WO2016098192A1

WO2016098192A1 - 地熱発電システム

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Publication number: WO2016098192A1
Application number: PCT/JP2014/083384
Authority: WO
Inventors: 向出　正明; 久幸折田; 佐々木　崇; 吉田　紀子
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2014-12-17
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2016-06-23
Anticipated expiration: 2017-06-17

Abstract

　作動媒体２５を加熱する第１の熱交換器２４と、第１の熱交換器２４で加熱された作動媒体２５をさらに加熱する第２の熱交換器３３と、第１の熱交換器２４と第２の熱交換器３３とで加熱された作動媒体２５の蒸気で駆動されるタービン２６と、タービン２６を駆動した作動媒体２５を液化する凝縮器２７と、地熱層２１の熱水３９を汲み上げる生産井２２と、太陽光を受けて熱媒体３２を加熱する受熱パネル３１を備える。凝縮器２７で液化した作動媒体２５は、第１の熱交換器２４に供給される。生産井２２が汲み上げた熱水３９は、第１の熱交換器２４と第２の熱交換器３３のうち一方に供給されて、作動媒体２５を加熱する。受熱パネル３１で加熱された熱媒体３２は、第１の熱交換器２４と第２の熱交換器３３のうち他方に供給されて、作動媒体２５を加熱する。作動媒体２５は、石炭ガス化複合発電システムから回収したＣＯ_２である。

Description

地熱発電システム

　本発明は、地熱発電システムに関し、より詳細には、二酸化炭素（以下、「ＣＯ_２」と表記する）含有ガスから回収したＣＯ_２を活用する地熱発電システムに関する。

　地球温暖化対策として、ＣＯ_２を回収する技術が開発されている。特に、石炭、石油、及び天然ガスなどの化石燃料を燃焼し、タービンを駆動させ、発電する装置は、排ガス中に数％から十数％のＣＯ_２を含み、ＣＯ_２の回収源の対象になっている。

　例えば、石炭ガス化複合発電（以下、「ＩＧＣＣ」と表記する）システムでは、燃料である石炭を酸素不足の条件で燃焼させることにより一酸化炭素（以下、「ＣＯ」と表記する）を主成分とする燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスを用いてガスタービンで発電するとともに、ガスタービンからの排熱で生成した水蒸気を用いて蒸気タービンで発電する。ＩＧＣＣシステムでは、ガスタービンと蒸気タービンの両方で発電することにより、一方のタービンだけで発電する場合よりも高い発電効率を得ることができる。

　ＣＯ_２を回収するＩＧＣＣ（以下、「ＣＯ_２回収型ＩＧＣＣ」と表記する）システムでは、燃焼ガス中のＣＯを水蒸気と反応させて水素（以下、「Ｈ_２」と表記する）とＣＯ_２に転換し、ＣＯ_２濃度を高めて分離・回収することで、Ｈ_２を主成分とする燃料に転換する。この転換反応に必要な水蒸気は、蒸気タービンから抽気する。水蒸気の抽気量が多いと、蒸気タービンの水蒸気量が減り、発電効率が低下する。そこで、少ない水蒸気量でＣＯをＣＯ_２に転換させることができる触媒（以下、「シフト触媒」と表記する）が開発され、発電効率の低下が抑制されている。

　ＣＯ_２の回収には、例えば、アミン水溶液を用いるＣＯ_２化学吸収法が用いられ、アミン水溶液とＣＯ_２含有ガスとを気液接触させ、ＣＯ_２をアミン水溶液に吸収させる。ＣＯ_２化学吸収法には、ＣＯ_２をアミン水溶液に吸収させる吸収塔と、ＣＯ_２を吸収したアミン水溶液を加熱又は減圧してアミン水溶液からＣＯ_２を脱離させる再生塔を用いる。脱離したＣＯ_２は、圧縮して液化し、貯留することで回収する。

　ＣＯ_２の貯留方法は、地中又は海洋に投棄して隔離する方法が実用化段階にある。しかしながら、いったん貯留されたＣＯ_２は、貯留場所に永遠にとどまっているわけではなく、大気中に漏れ出す可能性があることや、漏出したときの気温・生態系・植生などが変化し、また、それが人間にとってどのような影響を引き起こすかなど、まだ不明確な点がある。このため、長期にわたってＣＯ_２を貯留した時に起こる不具合に対し、不安視する見方もある。このようなことから、回収したＣＯ_２を貯留するのではなく、利用する方法が必要になっている。

　ＣＯ_２の利用方法としては、ＣＯ_２としてそのまま活用する方法と、ＣＯ_２を別の物質に変換して活用する方法がある。ＣＯ_２をそのまま活用する方法に着目すると、ＣＯ_２は家庭用給湯器などのヒートポンプの作動媒体として使用されている。さらに、発電に用いられるタービンの作動媒体としての利用が進められている。

　近年、地球温暖化対策として自然エネルギーを利用する技術が注目されている。この１つとして、地熱発電がある。地熱発電は、地下にある熱水を汲み上げ、この熱水を用いてタービンを駆動し、発電する。高温の熱水であれば、減圧蒸発させ、この蒸気を直接タービンに供給し、発電する。一方、低温の熱水であれば、熱水でタービンの作動媒体を加熱し、この作動媒体の蒸気をタービンに供給し、発電する。後者は、熱源媒体（熱水）とタービンの作動媒体とが異なるため、バイナリー発電と呼ばれている。

　バイナリー発電でのタービンの作動媒体としては、アンモニア水、代替フロン及びペンタンなどの液体有機化合物が使用されている。アンモニア水を使用する場合は、アンモニアガスが水に溶解する量・温度、及び圧力特性を用いて、カリーナサイクルと呼ばれる熱サイクルで発電する。代替フロン及びペンタンなどの液体有機化合物を使用する場合は、蒸発・凝縮の温度、及び圧力特性を用いて、ランキンサイクルと呼ばれる熱サイクルで発電する。いずれも、同じ温度では水よりも蒸気圧が高いため、低い温度の熱水から熱を回収し、発電に使用することができる。

