高温岩体地熱エネルギー
Extraction of heat from subterranean rocks

高温岩体（HDR）は、アクセスが困難な極めて豊富な地熱エネルギー源です。地球の深部ほぼ全域に存在する、高温でありながら本質的に乾燥しており、不浸透性の結晶質基盤岩には、膨大な熱エネルギーが蓄えられています。 [1] HDRから有用な量の地熱エネルギーを抽出する方法は、 1970年にロスアラモス国立研究所で考案され、同研究所の研究者はそれをカバーする米国特許を取得しました。[2]

この技術は、米国、日本、オーストラリア、フランス、英国を含む世界各地で複数の深井戸を掘削し、数十億ドル規模の研究資金を投じて広範囲に試験されてきました。この技術は、関連技術である強化地熱システム（EGS）とともに、政府主導による大規模な研究調査（高額な深部掘削と岩石調査を含む）の焦点であり続けています。熱エネルギーは、長年にわたる十分に持続可能な試験で回収されており、場合によっては発電も達成されています。しかし、人工貯留層、関連井戸、および揚水システムの高コストと容量の限界のため、商業プロジェクトは進行中ではなく、その可能性も低いです。通常、試験では1つまたは複数の亀裂が開かれるため、貯留層表面の熱交換面積は限られています。この技術が他のエネルギー源と競合するためには、掘削コストを大幅に削減するか、実際の亀裂ネットワークを通過する、より広範で複雑かつ高速な流路をもたらす新しいアプローチを確立する必要があります。研究コミュニティの熱意は、エネルギー供給の規模が膨大であることと、この方法が環境に与える影響が低いことから正当化されるが、これを商業的なエネルギー資源にするには、大きな進歩が必要となるだろう。

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Renewable energy

概要

比較的限られていて既にかなり商業化されている熱水資源と混同されることがよくあるが、HDR地熱エネルギーは非常に異なる。[3]熱水エネルギー生産が地殻内にすでに存在する高温流体を利用できるのに対し、HDRシステム（加圧HDR貯留層、地表から掘削されたボーリング孔、地表注入ポンプおよび関連配管で構成）は、加圧流体の閉ループ循環によって高温だが乾燥した地域から地球の熱を回収する。地表から高圧で注入されたこの流体は、基盤岩に既存の節理を開き、1立方キロメートルにも及ぶ人工の貯留層を作り出す。貯留層に注入された流体は高温の岩石表面から熱エネルギーを吸収し、その熱を地表に伝えて実用に供する。

歴史

深部高温乾燥岩石熱採掘のアイデアは、コンスタンチン・ツィオルコフスキー（1898年）、チャールズ・パーソンズ（1904年）、ウラジミール・オブルチェフ（1920年）によって提唱されました。[4]

1963年にパリで、天然の岩石の熱を利用した地熱暖房システムが建設されました。[4]

フェントンヒルプロジェクトは、人工的に形成された貯留層からHDR地熱エネルギーを抽出する最初のシステムであり、1977年に構築されました。[4]

テクノロジー

計画と管理

貯留層は節理の圧力膨張によって形成されるため、周囲の岩盤の弾性応答により、周辺部には圧縮され密閉された岩盤領域が形成されます。これにより、HDR貯留層は完全に閉じ込められ、閉じ込められた状態となります。したがって、このような貯留層は完全にエンジニアリングされており、物理的特性（サイズ、生成深度）だけでなく、運転パラメータ（注入圧力、生産圧力、生産温度など）も事前に計画し、厳密に制御することができます。一方で、貯留層の圧縮性と閉じ込め性により、抽出できるエネルギー量と速度は大幅に制限されます。

掘削と加圧

Brown ら[5]が述べているように、HDR 地熱エネルギーシステムは、まず従来の掘削法を用いて深部の高温の基盤岩領域にアクセスすることによって開発されます。選択された領域に開口した断層や節理がないことが確認されると (最も一般的な状況)、最初のボーリング孔の隔離されたセクションが、岩盤内の以前は密閉されていた複数の節理を開くのに十分なレベルまで加圧されます。連続的なポンプ操作 (水圧刺激) により、岩盤内の節理流路が相互に連結した大規模な刺激岩盤領域 (HDR 貯留層) が生成されます。これらの流路が開くと、圧力によって活性化された節理に沿って動きが起こり、地震信号 (微小地震) が発生します。これらの信号を分析することで、開発中の貯留層の位置と大きさに関する情報が得られます。

