既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システム
【課題】大規模且つ効率的に地熱を利用しつつ、観光資源や環境に対する影響を与えることがない既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムを提供すること。
【解決手段】地表面３から下方に向かって掘削し形成された縦坑２と、縦坑２と連通すると共に水平方向に延在する複数の横坑群４ａ〜４ｆを有する既設地下空洞において、横坑群４ａ〜４ｆの内の一つの横坑４ｄに地熱変換手段６を設け、この地熱変換手段６により取得した熱エネルギーにより発電手段７により発電する。
【解決手段】地表面３から下方に向かって掘削し形成された縦坑２と、縦坑２と連通すると共に水平方向に延在する複数の横坑群４ａ〜４ｆを有する既設地下空洞において、横坑群４ａ〜４ｆの内の一つの横坑４ｄに地熱変換手段６を設け、この地熱変換手段６により取得した熱エネルギーにより発電手段７により発電する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の地熱発電システムは、温泉等が存在する地域において高温の水蒸気を地表に噴出させ、この水蒸気により発電タービンを回転させて発電していた。また、高温の水蒸気が得られない場合でも、水蒸気等により低沸点媒体であるペンタンやアンモニア等を地熱により気化させ、この気化した低沸点媒体により発電タービンを回転させて発電を行っていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、このような地熱発電システムは温泉等が存在する地域に設置されるため、地下における温泉等の観光資源や地上の環境を保護するための法律上または行政上の制限があり、大規模な地熱発電システムを実現することは不可能であった。
【０００４】
本発明は、大規模且つ効率的に地熱を利用しつつ、観光資源や環境に対する影響を与えることがない既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、地表面から下方に向かって掘削し形成された縦坑と、前記縦坑と連通すると共に水平方向に廷在する複数の横坑群を有する既設地下空洞において、前記横坑群の内の一つの横坑群に地熱変換手段を設け、前記地熱変換手段により取得した熱エネルギーを利用することを特徴とする。
【０００６】
さらに、本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、前記地熱変換手段が熱媒体を使用する地熱変換手段であり、前記熱媒体によって低沸点媒体を気化し、発電手段のタービンを回転させることにより発電することが好ましい。
【０００７】
さらに、本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、前記発電手段を、前記地熱変換手段を設けた横坑群よりも浅い深度に位置する他の横坑群に設けることが好ましい。
【０００８】
さらに、本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、前記発電手段のタービンを回転させた後、低沸点媒体を地下の湧水によって冷却することが好ましい。
【０００９】
さらに、本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、前記地熱変換手段は低沸点媒体を使用する地熱変換手段であり、地熱変換手段により気化した低沸点媒体により発電手段のタービンを回転させることにより発電することが好ましい。
【００１０】
さらに、本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、前記地熱変換手段により気化した低沸点媒体を、前記地熱変換手段を設けた横坑群よりも高い位置において冷却することにより液化し、液化した低沸点媒体を前記地熱変換手段へ落下させ、低沸点媒体の落下途中に液化した低沸点媒体によりタービンを回転させ発電することが好ましい。
【００１１】
さらに、本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、前記地熱変換手段が同軸管から構成されていることが好ましい。
【００１２】
さらに、本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、地表面から下方に向かって掘削し形成された縦坑と、前記縦坑と連通すると共に水平方向に延在する複数の横坑群を有する既設地下空洞において、前記縦坑または前記横坑群から地中へ植設した地熱変換手段を設け、前記地熱変換手段により取得した熱エネルギーを利用することが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１記載の本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、既設地下空洞の横坑群に地熱変換手段を設け、地熱変換手段により取得した熱エネルギーを利用する。従って、従来の地熱発電のように温泉等の観光資源を利用することなく大規模な地熱発電システムを実現することができる。即ち、既設地下空洞を再利用することにより、地熱を既設地下空洞の横坑から直接取得することができ、また、地熱を取得するための熱交換手段は、既設地下空洞を再利用して設置するため、新たに地下空洞を建設するコストを要しない。さらに、既設地下空洞の地熱状況は明らかであるため、地下の地熱状態を正確に把握するための多点ボーリング調査を行う必要がない。
【００１４】
請求項２記載の本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、地熱変換手段は熱媒体を使用する地熱変換手段であり、熱媒体によって低沸点媒体を気化し、発電手段のタービンを回転させることにより発電する。従って、地熱温度は、低沸点媒体の沸点以上の温度があれば発電することが可能であり、既設地下空洞内が極度に高温でない場合でも発電が可能である。
【００１５】
請求項３記載の本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、発電手段を、地熱変換手段を設けた横坑群よりも浅い深度に位置する他の横坑群に設けたことを特徴とする。従って、地熱交換手段と発電手段との間の距離を短くすることができ、地熱交換手段からの発電手段へ送られる熱エネルギーが無駄に発散されることを防止することができる。