　アンモニアは毒性ガスであり、ペンタンなどの液体有機化合物は可燃ガスであるので、これらには漏洩時に対する厳しい安全策が必要になる。一方、代替フロンは、常温で毒性がなく、可燃性もないため、安全対策の面で優位である。しかしながら、高温で使用すると、分解し、ハロゲン化水素などの腐食性ガスを生じるため、装置保護の観点から使用温度の上限を定めた運用が必要であるなど、取り扱いが難しい。

　地熱発電の地下熱資源は、対流型地熱資源と高温岩体型地熱資源とに大きく区分される。前者は、地下深部から対流によって上昇してくる熱水を使用するものであり、後者は、地底に人工的に貯水層（以下、「地熱層」と表記する）を設け、岩体を介した熱伝導によって水を加熱し、この熱水を使用するものである。地下熱資源としては後者の方が圧倒的に多いため、その利用が注目されている。

　地熱発電では、地熱層の熱エネルギーが減少して地熱発電の発電出力が低下すると、その地熱層を廃止し、新たな地熱層を構築して地熱発電を継続する必要がある。新たな地熱層を構築するには莫大な費用が必要になるので、地熱層の熱エネルギーをできるだけ維持して地熱層の寿命を延ばし、長時間その地熱層で地熱発電することが重要である。

　バイナリー発電を用いた地熱発電の先行技術には、自然エネルギーである太陽熱を加えた技術がある。例えば、特許文献１には、バイナリー発電を用い、発電効率を高めることができる太陽熱利用地熱発電装置が記載されている。この地熱発電装置は、熱水で作動媒体を加熱して蒸気を生成し、この蒸気を太陽熱でさらに加熱して過熱蒸気を生成し、この過熱蒸気により発電することで、発電出力を向上させる。特許文献２には、冷却水の得られにくい地帯でも実現可能な、バイナリー発電を用いた複合熱源発電プラントが記載されている。この発電プラントでは、タービンを駆動した後の作動媒体の蒸気を、氷熱交換器で冷却して凝縮させる。

　バイナリー発電では、タービンから出た作動媒体の蒸気を液化させる凝縮器が必要であり、凝縮器での冷却熱は自然界に放出される。したがって、バイナリー発電に導入する熱エネルギーのすべてが電気に変換されるわけではなく、むしろ自然界に放出される熱エネルギーの方が多い。また、太陽熱で暖めた媒体でバイナリー発電の作動媒体を加熱したとしても、太陽熱で得た熱エネルギーがすべて電気に変換されるわけではない。むしろ自然界に放出される熱エネルギーは増加する。

特開２０１１－１６９１８８号公報特開２００９－１６２２１０号公報

　以上説明したように、ＣＯ_２回収型ＩＧＣＣシステムなどから回収したＣＯ_２は、地中又は海洋に貯留するのではなく、利用することが望まれている。また、バイナリー発電を用いた地熱発電では、発電出力の向上とともに、安全性が高く取り扱いが容易な作動媒体が望まれている。さらに、地熱発電では、地熱層の熱エネルギーをできるだけ維持して、地熱層の寿命を延ばすことも望まれている。

　本発明は、回収したＣＯ_２を利用することができ、安全性が高く取り扱いが容易な作動媒体を使用し、発電出力が向上できるとともに地熱層の寿命を延ばすことができる地熱発電システムを提供することを目的とする。

　本発明による地熱発電システムは、作動媒体を加熱する第１の熱交換器と、前記第１の熱交換器で加熱された前記作動媒体をさらに加熱する第２の熱交換器と、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器とで加熱された前記作動媒体の蒸気で駆動されるタービンと、前記タービンを駆動した前記作動媒体を液化する凝縮器と、地熱層の熱水を汲み上げる生産井と、太陽光を受けて熱媒体を加熱する受熱パネルとを備える。前記凝縮器で液化した前記作動媒体は、前記第１の熱交換器に供給される。前記生産井が汲み上げた前記熱水は、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器のうち一方に供給されて、前記作動媒体を加熱する。前記受熱パネルで加熱された前記熱媒体は、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器のうち他方に供給されて、前記作動媒体を加熱する。前記作動媒体は、石炭ガス化複合発電システムから回収したＣＯ_２である。

　本発明によれば、回収したＣＯ_２を利用することができ、安全性が高く取り扱いが容易な作動媒体を使用し、発電出力が向上できるとともに地熱層の寿命を延ばすことができる地熱発電システムを提供することができる。

ＣＯ_２回収型ＩＧＣＣシステムの構成を示す図。バイナリー発電を用いた地熱発電システムの構成を示す図。本発明の実施例１による地熱発電システムの構成を示す図。本発明の実施例２による地熱発電システムの構成を示す図。本発明の実施例３による地熱発電システムの構成を示す図。本発明の実施例４による地熱発電システムの構成を示す図。本発明の実施例５による地熱発電システムの構成を示す図。本発明の実施例６による地熱発電システムの構成を示す図。実施例１において、太陽熱で温めた熱媒体の温度より、地熱層から汲み上げた熱水の温度が高い場合の地熱発電システムの構成を示す図。受熱パネルで加熱された熱媒体で、還元井に戻る熱水と作動媒体とを加熱する地熱発電システムの構成を示す図。

　本発明による地熱発電システムは、ＩＧＣＣシステムから回収したＣＯ_２をバイナリー発電の作動媒体として利用する。これにより、地中又は海洋に貯留するＣＯ_２の量を削減することができる。ＣＯ_２は、高温でも分解せず、安全性が高くて取り扱いが容易であるため、作動媒体として有力な候補であり、蒸発・凝縮の温度、及び圧力特性を用いたランキンサイクルで使用する。

