特許 7607792 洋上風力発電－海水淡水化－水電解複合システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-19

(45)【発行日】2024-12-27

(54)【発明の名称】洋上風力発電－海水淡水化－水電解複合システム

(51)【国際特許分類】

   F03D 9/20 20160101AFI20241220BHJP

   F03D 80/00 20160101ALI20241220BHJP

   H02P 9/00 20060101ALI20241220BHJP

   C02F 1/08 20230101ALI20241220BHJP

   C02F 1/04 20230101ALI20241220BHJP

   C01B 3/02 20060101ALI20241220BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20241220BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20241220BHJP

   C25B 9/23 20210101ALI20241220BHJP

   H02P 101/15 20150101ALN20241220BHJP

【ＦＩ】

F03D9/20

F03D80/00

H02P9/00 F

C02F1/08

C02F1/04 A

C01B3/02 H

C25B1/04

C25B9/00 A

C25B9/23

H02P101:15

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2023556556

(86)(22)【出願日】2022-04-20

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2024-03-25

(86)【国際出願番号】 KR2022005676

(87)【国際公開番号】W WO2022225338

(87)【国際公開日】2022-10-27

【審査請求日】2023-09-13

(31)【優先権主張番号】10-2021-0051988

(32)【優先日】2021-04-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】513107735

【氏名又は名称】コリア インスティチュート オブ オーシャン サイエンス アンド テクノロジー

(74)【代理人】

【識別番号】110000729

【氏名又は名称】弁理士法人ユニアス国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】イ、ホ セン

(72)【発明者】

【氏名】チ、ホ

(72)【発明者】

【氏名】キム、ヒョン ジュ

【審査官】山崎 孔徳

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－１４４３２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】独国特許出願公開第１０２０１１０１７４９１（ＤＥ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０３Ｄ ９／２０

Ｆ０３Ｄ ８０／００

Ｈ０２Ｐ ９／００

Ｃ０２Ｆ １／０８

Ｃ０２Ｆ １／０４

Ｃ０１Ｂ ３／０２

Ｃ２５Ｂ １／０４

Ｃ２５Ｂ ９／００

Ｃ２５Ｂ ９／２３

Ｈ０２Ｐ １０１／１５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

風の力でブレードを回転させて電力を生産し、電力生産による加温現象を防止するための冷却器を含む風力発電機と、
前記冷却器を通過して熱交換の後に排出される温水を用いて海水を淡水化する海水淡水化装置と、
前記海水淡水化装置で生産される淡水（超純水）と吐出される熱源の供給を受けて水素の生産に利用する水電解装置と、を含み、
水素生産の後に前記水電解装置から吐出される熱源の一部を前記冷却器と熱交換し、海水淡水化装置から排出される熱源と熱交換されることと、
第１熱交換器２０に流入する海水が、第１低温水流動管９を介して前記風力発電機の前記冷却器を経て加温され、第１高温水流動管１９を介して前記第１熱交換器２０に戻った後、第２高温水流動管２１を介して前記海水淡水化装置に流入して海水を淡水化することと、を特徴とする、洋上風力発電－海水淡水化－水電解複合システム。

【請求項2】

前記システムに用いられる廃熱（高温水）及び海水の温度は、周囲環境（風力発電容量、地域など）に合わせて設定することができることを特徴とする、請求項１に記載の洋上風力発電－海水淡水化－水電解複合システム。

【請求項3】

前記淡水化装置に用いられる海水淡水法は、
吸着式淡水法（ＡＤ）、膜蒸留法（ＭＤ）または蒸発法（ＭＥＤ、ＭＳＦ、ＭＶＲ）の中から選択されるいずれかであることを特徴とする、請求項１に記載の洋上風力発電－海水淡水化－水電解複合システム。

【請求項4】

前記淡水化装置に用いられる水素生産方法は、
低温水電解（ＰＥＭ）方法であることを特徴とする、請求項１に記載の洋上風力発電－海水淡水化－水電解複合システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、洋上風力発電の廃熱源を活用することが可能なシステムに関し、より詳細には、洋上風力発電－海水淡水化－水電解複合システムに関する。

【背景技術】

【0002】

自然エネルギー発電には、風力、水力（潮力）、波力、太陽電池、太陽熱などがあるが、その中でも、風力は、指標に対して垂直に設置することができるため、他の自然エネルギー発電設置に比べて設置面積が小さく、しかも昼夜を問わず利用できる。この風力発電を、未処理水又は海水を逆浸透プラントで処理するための圧力ポンプの電力に用いることが特許文献１、２に開示されている。このように海水の淡水化を目的として海水を汲み上げるポンプの電力として風力発電を用いることが特許文献３に開示されている。また、海水の淡水化装置で得られた淡水を電気分解して水素を生産する電力として風力発電を用いることが特許文献４に開示されている。

