地熱発電

アイスランドの地熱発電所、クラフラ
地熱発電プロジェクトを設置または開発中の国

地熱発電は、地熱エネルギーから発電される電力です。現在使用されている技術には、乾式蒸気発電所、フラッシュ蒸気発電所、バイナリーサイクル発電所などがあります。地熱発電は現在26カ国で利用されており[1] [2]、地熱暖房は70カ国で利用されています[ 3 ] 。

2019年現在、世界の地熱発電容量は15.4ギガワット（GW）で、そのうち23.9％（3.68GW）が米国に設置されています。 [ 4 ]国際市場は2015年までの3年間で年平均5％成長し、世界の地熱発電容量は2020年までに14.5〜17.6GWに達すると予想されています。[ 5 ]地熱エネルギー協会（GEA）が公表している現在の地質学的知識と技術に基づき、GEAはこれまでに世界の潜在的地熱発電量のわずか6.9％しか利用されていないと推定していますが、IPCCは地熱発電の潜在的発電量は35GWから2TWの範囲であると報告しています 。[ 3 ]電力の15%以上を地熱資源で発電している国には、エルサルバドル、ケニア、フィリピン、アイスランド、ニュージーランド、[ 6 ] コスタリカなどがあります。インドネシアは推定29GWの地熱エネルギー資源を保有しており、これは世界最大の規模です。2017年の設備容量は1.8GWでした。

地熱発電は、地球の熱量に比べて抽出される熱量が少ないため、持続可能な再生可能なエネルギー源であると考えられています。[ 7 ]地熱発電所の温室効果ガス排出量は、 1キロワット時あたり平均45グラムの二酸化炭素で、従来の石炭火力発電所の5%未満です。[ 8 ]

地熱は電力と暖房の両方に利用できる再生可能エネルギー源として、2050年までに世界の需要の3～5％を満たす潜在力を秘めています。経済的インセンティブがあれば、2100年までに世界の需要の10％を地熱発電で満たすことが可能になると推定されています。[ 6 ]

歴史と発展

20世紀には、電力需要の高まりから、地熱発電を発電源として検討するようになりました。ピエロ・ジノリ・コンティ王子は、 1904年7月4日にイタリアのラルデレロで最初の地熱発電機の試験を行いました。発電機は4つの電球を点灯させることに成功しました。[ 9 ]その後、1911年には世界初の商用地熱発電所がラルデレロに建設されました。 1920年代には日本の別府とカリフォルニア州ガイザーズに実験用の発電機が建設されましたが、1958年までイタリアは世界で唯一の地熱発電の工業生産国でした。

地熱発電上位5カ国の動向、1980～2012年（米国EIA）
世界の地熱発電容量。上の赤い線は設置容量、[ 10 ]、下の緑の線は実際の生産量です。[ 3 ]

1958年、ニュージーランドはワイラケイ地熱発電所の稼働開始により、地熱発電の主要産業生産国として世界第2位となりました。ワイラケイはフラッシュスチーム技術を採用した最初の発電所でした。[ 11 ]過去60年間の純流体生産量は2.5 km³を超えています。ワイラケイ・タウハラにおける地盤沈下は、再生可能エネルギー源としての同システムの拡張開発に関する環境許可に関する数々の公式公聴会で問題となってきました。[ 6 ]

1960年、パシフィック・ガス・アンド・エレクトリック社は、カリフォルニア州ガイザーズで米国初の地熱発電所の運転を開始しました。[ 12 ]最初のタービンは30年以上稼働し、11MW の正味電力を生産しました。[ 13 ]

有機流体をベースとしたバイナリーサイクル発電所は、1967年にソビエト連邦で初めて実証され[ 12 ] 、その後、 1970年代のエネルギー危機と規制政策の大幅な変更を受けて、1981年に米国に導入されました。この技術は、81℃（178℉）という低温資源の利用を可能にします。2006年には、アラスカ州チェナホットスプリングスのバイナリーサイクル発電所が稼働を開始し、57℃（135℉）という記録的な低温流体から発電を行いました。[ 14 ]

地熱発電所は、最近まで地表付近の高温地熱資源が利用可能な地域にのみ建設されてきました。バイナリーサイクル発電所の開発と掘削・採掘技術の進歩により、より広範囲の地域に地熱発電システムを導入することが可能になる可能性があります。 [ 15 ]ドイツのランダウ＝ファルツとフランスのソルツ＝スー＝フォレでは実証プロジェクトが稼働しており、スイスのバーゼルでは地震が発生したため以前のプロジェクトが中止されました。オーストラリア、イギリス、アメリカ合衆国でも実証プロジェクトが建設中です。[ 16 ]