生産井

典型的には、HDR貯留層は楕円体の形状をしており、その最長軸は地球の最小主応力に直交します。この圧力刺激領域には、2本の生産井が掘削され、刺激領域の細長い端部付近でHDR貯留層を横切ります。ほとんどの場合、最初の掘削井が3本の井戸からなる加圧水循環システムの注入井となります。

手術

運転中は、地殻応力に抗して相互接続された節理網を開通させ、HDR貯留層を流体が高速で効率的に循環するのに十分な圧力で流体が注入されます。通常のエネルギー生産中は、周囲の岩盤にさらなる圧力刺激を与える圧力をわずかに下回る圧力に注入圧力が維持されます。これは、エネルギー生産を最大化し、貯留層のさらなる成長を抑制するためです。しかし、貯留層の大きさが限られているため、貯留層のエネルギーは制限されます。また、高圧運転は配管およびポンプシステムに多大なコストを追加します。

生産性

HDR貯留層内に新たに形成された開口節理の配列の体積は、圧力刺激を受けた岩盤の体積の1%をはるかに下回ります。これらの節理が圧力と冷却膨張を続けると、貯留層全体の流動抵抗が減少し、高い熱生産性につながります。冷却によって亀裂が冷却され、より多くの岩石が露出すれば、これらの貯留層は時間の経過とともに改善される可能性があります。これまでのところ、貯留層のエネルギー増加は、費用のかかる新たな高圧井刺激による取り組みからのみもたらされていると報告されています。

実現可能性調査

地球深部から熱を採掘する可能性は、ロスアラモス国立研究所が1978年から1995年にかけて実施した、それぞれ約1年間の循環を伴う2つの別々のHDR貯留層流動実証実験で実証されました。これらの画期的なテストは、ニューメキシコ州中北部のジェメズ山脈にある研究所のフェントンヒルHDRテストサイトで、深さ8,000フィート（2,400メートル）以上、岩石温度180℃を超える環境で行われました。[6]これらのテストの結果、革命的な新しいHDR地熱エネルギー概念の技術的実現可能性が決定的に実証されました。フェントンヒルに形成された2つの別々の貯留層は、現在でも世界で唯一、流動試験が行われた真に閉じ込められたHDR地熱エネルギー貯留層です。これらのテストでHDRシステムが構築できることが実証されましたが、流量とエネルギー抽出率は井戸のコストを正当化するものではありませんでした。[要出典]

フェントンヒルテスト

フェーズI

フェントンヒルで試験された最初のHDR貯留層（フェーズI貯留層）は1977年6月に造成され、1978年1月から4月にかけて75日間、熱出力4MWで流動試験が行われた。[7]地表注入圧力900psi（6.2MPa）における最終的な水損失率は、毎分2米ガロン（7.6L/分）（注入率の2%）であった。この初期の貯留層は、本質的に圧力膨張したほぼ垂直の単一のジョイントで構成され、流動抵抗は0.5psi/米ガロン/分（0.91kPa/L/分）と極めて小さいことが示された。

フェーズIの最初の貯留層は1979年に拡張され、1980年にはさらに約1年間の流動試験が行われた。[8]最も重要な点は、この流動試験によって拡張された貯留層も封水されていることが確認され、6 gpmという低い水損失率を示したことである。この貯留層は、最初の貯留層（前述の通り、1978年初頭に75日間の流動試験が実施されていた）の単一のほぼ垂直な節理に、新たに圧力刺激によって形成された一連のほぼ垂直な節理が加わったものであった。これらの節理は、元の節理の走向に対してやや斜めに傾斜していた。[要出典]

フェーズII

1983年後半に行われた大規模水圧破砕（MHF）作業により、より深く高温のHDR貯留層（フェーズII）が形成されました。[8] 1985年春に最初の閉ループ流動試験（ICFT）によって最初の流動試験が行われました。この試験は1ヶ月強続きました。[9] ICFTから得られた情報は、1992年から1995年にかけて実施されたその後の長期流動試験（LTFT）の基礎となりました。

LTFTは、複数の個別の定常流動試験と、その間に多数の追加実験が組み合わさった試験から構成されていました。[10] 1992年から1993年にかけて、2回の定常循環試験が実施されました。最初の試験は112日間、2回目の試験は55日間でした。どちらの試験でも、180℃を超える温度、90～100米ガロン/分（20～23 m 3 /時）の速度で水が定期的に生産され、約4MWの熱エネルギーが継続的に生産されました。この期間中、貯留層圧力は（閉鎖期間中も含め）約15 MPaに維持されました。

