海洋温度差発電で電気とレアメタルをまとめて収集!これがホントの再生可能エネルギー!

クリーンエネルギーが都市の電力需要にどれだけ答えられるかという課題は、再生可能エネルギー普及に関して重要なポイントです。風力や太陽光発電は風や日照の有無で発電量が変動する不安定さがあり、導入のためにはさまざまな工夫が必要となるでしょう。

そうした不安定さを解消した再生可能エネルギーの研究が沖縄県で進められています。海洋温度差発電と呼ばれるその技術は、フルに活用すれば日本全体の電力需要に答えられるポテンシャルを秘めているものです。

本記事では、海洋温度差発電の仕組みについて、また発電だけにとどまらない様々な活用法について解説していきます。

海洋温度差発電の仕組み

海洋温度差発電を一言で説明するなら、水の代わりに沸点が低い物質を使った蒸気機関と言えるでしょう。

海洋温度差発電について理解する上でまず重要になるのは、海は浅い場所と深い場所で温度差があるという点です。

海の表面は常に太陽からの光を受け、その熱を吸収しています。1年間で海が吸収する太陽エネルギーは、累計すると世界の年間エネルギー消費量の約4000倍に達するとか。これほどのエネルギーを受けている海表面の温度は、熱帯域ではおよそ24~30度に達します。

温まった海表面の熱は少しずつ深い場所まで伝わっていきますが、深海まで含めた海全体を温めるにはエネルギーが足りません。なので海は深く潜れば潜るほど水温が下がっていき、深度1000mの海水温度はおよそ4~5度にまで下がります。

海洋温度差発電は、この海の温度差を利用するものです。海の浅い場所と深い場所の温度差が20度ある海でないと発電ができないため、設置場所は熱帯地域に限られます。日本では沖縄、鹿児島、小笠原諸島周辺が発電に適しています。

海洋温度差発電の装置は蒸発器と凝縮器、そしてタービン発電機から構成されます。蒸発器には温かい海表面の海水が流れ、凝縮器には深海からくみ上げた冷たい海水が流れています。そして、装置の中に流れる「作動流体」と呼ばれる物質を温めたり冷やしたりすることで、タービンを回転させて発電するわけです。

作動流体というのは単純に「機械を動かす流体(気体or液体)」という意味で、他の発電方法では水が作動流体として使われています。蒸気タービンを回す火力発電や水圧を利用する水力発電がそうですね。しかし、これは水以外でも代用が可能で、海洋温度差発電ではここがキモになります。

火力発電のように水を蒸発させる熱もありませんし、水力発電と違って水を汲み上げて使うので水が落ちる力を利用することもできません。使えるのは海面と深海の間にある僅かな温度差だけなのです。

そこで、海洋温度差発電では沸点が極めて低く、低温で蒸発する作動流体を利用します。この物質の沸点は海表面の温度で蒸発する温度、つまり15~25度程度が理想的です。その候補として、現在ではアンモニアと水を混ぜたものが有力視されています。

蒸発器に入った作動流体はまず、浅い場所にある海水の熱で温められ蒸発。蒸発してできた気体がタービンを回転させて発電を行い、その後凝縮器へと送られます。凝縮器は深海からの冷たい海水を常に取り込んでおり、その水で作動流体を冷やして再び液体に戻します。液体になった作動流体はポンプで蒸発器へと送られ、また蒸発器で蒸発してタービンを回し発電する……というサイクルができあがるのです。

(出展: 海洋温度差発電実証設備HP)

オープンサイクルシステム

この他、よく知られた方式としてオープンサイクルシステムという方式が存在します。

先ほど説明したのは作動流体がシステム内を循環するためクローズドサイクルと呼ばれます。オープンサイクルシステムは蒸発器と凝縮器、そしてタービンから構成される点は同じですが、作動流体に海水を使うこと、そして発電した後の海水は海に戻される点が異なります

水を作動流体にすると、海水の温度で蒸発しないのでは? と疑問に思った方もいるでしょう。こちらの方式では海表面の熱は使用せず、真空を利用して水を蒸発させます。

標高の高い場所ではお湯が沸騰する温度が低いということを聞いたことはないでしょうか? 水が沸騰する温度は気圧に応じて変化するもので、気圧が下がると100度を下回り、逆に気圧が上がると100度を上回るのです。標高が高い場所では気圧が低いので、100度に達しなくとも水が沸騰します。

もし気圧を下げに下げ、気圧ゼロ、つまり真空の状態にするとどうなるでしょう? 気圧ゼロの状態では、常温の水でも沸騰して水蒸気が発生します。オープンサイクルシステムはこれを利用するものです

オープンサイクルシステムの設備では真空ポンプを使い、蒸発器、タービン、凝縮器内を真空に保ちます。まず海表面の海水を蒸発器内に取り込むのですが、蒸発器内部は真空なので、海水はすぐに蒸発します。その水蒸気がタービンを回して発電し、凝縮器内へ。凝縮器に入って冷やされた水蒸気は水に戻り、海中に流されます。

日本で主に研究されているのはクローズドサイクルシステムで、オープンサイクルシステムの開発を積極的に進めているのはフランスです。また、両者を組み合わせたハイブリッドサイクルという方式も存在します。