【創造的栽培プログラム】地熱エネルギー開発：地中深くを掘って熱エネルギーを取り出す、それは信頼できるのか？

著者: 牛明敏

レビュー担当者: 張玉秀、中国地質大学（武漢）の王陸教授

世界中で自然災害や異常気象が頻発しており、生態環境の保護と排出削減活動の実施が急務となっています。 「カーボンとグリーンの両立」という現在の新エネルギーの軌道では、風力、水力、地熱、太陽エネルギー、原子力など、多くの優れたプレーヤーが登場しています。その中でも、地熱エネルギーは、埋蔵量が大きく、分布が広く、効率が高く、安定性があり、安全で、品質が高いなど、その優れた利点から、大きな期待が寄せられています。地球から熱エネルギーを抽出するために1万メートルの深さの穴を掘ることは実現可能な解決策のように思えるが、現在、人間が覗くことができる地球の深さは極めて限られている。では、地球が「愛のために電気を生み出す」ことを可能にする新しい技術は存在するのでしょうか?

「熱狂的な」地球

宇宙は煙のように広大だとよく言われますが、実は地球の中にもさまざまな世界が存在します。ゆるい土層、硬い地殻、高温のマントルなど、足元の大地を果てしなく探究していくと、青い地球の奥深くには実は溶岩の海があることがわかります。

地球誕生時に蓄積された重力崩壊エネルギーと放射性物質の崩壊エネルギーが結合して熱となり、地球の中心核に蓄積され、その温度は約5200℃に達します。それはまさに「熱い」地球です。これらの熱は地球の形成と発展の原動力です。

地球内部の熱の一部は地表に到達し、放出されます。私たちがよく知っている温泉、火山、地震などは、すべて地熱エネルギーを放出する方法であり、より多くの熱が地下深くに閉じ込められています。地球の内部熱の総量は世界の石炭埋蔵量の1億7000万倍と推定されており、これは標準的な石炭に換算すると500兆トンに相当し、数十万年分の人類のエネルギー需要を満たすことができる。

地熱エネルギーは他のエネルギー源に比べて比べものにならないほどの利点を持っています。従来の火力発電では燃料を継続的に消費する必要があり、環境を汚染します。風力、水力、太陽光発電は変動が激しく、安定して出力できません。究極のエネルギー源である制御された核融合エネルギーの実現には、まだ長い道のりが残っています。このような状況において、「手の届く範囲」にあると思われる地熱エネルギーは、デュアルカーボンの「シードプレーヤー」となっている。十分に深い井戸を掘るだけで、安定的で環境に優しく、排出ガスゼロの地熱エネルギーを安定的に供給することができます。

その利点は明白ですが、実際のところ、地熱発電は現在、世界の電力供給の1％未満を占めています。これはなぜでしょうか?なぜなら、「空に行く」ための人類の技術と比べると、「地中に入る」ための我々の技術は明らかにはるかに不器用だからです。

「地球を掘る」プロジェクト

地球の中心に無限に到達したい場合、現在の方法は、穴を掘るという、まだ単純かつ大雑把な方法です。使用される理論と方法は難しくありません。最も重要なのはコストと効率です。

これまで人類が掘った最も深い穴は、前世紀のソ連の「地球望遠鏡」プロジェクトです。

当局は、この科学調査では人類が地球の内部構造についてより詳しく知ることができるようにすることを目的として、地中15,000メートルまで掘削すると発表した。この計画は当然ながら各界から注目を集めています。しかし残念なことに、24年続いたこのプロジェクトは、最終的に水深12,262メートルで中止されました。目標に非常に近かったにもかかわらず中止されたため、当時は多くの憶測が飛び交いました。しかし、実際には不思議な理由はなく、単に高すぎるからです。

従来の掘削技術には、コストが高く、掘削深度が浅いという明らかな欠点があります。ドリル自体が非常に高価で頻繁に交換する必要があるため、直径20センチ、深さ10キロの穴を掘るには約3,000万ドルの費用がかかります。また、穴を深く掘れば掘るほど、環境は厳しくなります。地下1万メートルでは温度は300度に達します。岩石層の温度と硬度は、どちらも通常のドリルビットが耐えられる範囲を超えています。

そのため、経済的および技術的な困難により、ソ連は最終的に探査を中止し、科学界による深部地熱エネルギーの開発はほぼ停止状態に陥りました。

現在、地熱エネルギーの開発は一部の地殻プレートの割れ目や中浅部地熱地帯に集中しており、この部分の利用率は地熱エネルギー全体と比較すると非常に限られています。約500℃の高品質な地熱エネルギーのほとんどは、地下約10キロメートルに分布しており、私たちにとってはまだ「手の届かない」場所です。

波動掘削技術：地熱採掘の新時代？

米国のテクノロジー企業クワイズ・エナジーは今年4月、地中20キロを掘削し、地熱エネルギーを無制限に放出できる「波動掘削」技術を開発中であると発表した。

この技術は、アメリカの科学者ボスコフが核融合の研究中に提唱した仮説に端を発している。「高強度の電磁波を石に照射し、蒸発するまで加熱すれば、地下に穴を掘る目的を達成できるのではないか？」その後の数十年間、ヴォスコフ氏はこの研究に専念し続け、7,000万ドルを超える投資を受けたQuaise社を設立しました。

波掘削技術の原理は複雑ではありません。高出力ミリ波送信機を使用して強力な電磁エネルギービームを放射し、ドリルビットの前の岩石を溶かして蒸発させます。この掘削技術には明らかな利点があります。放出された光波が岩を溶かすため、ドリルビット自体は岩に接触しません。これには2つの利点があります。まず、ドリルビットの摩耗が少なくなり、高価なドリルビットを頻繁に交換する必要がなくなります。コストは主に電力消費量で、従来の掘削方法に比べて約 60 分の 1 になります。第二に、掘削装置の放熱がより促進されるため、ドリルビットはより深く探査し、より高品質でより高温の地熱エネルギーを採掘できるようになります。

波動掘削技術は、深部地熱開発の問題を完璧に解決したようだ。 Quaise社は現在、計画の中で、2024年にミリ波技術の応用に投資し、掘削実験のために機械式ドリルビットと組み合わせると主張している。 2026年には熱エネルギーを得て電気に変換するための掘削が正式に開始される予定だ。このニュースは間違いなく皆を興奮させるだろう。結局のところ、炭素排出量を削減し、地球温暖化を抑制するために残された時間はあまりありません。

この技術が期待に応えられれば、深部地熱採掘の新たな時代が到来することになるだろう。おそらく、制御された核融合技術の進歩が実現する前に、人類は無限のエネルギーを得るという美しい願いを本当に実現できるだろう。待って見てみましょう！

参考文献:

Huttrer G W. 2020. 世界の地熱発電 2015-2020 最新レポート[C]//Proceedings World Geothermal Congress 2020. レイキャビク: WGC。

鄭科、潘小平、馬鳳晶 他地熱利用技術[M]北京：中国電力出版社、2018年。

[3] ポピュラーサイエンス ブラックホール：地球の地殻を20キロメートル掘削！無限のエネルギーを解き放つ、アメリカ企業のウェーブドリルにはどんな技術が詰まっているのか？ [N/OL]。 [2022-06-08]. https://baijiahao.baidu.com/s?id=1735063446249977548&wfr=spider&for=pc

この記事は科学普及中国創造育成プログラムによって制作されました。転載の際は出典を明記してください

査読者: 中国地質大学（武漢）の王陸教授