地球に差し込む？岩から熱をもらいましょう！

宇宙から地球を観察すると、美しい青い惑星が見えます。海の青と森の緑はどちらも寒色系なので、そのような地球は私たちにとっては澄んでいて涼しく見えるかもしれません。

しかし、目は常に私たちを欺く可能性があり、実際の状況は私たちの予想を超えている可能性があります。地球は実際には小さな火の玉であり、外側は冷たく、内側は熱く、内部には非常に高い熱量が含まれています。太陽のような大きな火の玉とは比べものになりませんが、地球の中心部の温度は驚異の6000℃に達していると推定されています。

図1 地球の内部構造 画像出典: flickr/アルゴンヌ国立極地研究所先端光子源

地球の熱源は主に 3 つあると考える学者もいます。1 つ目は、地球内部の放射性元素の崩壊によって発生する熱です。 2 つ目は、地球内部の高密度物質が地球の中心に沈むときに重力による位置エネルギーから変換される熱です。 3つ目は、地球が形成されたときにまだ消散していない熱です。結局のところ、これはすべて地球自体によって生成された熱です。

これらのエネルギーは人間によって利用できるのでしょうか?今日は、いわゆる「未来のエネルギー」である高温岩石についてご紹介します。

温泉だけでなく、地下の岩も熱いです。

地球の中心部は高温ですが、データによれば、年間平均表面温度はわずか 15°C 程度です。これは、地球の中心部から表面に向かって熱が徐々に放散され、温度がどんどん低くなり、地層に地温勾配が生じるためです。地表に近い地域では、平均地温勾配は 3°C/100m です。つまり、地下 100m ごとに温度が 3°C 上昇します。逆に、地表に100メートル近づくごとに気温は3℃下がります。

人間は地中から熱が湧き出ていることを発見し、それを利用したいと考えました。これを地熱資源と呼び、生産方法によって水熱地熱資源と乾式地熱資源に分類しました。

地熱水資源は簡単に言えば、地下の熱水です。温泉は、地下の熱水が地表に湧き出る熱水地熱資源の一種です。地下の熱水の中には、地表に現れず、地下に閉じ込められているものもあります。温泉のほか、中国における水熱地熱資源の最も有名な応用例はチベットの楊八井地熱地帯である。 1977年に我が国はここに地熱発電所を建設し、良い成果を上げました。

図2 温泉は熱水地熱資源を利用しています。画像出典: Wikipedia

同様に、乾熱地熱資源は、地下の岩石層は非常に高温であるものの、水がまったくないか、ごくわずかしかないと理解できます。一般的には地殻深度3～10kmに埋蔵されている、180℃以上の高温岩石（150℃や200℃とする学者もいる）を指すため、乾熱型地熱資源は乾熱岩石とも呼ばれます。

3～10kmの深さを強調する理由は、それより深いところは熱くないということではなく、それより深いところまで到達できないからです。現在人類が保持している最も深い掘削記録は、ソビエト連邦のコラ超深井戸であるが、12.2キロメートルに到達するまでに20年かかり、非常に高額な費用がかかった。したがって、私たちは一般的に、地熱勾配が比較的高い場所、つまり深く掘らなくても非常に高温になる場所、そしてここでの入出力比率が比較的高い場所にのみ焦点を当てます。中国の高温岩体資源は主にチベットの楊巴井地域、雲南省の騰衝地域、青海省の共河盆地に集中している。

図3 中国の高温岩体資源の分布図 画像出典：文献[13]

高温乾燥岩石の資源は相当な量です。 MIT の控えめな推定によれば、地球の地殻にある高温乾燥岩石の回収可能な埋蔵量は 1.3×1027 J 近くあり、これは地球全体で約 2 億 1,700 万年分の使用に十分な量です。統計によると、中国本土の深さ3～10kmの高温岩体資源は約2.52×1025Jで、標準的な石炭860兆トンにほぼ相当します。 2021年の中国の総エネルギー消費量は標準石炭換算で52.4億トンであり、この部分の高温岩石の採掘率が2％を達成できれば、中国のエネルギー供給を3,282年間維持できることになる。

しかし、高温乾燥岩石はそれほど優れた資源であるのに、なぜ私たちはまだそれを採掘して利用していないのでしょうか?