地熱発電所の熱効率は低く、7～10%程度である[ 17 ]。これは地熱流体がボイラーの蒸気に比べて温度が低いためである。熱力学の法則により、この低温により、発電時に熱機関が有用なエネルギーを抽出する効率が制限される。排熱は、例えば温室、製材所、地域暖房などで直接かつ現地で利用できない限り、無駄になる。システムの効率は、石炭や他の化石燃料発電所のように運用コストには影響しないが、発電所の実現可能性には影響する。ポンプが消費するよりも多くのエネルギーを生産するために、発電には高温の地熱地帯と特殊な熱サイクルが必要である。地熱発電は、例えば風力や太陽光のように変動するエネルギー源に依存しないため、設備利用率は非常に高く、最大96%が実証されている。[ 18 ]しかし、 IPCCによると、2008年の世界の平均設備利用率は74.5％でした。[ 19 ]

リソース

強化地熱システム1: 貯留層 2: ポンプ室 3: 熱交換器 4: タービン室 5: 生産井 6: 注入井 7: 地域暖房用温水 8: 多孔質堆積物 9: 観測井 10: 結晶質岩盤

地球の熱量は約1 × 10 19  TJ（2.8 × 10 15  TWh）です。[ 3 ]この熱は伝導によって自然に地表に44.2 TWの割合で流れ出ており[ 20 ]、放射性崩壊によって30 TWの割合で補充されています。[ 7 ]これらのエネルギー率は、人類が現在一次エネルギー源から消費しているエネルギーの2倍以上ですが、このエネルギーの大部分は拡散しすぎていて（平均約0.1 W/m 2 ）、回収できません。地球の地殻は、事実上、厚い断熱ブランケットとして機能しており、その下の熱を放出するには、マグマ、水、その他の流体導管で貫通させる必要があります。

発電には、地下深くからしか得られない高温資源が必要である。熱は、マグマの導管、温泉、熱水循環、油井、掘削された水井、またはこれらの組み合わせによる流体循環によって地表まで運ばれなければならない。この循環は、地殻が薄い場所では自然に存在している場合がある。マグマの導管は熱を地表近くに運び、温泉は熱を地表に運ぶ。温泉がない場合は、高温の帯水層に井戸を掘削する必要がある。プレート境界から離れた世界のほとんどの地域では、地温勾配は深さ1キロメートルあたり25～30°C（1マイルあたり70～85°F）であるため、発電を可能にするには井戸を数キロメートルの深さにする必要がある。[ 3 ]採掘深度とプレート境界への近さに応じて、回収可能な資源の量と質は向上する。

高温だが乾燥している地盤、あるいは水圧が不十分な地盤では、流体を注入することで生産を促進することができます。開発業者は候補地に2つの穴を掘り、その間の岩盤を爆薬または高圧水で破砕します。そして、一方の穴から水または液化二酸化炭素を注入し、もう一方の穴からガスとして上昇させます。[ 15 ]この方法は、ヨーロッパでは高温岩体地熱エネルギー、北米では強化地熱システムと呼ばれています。この方法は、従来の天然帯水層の採取よりもはるかに大きな潜在的エネルギーを得られる可能性があります。[ 15 ]

地熱エネルギーの潜在的発電量は、投資規模に応じて35～2000GWと推定されている。[ 3 ]この数値には、コージェネレーション、地熱ヒートポンプ、その他の直接利用によって回収される非電気熱は含まれない。マサチューセッツ工科大学（MIT）による2006年の強化地熱システムの潜在能力を含む報告書では、15年間で10億ドルの研究開発費を投資すれば、2050年までに米国だけで100GWの発電能力を創出できると推定されている。[ 15 ] MITの報告書では、抽出可能量は200 × 10 9  TJ（200 ZJ、5.6 × 10 7 TWh）以上と推定されており、技術向上によりこれを2,000 ZJ以上に増やすことが可能であり、これは数千年 分の世界の現在のエネルギー需要をすべて賄うのに十分であるとされている。[ 15 ]

現在、地熱井の深さは3 km (2 mi) を超えることは稀です。[ 3 ]地熱資源量の上限推定では、井戸の深さは10 km (6 mi) と想定されています。石油業界ではこの深さ近くの掘削は現在可能ですが、費用のかかるプロセスです。世界で最も深い調査井であるコラ超深度掘削孔(KSDB-3) の深さは12.261 km (7.619 mi) です。[ 21 ] 4 km (2.5 mi) を超える深さまで掘削された井戸には、一般的に数千万ドルの掘削費用がかかります。[ 22 ]技術的な課題は、低コストで広い穴を掘削することと、より大量の岩石を破砕することです。

