【エネルギー】地熱発電とは何か？　～仕組みと可能性～

　そのため、設備は複雑となり、建設コストも膨らみますが、発電量（出力量）を向上させる効果があります。

　仕組みとしては、気水分離機によって1回目の熱水・蒸気分離が行われたあとに、残った熱水はフラッシャーと呼ばれるに送られ、さらにそこから蒸気が抽出される（2回目）というものです。国内で最大の地熱発電所、八丁原発電所で採用されています。

ドライスチーム

　フラッシュサイクルが熱水と蒸気を分離させる方式であるのに対し、このドライスチーム方式は、熱水と蒸気を分離させるステップを踏みません。地下から取り出された蒸気がほとんど熱水を含まず、気水分離機を使って分離をさせる必要がない場合に用いることができます。1966年に運転を開始した日本で最初の地熱発電所、松川地熱発電所で採用されています。

バイナリーサイクル（バイナリー発電）

　地下から取り出された蒸気や熱水が温度が低い場合に用いられる方式です。温度が低い場合には、蒸気のエネルギーが小さいため、効率的にタービンを回すことができません。そこで、蒸気エネルギーを別のエネルギーに変えるアイデアが生まれました。それがバイナリーサイクルです。

（出所）九州電力

　バイナリーサイクルのポイントは、蒸気や熱水の力をそのままでは使わない点にあります。

　地下から取り出された蒸気や熱水は、それ自体が高温であり熱をもっています。気水分離器で蒸気と熱水に分離されたあと、熱水は予熱器に、蒸気は蒸発器に送られます。そして、この予熱器と蒸発器により、沸点が水よりも低いアンモニアやペンタン・フロンが温められ、蒸発させられます。アンモニアやペンタン・フロンは沸点が低いため、水蒸気分よりも多くの気体を得られるのです。そのため、水蒸気をそのままタービンに運ぶより、より多くのタービンを回す力が得られます。

　このバイナリーサイクルは、比較的新しい技術です。日本では八丁原発電所で試験的に運用が行われています。試験運用にはイスラエルのオーマット社製の設備が用いられています。

　さらに、バイナリーサイクルは、比較的低温の熱水でも発電可能な技術であるため、現在、高温の温泉を施設にバイナリーサイクルの発電設備を併設させ、発電を行うという構想（温泉発電）も練られています。
　

高温岩体発電

（出所）電力中央研究所

　これまで説明してきたフラッシュサイクルやドライスチーム、バイナリーサイクルは、地下から熱水や蒸気を取り出して行う発電方式です。

　しかしこの方式は、地下に十分な水分が貯留されている場合には適用できますが、地下に高温の岩盤（高温岩体）だけがあり、水分がない場合には活用できません。

　それに代わって、水分がなくても地下の熱を利用してしまおうというアイデアが、高温岩体発電です。仕組みは、地上から高圧の水分を送り込んで岩盤を破砕し、人工的に地熱貯留層を創り出します。さらに、気水分離後や発電後に発生する温水を、還元井を通じて再び地熱貯留水に戻し、循環的に地下に水を溜めるシステムを作り上げるモデルです。高温岩体発電は深度2～3km 程度、岩盤温度200～300度程度のポイントを掘削対象としています。

　この高温岩体発電の建設に際し、還元井のポイントを見極めることも大切です。還元井された温水は、再び蒸気井へとつながるポイントに戻っていかなければなりませんし、蒸気井に近すぎると、マグマ溜りで十分に加熱することができません。そのため、破砕の際の振動を分析し、この人工地熱貯留層へとつながる別のひびを掘削して、還元井を創りだすという技術が開発されています。

　この高温岩体発電は国内ではまだ実用化されていません。しかしながら、国内で実用化されると、38GW以上（福島原子力発電所1号機～6号機までの合計が4.7GW）におよぶ資源量が国内で利用可能と見られています。（電力中央研究会）

　海外では、グーグルの社会貢活動門「Google.org」が、高温岩体発電の研究開発に取り組む研究機関に対し、合計1,025万ドルを投資する計画を2008年に明らかにしました（情報はコチラ）。また、オーストラリアのジオダイナミクス社は、南オーストラリア州北東部のCooper Basinで大規模な高温岩体地熱発電プラントの建設を進めていましたが、建設完成が大きく遅延し、2016年8月に最終的に建設・運用コストが高くつきすぎると判断、地熱発電プラントの閉鎖と原状復帰を決定しました。

　高温岩体地熱発電は英語で、Enhanced Geothermal systems（EGS）と呼ばれています。こちらの動画は英語ですが、とてもわかりやすくEGSを説明してくれています。

マグマ発電

　さらに、掘削が比較的容易な高温岩体ではなく、より高温で多くの熱エネルギーが得られるマグマ溜り付近に地熱貯留層を創りだすという、「マグマ発電」構想も研究機関では練られています。

地熱発電のメリット

二酸化炭素発出量が少ない

（出所）Union of Concerned Scientists

発電コストが比較的低い

（出所）IEA

地熱発電の懸念点

資源の枯渇化

　まず、「いつか地熱貯留層の蒸気や熱水が枯渇してしまうのではないか？」という点です。枯渇までいかなくても、何らかの状況により地下物質の温度や圧力が変わっても、従来通りの発電力は期待できなくなってしまいます。そのため、枯渇が見込まれた場合には、新たな発電所を建設する必要が出てきます。

　さらに、地熱貯留層の水源を巡る温泉産業の反発という問題もあります。地熱発電により地下の熱水や蒸気が早期に枯渇してしまうのではないかという懸念や、地熱発電所が景観を損ね、観光地の魅力を下げてしまうのではないかという懸念が、温泉地から実際に上がっています。

費用対効果

　次に、「必ず地熱貯留層を掘り当てられるか？」という問題もあります。地熱貯留層や高温岩体は地上からは100%の確率で掘り当てることはできないため、失敗すると膨大な費用が無駄になってしまう点です。この不確実性も、地熱発電促進の大きな足かせとなっています。

自然破壊の可能性

　さらに、「自然破壊につながらないか？」という問題もあります。国内の地熱貯留層は山岳地帯に位置しており、エリアの大半は国立公園として保護されているエリアに該当します。1972年に当時の通商産業省と環境庁の間で交わされた覚書により、既設の発電所を除き、国立公園内に新たな地熱発電所を建設しないという取り決めがなされていました。しかし、東日本大震災後のエネルギー規制改革の中で、環境省は、2012年3月に『国立・国定公園内における地熱開発の取扱いについて』を発表し、国立・国定公園内の「普通地域」での地熱発電建設を許可、「第2種及び第3種特別地域」での傾斜掘削型の地熱発電建設を許可しました。そしてさらに2015年10月、「『国立・国定公園内における地熱開発の取扱いについて』の改正について」を発表し、「第1種特別地域」での傾斜掘削も許可しました。

　日本や世界の地熱発電の現状については、別の記事で解説しています。

【エネルギー】世界と日本の地熱発電の現況〜日本、アメリカ、フィリピン、インドネシア、アイスランドを中心に〜

夫馬 賢治

株式会社ニューラル 代表取締役社長兼サステナビリティ研究所所長