地熱エネルギー

地熱エネルギーは、地球の地殻から抽出される熱エネルギーです。これは、惑星の形成と放射性崩壊からのエネルギーを組み合わせたものです。地熱エネルギーは、何千年もの間、熱源や電力源として利用されてきました。

たとえば、温泉水を利用した地熱暖房は、旧石器時代から入浴に、ローマ時代から暖房に利用されてきました。地熱発電（地熱エネルギーからの発電）は、20 世紀から利用されています。風力や太陽エネルギーとは異なり、地熱発電所は気象条件に関係なく、一定の割合で電力を生産します。地熱資源は、理論上、人類のエネルギー需要を満たすのに十分すぎるほどです。地熱資源の採掘のほとんどは、プレート境界付近の地域で行われています。

地熱発電のコストは、1980年代から1990年代にかけて25%減少しました。^[1]技術の進歩によりコストは引き続き削減され、それによって実行可能な資源の量が増加しました。2021年、米国エネルギー省は、「今日建設された」発電所からの電力コストは約0.05ドル/kWhであると推定しました。^[2]

2019年には、全世界で13,900メガワット（MW）の地熱発電が利用可能でした。^[3]さらに28ギガワットが、2010年時点で地域暖房、空間暖房、スパ、工業プロセス、淡水化、農業用途に熱を提供しました。^[4] 2019年時点で、この業界では約10万人が雇用されています。^[5]

形容詞「地熱」は、ギリシャ語の「地球」を意味する「γῆ ( gê )」と「熱い」を意味する「θερμός ( thermós )」に由来しています。

温泉は、少なくとも旧石器時代から入浴に使われてきました。^[6]最も古い温泉は華清池宮の跡地にあります。紀元1世紀、ローマ人はアクア・スリス（現在のイギリス・サマセット州バース）を征服し、そこの温泉を公衆浴場や床暖房の供給源として利用しました。これらの浴場の入場料は、おそらく地熱エネルギーの最初の商業利用を表しています。世界最古の地熱地域暖房システムは、フランスのショード・エーグにあり、15世紀から稼働しています。^[7]最も古い産業利用は、1827年にイタリアの ラルデレロで間欠泉の蒸気を使用して火山泥からホウ酸を抽出したときに始まりました。

1892年、米国アイダホ州ボイジーで地熱エネルギーを利用した最初の地域暖房システムが稼働しました。これは1900年にオレゴン州クラマスフォールズで模倣されました。地熱エネルギーを主な熱源として利用した世界初の建物は、1907年に始まったオレゴン州ユニオン郡のホット レイク ホテルです。 ^{[8]地熱井戸は1926年にボイジーの}温室の暖房に使用され、ほぼ同時期に間欠泉がアイスランドとトスカーナの温室の暖房に使用されました。 ^[9]チャールズ リーブは1930年に自宅の暖房用に最初のダウンホール熱交換器を開発しました。間欠泉の蒸気と水が1943年にアイスランドの住宅の暖房に使用され始めました。

20世紀には、地熱エネルギーが発電源として利用されるようになった。ピエロ・ジノリ・コンティ王子は1904年7月4日、ラルデレッロの蒸気田で最初の地熱発電機をテストした。4つの電球を点灯させることに成功した。^[11] 1911年には、世界初の商業用地熱発電所がそこに建設された。ニュージーランドが1958年に発電所を建設するまで、ここは地熱発電の唯一の産業生産者であった。2012年には約594メガワットを生産した。^[12]

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。^[13]オリジナルのタービンは30年以上稼働し、11MWの純電力を生産しました 。 [ ^14]

有機流体をベースとしたバイナリサイクル発電所は、1967年にソ連で初めて実証され^[13]、その後1981年に米国に導入されました^[要出典]。この技術により、81℃という低温資源の利用が可能になります。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サイクル発電所が稼働し、記録的な低温である57℃（135℉）から発電を開始しました。^[15]

地球の内部熱量は10 ³¹ ジュール（3·10 ¹⁵  TWh）で、このうち約20%は惑星の集積による残留熱で、残りは天然に存在する同位体の過去および現在の放射性崩壊によるものです。^[16]例えば、イギリスのコーンウォールにあるユナイテッドダウンズ深部地熱発電プロジェクトの深さ5275メートルの掘削孔では、トリウム含有量が非常に高い花崗岩が見つかりました。この花崗岩の放射性崩壊が岩石の高温のエネルギー源であると考えられています。^[17]