　初めに、ＣＯ_２回収型ＩＧＣＣシステムと、バイナリー発電を用いた地熱発電システムについて説明する。

　図１は、ＣＯ_２回収型ＩＧＣＣシステムの構成を示す図である。ＣＯ_２回収型ＩＧＣＣシステムについて、図１を用いて説明する。

　ＩＧＣＣシステムでは、石炭１と空気又は酸素２とを石炭ガス化炉３に供給し、石炭１を燃焼させる。石炭ガス化炉３では、石炭１を完全燃焼させるのに必要な酸素量よりも少ない酸素量で、１０００℃を超える高温で石炭１を燃焼させ、燃焼ガスを生成する。石炭１中の灰分は溶融し、スラグとして排出される。燃焼ガスは、可燃ガスであり、ＣＯとＨ_２を含む。燃焼ガスには、未燃分である固体炭化物（チャー）が含まれるので、脱塵装置４でチャーを回収する。回収したチャーは、再度石炭ガス化炉３に供給し、燃料として再利用することができる。

　脱塵装置４を通過した燃焼ガスには、ＣＯとＨ_２の他に、硫黄化合物であるＨ_２ＳやＣＯＳ、窒素化合物であるＮＨ_３、及びその他の微量成分であるＨＣｌやＨＣＮ等の物質が混在している。また、チャーや石炭灰の微粒子も混入している。これらの物質は、後流にあるガスタービン６の部材を腐食・摩耗させ、大気に放出されると大気汚染を起こす原因となる。そこで、ガス精製装置５で、脱塵装置４を通過した燃焼ガスから、これらの物質を除去する。

　ガス精製装置５を通過した燃焼ガスは、シフト触媒を備えるシフト反応器７に導かれる。シフト反応器７は、水蒸気が供給され、燃焼ガス中のＣＯをＣＯ_２とＨ_２に変換する。このシフト反応により、燃焼ガス中のＣＯ_２濃度を高める。

　シフト反応器７を通過した燃焼ガスは、ＣＯ_２吸収塔８に導かれる。ＣＯ_２吸収塔８では、導かれた燃焼ガスとＣＯ_２吸収液とを気液接触させ、燃焼ガス中のＣＯ_２をＣＯ_２吸収液に吸収させて、燃焼ガスからＣＯ_２を除去する。ＣＯ_２吸収液には、ＣＯ_２の吸収・脱離が容易であるアミン水溶液が用いられる。

　ＣＯ_２吸収塔８を通過した燃焼ガスは、図示しない燃焼器で燃焼する。燃焼器で得られたガスは、ガスタービン６を駆動し、発電機１３での発電に用いられる。燃焼器で燃焼するガスの主成分はＨ_２であり、燃焼によって水（以下、「Ｈ_２Ｏ」と表記する）が生成する。シフト反応器７でＣＯをＣＯ_２とＨ_２に変換し、ＣＯ_２はＣＯ_２吸収塔８で除去しているため、ガスタービン６を通過した後のガス中にはＣＯ_２が含まれず、ＣＯ_２の大気放出は抑制される。

　ガスタービン６を通過した後のガスは、排熱回収ボイラ１１に導入され、蒸気を発生させる。この蒸気は、蒸気タービン１２を駆動し、発電機１３での発電に用いられる。

　ＣＯ_２吸収塔８でＣＯ_２を吸収したＣＯ_２吸収液（以下、「ＣＯ_２リッチ液」と表記する）は、ＣＯ_２再生塔９に導かれる。ＣＯ_２再生塔９でＣＯ_２リッチ液を加熱し減圧することによって、ＣＯ_２リッチ液からＣＯ_２を脱離させる。脱離したＣＯ_２は、液化し、ＣＯ_２貯留タンク１０に貯留する。

　以上のようにして、燃焼ガスに含まれるＣＯ_２は回収される。ＣＯ_２吸収塔８とＣＯ_２再生塔９は、ＣＯ_２を回収する装置であるので、ＣＯ_２回収装置と総称する。

　ＣＯ_２回収装置で回収して貯留タンク１０に貯留した液化ＣＯ_２は、地中又は海底に投棄せず、有効に利用する。ＣＯ_２の利用方法は、ＣＯ_２としてそのまま利用する方法と、ＣＯ_２を別の物質に変換して利用する方法がある。本発明では、ＣＯ_２を別の物質に変換せず、バイナリー発電の作動媒体として利用する。バイナリー発電は、地熱発電でよく用いられる発電方式である。

　図２は、バイナリー発電を用いた地熱発電システムの構成を示す図である。バイナリー発電を用いた地熱発電システムについて、図２を用いて説明する。

　高温岩体型地熱資源の地熱層２１に水を注入し、この水を加熱する。水が加熱されて得られた熱水や蒸気（以下、熱水と蒸気を総称して「熱水」と表記する）は、生産井２２から汲み上げられる。汲み上げられた熱水３９は、熱交換器である蒸発器２４に供給され、蒸発器２４で液体の作動媒体２５を加熱し、作動媒体２５を蒸気にする。蒸気になった作動媒体２５は、タービン２６を駆動し、発電機４０での発電に用いられる。作動媒体２５には、上述したように、ＣＯ_２回収型ＩＧＣＣシステムから回収したＣＯ_２（貯留タンク１０に貯留したＣＯ_２）を用いる。

　タービン２６を通過することで温度が低下した作動媒体２５の蒸気は、熱交換器である凝縮器２７で冷却され、液化する。凝縮器２７には、海水ポンプ３０によって汲み上げられた海水２９が冷却媒体として供給される。液化した作動媒体２５は、作動媒体循環ポンプ２８で再び蒸発器２４に導入される。なお、蒸発器２４で作動媒体２５を加熱した熱水３９は、還元井２３によって地熱層２１に戻され、凝縮器２７で作動媒体２５を冷却した海水２９は、海洋に戻される。