【００１６】
請求項４記載の本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、発電手段のタービンを回転させた後、低沸点媒体を地下の湧水によって冷却することを特徴とする。温度が略一定の地下の湧水を冷却に利用することにより、安定した冷却性能を確保することができる。
【００１７】
請求項５記載の本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、地熱変換手段は低沸点媒体を使用する地熱変換手段であり、地熱変換手段により気化した低沸点媒体により発電手段のタービンを回転させることにより発電することを特徴とする。このため、低沸点媒体は地熱交換手段により直接加熱されるため、熱エネルギーの無駄な損失を防止することができる。
【００１８】
請求項６記載の本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、地熱変換手段により気化した低沸点媒体を、地熱変換手段を設けた横坑群よりも高い位置において冷却することにより液化し、液化した低沸点媒体を前記地熱変換手段へ落下させ、低沸点媒体の落下途中に液化した低沸点媒体によりタービンを回転させ発電することを特徴とする。気化した低沸点媒体の上昇と、液化した低沸点媒体の落下により、その位置エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
【００１９】
請求項７記載の本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、地熱変換手段を同軸管として構成することにより、横坑が温水に水没した状態である場合でも横坑の広い範囲から地熱を取得することが可能となる。
【００２０】
請求項８記載の本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、地表面から下方に向かって掘削し形成された縦坑と、前記縦坑と連通すると共に水平方向に延在する複数の横坑群を有する既設地下空洞において、前記縦坑または前記横坑群から地中へ植設した地熱変換手段を設け、前記地熱変換手段により取得した熱エネルギーを利用する。従って、地熱変換手段を既設地下空洞内部から容易に植設することができ、地熱変換手段の設置費用の大幅な削減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図１乃至図５を参照しつつ、本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムの第１実施形態について説明する。本実施形態の既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、地表面３から下方に向かって掘削し形成された縦坑２と、縦坑２と連通すると共に水平方向に延在する複数の横坑群４を有する既設地下空洞１において、横坑群４の内の一つの横坑群４ｄに地熱変換手段６を設け、この地熱変換手段６により取得した熱エネルギーを利用することを特徴とする。
【００２２】
図１は、既設地下空洞１の垂直断面図である。この既設地下空洞１は、廃坑となった炭坑の地下坑道であり、炭坑地表面３から下方に向かって掘削し形成された縦坑２と、この縦坑２と連通すると共に水平方向に延在する複数の横坑群４から構成されている。
【００２３】
一般的に国内炭坑の地殼構造は、図１に示すように、上部に石炭層Ｂが存在し、その石炭層Ｂの下方に岩盤層Ａが存在する堆積層を有している。そして、炭坑の掘削作業においては、岩盤層Ａの上側表面に沿って横坑群４を掘削し石炭層Ｂの石炭が採取されていた。また、この岩盤層Ａは水を通しにくい性質があり、一方、石炭層Ｂは水を通しやすい性質があるため、この横坑群４が位置する岩盤層Ａの上部において、豊富な水量を有する地下水脈が存在する場合が多い。なお、図１において、岩盤層Ａ及び石炭層Ｂ以外の堆積層については図面が煩雑となるため、図示を省略している。また、符号３は地表面を示している。
【００２４】
縦坑２には、図１に示すような垂直方向に延在するものの他、斜坑と呼ばれている斜め下方に延在するものも含まれる。この縦坑２は、横坑群４を構成する各横坑よりも大きな坑道であり、搬入搬出用エレベータ、排水管、送風管、送電線等が放置されている。
【００２５】
複数の横坑群４は、横坑群４ａ乃至４ｆとして図示されている。各横坑群４は、それぞれ岩盤Ａと石炭層Ｂの間に存在し、図２に示すように網の目状に広がっている。
【００２６】
次に、第１実施形態の既設地下空洞１を再利用したエネルギー供給システムの構造について説明する。図３に示すように、本実施形態においては、比較的深い深度に位置する横坑４ｄに地熱交換手段６が設置されている。この地熱交換手段６は、多数の細管６ａを有しており、これら細管６ａは横坑４ｄの底面、両壁面、天井面等に接している。そして、細管６ａが横坑４ｄにおける地熱により加熱され、この熱エネルギーが細管６ａの内部を流動する熱媒体に伝導する。なお、本実施形態の熱媒体は水である。
【００２７】
図４に示すように、地熱交換手段６には、低温の熱媒体を供給する供給管６ｂと、地熱交換手段６で加熱された熱媒体を送出する送出管６ｃとが接続されている。供給管６ｂは、細管６ａに分枝された後、送出管６ｃに接続されている。供給管６ｂと送出管６ｃは、縦坑２の内部を通り、地表面３に設置されている発電手段７に接続されている。細管６ａにより加熱された熱媒体は、送出管６ｃによって発電手段７へ送出され、後述するように、発電手段７により冷却された熱媒体は、供給管６ｂにより細管６ａへ圧送される。
【００２８】
図５に示すように、発電手段７は、公知の発電方式であるバイナリー発電方式により発電を行う発電設備である。このバイナリー発電方式とは、加熱源により沸点の低い液体を加熱・蒸発させてその蒸気で蒸気タービンを回す方式をいう。発電手段７は、熱交換器７ａ、蒸気タービン７ｂ、発電機７ｃ、冷却器７ｄを有している。上記熱媒体によって加熱された熱交換器７ａにより、ペンタン（ｐｅｎｔａｎｅ／沸点は約３６度）を蒸気となし、このペンタンの蒸気圧力により蒸気タービン７ｂを回転させ、この蒸気タービン７ｂに連結されている発電機７ｃにより発電する。蒸気タービン７ｂを通過したペンタンは、冷却器７ｄによって冷却され液化される。そして、液化したペンタンは熱交換器７ａへ送出される。なお、冷却器７ｄは、地上の大気を冷却器７ｄに送風する空冷ファン（図示せず）により冷却される。
