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地熱チーム

地熱適正利用のための技術

研究背景

   火山国である我が国には膨大な地熱エネルギーが存在しています。地熱エネルギーは気象条件等に依存せず安定しているため、再生可能エネルギーの中ではベースロードを賄う役割が期待されています。

研究目標

   当チームでは「地熱の適正利用」をキーワードに、地熱エネルギーを地下や社会の状態に合わせて適正な規模および形態で持続的に利用するための研究開発を実施しています。短期的には、温泉と共生した地熱発電のためのモニタリング機器の開発や貯留層変動の高度モニタリング等により、持続的な発電と発電量の増大に直接的に寄与することを目指しています。また、長期的には沈み込み帯に起源を有する超臨界地熱資源を利用した革新的発電法の開発や、地熱エネルギーの社会実装法の導出等により、ベースロード電源として地熱エネルギーを大規模に利用可能にします。

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地熱研究開発の必要性

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FREA地熱研究のロードマップ
地熱研究開発の必要性 FREA地熱研究のロードマップ

研究内容

 

   現在、当チームでは、地熱の適正利用を実現するために、国や民間企業等からの委託を受け、様々なプロジェクトを実施しています。それとともに、地熱システムの科学的理解の深化へ向け、地球科学に関連した様々な基礎研究も実施しています。地下は不可視であり、また、地熱資源の特性は地域に大きく依存するため、地熱研究では、フィールドで実データの取得を行ない、それをベースに研究を行うことが非常に重要です。このため、東北地方を中心とした多数のフィールドで、野外実験、モニタリング、機器テスト等を実施しています。
   当チームでは主に以下の目標達成を目指しています。

  • MEMS、光ファイバ等を利用したセンシングシステムの開発、多元非定常信号処理、統合解釈法等の高度解析技術の導出により貯留層内で生じている現象の理解と可視化を目指しています。
  • 産総研が有する膨大な地熱資源情報を高度データベース化するとともに地球熱シミュレータの開発を通じて最適な開発手法の提示や温泉との共生を実現します。
  • 室内実験やシミュレーションを通じて水圧刺激や注水による貯留層の最適作成・制御技術を開発します。これにより地域に依存しない開発・利用方法を導出します。
  • 沈み込み帯に起源を有する超臨界地熱資源の開発可能性を探求し、2050年以降に大規模ベースロード発電のために利用可能にすることを目指します。
超臨界地熱システムの概念 古カルデラの分布(Oyagi, 2003)

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超臨界地熱システムの概念
古カルデラの分布(Oyagi, 2003)
沈み込み帯に起源を有する超臨界地熱資源の開発による、数10GW~数100GWの発電可能性を提唱しました。現在、2050年以降にベースロード電源として利用可能にするための研究企画の立案を進めています。 地震波解析等の結果は、古火山・古カルデラ下部(4~5km)に1%程度の超臨界水を含むマグマ起源火山岩体の存在を示唆しています。東北地方で50以上の古火山・古カルデラが存在します。

2015年度から、福島県柳津西山地熱発電所で蒸気生産量減衰防止・生産量回復のための涵養注水試験が実施されています。地熱チームでは本地域に小型坑井内3成分弾性波検出器等を使用した高精度微小地震遠隔モニタリングネットワークを設置し、運用を開始しました。これにより、FREAでの微小地震活動のリアルタイムモニタリング、高度統合解析を行うことが可能になり、適切な注水による生産量の回復に寄与する計画です。

柳津西山地熱発電所(出典:東北電力株式会社) 地表設置型3成分地震計の設置状況

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微小地震情報統合可視化システム(注水した水の挙動のモニタリング)
柳津西山地熱発電所
(写真提供:東北電力株式会社)
地表設置型
3成分地震計の設置状況
微小地震情報統合可視化システム
(注水した水の挙動のモニタリング)

主な研究設備

温泉システム模擬装置 亀裂せん断滑り実験装置 超高温坑内模擬装置
温泉システム模擬装置 亀裂せん断滑り実験装置 超高温坑内模擬装置
温泉の配管系を室内で模擬することが可能です。温泉モニタリング用センサの評価や、温泉発電装置の実験等に使用します。 高温・高圧の地熱貯留層内で発生する力学現象を模擬可能な装置です。 350℃、600気圧の坑内環境を模擬可能な装置です。機器、素材の開発に使用します。

主な研究成果

1.地熱井への加圧注水シミュレータの開発

   坑井を介した貯留層への加圧注水により地熱貯留層の能力改善を試みることがあります。地熱チームは欧米の研究者と連携して加圧注水に対する亀裂の応答を模擬するシミュレータを開発しました。東北地方の地熱フィールドで還元能力が低下した坑井を対象に実証試験を行った結果、事前シミュレーションで予測した通りに能力改善を実現し、発電量を増大(約1.1MW)させることに成功しました。

2.温泉泉質の遠隔連続モニタリングシステムの開発

   地熱発電と温泉との関連を科学的に説明可能にするために、温泉の泉質(温度、流量、電気伝導度)を計測できるシステムの開発を開始し、プロトタイプを製作しました。このシステムは自立型計測を可能とし、インターネットを通じて、連続的に取得したデータをサーバへ転送します。室内実験による性能評価やフィールド実証試験を重ね、2017年度末の実用化を目指しています。

地下亀裂のシミュレーション 加圧注水試験結果
地下亀裂のシミュレーション 加圧注水試験結果

メンバー

役職 氏名  
研究チーム長 浅沼 宏 Asanuma Hiroshi
上級主任研究員 村田 泰章 Murata Yasuaki
主任研究員 柳澤 教雄 Yanagisawa Norio
研究員 山谷 祐介 Yamaya Yusuke
研究員 最首 花恵 Saishu Hanae
研究員 石橋 琢也 Ishibashi Takuya
研究員 岡本 京祐 Okamoto Kyousuke
研究員 渡邉 教弘 Watanabe Norihiro