【0003】

風力を直接動力源として用いて海水の淡水化を行う試みもある。特許文献５には、風車軸に空気圧縮機を連結し、圧縮空気タンクからの圧縮空気を海水に作用させて海水から淡水を製造する浸透圧式海水淡水化装置が開示されている。また、特許文献６には、海水淡水化プラント用蒸発管に海水を送る手段として、風力駆動式海水淡水化プラントが開示されている。

【0004】

現在の商業用大型風力発電設備においては、陸上か海上かに関係なく、既存の設置された送電線と連結して発電した電気はリアルタイムで送電されて利用される形態となっている。海上は、障害物が存在せず、風車を回すのに適した環境なので、風力発電設備の立地関連問題から比較的自由になるので、最近、洋上風力発電設備の設置が増えている。

【0005】

洋上風力発電設備の設置電力を効率よく得るために非常に有利である。しかし、海洋上に風力発電設備を設置する場合、海洋上の立地部分から陸上の既設送電線を連結する送電設備を新設する必要があり、大規模工事となって設置コストが過度に増大し、この問題が水上風力発電設備普及の妨害要素として作用していた。

【0006】

また、風力発電設備を利用した発電は、風によるものなので、需要とは無関係に発電が行われるので、リアルタイムで電気を需要先に供給する従来の形態では、運転制御が容易な他の発電手段と組み合わせて利用することが不可欠であり、この点も普及の妨害要素として作用していた。

【0007】

上述した理由から水上に風力発電設備を設置する場合、電力を効率よく得ることができることが知られているにも拘らず、水上風力発電が十分に普及していないのが現在までの状況である。

【0008】

上述した風力などの自然エネルギーは、環境に優しく、資源の枯渇も起こさないので、適当なエネルギー源と考えやすいが、しかし、これらはいずれも、自然の地理的条件に制約され、気象条件や場所によっては所望の発電電力を得ることが難しいこともある。今後、風力エネルギー、或いは潮流や海流などの自然エネルギーが豊富に存在する海洋上でこれらを利用することができれば良いだろう。このような問題を克服するための方法として、最近、洋上風力エネルギーを用いて水素を生産するグリーン水素生産に関する研究が国内外で盛んに行われている。

【0009】

近年、地球温暖化などにより雨が局所的にあるいは短時間に降りて水資源が地理的あるいは時間的に偏在してしまうことや、林業衰退又は森林伐採などにより山間部の保水力が低下することなどによって水資源を安定的に確保することが難しいという問題がある。水資源を安定的に確保するために、海水を淡水化する逆浸透法（ＲＯ）、吸着式淡水法（ＡＤ）、膜蒸留法（ＭＤ）、蒸発法（ＭＥＤ、ＭＳＦ、ＭＶＲ）などの海水淡水化方法がある。また、海洋上でこのような海水淡水方法を活用して得られた淡水を用いれば、水素を生産することができる。

【0010】

洋上風力発電機は、電力生産に伴う加温現象を予防するために冷却器を設置する。このとき、冷熱源を用いて熱交換された冷水は、加温されて温水（廃熱源）として排出される。このように捨てられる廃熱源を活用して、海水淡水法によって水を生産するとともに低温電解水法によって水素と酸素を生産することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【文献】特開２００４－５３７６６８（名称：海水又は汽水淡水化プラント付き風力発電プラント、公表日：２００４年１２月１６日）

【文献】特開２０００－２０２４４１（名称：風力発電機による海水淡水化装置の運転装置および海水淡水化方法、公開日：２０００年７月２５日）

【文献】特開２００４－２９０９４５（名称：海水淡水化システム、公開日：２００４年１０月２１日）

【文献】特開２００５－０６９１２５（名称：風力発電装置及び風力発電を利用した水素製造設備、公開日：２００５年３月１７日）

【文献】特開２００３－０８３２３０（名称：風車発電装置及び風車プラントとそれらの運転方法、公開日：２００３年３月１９日）

【文献】特開２００５－５２１５５７（名称：海水淡水化プラント用蒸発管、公表日：２００５年７月２１日）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

本発明は、かかる問題点を改善するために発明されたもので、その目的は、洋上風力発電機の冷却器で熱交換の後に捨てられる温水廃熱源を活用して、海水淡水法によって水を生産するとともに低温電解水法によって水素と酸素を生産することができる、洋上風力発電－海水淡水化－水電解複合システムを提供することにある。

