温度差を利用した発電装置。佐賀大と同研究所が、千キロワットの実証施設を建設し、発電実験開始を目指していた。今回、発電実験の前に施設を改造し、淡水化実験に成功した。

　●電力賄えるよう協力
　▼佐賀大海洋エネルギー研究センターの門出政則センター長（熱工学）の話

　インドの千キロワット級の発電実証施設の実験は、取水管トラブルなどがあって難航していた。ただ、淡水化だけならば、水温差やポンプの動力が小さくても可能で、深層水をくみ上げる取水管も短くて済む。今後は、淡水化を海洋温度差発電で賄えるよう技術協力していきたい。

　兵庫県明石市の環境関連ベンチャー「ゼネシス」と佐賀大学がインド政府と共同開発した世界初の海洋温度差発電の実証施設が完成、２００３年２月上旬にインド南端の洋上で発電実験を始める。出力１０００キロ・ワットで、２０００人分の電気を賄う能力があり、火力発電よりコストは安く、汚染物質や温暖化ガスも出ない。その結果は、３月に京都市などで開かれる世界水フォーラムの関連行事で発表する。

　同施設は、長さ７０メートル、幅１６メートルのプラント船で、上原春男・佐賀大学長が開発した「ウエハラ方式」と呼ばれる熱交換器を積んでいる。インド近海の海面付近は水温約３０度で、この暖かい海水で、高圧を加えて液化したアンモニアを蒸気に変え、タービンを回して発電、水深１０００メートルからくみ上げた水温６度ほどの深層水で冷やして液体に戻す。

　海洋温度差発電は、１００年以上前に考案されたが、温度差が小さいため効率が悪く、実用化は難しいといわれていた。しかし、９４年に上原学長らが、アンモニアに少量の水を混ぜ、タービンを２つ使うことで効率を向上させた。

　研究グループは、１０万キロ・ワット級の発電装置を作れば、火力発電の１キロ・ワット当たり約１０円より２―３円安くなると試算。低コストの電力を求めていたインド政府が約８億円の建設費を提供することで合意した。

　２月初め、インド南部のトゥーティコリンを出航。３５キロ沖合で発電を開始。４月ごろまで実験を続ける予定で、上原学長は「パラオなどの島国や中東諸国との共同計画も進んでいる」と話している。

2003年	佐賀大学海洋エネルギー研究センター完成
2001年	NIOTのインド洋上1MW実証プラント完成、運転開始予定
2000年	(株)ゼネシス、佐賀大学が保有するOTECに関する国有特許の専用実施権を取得
1999年	伊万里で国際海洋温度差発電会議開催
1997年	インド国立海洋技術研究所（NIOT）と佐賀大学がインドにおける1MWのOTEC実証プラントに関する技術提携を締結し、プラントの建設に着手
1995年	佐賀大学の新サイクルプラント実験開始（4.5kW）

名称	ウエハラサイクル（新サイクル）	ランキンサイクル（従来の方式）
歴史	1994年	1850年代
発明者	上原春男（日本）　元佐賀大学学長	Rankine（英国）William John Macquorn Rankine
作動流体	アンモニア／水の混合物質	アンモニア純物質
サイクル熱効率	約5～6%（ランキンサイクルの１.５～２倍）備考：温海水温度28℃、冷海水温度4℃の場合	約3%
効率上昇要因	沸騰および凝縮過程で混合液の温度が変化するため、タービンで仕事に変換できる温度差エネルギーが大きくなる。タービンから出たアンモニア／水の混合蒸気を、吸収器でアンモニア／水の飽和液に吸収されることにより、タービン出口温度を凝縮器入口温度より低くできる。その結果、タービンで仕事に変換できる温度差エネルギーが大きくなる。タービンの途中から蒸気を抽気して、その蒸気でタンクを出た後の作動流体を加熱することで凝縮器の負荷を低減する。その結果、 ①凝縮器の小型化 ②冷海水の低減による取水管の小口径化が可能。	―
正味出力 *正味出力は、発電端出力から海水ポンプと作動流体ポンプの動力を除いた利用可能な電力を示す。	約80～85%	約55%
必要海水流量	ランキンサイクルの場合の50%程度	―
設備費	ランキンサイクルの場合の60～70%程度	―