【００２９】
本実施形態は、既設地下空洞１を再利用することにより、従来の地熱発電のように温泉等の観光資源を利用することなく大規模な地熱発電システムを実現することができるという利点がある。即ち、既設地下空洞１を再利用することにより、地熱を既設地下空洞１の内壁面等から直接取得することができ、また、地熱を取得するための熱交換手段６は、既設地下空洞１を再利用して設置するため、新たに地下空洞を建設するコストを要しない。
【００３０】
さらに、本実施形態によれば、この既設地下空洞１の使用時（本実施形態の場合、炭坑として使用されていた当時）における地熱状況が資料等に記録されているため、本実施形態のエネルギー供給システムの設置計画が立てやすいという利点もある。従来の地熱発電が温泉等の観光資源を利用し、本実施形態のように地熱を直接利用していないのは、地下の地熱状態を正確に把握することができないためである。地下の地熱状態を正確に把握するためには、多地点においてボーリング調査を行う必要があるが、これは多大な調査コストが必要となる。また、このようなボーリングは、温泉の地下水脈等を損なうことが考えられるため容易に実行しがたい。しかし、既存地下空洞１を再利用すれば、このようなコストもリスクも完全に回避することができる。
【００３１】
なお、本実施形態の地熱交換手段６は、既設地下空洞１の内部の状況により、図１１に示す地熱交換手段６１や図１２に示す地熱交換手段６２に変更することができる。図１１に示す地熱交換手段６１は、地熱交換手段６の細管６ａの設置が困難な場合、例えば、既設地下空洞１の横坑４ｄが温水によって水没している状態である場合でも設置することができる。この地熱交換手段６１は、二重管構造の同軸パイプ６１ａと、低温の熱媒体を供給する供給管６１ｂと、地熱交換手段６１ａで加熱された熱媒体を送出する送出管６１ｃとから構成されている。熱媒体は同属パイプ６１ａの外管部から内管部へ循環し温水の熱エネルギーにより加熱される。この同軸パイプ６１ａを温水面の上から横坑４ｄ内部へ挿入してゆくことにより、同軸パイプ６１ａが延在する横坑４ｄ内部の広い範囲の温水の熱エネルギーを取得することができる。なお、同軸パイプ６１ａは、可撓性の樹脂製パイプであることが好ましい。
【００３２】
また、図１２に示す地熱交換手段６２は、既設地下空洞１の深度を利用して、さらに深度の深い位置に存在する高温の地熱帯から熱エネルギーを取得することができる。例えば、図１２に示すように、地熱交換手段６２の同軸パイプ６２ａを縦坑２または横坑４ｄの底面から地中へ植設する。この場合、地熱交換手段である同軸パイプを地表面から植設する場合よりも設置費用を大幅に削減することができる。
【００３３】
なお、本実施形態のエネルギー供給システムは発電を目的としているが、地熱交換手段６により取得した熱エネルギーを、地上の地域暖房設備、工場、ビニールハウス等の農業設備等に必要な熱源として利用することも可能である。
【００３４】
次に、図６及び図７を参照しつつ、本発明に係る第２実施形態について説明する。本実施形態は、上記第１実施形態と同様の構成を有する既設地下空洞１を再利用したエネルギー供給システムであり、同様の手段及び構造物に関しては上記第１実施形態と同じ符号を用いて説明する。
【００３５】
本実施形態の既設地下空洞１を再利用したエネルギー供給システムは、図６に示すように、上記第１実施形態と同様の地熱変換手段６により取得した熱エネルギーにより発電する発電手段７を、地熱変換手段６を設けた横坑群４ｄよりも浅い深度に位置する他の横坑群４ｃに設けた点において、上記第１実施形態の同システムと異なる。地下に発電手段７を設けることにより、地熱交換手段６と発電手段７との間の距離を短くすることができる。このため、地熱交換手段６から延出されている送出管６ｃの延出距離が短くなり、地熱交換手段６から発電手段７へ送られる熱エネルギーにおいて、送出管６ｃにおいて無駄に発散されてしまうエネルギー量を小さくすることができる。
【００３６】
また、上記第１実施形態において、発電手段７の蒸気タービン７ｂを通過したペンタンは、冷却器７ｄによって冷却され液化される。そして、この冷却器７ｄは、地上の大気を冷却器７ｄに送風する空冷ファンにより冷却されていた。図７に示すように、本実施形態においては、地上の大気ではなく、発電手段７を設けた横坑群４ｃから湧き出す湧水や他の横坑群（例えば横坑群４ｂ）の湧水を導入し冷却器７ｄを冷却する。上述したように、本実施形態における既設地下空洞１は、横坑群４が位置する岩盤層Ａの上部において、豊富な水量を有する地下水脈が存在する場合が多い。この地下水脈からの湧水は、水温変化が略皆無であるために冷却水として非常に優れている。
【００３７】
次に、図８乃至図１０を参照しつつ、本発明に係る第３実施形態について説明する。なお、上記第１実施形態と同様の手段及び構造物に関しては上記第１実施形態と同じ符号を用いて説明する。
【００３８】
本実施形態の既設地下空洞１を再利用したエネルギー供給システムは、上記第１実施形態が地熱変換手段６により水である熱媒体を加熱していたのに対し、低沸点媒体であるペンタンやアンモニア等を加熱する点で異なる。地熱変換手段６により低沸点媒体を直接加熱するため、同システムを構成する設備の簡素化を図ることができる。
【００３９】
本実施形態の既設地下空洞１を再利用したエネルギー供給システムは、図８及び図９に示すように、地熱変換手段６により低沸点媒体を気化し、当該気化した低沸点媒体により第１発電手段７の蒸気タービン７ｂを回転させ発電することを特徴とする。また、蒸気タービン７ｂを通過した低沸点媒体を冷却器７ｄにより冷却、液化し、液化した低沸点媒体を地熱変換手段６へ落下させる途中において、図１０に示すように、第２発電手段８の発電用タービン８ａを回転させ発電することを特徴とする。
【００４０】
本実施形態においても、上記第１実施形態と同様に第１発電手段７は地上に設けられている。この第１発電手段７の蒸気タービン７ｂを通過した低沸点媒体は、冷却器７ｄによって冷却され液化される。この冷却器７ｄは、冷却水により低沸点媒体を冷却し、一方、冷却器７ｄを通過し温水となった冷却水は、地域暖房システム等により利用されることにより冷却された後、冷却器７ｄの冷却水として再利用される。冷却器７ｄにより冷却され液化された低沸点媒体は、縦坑２の内部を通る供給管６ｂ内を落下し、第２発電手段８のタービン８ａを回転させ、発電機８ｂにより発電を行う。
