地熱エネルギー完全解説：メリット、用途、仕組み

現在利用可能な再生可能エネルギー源の中でも、地熱エネルギーは最も一般的なものの一つです。地球内部の地下深くから生じる熱で、水や蒸気によって地表に運ばれます。地熱エネルギーは暖房・冷房目的で広く利用され、クリーンな電力生成にも活用されます。今回は、地熱エネルギーの定義、用途、図解、歴史、仕組み、利点、欠点について解説します。また、地熱エネルギーの生産方法と仕組みも説明します。

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地熱エネルギーとは？

地熱エネルギーは、地球で生成・蓄積される熱エネルギーです。「地熱（geothermal）」はギリシャ語のγη（geo＝地球）とθερμος（thermos＝熱い）に由来します。地球内部の地下深くから生じる再生可能エネルギーで、水や蒸気によって地表に運ばれます。熱エネルギーは物質の温度を決定するエネルギーであり、地熱エネルギーは熱エネルギーとして知られています。

地球地殻の地熱エネルギーは、惑星の元々の形成と放射性物質の崩壊、地球形成からの継続的な熱損失に由来します。地熱エネルギーは、地球内部の熱エネルギーを取得・活用し、調理、入浴、空間暖房、発電など多くの用途に利用するエネルギー変換の一形態です。

地熱エネルギーの簡単な歴史では、ネイティブアメリカンが1万年前から調理に地熱を利用していたことがわかっています。古代には、ギリシャ人とローマ人が温泉を利用した浴場を使っていました。空間暖房では、紀元1世紀のローマ都市ポンペイで地熱が利用されました。当初は湯と蒸気がアクセス可能な場所に限定されていました。

地熱エネルギーの用途

地熱エネルギーの利用は20カ国以上で一般的です。米国は世界最大の地熱エネルギー生産国として記録されています。カリフォルニア州の「ザ・ガイサーズ」として知られる世界最大の地熱田を保有し、117平方キロメートルに22発電所、設置容量1.5GW以上を誇ります。

アイスランドも1907年から地熱エネルギーを活用し、自らを地熱発電の「パイオニア」と称します。5つの地熱発電所でエネルギーの25%以上を生産。600の温泉と200の火山がある国土条件が成功を支えています。地熱エネルギーの用途は3カテゴリーに分けられます：直接利用、地熱ヒートポンプ、発電。

直接利用：

地熱エネルギーの直接利用は、地中からの温水を他の熱源なしで直接使うことです。直接利用の地熱資源は低温で、約50〜150℃（122〜302°F）の範囲です。低温地熱水と蒸気は、単一建物や地区全体（多数の建物を中心熱源で暖房）の暖房に使われてきました。また、多くのプール、温室、温泉療法施設、養殖池も地熱資源で暖房されています。その他の一般的な直接利用には、調理、果物・野菜・木材乾燥、牛乳殺菌、大規模融雪など産業用途があります。

地熱ヒートポンプ

地熱ヒートポンプ（GHP）は、冬に建物を暖め、夏に冷やすのに使われます。地表から最初の300メートル（1000フィート）で得られる比較的安定した適温条件を利用します。ほとんどのGHP温度は、地表から6メートル（約20フィート）程度の浅い深度で見つかります。したがって、冬に気温が地温より下がれば熱で建物を暖め、夏には建物から暖気を取り込み地中で冷やして戻します。

発電

地熱エネルギーは温度と流体（蒸気）流量に基づいて発電に利用されます。地熱発電所では3通りの方法で電力を生産します。これら3つの異なる設計が、発電機を駆動する挙動を制御します。各プロセス終了時に生じる余剰水蒸気は凝縮され地下に戻され、再加熱されて後で再利用されます。これが地熱発電が再生可能エネルギーと見なされる理由です。

下図参照

地熱エネルギーの仕組み

地熱エネルギーの仕組みはシンプルで理解しやすいです。まず地熱エネルギーの生産方法を説明します。地下貯留層にアクセスするため、1マイル（約1.6km）以上の深さまで井戸を掘削します。これらの資源は、自然発生的な熱、岩石、水の透水性から利用できます。また、水圧刺激プロセスで地熱資源を強化・創出する拡張地熱システム（EGS）もあります。これらの地熱資源をさらに利用して、発電機に連結されたタービンを駆動します。

動画で地熱エネルギーの生産をさらに学ぶ：

地熱エネルギーの作動は最終用途によって異なります。前述の3つの基本用途について、ここでは発電への利用を説明します。地熱発電所はドライスチーム、フラッシュ、バイナリーの3設計があります。

ドライスチーム方式：

地中の亀裂から直接蒸気を取り出しタービンを駆動します。加熱水蒸気が直接タービンに導かれ、発電機を駆動します。

フラッシュ方式：

地下から高圧高温水を汲み上げ、低圧の冷水と混合します。これにより蒸気が生成されタービンを駆動します。地表のフラッシュタンクと呼ばれる容器に高圧高温水を引き込み、急激な減圧で液体が蒸気へ閃蒸（フラッシュ）します。この蒸気でタービン発電機セットを駆動します。

バイナリーサイクル方式：

アンモニアや炭化水素などの二次作動流体を閉ループ配管内で蒸気駆動させ、タービン発電機セットを動かします。このプロセスでは、地熱加熱水を別の配管で汲み上げ、熱交換器で加熱水のエネルギーの大部分を作動流体に移転させます。作動流体が気化してタービンを通過し回転させ、再凝縮して熱交換器に戻ります。

地熱エネルギーの利点と欠点

メリット：

地熱エネルギーの様々な用途における利点：

• 化石燃料など従来燃料源より環境に優しい
• 地熱エネルギーは再生可能で、数十年持続
• 広く利用されている
• 持続可能で安定した信頼性の高いエネルギー源
• 直接利用で暖房と冷房の両方に使用可能
• 燃料が不要
• 新技術で発電プロセスが改善され、急速に進化
• 出力予測が容易

デメリット：

優れたメリットがある一方、制約もあります：

• 立地制限あり — 地熱プラントはエネルギーにアクセス可能な場所に建設必須
• 掘削による環境副作用 — 地下に貯留されたガスが大気放出される
• 地熱エネルギーは地震を誘発する可能性 — 掘削による地球構造の変化が原因
• 地熱プラントの製造コストが高い
• 地熱流体の高い持続性が必要 — 地下貯留層へより速く還元必須

結論

地熱エネルギーは地球内部の地下深くから生じる再生可能エネルギーで、水や蒸気によって地表に運ばれます。熱エネルギーは物質の温度を決定するエネルギーであり、地熱エネルギーは熱エネルギーとして知られています。地熱エネルギーの用途は直接利用、地熱ヒートポンプ、発電の3カテゴリーに分けられます。以上、地熱エネルギーの定義、用途、図解、歴史、仕組み、利点、欠点について解説しました。また、地熱エネルギーの生産方法と仕組みも検証しました。

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