　図２に示すように、生産井２２の熱エネルギー（生産井２２から汲み上げられた熱水３９の熱エネルギー）をＱ１で、還元井２３の熱エネルギー（還元井２３によって地熱層２１に戻される熱水３９の熱エネルギー）をＱ２で表し、地熱層２１の水を地下から加熱する熱エネルギーをＱ３で表す。すると、熱水３９が作動媒体２５に与えた熱エネルギーは、Ｑ１とＱ２の差Ｑ１－Ｑ２で表される。地熱層２１の熱エネルギーＱ３が、熱水３９が作動媒体２５に与えた熱エネルギーＱ１－Ｑ２と等しい、すなわち、Ｑ３＝Ｑ１－Ｑ２の関係が維持されれば、地熱層２１の熱エネルギーＱ３は減少しない。しかし、地熱層２１の熱エネルギーＱ３が、熱水３９が作動媒体２５に与えた熱エネルギーＱ１－Ｑ２よりも小さい、すなわち、Ｑ３＜Ｑ１－Ｑ２の関係になると、地熱層２１の熱エネルギーＱ３は減少し、やがて地熱発電が不可能になる。

　以下、本発明の実施例による地熱発電システムを説明する。本発明の実施例による地熱発電システムは、バイナリー発電を用いるとともに太陽熱を利用する地熱発電システムであり、ＣＯ_２回収型ＩＧＣＣシステムからＣＯ_２回収装置で回収したＣＯ_２を、バイナリー発電の作動媒体２５として利用する。ＣＯ_２は、ＣＯ_２回収型ＩＧＣＣシステムの貯留タンク１０から車両などで地熱発電システムに運搬して、作動媒体２５に用いることができる。本発明の実施例による地熱発電システムは、バイナリー発電を用いる地熱発電と、太陽熱の利用と、ＩＧＣＣシステムから回収したＣＯ_２の利用とを組み合わせることで、それぞれの単独システムでは得られない効果を得ることができる。なお、以下の実施例を説明するための図面において、同一の要素には同一の符号を付けるとともに、図１、２と同一の要素にも同一の符号を付け、これらの要素の繰り返しの説明は省略する場合がある。

　図３は、本発明の実施例１による地熱発電システムの構成を示す図である。本実施例による地熱発電システムは、バイナリー発電を用いており、さらに、太陽熱を利用する。

　本実施例による地熱発電システムは、図２に示した地熱発電システムにおいて、太陽光を受ける受熱パネル３１と、熱交換器である過熱器３３をさらに備える。受熱パネル３１は、太陽エネルギーで熱媒体３２を加熱する。熱媒体３２には、例えば水を使用する。過熱器３３は、作動媒体２５の流れにおいて、蒸発器２４の下流でタービン２６の上流に設けられる。

　受熱パネル３１で加熱された熱媒体３２は、過熱器３３に供給され、バイナリー発電の作動媒体２５であるＣＯ_２を加熱し、再び受熱パネル３１に供給される。熱媒体３２は、熱媒体循環ポンプ３４で循環させられる。

　本実施例では、地熱層２１から汲み上げた熱水３９の温度より、太陽熱で温めた熱媒体３２の温度が高いことを想定して説明する。

　ＣＯ_２の臨界点は、圧力が７．３８ＭＰａ、温度が３１．１℃である。ＣＯ_２が液体であるためには、３１．１℃以下の温度と、７．３８ＭＰａ以上の圧力が必要になる。液体のＣＯ_２を加熱すると、温度と圧力が上昇し、超臨界状態になる。

　蒸発器２４では、温度が３１．１℃以下で、圧力が７．３８ＭＰａ以上である液体のＣＯ_２を、生産井２２から汲み上げた熱水３９で加熱して蒸気にし、超臨界状態のＣＯ_２にする。過熱器３３では、超臨界状態のＣＯ_２をさらに加熱する。過熱器３３で加熱された超臨界状態のＣＯ_２は、タービン２６を駆動し、発電機４０での発電に用いられる。タービン２６を通過したＣＯ_２は、温度が低下するが超臨界状態のままで凝縮器２７に供給され、凝縮器２７で液体になる。液体のＣＯ_２は、蒸発器２４に供給される。作動媒体２５であるＣＯ_２は、作動媒体循環ポンプ２８により、このように蒸発器２４、過熱器３３、タービン２６、及び凝縮器２７を循環する。

　本実施例では、地熱発電システムが海に近い場所に設置されているものとし、凝縮器２７で用いられる冷却媒体には、海水２９を用いる。海水２９は、凝縮器２７で加熱されて温度が上昇し、海に戻される。海水の海洋投棄には、温度に対する規制が設けられている。投棄する海水の温度を規制値以下にするために、海水ポンプ３０の出力を上げて汲み上げる海水２９の流量を増加させることで、海水２９の温度上昇を抑えることができる。なお、地熱発電システムが海から遠い内陸部に設置されている場合には、凝縮器２７で用いられる冷却媒体に淡水（海水以外の水）を用いる。この場合には、冷却媒体である淡水を冷却するためのクーリングタワー又はエアフィンクーラーが必要である。

　太陽光が照射する昼間は、過熱器３３でＣＯ_２を加熱することができるが、夜間はＣＯ_２を加熱することができない。そこで、夜間でもＣＯ_２を加熱できるように、温熱媒体貯留タンク３５及び冷熱媒体貯留タンク３６を設け、これらのタンク３５、３６に熱媒体３２の一部を貯留する。温熱媒体貯留タンク３５は、温熱媒体供給ポンプ３７によって、受熱パネル３１で昼間に加熱された熱媒体３２の一部を貯留し、貯留した熱媒体３２を夜間に過熱器３３に供給してＣＯ_２を加熱する。冷熱媒体貯留タンク３６は、冷熱媒体供給ポンプ３８によって、過熱器３３で作動媒体２５を加熱して温度が低下した熱媒体３２を貯留する。