【００４１】
本実施形態においては、上述したように、地熱変換手段６により低沸点媒体を直接加熱するため、設備の簡素化を図ることができ、また、第２発電手段８により液化した低沸点媒体の落下エネルギーをも利用できるという利点がある。
【００４２】
なお、本実施形態においては、第１発電手段７と第２発電手段８を併用しているが、第１発電手段７のみでも、また、第２発電手段８のみでも、既設地下空洞１を再利用したエネルギー供給システムとして機能する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る実施形態の既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムを設ける既設地下空洞１の垂直断面図である。
【図２】図１に示す既設地下空洞１の横坑群４の水平断面図である。
【図３】本発明に係る第１実施形態の既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムを設けた状態を示す既設地下空洞１の垂直断面図である。
【図４】図１に示す既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムの地熱交換手段６の概念説明図である。
【図５】図１に示す既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムの発電手段７の概念説明図である。
【図６】本発明に係る第２実施形態の既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムを設けた状態を示す既設地下空洞１の垂直断面図である。
【図７】図６に示す既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムの発電手段７の概念説明図である。
【図８】本発明に係る第３実施形態の既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムを設けた状態を示す既設地下空洞１の垂直断面図である。
【図９】図８に示す既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムの第１発電手段７の概念説明図である。
【図１０】図８に示す既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムの第２発電手段８の概念説明図である。
【図１１】図１に示す既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムの地熱交換手段６１の概念説明図である。
【図１２】図１に示す既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムの地熱交換手段６２の概念説明図である。
【符号の説明】
【００４４】
１ 既設地下空洞
２ 縦坑
３ 地表面
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ 横坑群
６、６１、６２ 地熱変換手段
６ａ 細管
６１ａ 樹脂製同軸パイプ
６２ａ 同軸パイプ
６ｂ、６１ｂ、６２ｂ 供給管
６ｃ、６１ｃ、６２ｃ 送出管
７ 発電手段、第１発電手段
７ａ 熱交換器
７ｂ 蒸気タービン
７ｃ 発電機
７ｄ 冷却器
８ 第２発電手段
８ａ 発電用タービン
８ｂ 発電機
Ａ 岩盤層
Ｂ 石炭層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の地熱発電システムは、温泉等が存在する地域において高温の水蒸気を地表に噴出させ、この水蒸気により発電タービンを回転させて発電していた。また、高温の水蒸気が得られない場合でも、水蒸気等により低沸点媒体であるペンタンやアンモニア等を地熱により気化させ、この気化した低沸点媒体により発電タービンを回転させて発電を行っていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、このような地熱発電システムは温泉等が存在する地域に設置されるため、地下における温泉等の観光資源や地上の環境を保護するための法律上または行政上の制限があり、大規模な地熱発電システムを実現することは不可能であった。
【０００４】
本発明は、大規模且つ効率的に地熱を利用しつつ、観光資源や環境に対する影響を与えることがない既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、地表面から下方に向かって掘削し形成された縦坑と、前記縦坑と連通すると共に水平方向に廷在する複数の横坑群を有する既設地下空洞において、前記横坑群の内の一つの横坑群に地熱変換手段を設け、前記地熱変換手段により取得した熱エネルギーを利用することを特徴とする。
【０００６】
さらに、本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、前記地熱変換手段が熱媒体を使用する地熱変換手段であり、前記熱媒体によって低沸点媒体を気化し、発電手段のタービンを回転させることにより発電することが好ましい。
【０００７】
さらに、本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、前記発電手段を、前記地熱変換手段を設けた横坑群よりも浅い深度に位置する他の横坑群に設けることが好ましい。
【０００８】
さらに、本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、前記発電手段のタービンを回転させた後、低沸点媒体を地下の湧水によって冷却することが好ましい。
【０００９】
さらに、本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、前記地熱変換手段は低沸点媒体を使用する地熱変換手段であり、地熱変換手段により気化した低沸点媒体により発電手段のタービンを回転させることにより発電することが好ましい。
【００１０】
