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地熱エネルギーで燃料を燃やす時代を終わらせられるか？

足元には、ほぼ尽きることのないエネルギー源があります。地熱エネルギーの話を紹介します。次に、従来の地熱発電所と、風力や太陽光の発電量に合わせて出力を調整できる強化地熱システム、そして個々の建物向けの地中熱ヒートポンプを比べます。また、岩を削るのではなく蒸発させる新しい深部掘削技術も見ます。これは、地球上のほぼどこでも地熱を使えるようにする道になるかもしれません。

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排出削減効果速さコスト成熟度自然

3.4総合

この解決策の評価

  • 排出削減効果4 / 5新しい掘削技術で使える場所が増える、いつでも使えるクリーンな電力。
  • 速さ3 / 5各発電所の掘削には何年もかかり、広く導入するには掘削費用を下げる必要がある。
  • コスト3 / 5掘るのは高いけど、動かすのはとても安い。
  • 成熟度4 / 51世紀にわたり実証済みだが、次世代の掘削技術はまだ発展途上。
  • 自然3 / 5地表の占有面積はごく小さく、小規模な揺れのリスクもわずか。

ガイド

これは動画のイラスト付き書き起こしです。ガイドは現在英語版のみです - あなたの言語版も準備中です。

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クイズ

質問 1 / 10

1904年、地球の熱で初めて発電したのは誰ですか？

スコア 0 / 10

書き起こし

先史時代のたき火から現代の化石燃料まで、人間は何かを燃やすことに夢中でした。実際、あまりに上手に燃やすようになったので、今では地球上にあるすべての植物と同じ量にあたる、4,500億トンもの膨大な炭素[1,2]を燃やしてしまいました。

でも、火の時代が終わるとしたら、どうでしょう？人類が地球のエネルギーを使い、地球そのものを巨大な発電所に変えられるとしたら、どうでしょう？

SFみたいに聞こえるかもしれませんが、地表の下には、何千年も世界に電力を届けられる可能性を持つ、ほぼ無限の秘密のエネルギー源があります：地熱エネルギーです。

人間が化石燃料を燃やし始めるずっと前から、地球そのものが古代文明に熱を与えていました。実際、古代の人々は地熱の温泉を神聖なものだと考えていました[3,4]。

古代ローマ人は、その周りに施設まで建てました[5,6,7]。人間が何かを燃やすこと以上に大好きな、熱く湯気の立つお湯での入浴をするためです。これは、世界初の百科事典[9,10]を書きながら、ローマの作家で入浴好きでもあった大プリニウスが楽しんでいた娯楽でした[4,8]。

でも地球の熱は破壊的でもあり、大プリニウスは後に、西暦79年のヴェスヴィオ山の噴火で、自分とポンペイの街が灰と有毒ガスに埋もれたときにそれを知りました[11,12,13]。

1904年になって初めて、革新的なイタリアのピエロ・ジノリ・コンティ公爵が、ものすごく、ものすごく深い穴を掘れば地球の熱に届き、それを使って電気を作れると発見しました[14,15,16]。

でも、そのエネルギーはいったいどこから来るのでしょう？そして、コンティの装置のような機械は、いったいどう動くのでしょう？

地球は外から見ると住みやすそうですが、涼しく緑豊かな外側は卵の殻のようなものです。その下には、厚い溶けた岩石と半分溶けた岩石の層があり、地殻はその上に乗った薄くてもろい層にすぎません。深く行くほど、温度は上がります。そして5,000°C[17,18]を超える地球の核は、太陽の表面と同じくらい熱いのです[19,20]。

それが地下3,000キロメートル近くにあってよかったです[17,21]。でなければ、あの湯気の立つローマ風呂は、かなり熱湯風呂になっていたかもしれません！

この熱の一部は45億年前に地球が燃えるようにしてできたときの残りのエネルギーで、残りは岩石そのものにある放射性元素の崩壊から来ています[22,23]。両方を合わせると、地表へ流れる熱だけで、理論上はこれから何百万年も人類にエネルギーを供給できるほどです[24,25]。

では、人類はどうすれば地球の可能性を引き出せるのでしょう？

主な方法は3つあります：

1) 従来型地熱

2) 強化地熱

3) 地中熱ヒートポンプ

従来型の方法には、地下にある超高温の水と蒸気という自然の熱源が必要です。これはアイスランドにたくさんあります。アイスランドは、離れていく2つのプレートの境目にあり、ほぼ巨大な火山の集まりなので、地表のすぐ下に蒸気も超高温の水も豊富にあります。そこまで掘れば、この蒸気でタービンを回し、電気を作れます。

