JP2014231711A - メタンハイドレート層からのガス回収方法およびガス回収システム - Google Patents

Abstract

【課題】メタンハイドレートからの新しいエネルギー採取方法とそのシステムを提供する。【解決手段】メタンハイドレート層に存在したメタンガスを電気分解により水素ガスと二酸化炭素ガスに分解する工程と、分解された前記二酸化炭素ガスを二酸化炭素ハイドレートとして海底地下層に圧入する工程と、分解された前記水素ガスを回収する工程とを有する、メタンハイドレート層からのガス回収方法とした。また当該方法に関するメタンハイドレート層からのガス回収システムを提供する。【選択図】図１

Description

本発明は海底に存在するメタンハイドレート層から燃料ガスを回収するシステムに関する。

最近の研究・調査結果から、日本の周辺海域には国内ガス消費量の１００年分にも及ぶ
メタンハイドレートが存在する可能性が報告されている。メタンハイドレートは海底下に豊富に存在し、メタンおよび水が高い圧力と低温状態で固体化して存在している潜在資源である。ここで、ガスハイドレートとは、水分子が作る籠状の格子の中にゲスト分子であるメタンや二酸化炭素等のガスが取り込まれたガス水和物であり、氷状の固体物質の形態をとる。メタンハイドレートからメタンガスを採取する手段として、これまで減圧法と加熱法が提案されている。

減圧法はメタンハイドレート層の圧力を減圧し、メタンハイドレートが分解領域になる
ように保ち、分解したメタンガスを採取する技術である（例えば特許文献１、非特許文献１）。また、加熱法は海底下のメタンハイドレート層を熱水の圧入等により加熱し、メタンハイドレートを分解してメタンガスを採取する方法である（例えば特許文献２）。さらにこれらを組み合わせた方法の提案も行われている（例えば特許文献３）。

特開２００６−４５１２８号公報 特開２００５−２１３２４号公報 特開２００９−３０３７８号公報

メタンハイドレート資源開発研究コンソーシアム（ＭＨ２１）、「新しい天然ガス資源 メタンハイドレート「我が国におけるメタンハイドレート開発計画」フェーズ２」、ＪＯＧＭＥＣパンフレット、２０１０年３月 前田治男、外６名、「枯渇油層への圧入ＣＯ２と地下微生物作用による原油のメタン変換研究」、石油技術協会誌、２００８年、第７３巻、第６号、ｐ．４９６−５０５ 小出仁、「地中メタン生成古細菌によるカーボン・リサイクルの提案」、地圏長期評価研究協会会報、２００３年１月、ｐ．１−９

上述の手法はいずれも海底においてメタンハイドレートを分解してメタンガスとして海上に取り出すものである。したがって、エネルギーとして利用するにはメタンガスを燃焼等する必要があり、その際には二酸化炭素の生成が避けられない。周知の通り、二酸化炭素の排出抑制は地球規模での環境課題である。

二酸化炭素を海底に圧入する貯蔵法や微生物によるリサイクルも検討されているが、実用化には未だ課題が多い（例えば非特許文献２，非特許文献３）。特に、地上（海上）から深海底まで二酸化炭素を圧入するには多大なエネルギーを必要とする。

本発明は、かかる課題に着目して、メタンハイドレートからの新しいエネルギー採取方法とそのシステムに想到したものである。

メタンハイドレート層に存在したメタンガスを電気分解により水素ガスと二酸化炭素ガスに分解する工程と、分解された前記二酸化炭素ガスを二酸化炭素ハイドレートとして海底地下層に圧入する工程と、分解された前記水素ガスを回収する工程とを有する、メタンハイドレート層からのガス回収方法、およびそのシステムである。

