成果報告書詳細
管理番号20160000000622
タイトル平成26年度ー平成27年度成果報告書 エネルギー・環境新技術先導プログラム 島弧日本のテラワットエネルギー創成先導研究
公開日2016/9/28
報告書年度2014 - 2015
委託先名国立研究開発法人産業技術総合研究所 富士電機株式会社 地熱エンジニアリング株式会社 国立大学法人東北大学
プロジェクト番号P14004
部署名イノベーション推進部
和文要約現在,我が国の地熱発電は,火山地域の地下で断裂帯等の高透水ゾーンに主として雨水起源の水が滞留し熱せられている部分(天然地熱貯留層)を開発のターゲットとしている。2016年現在,国内地熱発電容量は約0.5GWであるが,天然地熱貯留層の開発に関する様々な課題を鑑みると,将来的に我が国の地熱発電容量を数10GW以上に引き上げ,エネルギーの安定供給と温室効果ガス排出量の削減に寄与するためには,これまでの開発の概念を大きく転換する必要があると言わざるを得ない。
 近年の物理探査の結果によれば,沈み込み帯で発生したマグマを起源とし,火山やカルデラの下部数kmに存在する貫入岩内部に高温(超臨界)かつ大量の熱水が存在する可能性が示されている。このような超臨界岩体を開発ターゲットにすれば,国内の地熱発電総容量を最大でTW規模まで拡大できる可能性がある。しかし,超臨界岩体の性状には未解明な点が多く,また,想定される温度条件および地熱流体の化学組成は,現在の開発・生産技術の限界を大きく超えている。
 このような背景のもと,本研究は,2030年に超臨界地熱資源を用いた100MW程度のパイロットプラントを実現することを目標にし,超臨界地熱発電が現実的に成立可能であることを示すとともに,パイロットプラント建設へ向けた研究開発プロジェクトの企画を行うことを目標として実施した。
 本研究では,検討課題を以下の4つに分け,各々について調査,検討を実施した。(1)抽熱システム設計・造成に関する課題抽出と研究計画策定,(2)開発技術の現状レビューと技術開発計画策定,(3)発電技術に関する課題抽出と技術開発計画策定,(4)経済性評価。本研究により得られた主な成果は以下の通りである。
*超臨界岩体内部には流体を含んだ一定の透水性を有する亀裂が存在する可能性がある。これらの亀裂は完全に閉塞されておらず,岩体の体積比で数%の流体が存在可能である。
*約60万年前以降に形成された,あるいはマグマの再注入があった貫入岩内部は現在でも350℃以上の温度環境である可能性が高い。現在でも深部からの高温流体供給が続いている可能性があり,この場合,さらに古い貫入岩も開発の対象となり得る。
*東北地方では沈み込み帯で発生したマグマ起源貫入岩の上端部は3km程度の深度であり,貫入岩が他の地域に比して非常に浅い領域に存在する。
*現在の技術で500℃,60MPaの岩体への掘削は可能である。しかし,掘削泥水冷却のために大量の冷却水と10,000m2以上の敷地が必要である。
*超臨界流体が高腐食性である場合,超臨界・酸性地熱流体への耐性を有する素材が必要であり,非金属材料を含めた研究開発が重要である。
*超臨界地熱井内部で長時間にわたり電子回路を動作させるのは非常に困難であり,新素材を用いた電子回路の開発可能性を検討するとともに,光ファイバによるセンシングの可能性を探究することが重要である。
*超臨界地熱システムの設計,性能予測のためにはシミュレーション技術が重要な役割を担うが,超臨界流体,塑性変形領域での各種現象の構成則を導出するとともに,方程式の解導出機能(ソルバー)を開発する必要がある。
*「超臨界地熱井」は通常の高能力地熱井の数倍以上の生産能力を有する可能性がある。
*坑内熱交換により環境リスクを抑えて抽熱できる可能性がある。
*試算の結果15年のIRRが6ないし10%を超える経済性が成立するケースがあることが判明した。
*早期の試掘井掘削を通じて,科学的,技術的視点から超臨界地熱発電の成立可能性を判断することが必要である。
英文要約Title : Advanced Research Program for Energy and Environmental Technologies / Research planning for geothermal power generation in TW scale from subduction-origin supercritical resources in Japan (FY2014-FY2015) Final Report

Most of the currently existing geothermal power plants worldwide utilize steam and hot water from naturally existing hydrothermal reservoirs, where rainwater is heated inside fractured zone near magma, for power generation. However, it is unlikely that we can generate several tens gigawatt of electricity from hydrothermal systems in Japan because of several scientific, technological and social difficulties associated geothermal development.
Recent data from advanced geophysical exploration at volcanic area in northeast Japan (Tohoku) showed that intrusive rock body with several percentage of supercritical fluid may exist at the bottom of old volcanos and calderas. Roughly estimated TW scale power generation can be expected, if we can develop the supercritical geothermal resources all over Japan. We, however, do not have enough scientific understanding of the nature of the supercritical geothermal systems, and expected temperature and chemical conditions of the geothermal fluid is far beyond limitations in currently existing technologies.
We, hence, started this project to plan a series of national projects to start operation of demonstration power plant around in 2030. Researchers and engineers in this project have investigated feasibility of the supercritical geothermal power generation and planned projects for the demonstration plant.
Major outputs from the project are:
-Moderately permeable fractures can exist inside the supercritical rock body. Amount of the supercritical fluid can reach to several volumetric percentages.
-The temperature inside the intrusive rock body remains higher than 350 deg-C if its age is younger than 500,000 years. There is high possibility that charge of high temperature fluid still continues.
-Development of simulators and solvers for the supercritical geothermal fluid and plastic deformation of the rock body is necessary for design and control of the geothermal system.
-Drilling into the supercritical rock body can be achieved with current “continuous cooling drill system”, even huge amount of water for cooling the drill mud is required.
-New materials for casing, cementing and borehole tools must be developed in case of the supercritical geothermal fluid is highly corrosive.
-Optical sensing systems with high temperature optical fiber is the key technology for downhole monitoring of the supercritical geothermal system.
-The supercritical geothermal wells would have several times higher thermal productivity, which leads to power generation in commercially acceptable costs.
-Downhole heat exchange is one of the promising options to reduce various possible environmental risks.
-Drill of the proof-of-concept-well in the early stage is of critical importance for the go-or-not decision of the expensive and long-term research and development related to the supercritical power generation.
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