さらに、本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、前記地熱変換手段により気化した低沸点媒体を、前記地熱変換手段を設けた横坑群よりも高い位置において冷却することにより液化し、液化した低沸点媒体を前記地熱変換手段へ落下させ、低沸点媒体の落下途中に液化した低沸点媒体によりタービンを回転させ発電することが好ましい。
【００１１】
さらに、本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、前記地熱変換手段が同軸管から構成されていることが好ましい。
【００１２】
さらに、本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、地表面から下方に向かって掘削し形成された縦坑と、前記縦坑と連通すると共に水平方向に延在する複数の横坑群を有する既設地下空洞において、前記縦坑または前記横坑群から地中へ植設した地熱変換手段を設け、前記地熱変換手段により取得した熱エネルギーを利用することが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１記載の本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、既設地下空洞の横坑群に地熱変換手段を設け、地熱変換手段により取得した熱エネルギーを利用する。従って、従来の地熱発電のように温泉等の観光資源を利用することなく大規模な地熱発電システムを実現することができる。即ち、既設地下空洞を再利用することにより、地熱を既設地下空洞の横坑から直接取得することができ、また、地熱を取得するための熱交換手段は、既設地下空洞を再利用して設置するため、新たに地下空洞を建設するコストを要しない。さらに、既設地下空洞の地熱状況は明らかであるため、地下の地熱状態を正確に把握するための多点ボーリング調査を行う必要がない。
【００１４】
請求項２記載の本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、地熱変換手段は熱媒体を使用する地熱変換手段であり、熱媒体によって低沸点媒体を気化し、発電手段のタービンを回転させることにより発電する。従って、地熱温度は、低沸点媒体の沸点以上の温度があれば発電することが可能であり、既設地下空洞内が極度に高温でない場合でも発電が可能である。
【００１５】
請求項３記載の本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、発電手段を、地熱変換手段を設けた横坑群よりも浅い深度に位置する他の横坑群に設けたことを特徴とする。従って、地熱交換手段と発電手段との間の距離を短くすることができ、地熱交換手段からの発電手段へ送られる熱エネルギーが無駄に発散されることを防止することができる。
【００１６】
請求項４記載の本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、発電手段のタービンを回転させた後、低沸点媒体を地下の湧水によって冷却することを特徴とする。温度が略一定の地下の湧水を冷却に利用することにより、安定した冷却性能を確保することができる。
【００１７】
請求項５記載の本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、地熱変換手段は低沸点媒体を使用する地熱変換手段であり、地熱変換手段により気化した低沸点媒体により発電手段のタービンを回転させることにより発電することを特徴とする。このため、低沸点媒体は地熱交換手段により直接加熱されるため、熱エネルギーの無駄な損失を防止することができる。
【００１８】
請求項６記載の本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、地熱変換手段により気化した低沸点媒体を、地熱変換手段を設けた横坑群よりも高い位置において冷却することにより液化し、液化した低沸点媒体を前記地熱変換手段へ落下させ、低沸点媒体の落下途中に液化した低沸点媒体によりタービンを回転させ発電することを特徴とする。気化した低沸点媒体の上昇と、液化した低沸点媒体の落下により、その位置エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
【００１９】
請求項７記載の本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、地熱変換手段を同軸管として構成することにより、横坑が温水に水没した状態である場合でも横坑の広い範囲から地熱を取得することが可能となる。
【００２０】
請求項８記載の本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、地表面から下方に向かって掘削し形成された縦坑と、前記縦坑と連通すると共に水平方向に延在する複数の横坑群を有する既設地下空洞において、前記縦坑または前記横坑群から地中へ植設した地熱変換手段を設け、前記地熱変換手段により取得した熱エネルギーを利用する。従って、地熱変換手段を既設地下空洞内部から容易に植設することができ、地熱変換手段の設置費用の大幅な削減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図１乃至図５を参照しつつ、本発明に係る既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムの第１実施形態について説明する。本実施形態の既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムは、地表面３から下方に向かって掘削し形成された縦坑２と、縦坑２と連通すると共に水平方向に延在する複数の横坑群４を有する既設地下空洞１において、横坑群４の内の一つの横坑群４ｄに地熱変換手段６を設け、この地熱変換手段６により取得した熱エネルギーを利用することを特徴とする。
【００２２】
図１は、既設地下空洞１の垂直断面図である。この既設地下空洞１は、廃坑となった炭坑の地下坑道であり、炭坑地表面３から下方に向かって掘削し形成された縦坑２と、この縦坑２と連通すると共に水平方向に延在する複数の横坑群４から構成されている。
【００２３】