地球内部の温度と圧力は、一部の岩石を溶かし、固体マントルを塑性変形させるほど高い。マントルの一部は周囲の岩石よりも軽いため、上向きに対流する。核とマントルの境界の温度は4,000℃（7,230℉）を超えることもある。^[18]

地球内部の熱エネルギーは伝導によって44.2テラワット（TW）の割合で地表に流れ出しており^[19]、鉱物の放射性崩壊によって30TWの割合で補充されています^[20] 。これらの電力率は、すべての一次エネルギー源からの人類の現在のエネルギー消費量の2倍以上ですが、このエネルギー流の大部分は回収できません。内部の熱流に加えて、表面の最上層から深さ10メートル（33フィート）までが夏には太陽エネルギーによって加熱され、冬には冷却されます。

季節による変化を除けば、世界のほとんどの地域では、地殻内の温度勾配は深さ1kmあたり25～30℃（77～86℉）です。伝導熱流束は平均0.1MW/km ^{2です。これらの値は、地殻が薄いプレート境界付近でははるかに高くなります。}マグマ導管、温泉、熱水循環などの流体循環の組み合わせによって、さらに増加する可能性があります。

発電の熱効率と収益性は、特に温度に敏感です。用途は、温泉からの高い自然熱流から最大の恩恵を受けることができます。次善の策は、高温帯水層に井戸を掘ることです。人工の温水貯留層は、水を注入して岩盤を水圧破砕することで構築できます。この最後のアプローチのシステムは、強化地熱システムと呼ばれます。^[21]

2010年の地熱発電の潜在能力の推定値は、投資規模に応じて0.035 ～ 2TWと^{6倍に及ぶ。 [4]地熱資源の上限推定値は井戸の深さが10キロメートル（6}マイル）と想定されているが、20世紀の井戸は深さ3キロメートル（2マイル）以上に達することはほとんどなかった。^[4]この深さの井戸は石油業界では一般的である。^[22]

地熱発電は地熱エネルギーから発電される電力です。この目的のために、乾式蒸気、フラッシュ蒸気、バイナリサイクル発電所が使用されています。2010年現在、地熱発電は26か国で行われています。^{[24] [25]}

2019年現在、世界の地熱発電容量は15.4ギガワット（GW）に達し、そのうち23.86％にあたる3.68GWが米国にあります。 [ ^26]

地熱エネルギーはアイスランド、エルサルバドル、ケニア、フィリピン、ニュージーランドの電力のかなりの割合を供給しています。^[27]

地熱発電は、地球の熱量に比べて熱抽出率がわずかであるため、再生可能エネルギーであると考えられています。^[20]地熱発電所の温室効果ガス排出量は、平均して1キロワット時あたり45グラムの二酸化炭素であり、石炭火力発電所の5％未満です。^[28]

地熱発電所は伝統的に、高温の地熱資源が地表に接近するプレート境界に建設されてきた。バイナリーサイクル発電所の開発と掘削・抽出技術の改良により、より広範囲の地理的範囲で地熱システムを強化することが可能となった。 ^{[21]ドイツの}ランダウ・プファルツとフランスのソルツ・スー・フォレで実証プロジェクトが稼働中である一方、スイスのバーゼルで以前に行われた取り組みは地震を引き起こしたため中止された。その他の実証プロジェクトはオーストラリア、イギリス、米国で建設中である。 ^[32]ミャンマーでは39か所以上で地熱発電が可能であり、そのうちのいくつかはヤンゴン近郊にある。^[33]

地熱暖房は、地熱エネルギーを利用して建物や水を温め、人間が使用するものです。人類は旧石器時代からこれを行ってきました。2004年には約70か国が合計270 PJの地熱暖房を直接利用しました。2007年現在、28 GWの地熱暖房は世界の一次エネルギー消費量の0.07%を満たしています。^[4] エネルギー変換が不要なため熱効率は高いですが、熱は主に冬に必要となるため、設備利用率は低くなる傾向があります（約20%）。

冷たい地面にも熱が含まれています。6メートル（20フィート）以下の地面では、撹乱されていない地面の温度は、地中熱ヒートポンプで抽出できる年間平均気温^[34]と一貫しています。

水熱システムは、天然に存在する水熱貯留層にアクセスして地熱エネルギーを生成します。水熱システムには、蒸気主体型と液体主体型があります。

ラルデレロとガイザーズは蒸気優位です。蒸気優位の場所では、過熱蒸気が発生する 240 ～ 300 °C の温度が実現します。

液体優位の貯留層（LDR）は、温度が200 °C（392 °F）を超える場合によく見られ、太平洋周辺の火山の近く、リフトゾーン、ホットスポットで見つかります。フラッシュプラントは、これらの源から電気を生成する一般的な方法です。井戸からの蒸気は、プラントの電力として十分です。ほとんどの井戸は2～10 MWの電力を生成します。蒸気はサイクロン分離器によって液体から分離され、発電機を駆動します。凝縮された液体は、再加熱/再利用のために井戸に戻ります。2013年時点で最大の液体システムはメキシコのセロプリエトで、350 °C（662 °F）に達する温度から750 MWの電力を生成します。