【0013】

本発明の技術的課題は、上述したものに限定されず、上述していない別の技術的課題は、以降の記載から当業者に明確に理解できるであろう。

【課題を解決するための手段】

【0014】

上記の目的を達成するために、本発明の一実施形態による洋上風力発電－海水淡水化－水電解複合システムは、風の力でブレードを回転させて電力を生産し、電力生産による加温現象を防止するための冷却器を含む風力発電機と、冷却器を通過して熱交換の後に排出される温水を用いて海水を淡水化する海水淡水化装置と、海水淡水化装置で海水の淡水化が行われた後に吐出される淡水（超純水）と熱源の供給を受けて水素の生産に利用する水電解装置と、を含み、水素生産の後に水電解装置から吐出される熱源の一部を冷却器と熱交換し、海水淡水装置から排出される熱源と熱交換されることを特徴とする。そして、風力発電機で生産された電気で海水淡水化装置と水電解装置の供給電力として使用する。

【0015】

また、本発明の一実施形態による洋上風力発電－海水淡水化－水電解複合システムに用いられる廃熱（高温水）及び海水の温度は、周囲環境（風力発電容量、地域など）に合わせて設定することができることを特徴とする。

【0016】

また、本発明の一実施形態による洋上風力発電－海水淡水化－水電解複合システムに含まれる淡水化装置に用いられる海水淡水法は、吸着式淡水法（ＡＤ）、膜蒸留法（ＭＤ）又は蒸発法（ＭＥＤ、ＭＳＦ、ＭＶＲ）の中から選択されるいずれかであることを特徴とする。

【0017】

また、本発明の一実施形態による洋上風力発電－海水淡水化－水電解複合システムに含まれる水電解装置に用いられる水素生産方法は、低温水電解（ＰＥＭ）方法であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0018】

本発明の一実施形態によれば、洋上風力発電機の冷却器で熱交換の後に捨てられる温水廃熱源を活用して、海水淡水法によって水を生産するとともに低温電解水法によって水素と酸素を生産することができる、洋上風力発電－海水淡水化－水電解複合システムが提供できるという効果がある。

【0019】

本発明の効果は、上述した効果に限定されず、上述していない別の効果は、請求の範囲の記載から当業者には明確に理解できるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の一実施形態による洋上風力発電－海水淡水化－水電解複合システムの廃熱源（未活用熱源）を活用した熱源システムの構成を示す図である。

【図2】本発明に適用可能な海水淡水化方法のうち、膜蒸留法（ＭＤ）、蒸発法（ＭＥＤ、ＭＳＦ、ＭＶＲ）及びＰＥＭ水電解装置の流入温度及び吐出温度のシステム構成を示す図である。

【図3】本発明に適用可能な海水淡水化方法のうち、吸着式淡水法（ＡＤ）とＰＥＭ水電解装置の流入温度及び吐出温度のシステム構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、添付図面を参照して、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を容易に実施し得る程度に本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。

【0022】

実施形態を説明するにあたり、本発明の属する技術分野において周知であり、本発明と直接関連しない技術内容については、説明を省略する。これは、不要な説明を省略することにより、本発明の要旨を不明にすることなく、より明確に伝えるためである。

【0023】

同様の理由で、添付図面において、一部の構成要素は、誇張又は省略されているか、或いは概略的に示されている。また、各構成要素の大きさは、実際の大きさを完全に反映するものではない。各図中の同一または対応する構成要素には、同じ参照番号を付した。

【0024】

図１は、本発明の一実施形態による洋上風力発電－海水淡水化－水電解複合システムの廃熱源（未活用熱源）を活用した熱源システムの構成を示す図である。

【0025】

図１を参照すると、本発明の一実施形態による洋上風力発電－海水淡水化－水電解複合システムは、風の力でブレードを回転させて電力を生産し、電力生産による加温現象を防止するための冷却器を含む風力発電機１０と、冷却器を通過して熱交換の後に排出される温水を用いて海水を淡水化する海水淡水化装置３０と、海水淡水化装置３０で海水の淡水化が行われた後に吐出される熱源の供給を受けて水素の生産に利用する水電解装置５０と、を含み、海水の淡水化後に海水淡水化装置３０から吐出される熱源の一部は、冷却器から排出される温水と熱交換されることを特徴とする。

【0026】

第１熱交換器２０に流入する海水が、第１低温水流動管９を介して風力発電機１０の発電機及び冷却器７を経て加温され、第１高温水流動管１９を介して第１熱交換器２０に戻った後、第２高温水流動管２１を介して海水淡水化装置３０に流入し、一部は第２熱交換器４０に流入して水電解装置５０を利用した水素生産の熱源として使用されることもできる。

