高温岩体地熱エネルギー

高温岩体（HDR）は、アクセスが難しい、非常に豊富な地熱エネルギー源です。膨大な熱エネルギーが、地球の深部にあるほぼあらゆる場所に存在する高温だが本質的に乾燥しており不浸透性の結晶質基盤岩に蓄えられています。 ^[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、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、英国を含む世界中のいくつかのフィールドエリアで掘削された複数の深井戸と数十億ドルの研究資金の投資によって広範にテストされてきました。この技術は、強化地熱システム（EGS）と呼ばれる関連技術とともに、コストのかかる深部掘削と岩石研究を含む政府主導の大規模な研究調査の焦点であり続けています。熱エネルギーは、何年にもわたる合理的に持続可能なテストで回収されており、場合によっては発電も達成されました。ただし、人工貯留層、関連する井戸、およびポンプシステムのコストが高く、容量が限られているため、商業プロジェクトは進行中でも、実現する可能性も低いです。通常、テストでは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領域は限られています。この技術が他のエネルギー源とうまく競合するためには、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はるかに広範で複雑な高速の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、エネルギー供給の広範さとこの方法の環境への影響の低さによって正当化されますが、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になります。

比較的限られた水熱資源はすでにかなり商業化されているが、HDR地熱エネルギーはそれとは非常に異なる。^{[3]水熱エネルギー生産は}地殻内にすでに存在する高温流体を利用できるが、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。地表から高圧下で注入されたこの流体は、基盤岩の既存の節理を開き、1立方キロメートルにも及ぶ人工の貯留層を形成する。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化する。

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）によって説明されました。^[4]

1963年にパリでは、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]

貯留層は節理の圧力膨張によって形成されるため、周囲の岩盤の弾性反応により、周辺部には圧縮され密閉された岩石領域が形成され、HDR 貯留層は完全に閉じ込められ、封じ込められます。したがって、このような貯留層は完全に設計されており、物理的特性 (サイズ、生成される深さ) と動作パラメータ (注入圧力、生産圧力、生産温度など) を事前に計画し、厳密に制御できます。一方、貯留層の圧縮と閉じ込めの性質により、抽出できるエネルギーの量と速度が厳しく制限されます。

Brown が述べているように、^[5] HDR 地熱エネルギーシステムは、まず、従来の掘削法を使用して深部の高温の基盤岩にアクセスすることによって開発されます。選択した領域に開いた断層や節理がないことがわかったら (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を、岩盤内の以前は密閉されていた節理をいくつか開くのに十分なレベルまで加圧します。連続的なポンプ (水圧刺激) によって、岩盤内の節理流路の相互接続された配列で構成される、刺激された岩盤の非常に大きな領域 (HDR 貯留層) が作成されます。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と、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。

通常、HDR 貯留層は楕円体の形状をしており、その最長軸は最小の主地球応力に直交しています。この圧力刺激領域には、刺激領域の細長い端の近くで HDR 貯留層と交差するように掘削された 2 つの生産井がアクセスされます。ほとんどの場合、最初のボーリング ホールが 3 つの井戸からなる加圧水循環システムの注入井になります。

操作中、流体は、地球の応力に対して相互接続された節理ネットワークを開いたままにし、HDR 貯留層を通じて流体を高速で効果的に循環させるのに十分な圧力で注入されます。通常のエネルギー生産中、注入圧力は、エネルギー生産を最大化し、貯留層のさらなる成長を制限するために、周囲の岩盤の圧力刺激をさらに引き起こすレベルよりわずかに低いレベルに維持されます。ただし、貯留層のサイズ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。一方、高圧操作は、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。

HDR 貯留層内に新たに形成された一連の開いた節理の容積は、圧力刺激を受けた岩盤の容積の 1% よりはるかに少ない。これらの節理が圧力と冷却膨張を続けると、貯留層全体の流れの抵抗が減少し、高い熱生産性がもたらされる。冷却によって亀裂が冷却され、より多くの岩石が露出するようになる場合、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る。現在までに、貯留層のエネルギー増加は、新しい高価な高圧井戸刺激の取り組みからのみもたらされると報告されている。