これによれば、二酸化炭素を回収することなく効率的にメタンハイドレート層からのエネルギーを採取することができる。

メタンガス回収システムの基本的な構成を説明する図である。 電解質膜として水素イオンを透過させる膜を用いたメタン電解ユニットの基本構成を説明する図である。 メタン電解ユニットにおける電解質膜を用いたメタン電解の仕組みを説明する図である。 メタン電解ユニットの別な例として、異なる電解質膜を用いたメタン電解の仕組みを説明する図である。 メタンと二酸化炭素の状態を示すグラフである。

［本願発明の実施形態の説明］
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
本願発明の第１の態様は、（１）メタンハイドレート層に存在したメタンガスを電解することにより水素ガスと二酸化炭素ガスに分解する工程と、分解された前記二酸化炭素ガスを二酸化炭素ハイドレートとして海底地下層に圧入する工程と、分解された前記水素ガスを回収する工程とを有する、メタンハイドレート層からのガス回収方法である。

上記方法によれば、メタンハイドレート層からエネルギーガスとして水素ガスのみを取り出すことが可能である。よって、エネルギーの利用において二酸化炭素の発生を伴うことがない。二酸化炭素ガスはハイドレートとして再び地下層に貯留されるため、二酸化炭素排出の問題が無く、かつ二酸化炭素の貯留に必要なエネルギーが非常に少なくて済む。

ここで、（２）前記電解はメタンハイドレート層の存在する海底域で行われ、前記水素ガスのみを海面上に導出する、請求項１に記載のメタンハイドレート層からのガス回収方法。

メタンハイドレート層の多くは海底地層に存在しており、電気分解を海底域で行うことによって、海面上へは水素ガスのみを取り出すことが可能となる。二酸化炭素は海底域から直接地下層に圧入されるので、海面上において電気分解する場合に比べてエネルギー効率が高い。従来のメタンガス自体を海面上まで取り出す方法における、二酸化炭素の排出という課題を伴うこと無くエネルギー回収が可能となる。ここで、海底域とは、海底近傍を意味し、すなわち、海底に装置等が置かれた状態、海底の一部に装置等が埋設された状態、もしくは海底には接していないが海底に近接して装置等が設けられており当該海域の深度全体を考慮すれば海底と同視される程度の範囲、を含む領域を指す。なお、水素ガスのみとは、二酸化炭素ガスと分離してメタンガスそのものを取り出すこと無く水素ガスを取り出すという趣旨の範囲で表現するものであって、水素ガスに一部の他のガスや成分等が混入することを排除するものではない。

上述の電解に供するため、（３）前記メタンガスはメタンハイドレート層から減圧法により分離されると良い。メタンハイドレート層から減圧法によりメタンガスを生成する手法は種々開発されており、既知の方法を利用できる。

また、（４）前記二酸化炭素ハイドレートが圧入される層は、二酸化炭素をメタンに変える微生物が存在する層とすることが好ましい。

非特許文献１等に記載のように、二酸化炭素がメタン生成菌と呼ばれる微生物によって再びメタンに変えられることが知られている。このような微生物の存在する地層が海底地下層に、好ましくはメタンハイドレート層の下層に存在する場合があり、かかる層に二酸化炭素を圧入することで、再びメタンガス（メタンハイドレート）の生成が進んで、将来のエネルギー利用に資することが出来ると考えられる。

本願発明の第２の態様は、（５）メタンハイドレート層に存在したメタンガスを電解により水素ガスと二酸化炭素ガスに分解する分解部と、分解された前記二酸化炭素ガスを二酸化炭素ハイドレートとして前記海底地下層に圧入する圧入部と、分解された前記水素ガスを回収する回収部とを有する、メタンハイドレート層からのガス回収システムである。

上述の通り、かかるシステムによりエネルギー効率が高く、二酸化炭素の大気中への放出を抑制することが可能なメタンハイドレート層からのガス回収方法を実現することが可能である。

ここで、前記分解部は、（６）水素イオン透過型の電解質を用いた電解装置を用いることができる。また別な例として、前記分解部は、（７）酸素イオン透過型の電解質を用いた電解装置を用いることができる。いずれかの方法を選択的に用いることにより、電解を効率よく行うことが可能となる。