一般的に国内炭坑の地殼構造は、図１に示すように、上部に石炭層Ｂが存在し、その石炭層Ｂの下方に岩盤層Ａが存在する堆積層を有している。そして、炭坑の掘削作業においては、岩盤層Ａの上側表面に沿って横坑群４を掘削し石炭層Ｂの石炭が採取されていた。また、この岩盤層Ａは水を通しにくい性質があり、一方、石炭層Ｂは水を通しやすい性質があるため、この横坑群４が位置する岩盤層Ａの上部において、豊富な水量を有する地下水脈が存在する場合が多い。なお、図１において、岩盤層Ａ及び石炭層Ｂ以外の堆積層については図面が煩雑となるため、図示を省略している。また、符号３は地表面を示している。
【００２４】
縦坑２には、図１に示すような垂直方向に延在するものの他、斜坑と呼ばれている斜め下方に延在するものも含まれる。この縦坑２は、横坑群４を構成する各横坑よりも大きな坑道であり、搬入搬出用エレベータ、排水管、送風管、送電線等が放置されている。
【００２５】
複数の横坑群４は、横坑群４ａ乃至４ｆとして図示されている。各横坑群４は、それぞれ岩盤Ａと石炭層Ｂの間に存在し、図２に示すように網の目状に広がっている。
【００２６】
次に、第１実施形態の既設地下空洞１を再利用したエネルギー供給システムの構造について説明する。図３に示すように、本実施形態においては、比較的深い深度に位置する横坑４ｄに地熱交換手段６が設置されている。この地熱交換手段６は、多数の細管６ａを有しており、これら細管６ａは横坑４ｄの底面、両壁面、天井面等に接している。そして、細管６ａが横坑４ｄにおける地熱により加熱され、この熱エネルギーが細管６ａの内部を流動する熱媒体に伝導する。なお、本実施形態の熱媒体は水である。
【００２７】
図４に示すように、地熱交換手段６には、低温の熱媒体を供給する供給管６ｂと、地熱交換手段６で加熱された熱媒体を送出する送出管６ｃとが接続されている。供給管６ｂは、細管６ａに分枝された後、送出管６ｃに接続されている。供給管６ｂと送出管６ｃは、縦坑２の内部を通り、地表面３に設置されている発電手段７に接続されている。細管６ａにより加熱された熱媒体は、送出管６ｃによって発電手段７へ送出され、後述するように、発電手段７により冷却された熱媒体は、供給管６ｂにより細管６ａへ圧送される。
【００２８】
図５に示すように、発電手段７は、公知の発電方式であるバイナリー発電方式により発電を行う発電設備である。このバイナリー発電方式とは、加熱源により沸点の低い液体を加熱・蒸発させてその蒸気で蒸気タービンを回す方式をいう。発電手段７は、熱交換器７ａ、蒸気タービン７ｂ、発電機７ｃ、冷却器７ｄを有している。上記熱媒体によって加熱された熱交換器７ａにより、ペンタン（ｐｅｎｔａｎｅ／沸点は約３６度）を蒸気となし、このペンタンの蒸気圧力により蒸気タービン７ｂを回転させ、この蒸気タービン７ｂに連結されている発電機７ｃにより発電する。蒸気タービン７ｂを通過したペンタンは、冷却器７ｄによって冷却され液化される。そして、液化したペンタンは熱交換器７ａへ送出される。なお、冷却器７ｄは、地上の大気を冷却器７ｄに送風する空冷ファン（図示せず）により冷却される。
【００２９】
本実施形態は、既設地下空洞１を再利用することにより、従来の地熱発電のように温泉等の観光資源を利用することなく大規模な地熱発電システムを実現することができるという利点がある。即ち、既設地下空洞１を再利用することにより、地熱を既設地下空洞１の内壁面等から直接取得することができ、また、地熱を取得するための熱交換手段６は、既設地下空洞１を再利用して設置するため、新たに地下空洞を建設するコストを要しない。
【００３０】
さらに、本実施形態によれば、この既設地下空洞１の使用時（本実施形態の場合、炭坑として使用されていた当時）における地熱状況が資料等に記録されているため、本実施形態のエネルギー供給システムの設置計画が立てやすいという利点もある。従来の地熱発電が温泉等の観光資源を利用し、本実施形態のように地熱を直接利用していないのは、地下の地熱状態を正確に把握することができないためである。地下の地熱状態を正確に把握するためには、多地点においてボーリング調査を行う必要があるが、これは多大な調査コストが必要となる。また、このようなボーリングは、温泉の地下水脈等を損なうことが考えられるため容易に実行しがたい。しかし、既存地下空洞１を再利用すれば、このようなコストもリスクも完全に回避することができる。
【００３１】
なお、本実施形態の地熱交換手段６は、既設地下空洞１の内部の状況により、図１１に示す地熱交換手段６１や図１２に示す地熱交換手段６２に変更することができる。図１１に示す地熱交換手段６１は、地熱交換手段６の細管６ａの設置が困難な場合、例えば、既設地下空洞１の横坑４ｄが温水によって水没している状態である場合でも設置することができる。この地熱交換手段６１は、二重管構造の同軸パイプ６１ａと、低温の熱媒体を供給する供給管６１ｂと、地熱交換手段６１ａで加熱された熱媒体を送出する送出管６１ｃとから構成されている。熱媒体は同属パイプ６１ａの外管部から内管部へ循環し温水の熱エネルギーにより加熱される。この同軸パイプ６１ａを温水面の上から横坑４ｄ内部へ挿入してゆくことにより、同軸パイプ６１ａが延在する横坑４ｄ内部の広い範囲の温水の熱エネルギーを取得することができる。なお、同軸パイプ６１ａは、可撓性の樹脂製パイプであることが好ましい。
【００３２】
また、図１２に示す地熱交換手段６２は、既設地下空洞１の深度を利用して、さらに深度の深い位置に存在する高温の地熱帯から熱エネルギーを取得することができる。例えば、図１２に示すように、地熱交換手段６２の同軸パイプ６２ａを縦坑２または横坑４ｄの底面から地中へ植設する。この場合、地熱交換手段である同軸パイプを地表面から植設する場合よりも設置費用を大幅に削減することができる。
【００３３】
なお、本実施形態のエネルギー供給システムは発電を目的としているが、地熱交換手段６により取得した熱エネルギーを、地上の地域暖房設備、工場、ビニールハウス等の農業設備等に必要な熱源として利用することも可能である。
【００３４】
次に、図６及び図７を参照しつつ、本発明に係る第２実施形態について説明する。本実施形態は、上記第１実施形態と同様の構成を有する既設地下空洞１を再利用したエネルギー供給システムであり、同様の手段及び構造物に関しては上記第１実施形態と同じ符号を用いて説明する。
【００３５】