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貯留層流動実証で証明されました。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°Cを超える場所で行われました。^[6]これらのテストの結果は、革命的な新しいHDR地熱エネルギーコンセプトのエンジニアリング実現可能性を決定的に実証しました。フェントンヒルで作成された2つの別々の貯留層は、現在でも世界中で流動テストされた唯一の真に閉じ込められたHDR地熱エネルギー貯留層です。これらのテストはHDRシステムを構築できることを実証しましたが、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 月に作成され、1978 年 1 月から 4 月にかけて 75 日間、熱出力 4 MW で流量試験が行われました。^[7]最終的な水損失率は、表面注入圧力 900 psi (6.2 MPa) で、毎分 2 米ガロン (7.6 L/分) (注入率の 2%) でした。この最初の貯留層は、本質的に単一の圧力膨張したほぼ垂直のジョイントで構成され、流動抵抗は 0.5 psi/米ガロン/分 (0.91 kPa/L/分) と無視できるほど小さいことが示されました。

最初のフェーズ I 貯水池は 1979 年に拡張され、1980 年には約 1 年間にわたって流量試験が行われました。 ^[8]最も重要なことは、この流量試験によって、拡張された貯水池も閉じ込められており、6 gpm という低い水損失率を示したことです。この貯水池は、最初の貯水池の単一のほぼ垂直な節理 (前述のように、1978 年初頭に 75 日間の流量試験が行われていました) に、元の節理の走向に対してやや斜めの、圧力刺激による一連のほぼ垂直な節理を追加したもので構成されていました。^[要出典]

1983年後半の大規模な水圧破砕（MHF）作業中に、より深くより高温の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フローテスト（ICFT）によって1か月強にわたって初めてフローテストが行​​われました。^[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フローテスト（LTFT）の基礎となりました。

LTFTは、いくつかの個別の定常状態フロー実行と、その間に多数の追加実験が散在していました。^[10] 1992年から1993年には、2つの定常状態循環期間が実施され、最初は112日間、2番目は55日間でした。両方のテスト中、水は定期的に180°Cを超える温度で90〜100 USガロン/分（20〜23 m3 /時）の速度で生成され^、約4MWの熱エネルギーが継続的に生成されました。この期間中、貯留層圧力は（シャットダウン期間中も）約15MPaのレベルに維持されました。

1993 年半ばから、貯留層はほぼ 2 年間閉鎖され、印加圧力は実質的にゼロまで低下しました。1995 年の春、システムは再び加圧され、66 日間の 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 回のテストで観察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。これらのすべての流量テスト期間の閉鎖段階と運用段階の両方での観察により、この人工貯留層の境界にある岩石が加圧とその結果の貯留層領域の膨張によって圧縮されたという明確な証拠が得られました。

LTFTの結果、HDR運用における大きな懸念事項であった水の損失が解消されました。^[12] LTFTの期間中、水の消費量は注入された水の量のわずか7％にまで減少し、データによると定常循環条件下では水の消費量は減少し続けたことが示されています。生成された流体中の溶解した固体とガスは、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、流体はテスト期間を通じて地球化学的に無害なままでした。^[13]自動化された表面プラントの日常的な操作により、HDRエネルギーシステムは、多くの無人の商用水熱プラントがすでに採用しているのと同じ経済的な人員配置スケジュールを使用して稼働できることが示されました。

フェントン ヒルのテストでは、完全に人工的に作られた HDR 貯留層が、EGS を含む天然の熱水資源よりも優れていることが明確に実証されました。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、人工的に貯留層ゾーンを作成した際に確立され、貯留層全体が密閉された岩石の超応力を受けた外周に囲まれているため、動作条件のあらゆる変化は、表面に加えら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、したがって閉じ込められていない (境界が非常に変化しやすい) ため、自然条件の変化の影響を受けます。一方、閉じ込められにくく、より複雑で、圧力が低く、より広範囲に破砕された自然システムは、はるかに高い井戸流量と低コストのエネルギー生成開発をサポートします。^{[引用が必要]}

HDR 貯留層のもう一つの利点は、その密閉された性質により負荷追従操作に非常に適していることです。負荷追従操作では、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。このプロセスにより、この技術の経済的競争力が大幅に向上します。^[14]この概念は、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、生産ボーリング孔の周囲の高圧貯留層領域のプログラムされたベントダウンにより、エネルギー生産量が 1 日 4 時間 60% 増加しました。2 日以内にプロセスをコンピューター化できるようになり、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には 5 分もかからず、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操作は、密閉されていない体積と境界条件のため、天然の熱水システム、さらには EGS システムでも実装できませんでした。負荷追従は、燃料費が実質的に前払いとなるため、地熱開発の経済性を向上させることはほとんどなく、使用を遅らせると経済性が損なわれるだけです。通常の地熱システムも（必然的に）負荷追従に適用されてきましたが、この種の発電は保守コストを増加させ、一般的に収益を減らします（一部の負荷の価格が高いにもかかわらず）。^{[引用が必要]}