さらに、上述の通り、（８）前記分解部はメタンハイドレート層の存在する海底域に設けられ、海面上から供給される電流によって電解を行うための装置であり、前記圧入部はメタンハイドレート層の存在する海底域に設けられ、前記二酸化炭素ガスを加圧して二酸化炭素ハイドレートの状態で圧入するための装置であり、前記回収部は、前記水素ガスを海面上に導出する装置であることが好ましい。

海底域において水素ガスを分離して、水素ガスのみを海上へ取り出し、電解された二酸化炭素を地下層に圧入することで、エネルギー効率が高く、二酸化炭素の大気中への排出を抑制したメタンハイドレート層のエネルギー利用が可能となる。また、分離時に生じる水をくみ上げること無く海底域にて排出することで、その後の処置が不要とできる。

なお、前記メタンハイドレート層から減圧法によりメタンガスを分離するメタンガス分離部を有すると良い。メタンガスの生成には既知の減圧法を利用することが可能である。

［本願発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態にかかるメタンガス回収システムとその回収方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

図１は、本願発明の実施形態としてのメタンガス回収システムの構成を示す図である。図１を用いてメタンガス回収方法を説明する。図１には、海水５２、海底層５３、海底層の下に位置するメタンハイドレート層５４、メタンハイドレート層の下層として例示される海底地下層５５が示されている。海上には海上基地５１が存在する。

メタンガス回収システムの主要部は、メタンガスを電解する分解部２１、電解された水素を海面上に回収する回収部２３、電解された二酸化炭素を海底に圧入する圧入部２２、電解部に電力を供給する電源供給部２５、およびそれらに付帯する配管１１，１２，１３，１４、さらに、電解部に電力を供給する電源供給線３１を含む。また、電解の原料となるメタンガスをメタンハイドレート層から分離するメタンガス分離部２４が設けられ、必要に応じて水を海面上に回収する配管１５も設けられる。海上基地５１には、回収部２３，電源供給部２５が設けられている。海上基地５１にはそのシステム全体の制御部やその他の動力部等の付帯設備が設けられるが説明に必要ではないので図示していない。また、海上基地５１は必ずしも海上に置かれる浮体である必要はなく、設置可能な範囲で海域近傍の地上であっても良い。

図１のシステムにおいて水素ガスの回収に至るまでの作用を説明する。メタンガス分離部２４は、例えば減圧法や加熱法等の既知の方法によりメタンハイドレート層に存在するメタンハイドレートをメタンガスと水に分離回収する部分である。図では減圧法によりメタンガスを分離して、水をくみ上げる状態を示している。減圧法等によるメタンガスの分離は既知の手法、装置を用いる事ができるのでここでは詳述を要しない。分離されたメタンガスと水の一部は配管１１を経路として分解部２１に供給される。分解部２１は、メタンガスを水素ガスと二酸化炭素ガスに電解する部分であり、電源供給部２５から電源供給線３１を経て電源供給することにより電解を行う。分解部２１の構成例は後述する。分解された水素ガスは回収部２３の力により配管１２を経て海面上に回収される。分解された二酸化炭素ガスは、同じく海面上に回収する方法もあるが、好ましい態様として海底に留めておく方法が良い。そのため、分解された二酸化炭素ガスを配管１３を通して圧入部２２に送り、加圧した後、配管１４を通してメタンハイドレート層５４の下層に存在する海底地下層５５に圧入する。海底地下層５５とは、海底の地下に存在する地層であって、二酸化炭素が二酸化炭素ハイドレート５６として安定に存在することが可能な層である。海面上に回収部２３により回収された水素ガスは適切な既知の手段によって貯蔵、運搬され、エネルギー源として利用することが可能である。このように、このシステムによれば、回収されるのは水素ガスであって、二酸化炭素を海底から取り出すことは無い。水素ガスは燃焼等に利用されても二酸化炭素を排出することはなく、クリーンなエネルギーとして利用することができる。