エネルギーは魅力的だが、採掘するのは簡単ではない

高温岩体資源の見通しは非常に魅力的ですが、採掘するのは極めて困難です。大きな理論的進歩が遂げられたのは 1970 年代になってからでした。 1970 年、米国のロスアラモス国立研究所は強化地熱システム (EGS) の概念を提案しました。基本的な原理は、おおよそ次のとおりです。地熱貯留層に注入井と生産井の 2 つの井戸を掘削します。注入井に冷水を注入します。冷水が地熱貯留層を流れて加熱された後、生産井から温水が汲み上げられます。この温水は暖房や発電に使用することができます。使用後の水は地下に流してリサイクルすることができます。

図4 EGSプロジェクトの概略図 画像出典：著者自作

このソリューションは、冷水を地熱貯留層に送り、その後、熱をたっぷり含んだ状態で戻すことができるため、一見するとシンプルで費用対効果が高いように思えます。しかし、実際には工学的、技術的な困難が数多く存在します。たとえば、高温岩体資源が存在する地層は高温で硬いことが多いため、掘削が困難でコストがかかります。別の例としては、高温岩体貯留層が高密度かつ不浸透性であるため、注入された冷水が掘削井の周囲に拡散して熱を吸収できず、生産井に流れて汲み出すのが困難になる場合があります。

水圧破砕技術（高圧水を注入して貯留層構造を破壊し、貯留層内に亀裂のネットワークを形成する技術）によって貯留層の浸透性を向上させることはできますが、地下での作業は目に見えず、実体もないため、高圧水を注入した後、亀裂が望む方向にのみ発達することを保証するのは困難です。生産井から離れた方向に発達した場合、注入した水を採取できなくなります。

図5 高圧水溶液を地中に注入し、高圧を利用して岩盤に亀裂を入れる水圧破砕技術の模式図。画像出典: Wikipedia

1973年、米国はフェントンヒル高温岩体試験プロジェクトを開始しました。このプロジェクトは掘削設備の欠陥と莫大なエンジニアリング費用のために最終的には失敗に終わったが、EGS技術の実現可能性を立証し、高温岩体地熱開発の促進に重要な役割を果たした。それ以来、世界各国が一連の EGS エンジニアリングの試みを開始しました。中でも、ソルツでフランス、イギリス、ドイツが共同開発したEGSシステムは、現在最も成功したEGS実証プロジェクトであり、2008年に高温岩体地熱発電を実現した。

ヨーロッパでのEGS技術の成功を受けて、米国、韓国、中国などの国々もこの分野の研究を加速させています。 2015年4月、米国エネルギー省は「地球を塞ぐ」高温乾燥岩盤「フロンティア地熱エネルギー観測研究プログラム」（FORGE）の実施を開始し、2050年までにEGS発電の総設備容量を三峡ダム4基分に相当する10万メガワットに増やす計画だ。

韓国は2016年に初のEGSプロジェクトである浦項EGSを開始したが、2017年にプロジェクト現場付近でマグニチュード5.5の地震が発生した。一部の研究では、地震はプロジェクトの地下水注入によって引き起こされた可能性があると考えられており、プロジェクトは中止を余儀なくされた。

図 6 近年の韓国で発生した最大級の地震の 1 つである 2017 年韓国浦項地震の一部は、EGS に関連している可能性が最も高いと考えられています。画像出典: wikipedia

2017年5月、中国の科学者らは青海省ゴンヘ盆地東部のGR1地熱井で深さ3,705メートルの地点で236℃の高温岩体を掘削した。中国で最も浅く、最も高温の高温乾燥岩盤が発見されたのはこれが初めてだ。 2022年1月、中国初の実験的な高温岩体発電が共和盆地の送電網に正常に接続され、歴史的な大躍進を遂げた。