冷えた水を地中に戻して貯留層を持続可能に管理すれば、この仕組みは何世紀も続けられます[26-29]。地熱で温められた水の一部はパイプで運び、家や温室、さらにはプールまで直接温められます。そこに住む人たちは、一年中お風呂に入れるわけです。

実際、アイスランドには地熱エネルギーがとても多く、今では必要な一次エネルギーのなんと70%をまかなっています[30,31]。

でも、足元に超高温の水の貯留層がある火山の近くに住めるほど運がよくなかったら、どうでしょう？そこで選択肢2の出番です。

自然に蒸気が出る場所でなくても[32,33,34]、地下の熱い岩に水を注入すれば、強化地熱システムと呼ばれる人工の超高温水の貯留層を作れます[35,36,37]。そこから、従来型のシステムとほぼ同じようにエネルギーを生み出せます。

強化地熱の貯留層は、風力と太陽光発電の最大の課題にも対応できるかもしれません。

人間のエネルギー需要にはパターンがあります：人々が起きてトーストを食べる朝に増え、仕事へ出かけると減り、帰宅してテレビを見たり電気をつけたりするとまた増えます。

皮肉なことに、太陽のエネルギーが最も使えるのは、最も必要とされない時間です。

そして風力エネルギーは少し気まぐれなので、両方を組み合わせても必要な量に届かないことがよくあります。

一方、強化地熱の貯留層から出るエネルギーは一日の中で調整できるので、人間が必要なときにはいつでも電気があります。

これは本当に最強の組み合わせです[43-56]。でも、何が問題なのでしょう？

従来型も強化地熱システムも、数百(時には数千)メートルの岩を掘り抜かなければなりません。そして岩を知る人ならわかるように、岩が硬いのはよく知られたことなので、掘削はちょっと大変です。

高エネルギービームで岩を蒸発させるミリ波のような技術が進歩すれば[38,39]、いつかは非常に深く掘って[40]、地球のほぼどこでも地熱を使えるようになるかもしれません。

でも、地熱をもっと安く、簡単に使う方法があるとしたら、どうでしょう？

そこで3つ目の選択肢、地中熱ヒートポンプの出番です！

従来型や強化地熱のシステムと違い、これはもっと浅い場所に設置できます。地面の熱で専用の液体をそこまで高くない温度まで温め、熱交換システムで温度をさらに上げ、その熱を水に移し、パイプで循環させて家を暖めます[41,42]。

ちょっと大げさに聞こえるかもしれませんが、こうして熱を高めれば、地表からほんの数メートル下にあるわずかな暖かさでも、気持ちよく湯気の立つお風呂のお湯を作るには十分です。

しかも従来のボイラーより、ずっと効率的です！

地熱エネルギーは本当に、人間が何かを燃やすことへの依存をやめる助けになるのでしょうか？はい！

適切な投資、税制優遇、研究、技術があれば、人類はついに地球の可能性を最大限に引き出し、火山の温泉から郊外の庭まで、どこでもこの地下エネルギーを使えるかもしれません。みんなが熱く湯気の立つお風呂をたっぷり楽しめる、火を使わない未来を作れるのです。