1993年半ばから、貯留層はほぼ2年間閉鎖され、加圧は実質的にゼロまで低下しました。1995年春、システムは再び加圧され、66日間にわたる3回目の連続循環運転が実施されました。[11]驚くべきことに、以前の2回の試験で観測された生産パラメータは急速に回復し、定常エネルギー生産は以前と同じレベルで再開されました。これらの流動試験期間における閉鎖段階と運転段階の両方における観測は、この人工貯留層の境界にある岩石が加圧とそれに伴う貯留層領域の膨張によって圧縮されたことを明確に示しました。

LTFTの結果、HDR操業における主要な懸念事項であった水の損失が解消されました。[12] LTFT期間中、水の消費量は注入量のわずか7%にまで減少し、定常循環条件下ではさらに減少し続けることがデータから示されました。生産された流体中の溶解固体およびガスは、低濃度（海水の塩分濃度の約10分の1）で急速に平衡値に達し、流体は試験期間を通じて地球化学的に無害な状態を維持しました。[13]自動化された地上プラントの定常運転により、HDRエネルギーシステムは、既に多くの無人商用水熱発電所で採用されているのと同じ経済的な人員配置スケジュールで稼働できることが示されました。

テスト結果

フェントンヒル試験は、EGSを含む天然の熱水資源と比較して、完全に人工的に構築されたHDR貯留層の利点を明確に実証しました。岩石の体積、流体容量、温度など、貯留層の重要な物理的特性はすべて、人工的に貯留層を創造する際に確立され、貯留層全体が超応力を受けた密閉された岩石の周縁部に囲まれているため、操業条件のあらゆる変化は、地表で行われた意図的な変更によって完全に決定されます。対照的に、天然の熱水「貯留層」は本質的に開放されており、したがって非閉じ込め（境界が大きく変化する）であるため、自然条件の変化の影響を受けます。一方、閉じ込めが少なく、より複雑で、圧力が低く、より広範囲に亀裂が広がる自然システムは、はるかに高い井戸流量と低コストの発電開発を可能にします。[要出典]

HDR 貯留層のもう一つの利点は、その閉じ込められた性質により負荷追従運転に非常に適していることです。負荷追従運転では、変動する電力需要に合わせてエネルギー生産量を変化させます。このプロセスは、この技術の経済的競争力を大幅に高めることができます。[14]このコンセプトは、フェーズ II のテスト期間の終わり近くに評価されました。このとき、生産ボーリング孔周辺の高圧貯留層領域をプログラム的にベントダウンすることにより、エネルギー生産量が 1 日 4 時間にわたって 60% 増加しました。2 日以内に、このプロセスをコンピューター化することが可能になり、残りのテスト期間中は、希​​望するスケジュールに従って生産量が自動的に増減しました。2 つの生産レベル間の遷移は 5 分未満で行われ、各レベルで定常生産が一貫して維持されました。このような負荷追従運転は、非閉じ込め容積と境界条件のため、天然の熱水システム、さらには EGS システムでも実施できませんでした。負荷追従発電は、地熱開発の経済性を向上させることはほとんどありません。なぜなら、燃料費は実質的に前払いとなるため、使用を遅らせることは経済性を悪化させるだけだからです。通常の地熱システムも（必然的に）負荷追従発電に利用されてきましたが、この種の発電は保守費用を増大させ、一般的に収益を減少させます（一部の負荷に対しては価格が上昇しているにもかかわらず）。[要出典]

フェントンヒルでの実験は、HDR技術が、加圧貯留層の形成と循環方法だけでなく、管理の柔軟性においても他に類を見ない技術であることを明確に示しました。通常の熱水技術との共通点は、どちらも発電機を稼働させる温水を生産する井戸を基盤としている点のみです。[要出典]

ソルツテスト

1986年、フランスとドイツはソルツ＝スー＝フォレでHDRシステム計画を開始した。1991年には深さ2.2kmまで井戸を掘削し、刺激試験を行った。しかし、貯留層形成の試みは、高い水損失が観測されたため失敗に終わった。[15] [16]

1995年には井戸を3.9kmまで掘り下げ、掘削刺激を行いました。1997年には貯留層の形成に成功し、4ヶ月間にわたり25L/s（6.6 USgal/s）の流量で水損失のない循環試験を実施しました。[16]