フェントン ヒルでの実験により、HDR 技術は、加圧貯留層の形成と循環の方法だけでなく、管理の柔軟性という点でもユニークであることが明確に実証されました。通常の熱水技術と共通しているのは、どちらも発電機を動かす温水を生産する井戸に基づいているという点だけです。^{[引用が必要]}

1986年、フランスとドイツによるソルツ・スー・フォレでのHDRシステムプロジェクトが開始された。1991年に井戸が2.2kmの深さまで掘削され、刺激された。しかし、貯水池を作る試みは、高い水損失が観測されたため失敗に終わった。^{[15] [16]}

1995年に井戸は3.9kmまで深く掘られ、刺激された。1997年に貯水池の形成に成功し、水損失のない25L/s（6.6USgal/s）の流量で4か月間の循環テストが達成された。^[16]

2003年に井戸は5.1kmに深くされた。3つ目の貯留層を作るために刺激が与えられ、2005年から2008年にかけての循環テスト中に、約160℃の温度で低い水分損失で水が生成された。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のテストプラントは、純粋にデモンストレーションプラントである。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がありますが、HDRシステムよりもはるかに安価で、浅い井戸で桁違いに多くのエネルギーを安価なパイプラインと発電所に生産します。 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、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、その進歩はほとんど見込めません。^{[引用が必要]}

結晶質基盤岩における圧力刺激による非閉じ込め地熱システムの試験については、数多くの報告がある。例えば、イギリス・コーンウォールのローズマノウズ採石場^[19] 、日本の肘折^[20]と雄勝^[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、これらすべての「人工」地熱システムは、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または熱水システムであり、真のHDR貯留層ではない。

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の独自の特性よりも地熱採掘の地熱面を強調するためにEGSという用語を作り出す何年も前のことでした。

高温湿潤岩（HWR）熱水技術は、基盤岩に自然に存在する高温流体を利用するが、このような高温湿潤岩の条件はまれである。^[25]世界の地熱資源基盤の大部分（98%以上）は、高温だが乾燥しており、自然に利用できる水がない基盤岩の形をとっている。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する（したがって、HDR地熱エネルギーはどこにでもあると主張される）。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、役に立たない。

通常、アクセス可能な結晶質基盤岩の広大な領域の温度は、深度とともに上昇する。この地温勾配は主要な HDR 資源変数であり、場所に応じて 20 °C/km 未満から 60 °C/km を超える範囲である。付随する HDR 経済変数は、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なる深さまで掘削するコストである。^{[26]新しい 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、または流体駆動打撃技術 (マッドハンマー[27]}など) などの硬い結晶質基盤岩を掘削するための新しい技術の出現により、近い将来 HDR の経済性が大幅に向上する可能性があります。

前述のように、1990 年代後半に DOE は基盤岩から地熱エネルギーを抽出するすべての試みを「EGS」と呼び始めましたが、これは経歴上および技術上の混乱を招きました。経歴上、HDR からエネルギーを抽出する研究について論じた出版物は多数存在しますが、EGS という用語にはまったく触れられていません。したがって、EGS という用語を使用してインターネットで検索しても、これらの出版物は見つかりません。^{[引用が必要]}

しかし、この記事で明らかにされているように、HDR と EGS の技術的な違いはさらに重要かもしれません。地球の基盤岩の浸透性は、完全に不浸透性の HDR からわずかに浸透性のある HWR、そして浸透性の高い従来の熱水まで、連続体として説明されている情報源もあります。^[28]しかし、この連続体の概念は技術的に正しくありません。より適切な見方は、不浸透性の HDR 岩石を、浸透性岩石の連続体とは別の状態と見なすことです。これは、完全に閉じた蛇口と、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す。同様に、HDR 技術は EGS とはまったく異なるものとして見なされるべきです。残念ながら、蛇口を開けて大きな流れを得るのは簡単ではありません。^[要出典]

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]

• DOE、エネルギー省（米国）
• EGS、強化地熱システム
• HDR、高温乾燥岩
• 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焼結体（ドリルビット）