図7 ゴンヘ盆地の高温岩石破砕と傾斜掘削現場 画像提供：中国地質調査所

従来の EGS 法に加えて、一部の学者は異なるアプローチを採用しています。その中でも、重力ヒートパイプ技術が中国の学者によって革新的に提案されたことは特筆に値します。その原理は非常に巧妙です。熱伝導率が極めて高いパイプを熱い乾燥した岩層に挿入すると、ヒートパイプが自動的に熱を上方に伝導します。ただし、距離が長いため、ヒートパイプのみを使用した場合、集熱効率が悪くなる可能性があります。このため、パイプ内にアンモニア水を注入することができます。アンモニア水は加熱後に気化しやすく、蒸気の形で熱を簡単に持ち上げることができるため、熱収集率がさらに向上します。

2022年1月、中国科学日報は、中国地質調査所と中国科学院広州エネルギー転換研究所が共同で、国内最長の4,200メートル重力ヒートパイプ熱抽出試験装置を開発したと報じた。雄安新区での3か月にわたる現地加熱テストでは、1つの井戸の短期加熱電力は1.3メガワットに達し、平均加熱電力は800キロワットであることが示された。長期安定運転により20,000平方メートル以上の暖房面積に対応します。この技術的進歩は、我が国の科学技術従事者が世界の地熱資源開発に大きく貢献したものでもあります。

図8 重力ヒートパイプ技術の概略図 画像出典：著者自作

高温岩石採掘の隠れた危険をどう解決するか?

高温岩石採掘が引き起こす可能性のある問題を懸念する人もいます。

一つは、前述の韓国の地震のような地震を誘発することです。しかし、実際には、ここでの地震問題は主に水圧破砕によって引き起こされています。シェールガス採掘など、水圧破砕技術を使用する他の作業でも同様の問題が発生する場合があります。既存の研究では、水圧破砕はマグニチュード3以上の地震活動に限られた影響しか与えないことが指摘されています。同時に、水圧破砕によって引き起こされる微小地震は、蓄積された地盤応力やエネルギーを解放し、大地震のリスクを軽減するのに役立つ可能性があります。さらに、水圧破砕によって引き起こされる地震は制御できると考える学者もいる。

2つ目は地球の生命に影響を与えることです。地熱資源は地球自身の熱の一部です。地熱資源を自らの意志で奪い取れば、金の卵を産むガチョウを殺すことになるのではないかと心配する人もいるかもしれない。地球内部の膨大な熱は、まさに地球がまだ「生きている」ことの象徴であると言えるでしょう。火山や地震など、地球上のさまざまな地質活動のエネルギー源となっています。ある日それが消費されてしまうと、地球は月のように冷えてしまい、生命力のない荒れ地になってしまうかもしれません。しかし、これについてあまり心配する必要はありません。なぜなら、人間が得るわずかな熱は、地球全体に比べればほんのわずかなものだからです。そして、たとえ人間がそれを奪わなかったとしても、地球は火山や地震を通じてその旺盛なエネルギーを放出し続けるでしょう。

第三に、大量の水を消費し、生態環境に影響を与えます。 EGS 貯留層変換プロセスでは、通常、数万立方メートルの水資源が消費されます。例えば、前述のソルツプロジェクトにおける破砕液の消費量は10万立方メートルを超えました。わが国の高温岩体資源は、主に青海省やチベットなどの水資源が乏しく、生態系が脆弱な乾燥地域に分布しています。水圧破砕による水資源の浪費や生態系への被害などの問題は無視できない。この点に関して、一部の学者は、水資源を節約し、カーボンニュートラルの達成に貢献するために、超臨界CO2を破砕流体として使用することを提案しています。現在、研究のホットスポットとなっており、できるだけ早く大規模に実践できるようになることを期待しています。

結論

一般的に、多くの国が高温岩体資源を開発するための野心的な計画を策定していますが、それらは一般的にまだ小規模な実験的探査段階にあります。中国地質科学院の研究員、王桂玲氏は「（高温岩体採掘技術は）この50年間で特​​に目立った進歩を遂げていない」と率直に述べた。しかし、中国は遅れてスタートしたため、技術の蓄積は相対的に弱い。

しかし、高温岩石が将来大きな可能性を秘めたエネルギー源であることは疑いの余地がありません。埋蔵量が豊富で、緑豊かで汚染がありません。鉱業技術に大きな進歩が達成されれば、人類社会に大きな利益をもたらすでしょう。

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著者情報:

著者名

シャオ・イードン

ユニット

中国科学院地質地球物理学研究所