低温LDR（120～200℃）はポンプを必要とする。これらは、米国西部やトルコなど、断層に沿った深部循環によって加熱が行われる伸張性地形でよく見られる。水はランキンサイクルバイナリープラントの熱交換器を通過する。水は有機作動流体を蒸発させ、タービンを駆動する。これらのバイナリープラントは1960年代後半にソ連で始まり、新しいプラントでは主流となっている。バイナリープラントは排出物を出さない。^{[12] [35]}

人工地熱システムとは、技術者が人工的に作り出したり改良したりした地熱システムである。人工地熱システムは、高温岩石はあるものの、地質流体の量が不十分であったり、岩石の浸透性や多孔性が不十分であったりするなど、天然の貯留層の品質が不十分なさまざまな地熱貯留層で使用され、天然の熱水システムとして機能する。人工地熱システムの種類には、強化地熱システム、閉ループまたは高度地熱システム、一部の超高温岩体地熱システムなどがある。^[36]

強化地熱システム（EGS）は、井戸に水を積極的に注入して加熱し、ポンプで汲み上げます。水は高圧で注入され、既存の岩の亀裂を拡張して水が自由に流れるようにします。この技術は、石油とガスの水圧破砕技術から採用されました。地質構造はより深く、有毒化学物質は使用されないため、環境への被害の可能性は低くなります。代わりに、砂やセラミック粒子などのプロパントを使用して亀裂を開いたままにして、最適な流量を生み出します。^{[37]掘削者は、貯留層のサイズを拡大するために}方向性掘削を採用できます。^[12]

小規模EGSはフランスのソルツ・スー・フォレのライングラベンとドイツのランダウとインスハイムに設置されている。^[12]

閉ループ地熱システムは、俗に高度地熱システム（AGS）とも呼ばれ、岩石の孔や亀裂に直接接触することなく、高温岩体貯留層で加熱される地下作動流体を含む人工地熱システムです。代わりに、地下作動流体は、地球の熱を伝導する深く埋設されたパイプの閉ループ内に留まります。深部の閉ループ地熱回路の利点には、（1）地質流体が不要、（2）高温岩石が透過性または多孔質である必要がない、（3）導入された作動流体はすべて損失なしで再循環できる、などがあります。^{[36]カナダに拠点を置く地熱スタートアップ企業である} Eavor ^tmは、カナダのアルバータ州の浅い軟岩層で閉ループシステムを試験的に導入しました。堆積盆地内にあるため、地温勾配は発電には不十分であることが判明しました。しかし、このシステムは最初の2年間の運用で約11,000MWhの熱エネルギーを生産することに成功しました。」^{[38] [39]}

風力や太陽エネルギーと同様に、地熱発電の運用コストは最小限で、資本コストが支配的です。掘削コストがコストの半分以上を占め、すべての井戸が利用可能な資源を生み出すわけではありません。たとえば、ネバダ州の典型的な井戸ペア（抽出用と注入用）は4.5メガワット（MW）を生産でき、掘削コストは約1,000万ドルで、失敗率は20％であるため、成功した井戸の平均コストは5,000万ドルになります。^[40]

地熱井の掘削は、いくつかの理由により、同等の深さの石油井やガス井の掘削よりも費用がかかります。

• 地熱貯留層は通常、火成岩または変成岩の中にあり、典型的な炭化水素貯留層の堆積岩よりも浸透が困難です。
• 岩石は割れていることが多く、振動が発生してビットやその他の掘削ツールが損傷します。
• 岩石は研磨性があり、石英の含有量が多く、腐食性の高い液体を含むこともあります。
• 岩石は高温であるため、坑内電子機器の使用は制限されます。
• 井戸のケーシングは、温度変化によるケーシングの膨張と収縮の傾向に耐えるために、上から下までセメントで固める必要があります。石油井戸とガス井戸は通常、底部のみセメントで固められます。
• 井戸の直径は一般的な石油・ガス井戸よりもかなり大きい。^[41]