2003年に井戸は5.1kmまで深く掘られた。3つ目の貯留層を作るための刺激が行なわれ、2005年から2008年にかけての循環試験中に、約160℃の温度の水が低水分損失で生産された。発電所の建設が開始された。[17] 発電所は2016年に発電を開始し、総容量は1.7MW eであった。[18] 1.7MWの試験プラントは純粋な実証プラントである。比較すると、通常の地熱発電所の開発では、通常10～100MWの初期プラントが含まれる。これらのプラントは商業的に成功する可能性はあるが、桁違いに多くのエネルギーを生産する浅い井戸を安価なパイプラインや発電所につなぐHDRシステムよりもはるかに安価である。 HDR 技術を使用して、深部岩石に蓄えられた膨大な量の熱エネルギーにアクセスできるようになる画期的な進歩が起こる可能性はありますが、特にリスクがはるかに低い太陽光とバッテリーの組み合わせで急速に進歩が見られることと比較すると、その進歩はごくわずかであるように思われます。[引用が必要]

未確認システム

結晶質基盤岩における圧力刺激による非圧入地熱系の試験については、数多くの報告がある。例えば、英国コーンウォールのローズマノーズ採石場[19] 、日本の肘折[20]および雄勝[21] カルデラ、オーストラリアのクーパー盆地[22]などである。しかし、これらの「人工」地熱系はすべて、HDR技術の調査に向けたプログラムの下で開発されたものではあるものの、加圧循環中に観測された高い水分損失によって証明されているように、開放系であることが判明している。[23] 本質的に、それらはすべてEGSまたは熱水系であり、真のHDR貯留層ではない。

強化地熱システム

EGSの概念は、1990年に米国エネルギー省（DOE）が主催した地熱シンポジウムでロスアラモスの研究者によって初めて説明されました[24]。これは、DOEがHDRの独自の特性ではなく、地熱採掘の地熱側面を強調するためにEGSという用語を作り出した何年も前のことでした。

HWRとHDR

高温湿潤岩（HWR）地熱水技術は、基盤岩に自然に存在する高温流体を利用しますが、このようなHWR条件は稀です。[25]世界の地熱資源の大部分（98%以上）は、高温だが乾燥した基盤岩であり、天然には水が存在しません。これは、HDR技術が地球上のほぼすべての場所に適用可能であることを意味します（HDR地熱エネルギーはどこにでも存在すると主張される理由です）。一方、非経済的な資源は、実際には単なるエネルギー貯蔵であり、有用ではありません。

通常、アクセス可能な結晶質基盤岩の広大な領域では、温度は深度とともに上昇します。この地温勾配は、HDR資源の主要な変数であり、場所によって20℃/km未満から60℃/kmを超える範囲にわたります。同時にHDRの経済変数となるのは、適切な貯留層の開発を可能にするのに十分な岩石温度に達する深度まで掘削するためのコストです。[26]新型PDC（多結晶ダイヤモンドコンパクト）ドリルビット、掘削タービン、流体駆動型パーカッション技術（マッドハンマー[27]など）といった硬質結晶質基盤岩を掘削するための新技術の登場により、近い将来、HDRの経済性は大幅に向上する可能性があります。

混乱の可能性

前述の通り、1990年代後半、エネルギー省（DOE）は基盤岩からの地熱エネルギー抽出の試みすべてを「EGS」と呼ぶようになりました。これは、文献上および技術上の混乱を招きました。文献上、HDRからのエネルギー抽出に関する研究について論じている出版物は多数存在しますが、「EGS」という用語は一切使用されていません。そのため、「EGS」という用語でインターネット検索しても、これらの出版物は見つかりません。[要出典]

しかし、本稿で明らかにされているように、HDRとEGSの技術的な区別は、さらに重要かもしれない。地球の基盤岩の透水性は、完全に不浸透性のHDRから、わずかに浸透性のあるHWR、そして高度に浸透性のある従来型熱水岩石に至るまでの連続体であると説明されている情報源もある[28]。しかし、この連続体の概念は技術的に正しくない。より適切な見方は、不浸透性のHDR岩石を、透水性岩石の連続体とは別の状態と見なすことである。これは、完全に閉じられた蛇口と、流れが細流であろうと洪水であろうと、ある程度開いている蛇口を区別するのと同じである。同様に、HDR技術はEGSとは全く異なるものとして捉えるべきである。残念ながら、十分な流量を得るために蛇口を開けるのは容易ではない。[要出典]

さらに読む

フェントンヒルでの実験の全容を含むHDR開発に関する決定的な本が、2012年4月にシュプリンガー・フェアラーク社から出版されました。[6]

用語集

  • DOE、エネルギー省（米国）
  • EGS（強化地熱システム）
  • HDR、高温岩石
  • HWR、高温湿潤岩
  • ICFT、初期閉ループフローテスト
  • LTFT、長期フローテスト
  • MHF、大規模水圧破砕
  • PDC、多結晶ダイヤモンド成形体（ドリルビット）

参考文献

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