地熱発電は、地球の熱量に比べて抽出する熱量が少ないため持続可能だと考えられているが、局所的な枯渇を避けるために抽出を監視する必要がある。[ 7 ]地熱地帯は数十年にわたって熱を供給できるが、個々の井戸は冷えたり、水が枯渇したりすることがある。ラルデレロ、ワイラケイ、ガイザーズの3つの最も古い地点は、いずれもピーク時から生産量を減少させている。これらの発電所が深部からの補充よりも速くエネルギーを抽出したのか、それとも供給源である帯水層が枯渇しつつあるのかは明らかではない。生産量を減らし、水を再注入すれば、理論的にはこれらの井戸は潜在能力を完全に回復できる可能性がある。こうした緩和戦略は、すでにいくつかの地点で実施されている。地熱エネルギーの長期的な持続可能性は、1913年以来イタリアのラルデレロ油田、1958年以来ニュージーランドのワイラケイ油田、[ 23 ]および1960年以来カリフォルニアのガイザーズ油田で実証されています。 [ 24 ]

発電所の種類

乾き蒸気（左）、フラッシュ蒸気（中央）、バイナリサイクル（右）発電所。

地熱発電所は、他の蒸気タービン火力発電所と同様に、燃料源（地熱の場合は地球の中心核）からの熱を利用して水などの作動流体を加熱します。この作動流体は発電機のタービンを回転させ、発電します。その後、作動流体は冷却されて熱源に戻されます。

乾式蒸気発電所

乾き蒸気発電所は最も単純かつ古い設計である。このタイプの発電所は乾き蒸気を生成する資源を必要とするため数は少ないが、最も効率的で設備が最も単純である。[ 25 ]これらのサイトでは、貯留層に液体の水が存在する可能性があるが、地表に生成されるのは水ではなく蒸気のみである。[ 25 ]乾き蒸気発電は、150 °C（300 °F）以上の地熱蒸気を直接使用してタービンを回す。[ 3 ]タービンが回転すると発電機が作動し、電気が生成されて電力フィールドに追加される。[ 26 ]次に、蒸気は凝縮器に放出され、そこで液体に戻り、次に水を冷却する。[ 27 ]冷却された水はパイプを流れて凝縮液を深井戸に戻し、そこで再加熱されて再び発電される。カリフォルニア州のガイザーズでは、発電開始から30年後、蒸気供給が枯渇し、発電量が大幅に減少しました。以前の発電能力の一部を回復させるため、1990年代から2000年代にかけて、近隣の市営下水処理施設からの排水を利用するなど、補助的な水注入技術が開発されました。[ 28 ]

フラッシュ蒸気発電所

フラッシュ蒸気発電所は、深部の高圧の熱水を低圧タンクに引き込み、そのフラッシュ蒸気でタービンを駆動します。この発電所では、少なくとも180℃（360℉）の流体温度が必要で、通常はそれ以上です。2022年現在、フラッシュ蒸気発電所は世界の地熱発電所全体の36.7％、設備容量の52.7％を占めています。[ 29 ]フラッシュ蒸気発電所は、180℃を超える温度の地熱貯留層を使用します。熱水は地中の井戸を自身の圧力で上昇します。上昇するにつれて圧力が低下し、熱水の一部が蒸気に変換されます。その後、蒸気は水から分離され、タービン/発電機の動力源として使用されます。残った水と凝縮した蒸気は貯留層に再注入できるため、潜在的に持続可能な資源となっています。[ 30 ] [ 31 ]

バイナリーサイクル発電所

バイナリーサイクル発電所は最も最近開発されたもので、流体温度が57℃（135℉）と低いものでも使用できます。[ 14 ]中温の地熱水は、水よりも沸点がはるかに低い二次流体を通過します。これにより二次流体が瞬間蒸発し、タービンを駆動します。これは、現在建設されている最も一般的なタイプの地熱発電所です。[ 32 ]有機ランキンサイクルとカリーナサイクルの両方が使用されています。このタイプの発電所の熱効率は通常約10～13％です。[ 33 ]バイナリーサイクル発電所の平均ユニット容量は6.3MWで、シングルフラッシュ発電所では30.4MW、ダブルフラッシュ発電所では37.4MW、過熱蒸気発電所では45.4MWです。[ 34 ]