専門アドバイザー

ご協力いただいた皆さまに感謝します

Prof. Jon Gluyas

ダラム大学

The Geological Society 会長

地球科学部

Dr. Andrea Paulillo

ユニバーシティ・カレッジ・ロンドン

化学工学科

関連動画

これらのリソースは提携していません。ここで紹介しているリンク先はすべて英語です。

関連資料

これらのリソースは提携していません。ここで紹介しているリンク先はすべて英語です。

歴史

仕組み

概要（従来型）

強化型地熱

地中熱ヒートポンプ

ミリ波掘削

参考文献

ここで紹介しているリンク先はすべて英語です。

  1. [1] 分析: 気候変動に歴史的な責任がある国はどこ？ | Carbon Brief（「参考メモ*」を参照）
  2. [2] 地球上のすべての生命の重さ | ESALQ - College of Agriculture, University of São Paulo
  3. [3] 人類と地熱現象の長い関係の小史 | Proceedings World Geothermal Congress
  4. [4] 時代を通じた地熱エネルギー - 電力と代替エネルギー | Alberta's Energy Heritage
  5. [5] Roman Bathsの温泉水熱回収システム | Buro Happold
  6. [6] 温泉を楽しむ: Roman Bathsから熱を回収 | CIBSE Journal
  7. [7] Bath Abbey、街の温泉水で暖房へ | Energy | The Guardian
  8. [8] ギリシャ・ローマ世界の薬効温泉と癒やしのスパ (In: Leisure, Pleasure and Healing) | Supplements to the Journal for the Study of Judaism
  9. [9] 自然の百科事典: プリニウスを読む | Leonardo's Library | Spotlight at Stanford
  10. [10] 大プリニウスと最初の百科事典を振り返る | Knowable Magazine
  11. [11] 大プリニウスの死について | Memoirs of the American Academy of Arts and Sciences
  12. [12] 大プリニウスの悲劇的な死とポンペイ最後の日々 | The Collector（「参考メモ*」を参照）
  13. [13] ポンペイの石膏像: 堆積後の方法論からの知見 | PLOS ONE（「参考メモ*」を参照）
  14. [14] 地熱都市: 歴史 | MIT
  15. [15] 知ってた… イタリアには世界最古の地熱発電所がある？ | Utah FORGE
  16. [16] 世界初の地熱発電所 | World-Energy
  17. [17] 地球の核 | National Geographic
  18. [18] 地球の核はなぜこんなに熱い？ そして科学者はどうやってその温度を測る？ | Scientific American
  19. [19] 地球の核はなぜ地球を溶かさない？ | BBC Science Focus
  20. [20] 2015年TESS会議で発表されたコロナ加熱理論の強力な証拠 | NASA
  21. [21] 地球の核の条件下での鉄の熱伝導率と電気伝導率 | Nature
  22. [22] 地熱エネルギーとは？ | Planète Energies
  23. [23] 地熱エネルギー: イギリスにおける熱と電力の可能性 | House of Lords Library
  24. [24] 拡張地熱システム (EGS) の世界的レビュー | Renewable and Sustainable Energy Reviews
  25. [25] 大都市のエネルギーミックスを脱炭素化する手段としての地熱エネルギー | Communications Earth & Environment | Nature
  26. [26] 地熱地帯での再注入: 2020年版世界的レビュー | Geothermics
  27. [27] 再注入 - 概要 | ScienceDirect Topics
  28. [28] 地域暖房で使う中深度から深部の地熱井の寿命と出力密度 | The European Physical Journal Plus
  29. [29] 地熱エネルギー | National Geographic
  30. [30] 島しょ型100%再生可能エネルギー戦略における地熱エネルギー活用。テネリフェ島(スペイン)の事例研究 | Journal of Cleaner Production
  31. [31] Energy Figures 2021 | Orkustofnun（Primary Energy Use in Iceland 1940-2020 | Orkustofnunも参照）
  32. [32] 地熱発電所に適した地域の予測 | Journal of Cleaner Production
  33. [33] CGG、米国エネルギー企業向けにエネルギー転換を支える地熱マルチクライアント調査のライセンスを提供 | Viridien
  34. [34] 熱い岩石から役立つエネルギーへ: 拡張地熱システムの可能性の世界的推計 | Applied Energy
  35. [35] 拡張地熱システム(EGS)ファクトシート | US Department of Energy
  36. [36] 地熱技術プログラム: 拡張地熱システム | NLR (NREL)
  37. [37] 拡張地熱システム - 概要 | ScienceDirect Topics
  38. [38] ミリ波または直接エネルギー掘削による地熱エネルギー | Geoengineering Global
  39. [39] クエイズ・エナジー
  40. [40] ミリ波技術を使った深部地熱掘削 | OSTI.GOV
  41. [41] クリーンエネルギー101: 地熱ヒートポンプ | RMI
  42. [42] 地熱ヒートポンプ: 仕組み | AHRI
  43. [43] 柔軟な資源が再生可能エネルギーを支える | 基本情報 | California ISO
  44. [44] なぜ揚水発電？ | Queensland Hydro
  45. [45] リアルタイムで稼働する電力網 | U.S. Energy Information Administration (EIA)
  46. [46] クラスター分析でイギリスの家庭における日々のエネルギー需要パターンの時間的変化を捉える | Applied Energy
  47. [47] 需要は賢く、価格パターンの変化に適応する | AleaSoft Energy Forecasting
  48. [48] 図1: 風力と太陽エネルギーの発電曲線を出力と比較 (出典: 風力発電所の安定生産に向けた圧縮空気の新しいハイブリッドモデル) | International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering
  49. [49] 図1: 再生可能エネルギーの貯蔵を含む日々の供給と需要 (出典: 地質の孔隙貯蔵層に圧縮して貯蔵する再生可能ガスエネルギーの地球物理学的評価) | SpringerPlus
  50. [50] 図4: 風力発電所の予測出力と実際の出力 (出典: 風力発電所クラスター向けの風力発電予測誤差ベース配電手法) | Journal of Modern Power Systems and Clean Energy
  51. [51] 図1: 風力・火力発電と30分ごとのスポット価格 (出典: 変わる風: 風力エネルギーはニュージーランドの電力システムとどう関わるか) | Electricity Authority
  52. [52] 図1: 30分ごとの平均電力消費量 (出典: Electricity consumption and household characteristics: Implications for census-taking in a smart metered future) | Computers Environment and Urban Systems
  53. [53] 図1: 風力、太陽光、風力・太陽光ハイブリッドシステムの出力と負荷プロファイルのシミュレーションによる時間別推移 (出典: Exploiting wind-solar resource complementarity to reduce energy storage need) | AIMS Energy
  54. [54] 図2: 対照期間中の30分ごとの平均電力需要 (出典: How Does Daylight Saving Time Affect Electricity Demand? An Answer Using Aggregate Data from a Natural Experiment in Western Australia) | Energy Economics
  55. [55] 地熱発電を柔軟に給電するための貯留層内エネルギー貯蔵の価値 | Applied Energy
  56. [56] 図15 (出典: Quantitative techno-economic comparison of a photovoltaic/wind hybrid power system with different energy storage technologies for electrification of three remote areas in Cameroon using Cuckoo search algorithm) | Journal of Energy Storage