本実施形態の既設地下空洞１を再利用したエネルギー供給システムは、図６に示すように、上記第１実施形態と同様の地熱変換手段６により取得した熱エネルギーにより発電する発電手段７を、地熱変換手段６を設けた横坑群４ｄよりも浅い深度に位置する他の横坑群４ｃに設けた点において、上記第１実施形態の同システムと異なる。地下に発電手段７を設けることにより、地熱交換手段６と発電手段７との間の距離を短くすることができる。このため、地熱交換手段６から延出されている送出管６ｃの延出距離が短くなり、地熱交換手段６から発電手段７へ送られる熱エネルギーにおいて、送出管６ｃにおいて無駄に発散されてしまうエネルギー量を小さくすることができる。
【００３６】
また、上記第１実施形態において、発電手段７の蒸気タービン７ｂを通過したペンタンは、冷却器７ｄによって冷却され液化される。そして、この冷却器７ｄは、地上の大気を冷却器７ｄに送風する空冷ファンにより冷却されていた。図７に示すように、本実施形態においては、地上の大気ではなく、発電手段７を設けた横坑群４ｃから湧き出す湧水や他の横坑群（例えば横坑群４ｂ）の湧水を導入し冷却器７ｄを冷却する。上述したように、本実施形態における既設地下空洞１は、横坑群４が位置する岩盤層Ａの上部において、豊富な水量を有する地下水脈が存在する場合が多い。この地下水脈からの湧水は、水温変化が略皆無であるために冷却水として非常に優れている。
【００３７】
次に、図８乃至図１０を参照しつつ、本発明に係る第３実施形態について説明する。なお、上記第１実施形態と同様の手段及び構造物に関しては上記第１実施形態と同じ符号を用いて説明する。
【００３８】
本実施形態の既設地下空洞１を再利用したエネルギー供給システムは、上記第１実施形態が地熱変換手段６により水である熱媒体を加熱していたのに対し、低沸点媒体であるペンタンやアンモニア等を加熱する点で異なる。地熱変換手段６により低沸点媒体を直接加熱するため、同システムを構成する設備の簡素化を図ることができる。
【００３９】
本実施形態の既設地下空洞１を再利用したエネルギー供給システムは、図８及び図９に示すように、地熱変換手段６により低沸点媒体を気化し、当該気化した低沸点媒体により第１発電手段７の蒸気タービン７ｂを回転させ発電することを特徴とする。また、蒸気タービン７ｂを通過した低沸点媒体を冷却器７ｄにより冷却、液化し、液化した低沸点媒体を地熱変換手段６へ落下させる途中において、図１０に示すように、第２発電手段８の発電用タービン８ａを回転させ発電することを特徴とする。
【００４０】
本実施形態においても、上記第１実施形態と同様に第１発電手段７は地上に設けられている。この第１発電手段７の蒸気タービン７ｂを通過した低沸点媒体は、冷却器７ｄによって冷却され液化される。この冷却器７ｄは、冷却水により低沸点媒体を冷却し、一方、冷却器７ｄを通過し温水となった冷却水は、地域暖房システム等により利用されることにより冷却された後、冷却器７ｄの冷却水として再利用される。冷却器７ｄにより冷却され液化された低沸点媒体は、縦坑２の内部を通る供給管６ｂ内を落下し、第２発電手段８のタービン８ａを回転させ、発電機８ｂにより発電を行う。
【００４１】
本実施形態においては、上述したように、地熱変換手段６により低沸点媒体を直接加熱するため、設備の簡素化を図ることができ、また、第２発電手段８により液化した低沸点媒体の落下エネルギーをも利用できるという利点がある。
【００４２】
なお、本実施形態においては、第１発電手段７と第２発電手段８を併用しているが、第１発電手段７のみでも、また、第２発電手段８のみでも、既設地下空洞１を再利用したエネルギー供給システムとして機能する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る実施形態の既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムを設ける既設地下空洞１の垂直断面図である。
【図２】図１に示す既設地下空洞１の横坑群４の水平断面図である。
【図３】本発明に係る第１実施形態の既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムを設けた状態を示す既設地下空洞１の垂直断面図である。
【図４】図１に示す既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムの地熱交換手段６の概念説明図である。
【図５】図１に示す既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムの発電手段７の概念説明図である。
【図６】本発明に係る第２実施形態の既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムを設けた状態を示す既設地下空洞１の垂直断面図である。
【図７】図６に示す既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムの発電手段７の概念説明図である。
【図８】本発明に係る第３実施形態の既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムを設けた状態を示す既設地下空洞１の垂直断面図である。
【図９】図８に示す既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムの第１発電手段７の概念説明図である。
【図１０】図８に示す既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムの第２発電手段８の概念説明図である。
【図１１】図１に示す既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムの地熱交換手段６１の概念説明図である。
【図１２】図１に示す既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システムの地熱交換手段６２の概念説明図である。
【符号の説明】
【００４４】
１ 既設地下空洞
２ 縦坑
３ 地表面
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ 横坑群
６、６１、６２ 地熱変換手段
６ａ 細管
６１ａ 樹脂製同軸パイプ
６２ａ 同軸パイプ
６ｂ、６１ｂ、６２ｂ 供給管
６ｃ、６１ｃ、６２ｃ 送出管
７ 発電手段、第１発電手段
７ａ 熱交換器
７ｂ 蒸気タービン
７ｃ 発電機
７ｄ 冷却器
８ 第２発電手段
８ａ 発電用タービン
８ｂ 発電機
Ａ 岩盤層
Ｂ 石炭層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地表面から下方に向かって掘削し形成された縦坑と、