【0027】

また、海水淡水化装置３０は、第２低温水流動管２６及び第３低温水流動管２７を用いて海水を直接汲み上げて淡水化過程に利用し、淡水化過程が完了した後は、第４低温水流動管２８および淡水化装置排出管２９を介して第２熱交換器４０に流体を供給する。

【0028】

また、水電解装置５０は、第２熱交換器４０と連通した水電解装置流入管４５を介して流体の供給を受けて水素の生産に利用し、水素外の流体は水電解装置排出管５５を介して排出して第１熱交換器２０および第２熱交換器４０の熱源として利用することができるようにする。

【0029】

図２は、本発明に適用可能な海水淡水化方法のうち、膜蒸留法（ＭＤ）、蒸発法（ＭＥＤ、ＭＳＦ、ＭＶＲ）及びＰＥＭ水電解装置の流入温度及び吐出温度のシステム構成を示す図である。

【0030】

図２を参照すると、海水淡水化装置３０、水電解装置５０の流入温度及び吐出温度が表示されている。

【0031】

風力発電機１０を冷却するために第１熱交換器２０に流入する海水は、効率のよい熱交換のために１０度（℃）以下の温度を有し、発電機及び冷却器７を経て熱交換を済ませた海水は、６０～８０度（℃）の温度で海水淡水化装置３０に供給される。このとき、第３低温水流動管２７を介して海水淡水化装置３０の冷却水として直接供給される海水の温度は１０度（℃）以下であり、状況によっては、海水冷熱源を使用せずに、一般冷却器を直接使用することもできる。

【0032】

ここで、淡水化を経て生産された水蒸気は、冷却水（冷却器）を介して凝縮して淡水（超純水）を得る。状況に応じて、超純水製造装置を追加使用することができる。このとき、生産水の温度は１０～３０度（℃）程度となる。

【0033】

ここで、本発明の一実施形態による洋上風力発電－海水淡水化－水電解複合システムに含まれる海水淡水化装置３０に用いられる海水淡水法は、膜蒸留法（ＭＤ）又は蒸発法（ＭＥＤ、ＭＳＦ、ＭＶＲ）の中から選択されるいずれかであることを特徴とする。

【0034】

図３は、本発明に適用可能な海水淡水化方法のうち、吸着式淡水法（ＡＤ）とＰＥＭ水電解装置の流入温度及び吐出温度のシステム構成を示す図である。

【0035】

図３を参照すると、吸着式淡水法（ＡＤ）を用いる海水淡水化装置３０は、第２低温水流動管２６を介して１０～２０度（℃）の海水（海水淡水の原水）を流入させ、第３低温水流動管２７を介しては１０度（℃）以下の海水（冷却水）を流入させる。状況によっては、海水冷熱源を使用せずに、一般冷却器を直接使用することもできる。

【0036】

また、第３低温水流動管２７を通過した１０度（℃）以下の冷水は、水蒸気吸着熱源として使用し、第２高温水流動管２１を通過した６０～８０度（℃）の温水は、吸着された水蒸気の脱着熱源として使用することができる。

【0037】

ここで、海水淡水化を経て生産された水蒸気は、第３低温水流動管２７の冷却水（冷却器）を介して凝縮して淡水（超純水）を得、淡水の水質状況に応じて、超純水製造装置を追加使用することができる。このとき、生産水の温度は１０～３０度（℃）程度となる。

【0038】

また、効率の良い水素生産のためには、超純水が必要であり、流入温度を５０～８０度（℃）に維持しなければならない。海水淡水化によって得た超純水（１０～３０度（℃））は、５０度（℃）での加温が必要であり、このときの加温熱源として、風力発電の廃熱、海水淡水化の後に捨てられる廃熱源、水素生産の後に排出される水電解装置５０の廃熱源（６０度（℃））を活用することができる。

【0039】

一方、本明細書および図面には、本発明の好適な実施形態について開示しているが、たとえ特定の用語が使用されたが、これは、単に本発明の技術内容を容易に説明し、発明の理解を助けるための一般的な意味で使用されたものであり、本発明の範囲を限定しようとするものではない。ここに開示された実施形態の他にも、本発明の技術的思想に基づく他の変形例が実施可能であることは、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に自明である。

【符号の説明】

【0040】

３ ブレード
５ 発電機支持台
７ 発電機
９ 第１低温水流動管
１０ 風力発電機
１９ 第１高温水流動管
２０ 第１熱交換器
２１ 第２高温水流動管
２２ 第３高温水流動管
２６ 第２低温水流動管
２７ 第３低温水流動管
２８ 第４低温水流動管
２９ 淡水化装置排出管
３０ 海水淡水化装置
４０ 第２熱交換器
４５ 水電解装置流入管
５０ 水電解装置
５５ 水電解装置排出管

【図1】

【図2】

【図3】