　過熱器３３では、太陽熱によって加熱された熱媒体３２を用いて、作動媒体２５であるＣＯ_２を加熱する。この加熱によってＣＯ_２の温度と圧力が上昇することにより、タービン２６の出力が増加し、発電機４０の発電出力を向上させることができる。また、生産井２２の熱エネルギーＱ１が小さくて蒸発器２４で作動媒体２５を十分に加熱できない場合でも、過熱器３３で作動媒体２５を加熱することにより、蒸発器２４での作動媒体２５への加熱不足を補うことができ、発電に必要なエネルギーを作動媒体２５へ供給することができる。

　過熱器３３で作動媒体２５を加熱しないと、循環する作動媒体２５の温度が低下し、還元井２３の熱エネルギーＱ２が小さくなるおそれがある。Ｑ２が小さくなると、図２を用いて説明したように、地熱層２１の熱エネルギーＱ３が、作動媒体２５に与えた熱エネルギーＱ１－Ｑ２よりも小さくなり（Ｑ３＜Ｑ１－Ｑ２）、地熱層２１の熱エネルギーＱ３が減少して地熱発電が不可能になるおそれがある。本実施例のように過熱器３３で作動媒体２５を加熱すると、循環する作動媒体２５の温度を上昇させ、還元井２３の熱エネルギーＱ２の減少を抑制することができる。この結果、Ｑ３＝Ｑ１－Ｑ２の関係を維持し、地熱層２１の熱エネルギーＱ３の減少を抑制することができ、地熱層２１の寿命（地熱層２１を使用できる期間）を延ばすことができる。

　また、還元井２３は、蒸発器２４で作動媒体２５を加熱した熱水３９を地熱層２１に戻すが、蒸発器２４の機能によって、熱水、蒸気、又は熱水と蒸気の混相流が熱水３９として流れる。還元井２３に蒸気又は混相流が流れる場合は、還元井２３の熱エネルギーＱ２（地熱層２１に戻す熱エネルギー）を大きくすることができ、地熱層２１の熱エネルギーＱ３の減少を抑制でき、地熱層２１の寿命を延ばすことができる。

　なお、本実施例では、地熱層２１から汲み上げた熱水３９の温度より、太陽熱で温めた熱媒体３２の温度が高いことを想定した。太陽熱で温めた熱媒体３２の温度より、地熱層２１から汲み上げた熱水３９の温度が高い場合には、蒸発器２４では太陽熱で温めた熱媒体３２を用いて作動媒体２５を加熱し、過熱器３３では地熱層２１から汲み上げた熱水３９を用いて作動媒体２５を加熱すればよい。

　図９は、太陽熱で温めた熱媒体３２の温度より、地熱層２１から汲み上げた熱水３９の温度が高い場合の、本実施例による地熱発電システムの構成を示す図である。作動媒体２５であるＣＯ_２は、太陽熱で温めた熱媒体３２により蒸発器２４で加熱されて蒸気になった後、地熱層２１から汲み上げた熱水３９により過熱器３３でさらに加熱されて温度と圧力が上昇する。このため、タービン２６の出力が増加し、発電機４０の発電出力を向上させることができる。なお、太陽熱で温めた熱媒体３２と地熱層２１から汲み上げた熱水３９とで、どちらの温度が高いかは、受熱パネル３１の性能と地熱発電の地下熱資源の事前調査などにより、予め知ることができる。

　以下の実施例では、地熱層２１から汲み上げた熱水３９の温度より、太陽熱で温めた熱媒体３２の温度が高いことを想定して説明する。

　実施例１で説明したように、太陽熱で温めた熱媒体３２でＣＯ_２を加熱することでタービン２６の出力が増加する。しかし、タービン２６を通過したＣＯ_２の温度が高くなるので、凝縮器２７でＣＯ_２の温度を下げるときに失う熱量は増加する。すなわち、廃棄する熱が増加することになる。そこで、本実施例では、凝縮器２７で廃棄する熱を利用する地熱発電システムについて説明する。

　図４は、本発明の実施例２による地熱発電システムの構成を示す図である。本実施例による地熱発電システムは、減圧式の海水淡水化装置を備え、凝縮器２７で廃棄する熱を利用する。減圧式の海水淡水化装置は、フラッシャー（減圧器）４１と淡水冷却器４３を備える。

　凝縮器２７は、海水ポンプ３０によって汲み上げられた海水２９を用いて、作動媒体２５であるＣＯ_２を冷却する。海水２９は、凝縮器２７で加熱され、温度が上昇する。この海水２９は、フラッシャー４１に供給され、減圧されて蒸発し、蒸気になる。この蒸気は、淡水冷却器４３に導入され、海水ポンプ３０によって汲み上げられた海水２９によって冷却され、淡水４６になる。本実施例では、このようにして、ＣＯ_２を冷却して加熱された海水２９から、淡水４６を得ることができ、凝縮器２７で廃棄する熱（加熱された海水２９）を利用することができる。

　一方、フラッシャー４１で蒸発しなかった海水２９は、水分の蒸発によって温度が低下し、淡水冷却器４３で蒸気を冷却した海水２９とともに、海洋に投棄する。投棄する海水２９の温度に対する規制値を遵守するため、投棄する海水２９の温度が規制値を超えていれば、海水ポンプ３０の出力を上げて汲み上げる海水２９の流量を増加させ、投棄する海水２９の温度上昇を抑制する。

　フラッシャー４１は、温度計４４を内部に備え、さらに減圧ポンプ４２を備えることができる。温度計４４と減圧ポンプ４２は、制御装置４５に接続される。起動時のフラッシャー４１の内部の圧力は、温度計４４でフラッシャー４１の内部の温度を計測し、減圧ポンプ４２の出力を調整することにより、設定することができる。制御装置４５が温度計４４の計測値を読み取って減圧ポンプ４２を操作することにより、フラッシャー４１の内部の圧力は、自動制御することができる。