全世界の生産量

シュタウフェン・イム・ブライスガウの歴史的な市庁舎の亀裂は、地熱掘削による損傷によるものと推定される。
フィリピン、東ネグロス島の地熱発電所
エルサルバドル、ウスルタン県の地熱発電センター

国際再生可能エネルギー機関（IREA）は、 2020年末時点で世界全体で14,438MWの地熱発電が稼働し、94,949GWhの電力を発電したと報告しています。 [ 35 ]理論上、世界の地熱資源は人類にエネルギーを供給するのに十分な量です。しかし、現在、世界の地熱資源のうち、採算ベースで探査できるのはごくわずかです。[ 36 ]

アル・ゴア氏は気候プロジェクトアジア太平洋サミットで、インドネシアは地熱エネルギーによる発電の超大国になる可能性があると述べた。[ 37 ] 2013年、インドの公営電力部門は、内陸の州であるチャッティースガル州に同国初の地熱発電所を開発する計画を発表した。[ 38 ]

カナダの地熱発電は、環太平洋火山帯に位置することから高い潜在性を有しています。最も有望な地域は、ブリティッシュコロンビア州からユーコン準州にかけて広がるカナダ・コルディレラ山脈で、推定発電量は1,550MWから5,000MWの範囲です。[ 39 ]

日本の地理的条件は地熱発電に有利です。日本には地熱発電所の燃料供給源となる温泉が数多くありますが、そのためには日本のインフラに巨額の投資が必要になります。 [ 40 ]

ユーティリティグレードのステーション

大陸別の年間地熱発電量[ 41 ]
国別地熱発電量、2021年[ 41 ]

世界最大の地熱発電所群は、アメリカ合衆国カリフォルニア州の地熱地帯、ザ・ガイザーズにあります。[ 42 ] 2021年現在、5か国（ケニア、アイスランド、エルサルバドル、ニュージーランド、ニカラグア）が電力の15％以上を地熱源から発電しています。[ 41 ]

次の表に各国のデータがリストされています。

  • 地熱発電の総発電量（テラワット時）
  • その国の発電量のうち地熱発電が占める割合は
  • 地熱発電容量（ギガワット）
  • 地熱発電容量のパーセント成長、および
  • その年の地熱利用率。

データは2021年のものです。EIA [ 41 ]発電量が0.01TWhを超える国のみを対象としています。各地域へのリンクは、利用可能な場合、関連する地熱発電のページに移動します 。

国 発電量（TWh）%生成。キャップ（GW）キャップ成長率キャップfac.
 世界91.800.3%14.671.771%
 アメリカ合衆国16.240.4%2.601.071%
 インドネシア15.905.2%2.286.980%
 フィリピン10.8910.1%1.93064%
 七面鳥10.773.4%1.683.973%
 ニュージーランド7.8218.0%1.27070%
 アイスランド5.6829.4%0.76086%
 イタリア5.532.0%0.77082%
 ケニア5.1243.4%0.86068%
 メキシコ4.281.3%1.03047%
 日本3.020.3%0.48072%
 コスタリカ1.6012.6%0.26070%
 エルサルバドル1.5823.9%0.20088%
 ニカラグア0.7816.9%0.15058%
 ロシア0.450.04%0.07069%
 パプアニューギニア0.408.2%0.06082%
 チリ0.330.4%0.04094%
 グアテマラ0.322.2%0.05073%
 ホンジュラス0.312.6%0.04091%
 ドイツ0.250.04%0.0515.062%
 ポルトガル0.180.4%0.03070%
 フランス0.130.03%0.02095%
 中国0.130.002%0.03055%
 クロアチア0.070.5%0.01085%

環境への影響

アイスランド南西部にある120MWのネシャヴェトリル発電所

IPCCが調査したライフサイクル全体の排出量調査の50パーセンタイル内に位置する既存の地熱発電所は、平均45kgのCO2を排出している。2発電量1メガワット時当たりの換算排出量（kg CO2eq/ MWh）。[ 43 ]比較のために、石炭火力発電所は1,001kgのCO2二酸化炭素回収・貯留（CCS）と組み合わせない場合、1メガワット時あたりのCO2排出量は、 CO2排出量に換算するとわずかです。 [ 8 ] [ 43 ]多くの地熱プロジェクトは、自然に温室効果ガスを排出する火山活動が活発な地域に位置しているため、地熱発電所は地下貯留層への圧力を下げることで、実際にはガス放出率を低下させる可能性があるという仮説が立てられています。[ 44 ]