前記縦坑と連通すると共に水平方向に延在する複数の横坑群を有する既設地下空洞において、
前記横坑群の内の一つの横坑群に地熱変換手段を設け、
前記地熱変換手段により取得した熱エネルギーを利用することを特徴とする既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システム。
【請求項２】
前記地熱変換手段は熱媒体を使用する地熱変換手段であり、前記熱媒体によって低沸点媒体を気化し、発電手段のタービンを回転させることにより発電することを特徴とする請求項１記載の既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システム。
【請求項３】
前記発電手段を、前記地熱変換手段を設けた横坑群よりも浅い深度に位置する他の横坑群に設けたことを特徴とする請求項２記載の既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システム。
【請求項４】
前記発電手段のタービンを回転させた後、低沸点媒体を地下の湧水によって冷却することを特徴とする請求項３記載の既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システム。
【請求項５】
前記地熱変換手段は低沸点媒体を使用する地熱変換手段であり、地熱変換手段により気化した低沸点媒体により発電手段のタービンを回転させることにより発電することを特徴とする請求項１記載の既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システム。
【請求項６】
前記地熱変換手段により気化した低沸点媒体を、前記地熱変換手段を設けた横坑群よりも高い位置において冷却することにより液化し、液化した低沸点媒体を前記地熱変換手段へ落下させ、低沸点媒体の落下途中に液化した低沸点媒体によりタービンを回転させ発電することを特徴とする請求項１記載の既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システム。
【請求項７】
前記地熱変換手段は、同軸管から構成されている請求項１記載の既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システム。
【請求項８】
地表面から下方に向かって掘削し形成された縦坑と、
前記縦坑と連通すると共に水平方向に延在する複数の横坑群を有する既設地下空洞において、
前記縦坑または前記横坑群から地中へ植設した地熱変換手段を設け、
前記地熱変換手段により取得した熱エネルギーを利用することを特徴とする既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システム。
【請求項１】
地表面から下方に向かって掘削し形成された縦坑と、
前記縦坑と連通すると共に水平方向に延在する複数の横坑群を有する既設地下空洞において、
前記横坑群の内の一つの横坑群に地熱変換手段を設け、
前記地熱変換手段により取得した熱エネルギーを利用することを特徴とする既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システム。
【請求項２】
前記地熱変換手段は熱媒体を使用する地熱変換手段であり、前記熱媒体によって低沸点媒体を気化し、発電手段のタービンを回転させることにより発電することを特徴とする請求項１記載の既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システム。
【請求項３】
前記発電手段を、前記地熱変換手段を設けた横坑群よりも浅い深度に位置する他の横坑群に設けたことを特徴とする請求項２記載の既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システム。
【請求項４】
前記発電手段のタービンを回転させた後、低沸点媒体を地下の湧水によって冷却することを特徴とする請求項３記載の既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システム。
【請求項５】
前記地熱変換手段は低沸点媒体を使用する地熱変換手段であり、地熱変換手段により気化した低沸点媒体により発電手段のタービンを回転させることにより発電することを特徴とする請求項１記載の既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システム。
【請求項６】
前記地熱変換手段により気化した低沸点媒体を、前記地熱変換手段を設けた横坑群よりも高い位置において冷却することにより液化し、液化した低沸点媒体を前記地熱変換手段へ落下させ、低沸点媒体の落下途中に液化した低沸点媒体によりタービンを回転させ発電することを特徴とする請求項１記載の既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システム。
【請求項７】
前記地熱変換手段は、同軸管から構成されている請求項１記載の既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システム。
【請求項８】
地表面から下方に向かって掘削し形成された縦坑と、
前記縦坑と連通すると共に水平方向に延在する複数の横坑群を有する既設地下空洞において、
前記縦坑または前記横坑群から地中へ植設した地熱変換手段を設け、
前記地熱変換手段により取得した熱エネルギーを利用することを特徴とする既設地下空洞を再利用したエネルギー供給システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１４５０５０（Ｐ２０１１−１４５０５０Ａ）
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２５４０（Ｐ２０１０−２２５４０）
【出願日】平成２２年１月１８日（２０１０．１．１８）
【出願人】（５９２０４０８２６）住友不動産株式会社 (94)
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月１８日（２０１０．１．１８）
【出願人】（５９２０４０８２６）住友不動産株式会社 (94)
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