　淡水冷却器４３で得られた淡水４６は、工業及び農業用の給水として利用することができ、精製して飲料水としても利用することができる。

　本実施例による地熱発電システムは、地熱層があり、近隣に海水があり、淡水を必要とする地域において利用するのが望ましい。

　地熱発電システムを寒冷地域や冷帯地域に設置すると、凝縮器２７で加熱されて温度が上昇した海水２９を、自然冷却することができる。本実施例では、海水２９を自然冷却する地熱発電システムについて説明する。

　図５は、本発明の実施例３による地熱発電システムの構成を示す図である。本実施例による地熱発電システムは、自然冷却式の海水淡水化装置を備える。自然冷却式の海水淡水化装置は、逆浸透膜式の海水淡水化装置５１と自然冷却槽５３を備える。

　凝縮器２７で作動媒体２５を冷却して加熱され、温度が上昇した海水２９は、逆浸透膜式の海水淡水化装置５１に供給される。逆浸透膜式の海水淡水化装置５１は、昇圧ポンプで昇圧した海水２９を逆浸透膜に通して海水２９と淡水４６とを分離することで、淡水４６を得る。海水２９の温度が同じであれば、逆浸透膜式の海水淡水化装置５１は、実施例２で説明した減圧式の海水淡水化装置に比べて低コストである。また、逆浸透膜式の海水淡水化装置５１は、海水２９の温度が高いほど、淡水が逆浸透膜を通過する圧力を低くすることができ、昇圧ポンプの動力を削減することができる。

　逆浸透膜式の海水淡水化装置５１で淡水４６と分離された海水２９は、自然冷却槽５３で自然冷却する。逆浸透膜式の海水淡水化装置５１から自然冷却槽５３に海水２９が供給され、この供給路には高圧の海水を大気圧に戻すための圧力調整弁５２が設けられる。

　自然冷却槽５３は、例えば貯水槽や貯水池であり、海水２９を貯留することができる。自然冷却槽５３は、大気との熱交換により海水２９を冷却するか、自然冷却槽５３に予め貯留されていた大量の冷水との熱交換により海水２９を冷却することができる。また、自然冷却槽５３は、降雪５４や降雪５４の融雪水を貯留することができ、これらとの熱交換により海水２９の冷却を促進することもできる。本実施例では、このようにして海水２９を冷却して海洋に投棄することで、投棄する海水２９の温度に対する規制値を遵守することができる。自然冷却槽５３は、海水２９を冷却するための装置（例えば、熱交換器）が不要なので、低コストであるという利点がある。

　本実施例による地熱発電システムは、自然冷却槽５３で海水２９を自然冷却するので、寒帯地域や冷帯地域など、気温が比較的低い地域での利用が望ましい。

　特に、本実施例による地熱発電システムを寒冷地域で利用すると、凝縮器２７で作動媒体２５の温度を一層低くすることができ、作動媒体２５の圧力をより下げることができる。したがって、タービン２６の入口と出口とで作動媒体２５の圧力の差を大きくすることができ、発電出力をさらに向上させることができる。

　地熱発電システムを降雪する寒冷地域に設置すると、凝縮器２７で用いられる冷却媒体として、融雪水を利用することができる。本実施例では、凝縮器２７で用いられる冷却媒体として融雪水を利用する地熱発電システムについて説明する。

　図６は、本発明の実施例４による地熱発電システムの構成を示す図である。本実施例による地熱発電システムは、自然冷却槽５３を備える。自然冷却槽５３は、例えば貯水槽や貯水池であり、降雪５４の融雪水を貯留することができる。

　自然冷却槽５３に貯留された融雪水は、冷却水ポンプ５６で凝縮器２７に供給され、作動媒体２５を冷却する。作動媒体２５を冷却して温められた融雪水は、自然冷却槽５３に供給される。自然冷却槽５３は、このように供給された融雪水を貯留し、自然冷却する。自然冷却槽５３では、降雪５４により、温められて戻った融雪水の冷却を促進させることができる。

　凝縮器２７から排出された融雪水の一部は、自然冷却槽５３の上流で、温水５５として抜き出すことができる。自然冷却槽５３は、降雪５４が供給されるので貯留する融雪水の量が増加する。そこで、自然冷却槽５３の水位を維持するために、凝縮器２７から排出された融雪水の一部を、自然冷却槽５３に供給される前に抜き出す。

　凝縮器２７は、配管５７で自然冷却槽５３と接続され、配管５７により、凝縮器２７で作動媒体２５を冷却して温められた融雪水を自然冷却槽５３に供給する。配管５７には、別の配管５８が接続され、配管５８には、凝縮器２７で作動媒体２５を冷却して温められた融雪水の一部が流れる。凝縮器２７から排出された融雪水の一部は、配管５８を用いて、温水５５として抜き出すことができる。抜き出した温水５５は、暖房などに有効利用することができる。

　本実施例による地熱発電システムは、凝縮器２７で用いられる冷却媒体（融雪水）を冷却するための装置（例えば、熱交換器）が不要なので、低コストであるという利点がある。また、温められた融雪水（淡水）を温水５５として利用できるという利点もある。

　本実施例による地熱発電システムは、凝縮器２７で用いられる冷却媒体に海水を利用せず融雪水を利用するので、海から遠い内陸部で降雪量の多い地域での利用が望ましい。

　バイナリー発電を用いた地熱発電では、タービン２６から出た作動媒体２５の蒸気を液化させる凝縮器２７が必要であり、凝縮器２７での冷却熱は自然界に放出される。したがって、地熱層２１が持つ熱エネルギーのすべてが電気に変換されるわけではなく、むしろ自然界に放出される熱エネルギーの方が多い。