二酸化炭素の圧入について補足する。図５は、メタンＣＨ_４と二酸化炭素ＣＯ_２の状態を示すグラフである。図において横軸は温度（Ｋ）、縦軸は圧力（ＭＰａ）を示す。斜線塗りつぶしの領域Ａはメタンハイドレートがハイドレートとして安定に存在する領域である。別な斜線塗りつぶしで表す領域Ｂは二酸化炭素ハイドレートがハイドレートとして安定に存在する領域である。この図においてメタンハイドレートからの水素ガス回収プロセスの状態を一例として説明する。丸印１はメタンハイドレート層の初期の温度および圧力状態であるとする。およそ温度２８１Ｋ（８℃）、圧力８ＭＰａ（水深約８００ｍ相当とする。減圧法によるメタンハイドレートの分離により状態は減圧によって丸印２へ移る。その際に気化熱が奪われることで温度低下が生じて丸印３の状態に変化する。この状態でメタンの電解を行った後、生じた二酸化炭素を海底地下層に圧入するため、例えば丸印４の状態に加圧すれば良い。すなわち、丸印４の状態は二酸化炭素ハイドレートの安定領域Ｂであり、安定的にハイドレートとして、このような二酸化炭素の状態を保つことが可能な地層中に戻すことができるからである。

図２を用いて、分解部２１の構成を説明する。図２は、電解質膜として水素イオンを透過させる膜を用いたメタン電解ユニットの基本構成を説明する図である。分解部２１は、このようなメタン電解ユニットを複数含むことにより、所要量のメタンガスを水素と二酸化炭素に分解するものである。メタン電解ユニット４０は、負極４３と正極４２に挟まれた電解質膜４１を基本要素としており、その両外側にセパレータ４４を設けて複数ユニットの仕切りとしている。負極４３はガス拡散層を兼ねた集電体４７と触媒層４６とから構成される。正極４２は同じくガス拡散層を兼ねた集電体４７と触媒層４５とから構成される。触媒層は、カーボン担体の表面に白金等の金属触媒粒子を付着させたものが好ましく用いられる。これらのユニット構成は燃料電池として知られている構成を応用した物であり、電池とは逆の作用をさせることによって本願システムに適用することに本願発明者らが初めて想到してものである。したがって、装置としての具体的構造、すなわちケースの構造や各部材の固定手段、配線や配管の構造等は特に限定されるものではなく、既知の好ましい構造が適用可能である。

図２のようなメタン電解ユニットにおけるメタン電解の仕組みを図３を用いて説明する。各部材には図２との対応を容易にするために図２と同じ符号を付す。正極４２と負極４３間に電源を繋ぎ、電圧をかける。正極４２にメタンガスＣＨ_４と水Ｈ_２Ｏの混合体を供給すると、触媒作用により二酸化炭素ＣＯ_２と水素イオンＨ^＋への分解が起こり、電子ｅ⁻が電源側に流れる。水素イオンＨ^＋は水素イオン透過型である電解質膜４１を透過して負極側へ移動する。負極では、供給された電子ｅ⁻を水素イオンＨ^＋が受け取ることで水素ガスが生成される。

図４は、メタン電解ユニットの別な例として、酸素イオン透過型の電解質膜を用いた場合を説明する図である。各部材には図３と同じ符号を付す。正極４２と負極４３間に電源を繋ぎ、電圧をかける。正極４２にメタンガスＣＨ_４、負極４３に水Ｈ_２Ｏを供給すると、触媒作用により負極において水素ガスＨ_２が生成すると共に酸素イオンが生じる。酸素イオンは電解質膜を透過して正極側に移動する。正極では透過した酸素イオンと、分解されたメタンガスにより二酸化炭素ガスＣＯ_２と水素ガスＨ_２が生成される。この場合、正極と負極の双方で水素ガスが生成されるので、これらを回収部によって海上まで導出することで水素ガスの回収を行う。ここで、正極側では水素ガスと二酸化炭素ガスが混在した状態のため、これらを分離する必要が生じる。分離の一例としては、溶媒への溶解度の差により分離する方法がある。二酸化炭素ガスと水素ガスの場合、溶媒としてイオン液体を用いることが可能である。イオン液体への二酸化炭素の溶解度は、二酸化炭素の分圧とともに増加する傾向があるが、水素にはそのような傾向は見られない。そのため、ガス圧を制御することにより二酸化炭素のみを可逆的にイオン液体に出し入れすることができる。このような制御を行うことで二酸化炭素と水素の混合状態から二酸化炭素を抽出することが可能である。尚、二酸化炭素ガスと水素ガスの分離は、この方法に限るものではない。