2007年時点では、発電所の建設と井戸の掘削には1MWの電力容量あたり約200万～500万ユーロの費用がかかり、損益分岐点は1kW時あたり0.04～0.10ユーロでした。^[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、資本コストは1MWあたり400万ドルを超え、損益分岐点は1kW時あたり0.054ドルを超えています。^[42]

2013年から2020年の間、民間投資は再生可能エネルギーの主な資金源であり、総資金の約75％を占めていました。民間資金と公的資金の割合は、再生可能エネルギー技術ごとに異なり、市場での魅力と準備状況に影響されます。2020年には、地熱エネルギーへの投資のわずか32％が民間資金からでした。^{[43] [44]}

2024年1月、エネルギー部門管理支援プログラム（ESMAP）の報告書「地熱エネルギー開発の社会経済的影響」が発表され、地熱エネルギー開発の大きな社会経済的利益が強調されました。地熱エネルギー開発は、さまざまな部門で1メガワットあたり推定34人の雇用を生み出し、風力や太陽光を大幅に上回っています。報告書では、地熱プロジェクトが実践的な職場訓練と正式な教育を通じてスキル開発に貢献し、それによって地元の労働力を強化し、雇用機会を拡大する方法について詳しく説明しています。また、地熱開発と地元コミュニティの協力的な性質も強調しており、それがインフラ、スキル構築プログラム、収益分配モデルの改善につながり、信頼性の高い電気と熱へのアクセスを強化します。これらの改善は、農業生産性と食糧安全保障を高める可能性があります。報告書はさらに、雇用機会、教育、訓練を過小評価されているグループに提供し、地熱開発の利益への公平なアクセスを確保することで、ジェンダー平等と社会的包摂を推進するという取り組みにも取り組んでいます。これらの取り組みは総合的に、国内経済の成長を促進し、財政収入を増やし、より安定した多様な国家経済に貢献するとともに、より良い健康、教育、地域社会の結束など、大きな社会的利益をもたらします。^[45]

地熱プロジェクトには開発段階がいくつかある。各段階にはリスクが伴う。多くのプロジェクトは、従来の融資には適さない偵察や地質調査の段階で中止される。後の段階では、多くの場合、自己資本による資金調達が可能となる。^[46]

地熱システムでよく見られる問題は、システムが炭酸塩に富んだ地層にある場合に発生します。このような場合、地下から熱を抽出する流体は、地表に向かって上昇する途中で岩石の破片を溶解し、その後冷却されます。流体が冷却されると、溶解した陽イオンが溶液から沈殿し、カルシウムスケールが形成されます。この現象は方解石スケールと呼ばれます。この方解石スケールにより、流量が低下し、メンテナンスのためにシステムの停止が必要になる可能性があります。^[47]

地熱エネルギーは、地球の熱量（2010年の世界全体の年間エネルギー消費量の約1000億倍）に比べて抽出される熱が非常に少ないため、持続可能であると考えられています。^[4]地球の熱の流れは平衡状態ではなく、地球は地質学的時間スケールで冷却しています。通常、人為的な熱抽出は冷却プロセスを加速しません。

さらに、井戸は、抽出した水をボーリングホールに戻して、低温ではあるものの、再加熱して再抽出するため、再生可能とみなすことができます。

物質の使用をエネルギーに置き換えることで、多くの用途で人間の環境フットプリントが削減されています。地熱はさらなる削減を可能にする可能性があります。たとえば、アイスランドには、発電用の化石燃料を排除し、レイキャビクの歩道を暖めて凍結防止剤を散布する必要をなくすのに十分な地熱エネルギーがあります。^[48]

しかし、熱抽出の局所的な影響を考慮する必要がある。^[20]数十年にわたって、個々の井戸は局所的な温度と水位を下げてきた。ラルデレロ、ワイラケイ、ガイザーズの3つの最も古いサイトでは、局所的な枯渇により生産量が減少しました。熱と水は、不確かな割合で抽出され、補充されるよりも速く抽出されました。生産量を減らし、追加の水を注入することで、これらの井戸は元の容量を回復できる可能性があります。そのような戦略は、いくつかのサイトで実施されています。これらのサイトは、引き続きかなりのエネルギーを供給しています。^{[49] [50]}

ワイラケイ発電所は1958年11月に稼働を開始し、 1965年に173MWのピーク発電量を達成したが、高圧蒸気の供給はすでに停滞していた。1982年に中圧にダウングレードされ、出力は157MWとなった。2005年には8MWのイソペンタンシステム2基が追加され、出力が約14MW増加した。再編により詳細データは失われた。