　地熱層２１にある水は、地下の熱エネルギーで加熱される。地熱層２１の熱エネルギーが減少すると、生産井２２から汲み上げる熱水３９の温度が低下し、地熱発電の発電出力が低下する。必要な発電出力が得られなくなったら、その地熱層２１を廃止し、新たな地熱層を構築して地熱発電を継続する。

　新たな地熱層を構築するには、場所を選定するための調査や、地下数ｋｍに及ぶ掘削などで莫大な費用が必要になる。この費用は、地熱発電装置の費用よりも高い。したがって、地熱層の熱エネルギーをできるだけ維持し、長時間その地熱層で地熱発電することが重要である。本実施例では、地熱層２１の熱エネルギーの減少速度をさらに抑制できる地熱発電システムについて説明する。

　図７は、本発明の実施例５による地熱発電システムの構成を示す図である。本実施例による地熱発電システムは、熱交換器である過熱器５９を備え、過熱器５９により還元井２３に戻る熱水３９を加熱する。過熱器５９は、熱水３９の流れにおいて、蒸発器２４の下流に設けられ、受熱パネル３１で加熱された熱媒体３２により、還元井２３に戻る熱水３９を加熱する。

　生産井２２の高温の熱水３９は、蒸発器２４に導入され、作動媒体２５（超臨界状態のＣＯ_２）を加熱する。ＣＯ_２を加熱することにより温度が低下した熱水３９は、過熱器５９で加熱された後、還元井２３に戻る。

　還元井２３に戻る熱水３９を加熱することにより、生産井２２から汲み上げる熱エネルギーＱ１と還元井２３に戻る熱エネルギーＱ２との差Ｑ１－Ｑ２が小さくなり、地熱層２１から失われた熱エネルギーが小さくなる。したがって、地熱層２１が保有する熱エネルギーＱ３の減少速度を抑制でき、地熱層２１の寿命（地熱層２１を使用できる期間）をさらに延ばすことができる。

　なお、本実施例では、受熱パネル３１で加熱された熱媒体３２は、還元井２３に戻る熱水３９だけを加熱していたが、実施例１～４（図３～６）と同様に作動媒体２５を加熱することもできる。

　図１０は、受熱パネル３１で加熱された熱媒体３２で、還元井２３に戻る熱水３９と作動媒体２５とを加熱する地熱発電システムの構成を示す図である。受熱パネル３１から流れ出る熱媒体３２の流路を２つに分岐させ、一方の流路に過熱器５９を接続して熱媒体３２の一部を過熱器５９に供給し、他方の流路に過熱器３３を接続して熱媒体３２の残りを過熱器３３に供給する。過熱器５９に供給された熱媒体３２で還元井２３に戻る熱水３９を加熱し、過熱器３３に供給された熱媒体３２で作動媒体２５を加熱する。

　なお、実施例１で図９を用いて説明したように、作動媒体２５を、熱媒体３２により蒸発器２４で加熱した後、熱水３９により過熱器３３でさらに加熱してもよい。

　このような構成の地熱発電システムでは、地熱層２１の寿命をさらに延ばすことができるとともに、作動媒体２５を加熱することで発電に必要なエネルギーを作動媒体２５へ供給し、発電出力を向上できる。

　以上の実施例では、受熱パネル３１で加熱された熱媒体３２で、作動媒体２５であるＣＯ_２を加熱する。熱媒体３２として水を使用し、受熱パネル３１の近隣に温水、熱水、又は水蒸気を必要とするプラントがあれば、受熱パネル３１で加熱された水の一部を、その温水、熱水、又は水蒸気として使用することができる。例えば、ＣＯ_２回収型ＩＧＣＣシステムでは、シフト反応器７で行うシフト反応に水蒸気を用いるので、この水蒸気として、受熱パネル３１で加熱された水の蒸気の一部を使用することができる。本実施例では、ＣＯ_２回収型ＩＧＣＣシステムのシフト反応器７に水蒸気を供給する地熱発電システムについて説明する。

　図８は、本発明の実施例６による地熱発電システムの構成を示す図である。本実施例による地熱発電システムは、受熱パネル３１で加熱された水の蒸気の一部を、ＣＯ_２回収型ＩＧＣＣシステムのシフト反応器７に供給する。なお、図８において、温熱媒体貯留タンク３５、及び冷熱媒体貯留タンク３６などの構成要素は、図示を省略している。

　従来のＩＧＣＣシステムでは、図８には示していないが、シフト反応器７の入口に、蒸気タービン１２から抽気した高温の水蒸気を供給し、シフト反応に使用している。この高温の水蒸気は、本来は蒸気タービン１２を駆動させるものであるので、シフト反応に使用すると蒸気タービン１２の出力が低下する。

　本実施例による地熱発電システムでは、熱媒体３２として水を使用し、受熱パネル３１で加熱された熱媒体３２の蒸気の一部（水蒸気６０）を、ＣＯ_２回収型ＩＧＣＣシステムのシフト反応器７の入口に供給し、シフト反応に使用する。このため、蒸気タービン１２から抽気する水蒸気の量を減らすことができ、蒸気タービン１２を駆動させる水蒸気の量の減少を抑制できるので、蒸気タービン１２の出力の低下を抑制できる。したがって、ＣＯ_２回収型ＩＧＣＣシステムの発電出力の低下を抑制することができる。

　なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記の実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備える態様に限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、削除したり、他の構成を追加・置換したりすることが可能である。