以上の通り海底地層中に戻された二酸化炭素について説明する。二酸化炭素を地層中に貯蔵することによって大気中への排出量が抑制され、地球環境にとって大変好ましい。さらに、二酸化炭素を圧入する層（図１の海底地下層５５など）として、二酸化炭素をメタンに変える微生物が存在する層を選択することが好ましい。かかるメタン生成菌の作用によって二酸化炭素から再びメタンが生成され、将来のエネルギー源として活用する可能性が広がる。

１１，１２，１３，１４，１５ 配管
２１ 分解部
２２ 圧入部
２３ 回収部
２４ メタンガス分離部
２５ 電源供給部
３１ 電源供給線
５１ 海上基地
５２ 海水
５３ 海底層
５４ メタンハイドレート層
５５ 海底地下層
５６ 二酸化炭素ハイドレート
４０ メタン電解ユニット
４１ 電解質膜
４２ 正極
４３ 負極
４４ セパレータ
４５、４６ 触媒層
４７ 集電体

Claims (9)

1. メタンハイドレート層に存在したメタンガスを電解により水素ガスと二酸化炭素ガスに分解する工程と、電解された前記二酸化炭素ガスを二酸化炭素ハイドレートとして海底地下層に圧入する工程と、分解された前記水素ガスを回収する工程とを有する、メタンハイドレート層からのガス回収方法。
2. 前記電解はメタンハイドレート層の存在する海底域で行われ、前記水素ガスのみを海面上に導出する、請求項１に記載のメタンハイドレート層からのガス回収方法。
3. 前記メタンガスはメタンハイドレート層から減圧法により分離される、請求項１または請求項２に記載のメタンハイドレート層からのガス回収方法。
4. 前記海底地下層は、二酸化炭素をメタンに変える微生物が存在する層である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のメタンハイドレート層からのガス回収方法。
5. メタンハイドレート層に存在したメタンガスを電解により水素ガスと二酸化炭素ガスに分解する分解部と、分解された前記二酸化炭素ガスを二酸化炭素ハイドレートとして海底地下層に圧入する圧入部と、分解された前記水素ガスを回収する回収部とを有する、メタンハイドレート層からのガス回収システム。
6. 前記分解部は、水素イオン透過型の電解質を用いた電解装置を有する、請求項５に記載のメタンハイドレート層からのガス回収システム。
7. 前記分解部は、酸素イオン透過型の電解質を用いた電解装置を有する、請求項５に記載のメタンハイドレート層からのガス回収システム。
8. 前記分解部はメタンハイドレート層の存在する海底域に設けられ、海面上から供給される電流によって電解を行うための装置であり、
   前記圧入部はメタンハイドレート層の存在する海底域に設けられ、前記二酸化炭素ガスを加圧して二酸化炭素ハイドレートの状態で圧入するための装置であり、
   前記回収部は、前記水素ガスを海面上に導出する装置である、
   請求項５〜請求項７のいずれか１項に記載のメタンハイドレート層からのガス回収システム。
9. 前記メタンハイドレート層から減圧法によりメタンガスを分離するメタンガス分離部を有する、請求項５〜請求項８のいずれか１項に記載のメタンハイドレート層からのガス回収システム。

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