参考メモ

1

CO2を1,718 Gtと報告しており、これは炭素468.54 Gtに相当する。

12,13

おまけ資料 - プリニウスの最期の入浴（アニメーション参照）

[12] 大プリニウスは、ヴェスヴィオ山の山頂から大きく不気味な雲が立ち上るのを見た。何かがおかしいと判断すると、彼は自分だけ逃げて助かるのではなく、海岸沿いの人々を助けるため軍艦の艦隊を出し、自らも同行した。助けを求める友人レクティナからの手紙を受け取ると、この旅が救助任務だということはすぐ明らかになった。プリニウスはポンペイから5 kmの自宅でレクティナに会い、操舵手から引き返すよう助言された - だがプリニウスは拒み、スタビアエにいるもう一人の友人ポンポニアヌスを助けるため先へ進んだ。ここで2人はくつろぎ、夕食をとり、入浴し、一晩かけて危険をやり過ごそうとした。だが夜の間に灰と軽石が降り始め、揺れが建物の土台を揺さぶり、溶岩流は遠くの家々をのみ込みながらその家にも急速に近づいてきた。状況は悪化し、家の中でも外でも危険は増した。朝になると、彼らは避難して浜辺へ向かうことを決めた - 悲しいことに、逃げる途中で高まる熱、炎、息を詰まらせる煙に倒れた。

[13] は、大惨事を招いた単一の出来事があったのではなく、多数の災害が積み重なったのであり、火砕サージが大半の市民の命を奪う前に、熱い灰と軽石が降るなかでポンペイの市民には逃げようとする時間があったことを明らかにしている。これは、大プリニウスが避難を始める前に入浴し、くつろぐ時間があったという結論を裏づけている。

43-56

エネルギー需要チャート

このグラフは、[43-56]に基づく日々のエネルギー需要の変化と再生可能エネルギーの断続性の課題を、4つの主な要素で簡略化して示したものである:

  • 人々の毎日の行動に合わせて、エネルギー需要はふつう1日の中で変わる。電力消費は、人々が起きる朝や仕事から帰る夕方 - 照明やテレビ、調理器具などをつける時間 - に増える傾向があり、仕事中や移動中、外出中の昼間は横ばいか減少するのが一般的である。予想どおり、人々が眠っている夜間は需要が最も低い。
    （具体的な需要パターンは文献によって異なるため、このグラフ用に複数の資料を参照して簡略化した。）
  • 太陽光発電 - 太陽光による電力供給は、日光が最も強い昼間にピークとなり、日が沈むにつれて夕方には減っていく。このおなじみのパターンは人々の電力消費とずれがあり、需要が最も大きいときに供給不足を生む: 日が昇って供給が増えても、朝の需要ピークを埋めるには足りない。一方-で、太陽が最も高い昼間には電力が余るが、需要は比較的低い。
  • 風力発電 - 風力による電力供給は、その性質上かなり変動が大きく不規則である。日光のような一貫して予測可能な短期的（時間ごとの）風のパターンはない（ただし、午後に風が強くなる傾向を示す資料もある）。しかし太陽光と同じく、風力発電も時間帯によっては余剰を生み、別の時間帯には需要を満たせないことがある。風がほとんどなく、需要を満たすには不十分な日が丸ごと続くこともあれば、絶えず風が吹き、電力がずっと余る日もある。結局、風力発電だけでは信頼できるエネルギー源ではない。風力と太陽光を組み合わせても、需要ピークの時間帯、特に曇って風のない日には、十分な電力を供給できないことが多い。
  • 補完的な電力 - 風力と太陽光に伴う断続的な電力不足を補い、供給を需要に合わせるために、ほかのエネルギー源を使うことができる。水力、バイオ燃料、拡張地熱などからのエネルギー供給は1日を通じて調整でき、必要なときには追加のエネルギーを出し、需要ピーク以外の時間帯には過剰発電や余剰の無駄を減らせる。これにより、複数のエネルギー源を組み合わせて、どの時間帯でも安定して需要を満たせる。調整可能な補完供給に（化石燃料ではなく）再生可能エネルギーを使えば、さらに不要な炭素排出を増やさずに需要を満たしやすくなる。

負荷追従型とベースロード電力:

拡張地熱発電は、断続性や人々の消費パターンによって生まれる需要のリアルタイムな変化に合わせ、柔軟かつ動的に調整できるエネルギー源の重要な例であり、「負荷追従型」供給として知られている。化石燃料発電所や原子力発電所などのほかのエネルギー源は、伝統的に「ベースロード」電力供給として知られている A。これは、最も基本的なエネルギー需要を満たすための、継続的で信頼できる電力を供給できるという意味である; ただし拡張地熱とは違い、簡単には調整できず、需要に合わせて出力をすばやく上げ下げすることはできない。「ピーク負荷」と呼ばれる追加の発電所が、需要ピーク時に追加電力を供給するため送電網に組み込まれている。しかしピーク負荷発電所でさえ、オン・オフには時間がかかり、非効率、過剰生産、無駄を生む。

このグラフは、広く知られるダックカーブ Bを簡略化したもので、太陽光（/風力）による需要と供給の差、そしてその結果として電力送電網にかかる負荷を示す図である - つまり、太陽光（/風力）で満たされた分をすでに差し引いた後に残る純需要を示し、それらの要素を1本の曲線にまとめている。これは、風力と太陽光がエネルギー需要を満たす助けにはなる一方、（現時点では）ベースロードを完全には置き換えられないことを示している。常に需要の100%を満たせないため、それを補うために従来の出力変化が遅いベースロード発電所を急速かつ頻繁に調整する必要が生じ、送電網に追加の負担をかけることがある（少なくとも、余剰、大幅な非効率、電力の無駄を生まずには済まない）。たとえば、電力需要がピークになる夕方に太陽光発電量が減ると、ベースロード発電所を運転する電力会社は太陽光の代わりにすばやく生産量を上げなければならない。これは運用上の負荷を生むだけでなく、こうした発電所は常時稼働して初めて採算が取れるため - 1日の間にオン・オフを繰り返すと経済的に成り立たなくなる。

この問題への解決策は「アヒルのお腹を平らにする」こと（つまり、ベースロード発電所で出力を上げ下げする必要性を減らすこと）を目指しており、次のものがある:

  • ベースロード運用を改善し、出力をより柔軟に調整する
  • エネルギー消費の行動を変え、1日を通じてより一定にする
  • 余剰電力を別の用途へ回す
  • 系統規模のエネルギー貯蔵を取り入れる
  • 拡張地熱や水力発電のような、より柔軟な「負荷追従型」電源に切り替える

関連項目: ダックチャートを10年間分析して: 2008年のNRELの発見が、今日の送電網でより多くの太陽光を可能にする仕組み | NLR (NREL) （アーカイブ）

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