高濃度の酸や揮発性化学物質が発生する発電所では、通常、排出ガスを削減するための排出制御システムが設置されています。地熱発電所では、ニュージーランド[ 44 ]やアイスランドのCarbFixプロジェクトのように、これらのガスを二酸化炭素回収・貯留（CCS）の一環として地中に還元することも可能です。

クズルデレ地熱発電所のような他の発電所では、近くの2つの発電所で地熱流体を使用して二酸化炭素ガスをドライアイスに加工する能力を示しており、環境への影響はほとんどありません。[ 45 ]

地熱源からの熱水には、溶存ガスに加えて、水銀、ヒ素、ホウ素、アンチモン、塩分などの微量の有毒化学物質が溶解している可能性があります。[ 46 ]これらの化学物質は、水が冷却されるにつれて溶液から分離し、放出されると環境に悪影響を及ぼす可能性があります。地熱流体を地中に還元して生産を促進するという現代の方法は、こうした環境リスクを軽減するという副次的な効果があります。

発電所建設は地盤の安定性に悪影響を及ぼす可能性があります。ニュージーランドのワイラケイ油田では地盤沈下が発生しています。 [ 47 ]地熱発電システムは、注水によって地震を引き起こす可能性があります。スイスのバーゼルでのプロジェクトは、注水開始から6日間でマグニチュード3.4までの地震が1万回以上発生したため中断されました。 [ 48 ]地熱掘削による隆起のリスクは、シュタウフェン・イム・ブライスガウで経験されています。

地熱発電は、土地と淡水の必要性を最小限に抑えます。地熱発電所は1GWhあたり404平方メートルの土地を必要とします が、石炭火力発電所と風力発電所はそれぞれ3,632平方メートルと1,335平方メートルです。[ 47 ]地熱発電所は1MWhあたり20リットルの淡水を使用しますが、原子力発電所、石炭火力発電所、石油発電所は1MWhあたり1,000リットル以上を必要とします。[ 47 ]

地熱循環システムの働きにより、局所的な気候冷却が起こる可能性はありますが、 1980年代にレニングラード鉱山研究所が行った推定によると、その冷却効果は自然の気候変動に比べれば無視できる程度です。[ 49 ]

火山活動は地熱エネルギーを生み出す一方で、リスクも伴います。2018年のプナ火山下部噴火後、プナ地熱事業は2022年現在もフル稼働に戻っていません。[ 50 ]

経済

地熱発電は燃料を必要としないため、燃料費の変動の影響を受けない。しかし、資本コストは高くなる傾向がある。掘削がコストの半分以上を占め、深部資源の探査には大きなリスクが伴う。ネバダ州の典型的なダブルウェルは4.5MWの発電量に対応でき、掘削費用は約1,000万ドルで、失敗率は20%である。[ 22 ] 発電所の建設と井戸掘削の合計費用は、発電容量1MWあたり約200万～500万ユーロで、平準化発電コストは1kWhあたり0.04～0.10ユーロである。[ 10 ]強化地熱システムはこれらの範囲の上限に位置する傾向があり、2007年には資本コストが1MWあたり400万ドルを超え、平準化発電コストは1kWhあたり0.054ドルを超えた。[ 51 ]

研究によれば、変動性のある再生可能エネルギー源を多く含むエネルギーシステムにおいて、貯留層内貯蔵は強化地熱システムの経済的実現可能性を高める可能性があることが示唆されている。[ 52 ] [ 53 ]

地熱発電は非常に拡張性が高く、初期資本コストは高額になるものの、小規模な発電所でも農村に電力を供給することができます。[ 54 ]

最も開発が進んでいる地熱地帯はカリフォルニア州のガイザーズです。2008年には、この地帯には15の発電所があり、すべてカルパイン社が所有し、総発電容量は725MWでした。[ 55 ]

参照

参考文献

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さらに読む

  • ディピッポ、ロナルド。カリフォルニア州ルイス、グティエレス・ネグリン。チアソン、アンドリュー (2025)。地熱発電: 開発とイノベーション。エルゼビア。ISBN 978-0-443-24750-7。
  • チャンドラセカラム、ドルナドゥラ（2025年）『持続可能な開発のための強化地熱システム（EGS）』エルゼビア社ISBN 978-0-443-30116-2。
  • ストーバー、イングリッド、ブッチャー、クルト（2021年）『地熱エネルギー：理論モデルから探査・開発まで』シュプリンガー、ISBN 978-3-030-71685-1。
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