　１…石炭、２…空気又は酸素、３…石炭ガス化炉、４…脱塵装置、５…ガス精製装置、６…ガスタービン、７…シフト反応器、８…ＣＯ_２吸収塔、９…ＣＯ_２再生塔、１０…ＣＯ_２貯留タンク、１１…排熱回収ボイラ、１２…蒸気タービン、１３、４０…発電機、２１…地熱層、２２…生産井、２３…還元井、２４…蒸発器、２５…作動媒体、２６…タービン、２７…凝縮器、２８…作動媒体循環ポンプ、２９…海水、３０…海水ポンプ、３１…受熱パネル、３２…熱媒体、３３…過熱器、３４…熱媒体循環ポンプ、３５…温熱媒体貯留タンク、３６…冷熱媒体貯留タンク、３７…温熱媒体供給ポンプ、３８…冷熱媒体供給ポンプ、３９…熱水、４０…発電機、４１…フラッシャー、４２…減圧ポンプ、４３…淡水冷却器、４４…温度計、４５…制御装置、４６…淡水、５１…逆浸透膜式の海水淡水化装置、５２…圧力調整弁、５３…自然冷却槽、５４…降雪、５５…温水、５６…冷却水ポンプ、５７、５８…配管、５９…過熱器、６０…水蒸気。

Claims

　作動媒体を加熱する第１の熱交換器と、
　前記第１の熱交換器で加熱された前記作動媒体をさらに加熱する第２の熱交換器と、
　前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器とで加熱された前記作動媒体の蒸気で駆動されるタービンと、
　前記タービンを駆動した前記作動媒体を液化する凝縮器と、
　地熱層の熱水を汲み上げる生産井と、
　太陽光を受けて熱媒体を加熱する受熱パネルと、を備え、
　前記凝縮器で液化した前記作動媒体は、前記第１の熱交換器に供給され、
　前記生産井が汲み上げた前記熱水は、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器のうち一方に供給されて、前記作動媒体を加熱し、
　前記受熱パネルで加熱された前記熱媒体は、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器のうち他方に供給されて、前記作動媒体を加熱し、
　前記作動媒体は、石炭ガス化複合発電システムから回収したＣＯ_２である、
ことを特徴とする地熱発電システム。
　前記凝縮器は、海水が供給され、前記海水で前記作動媒体を冷却して液化する、請求項１に記載の地熱発電システム。
　前記凝縮器で前記作動媒体を冷却した前記海水を減圧して蒸気にする減圧器と、
　前記減圧器で蒸気になった前記海水を冷却して淡水を得る淡水冷却器と、をさらに備え、
　前記淡水冷却器は、海水が供給され、この海水で、前記減圧器で蒸気になった前記海水を冷却する、請求項２に記載の地熱発電システム。
　前記凝縮器で前記作動媒体を冷却した前記海水が供給される逆浸透膜式の海水淡水化装置と、
　前記海水淡水化装置から供給された前記海水を貯留して自然冷却する自然冷却槽と、をさらに備える、請求項２に記載の地熱発電システム。
　融雪水を貯留する自然冷却槽をさらに備え、
　前記凝縮器は、前記自然冷却槽から前記融雪水が供給され、前記融雪水で前記作動媒体を冷却して液化し、
　前記自然冷却槽は、前記凝縮器で前記作動媒体を冷却した前記融雪水が供給され、前記融雪水を貯留して自然冷却する、請求項１に記載の地熱発電システム。
　前記凝縮器は、前記凝縮器で前記作動媒体を冷却した前記融雪水を前記自然冷却槽に供給する第１の配管で、前記自然冷却槽と接続され、
　前記第１の配管には、第２の配管が接続され、
　前記第２の配管には、前記凝縮器で前記作動媒体を冷却した前記融雪水の一部が流れる、請求項５に記載の地熱発電システム。
　前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器のうち前記一方に供給されて前記作動媒体を加熱した前記熱水を、前記地熱層に戻す還元井と、
　前記還元井によって前記地熱層に戻される前記熱水を加熱する第３の熱交換器と、をさらに備え、
　前記受熱パネルで加熱された前記熱媒体は、一部が前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器のうち前記他方に供給されて前記作動媒体を加熱し、残りが前記第３の熱交換器に供給されて前記熱水を加熱する、請求項１に記載の地熱発電システム。
　地熱層の熱水を汲み上げる生産井と、
　前記生産井が汲み上げた前記熱水を前記地熱層に戻す還元井と、
　作動媒体を加熱する第１の熱交換器と、
　前記熱水を加熱する第２の熱交換器と、
　前記第１の熱交換器で加熱された前記作動媒体の蒸気で駆動されるタービンと、
　前記タービンを駆動した前記作動媒体を液化する凝縮器と、
　太陽光を受けて熱媒体を加熱する受熱パネルと、を備え、
　前記凝縮器で液化した前記作動媒体は、前記第１の熱交換器に供給され、
　前記生産井が汲み上げた前記熱水は、前記第１の熱交換器に供給されて、前記作動媒体を加熱し、
　前記受熱パネルで加熱された前記熱媒体は、前記第２の熱交換器に供給されて、前記第１の熱交換器で前記作動媒体を加熱して前記還元井によって前記地熱層に戻される前記熱水を加熱し、
　前記作動媒体は、石炭ガス化複合発電システムから回収したＣＯ_２である、
ことを特徴とする地熱発電システム。
　前記作動媒体を加熱する第３の熱交換器をさらに備え、
　前記タービンは、前記第１の熱交換器と前記第３の熱交換器とで加熱された前記作動媒体の蒸気で駆動され、
　前記受熱パネルで加熱された前記熱媒体は、一部が前記第２の熱交換器に供給されて前記熱水を加熱し、残りが前記第３の熱交換器に供給されて前記作動媒体を加熱する、請求項８に記載の地熱発電システム。
　前記石炭ガス化複合発電システムは、
石炭を燃焼してＣＯを含む燃焼ガスを生成する石炭ガス化炉と、
前記燃焼ガスに含まれるＣＯをＣＯ_２とＨ_２に変換するシフト反応器と、
前記燃焼ガスに含まれるＣＯ_２を前記燃焼ガスから除去して回収するＣＯ_２回収装置と、を備え、
　前記熱媒体は、水であり、
　前記受熱パネルで加熱された前記熱媒体の蒸気の一部は、前記シフト反応器の入口に供給される、請求項１又は８に記載の地熱発電システム。