地下から汲み上げられた流体には、二酸化炭素（CO
₂）、硫化水素（H
₂S）、メタン（CH
₄）とアンモニア（NH
₃これらの汚染物質は、放出されると地球温暖化、酸性雨、悪臭の原因となる。既存の地熱発電所は、平均122キログラム（269ポンド）のCOを排出している。
₂1メガワット時（MW·h）の電力あたりの排出量は、化石燃料発電所の排出強度のごく一部です。 ^{[51] [更新が必要]}トルコの地熱発電所など、最初の数年間はガス火力発電所よりも多くの汚染物質を排出する発電所がいくつかあります。^[52]酸や揮発性化学物質のレベルが高い発電所では、通常、排気ガスを削減するための排出制御システムが装備されています。Eavorが開発した新しいクローズドループ技術は、これらの排出量をゼロに削減する可能性があります。^[38]

地熱源から採取した水には、水銀、ヒ素、ホウ素、アンチモンなどの微量の有毒元素が溶解している可能性があります。^[53] これらの化学物質は水が冷えると沈殿し、放出されると周囲に損傷を与える可能性があります。地熱流体を地中に還元して生産を促進する現代の慣行には、この環境への影響を軽減するという副次的な利点があります。

建設工事は土地の安定性に悪影響を及ぼす可能性がある。ワイラケイ油田では地盤沈下が発生した。[ ^7]ドイツのシュタウフェン・イム・ブライスガウでは、代わりに地殻隆起が起こった。以前は隔離されていた無水石膏層が水と接触して石膏に変わり、体積が2倍になった。^{[54] [55] [56]} 強化地熱システムは、水圧破砕の一環として地震を誘発する可能性がある。スイスのバーゼルでのプロジェクトは、注水開始から6日間でリヒタースケールで最大3.4の地震が1万回以上発生したため中断された。 ^[57]

地熱発電には、最小限の土地と淡水しか必要ありません。地熱発電所は、1ギガワットの電力生産（容量ではありません）あたり3.5平方キロメートル（1.4平方マイル）の土地を使用しますが、石炭施設と風力発電所ではそれぞれ32平方キロメートル（12平方マイル）と12平方キロメートル（4.6平方マイル）です。^[7 ]地熱発電所は、1MW·hあたり20リットル（5.3米ガロン）の淡水を使用しますが、原子力、石炭、石油では1MW·hあたり1,000リットル（260米ガロン）以上を使用します。^[7]

フィリピンでは、 1962年にフィリピン火山地震研究所がアルバイ州ティウィの地熱地域を調査したときに地熱研究が始まりました。^[58]フィリピン初の地熱発電所は1977年にレイテ島トンゴナンに建設されました。^[58]ニュージーランド政府は1972年にフィリピンと契約して発電所を建設しました。^[59]トンゴナン地熱地帯（TGF）にはアッパーマヒアオ、マトリボグ、サウスサンバロランの発電所が追加され、508MVの容量になりました。^[60]

ティウィ地域で最初の地熱発電所は1979年に開設され、その後1980年と1982年に2つの発電所が開設された。 ^{[58]ティウィ地熱地帯は}マニラから約450km離れた場所にある。^[61]ティウィ地域の3つの地熱発電所は330MWeを生産しており、フィリピンは地熱発電の成長において米国やメキシコに遅れをとっている。^[62]フィリピンには7つの地熱地帯があり、2030年までに国のエネルギーの70%を生産することを目指す「フィリピンエネルギー計画2012-2030」を策定して地熱エネルギーの開発を続けている。^{[63] [64]}

地熱エネルギー協会（GEA）によると、米国の地熱発電設備容量は2013年に5％増加し、147.05MWとなった。この増加は、2012年に生産を開始した7つの地熱プロジェクトによるものである。GEAは2011年の設備容量の推定値を128MW上方修正し、米国の地熱発電設備容量は3,386MWとなった。^[65]

セゲド市は、地域暖房システムに地熱エネルギーを利用して、ガス消費量を50パーセント削減しようとしている。セゲド地熱発電所には27本の井戸、16の暖房プラント、250キロメートルの配管がある。^[66]

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ウィキメディア・コモンズには、地熱エネルギーに関連するメディアがあります。

• 「ハワイ地下水・地熱資源センター」ハワイ大学マノア校2023-07-16 . 2023-08-07閲覧。
• 「地熱上昇::地球を利用して地球を救う」www.geothermal.org 。 2023年8月7日閲覧。
• エネルギー効率と再生可能エネルギー – 地熱技術オフィス
• 国際エネルギー機関 地熱エネルギーホームページ
• NREL – 地熱研究
• 2022年地熱エネルギーの利点と課題についての議論