資料 1-2

地熱発電所性能解析技術およびハイブリッド地熱発電技術の紹介

電力中央研究所 エネルギー技術研究所
上席研究員 中尾吉伸

平成30年度 地熱発電・熱水活用研究会
2018年5月11日

目次
自主研究
1. EnergyWin™の紹介
2. 運転データに基づく性能解析技術の紹介

電力受託

 地熱発電所における性能管理 運転データ解析システムとは システム適用事例

3. ハイブリッド地熱発電技術の紹介

NEDO

 ハイブリッド熱源発電システムの紹介
 ハイブリッド熱源発電システムの成立性評価
 世界のハイブリッド地熱開発

平成30年度 地熱発電・熱水活用研究会

2018年5月11日

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EnergyWin™とは・・・ EnergyWin™とは「発電システム熱効率解析汎用プログラム」
 電中研の独自開発によるソフトウェア
 Windowsアプリケーション

対応OS : Windows Vista/7/8/8.1/10

 EnergyWin™の特徴
 プログラムがコンパクトで、動作が軽快 自由にシステムを構築でき、計算上の条件入力点も任意に選択可 発電所既存のシステムとの親和性が高い
 既存システムと同じ環境下で、新型発電システムの解析も可能

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2018年5月11日

EnergyWinTMの概要
機器モデル一覧

1-1)コンポーネントパレットから機器を選択【汎用モデル】
・入力点、出力点、合流、分岐、タービン、膨張弁、ヒータ、クーラ、スタック、配管、発電機、機械軸、表示器、制御装置【微粉炭火力用モデル】
・ボイラ、復水器、蒸気タービン（高・中・低）、タブルフロー蒸気タービン、給水加熱器、脱気器、ポンプ【コンバインドサイクル用モデル】
・圧縮機、ガスタービン、燃焼器、熱交換器、ドラム【各種発電システム用モデル】
・石炭ガス化炉、ASU、脱硫設備（乾・湿式）、ダストフィルタ、COS転換器、水スクラバ、水洗塔
・蒸気発生器、飽和蒸気タービン、湿分分離器
・MCFC、SOFC、改質器・増湿塔、水回収装置
・COシフト反応器、CO2回収設備【地熱発電システム用モデル】
・生産井、直接接触式復水器、蒸気エゼクタ、冷却塔

1-2)機器を配置したい位置をクリックして機器を配置4)機器の計算条件の設定
2-1)パレットで接続線を選択
2-2)表示された接続ポート間をマウスでドラッグして接続

5-1)計算の実行

3)作動流体の性状を入力

5-2)各部状態量の表示

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5-3)各部状態量の詳細表示

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目次
自主研究
1. EnergyWin™の紹介
2. 運転データに基づく性能解析技術の紹介

電力受託

 地熱発電所における性能管理 運転データ解析システムとは システム適用事例

3. ハイブリッド地熱発電技術の紹介

NEDO

 ハイブリッド熱源発電システムの紹介
 ハイブリッド熱源発電システムの成立性評価
 世界のハイブリッド地熱開発

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5地熱発電所における性能管理 現在の地熱発電所における性能管理手法
 運転データの定期的採取、トレンド解析による評価
 定検時などに実施される性能試験⇒ 性能曲線、管理値、過去のデータとの比較⇒ 装置別の個体管理
 地熱発電設備の特徴
 生産井、還元井の性能低下や蒸気量の変動
 タービンへのスケール付着などによる性能低下
 非凝縮性ガスの混入、ガス量の変動
 山間部に立地・・冷却塔、直接接触式復水器⇒ 季節変動の影響大平成30年度 地熱発電・熱水活用研究会

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6地熱発電所における性能管理手法の高度化
 現在の管理手法における問題点
 冷却塔、直接接触式復水器などにより構成されており・・・
各機器の状態量は密接な関係を持っており、地熱発電所全体の性能評価は一層困難 ⇒ 発電所全体の熱効率解析
地熱発電所の現在のプラント状態をより詳細に把握する
 蒸気量変化、季節変動などにより・・・

運転条件が異なるため、トレンド解析結果の性能曲線、管理値、過去のデータとの乖離判定が難しい ⇒ 標準条件換算
 性能が劣化した機器、箇所が特定できたとしても・・・

特定機器、箇所の修繕、或いは、更新の必要性を定量的に評価することは難しい ⇒ 状態量、機器性能値に基づく影響度解析
地熱発電所のプラント状態を予測する
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事後保全から予知保全へ

予防保全
(TBM)

事後保全
1950年
故障後に保修予知保全(CBM)▲ 火力（TBM＞CBM）▲ 地熱（TBM）
故障発生前に保守故障を予知し保守定期メンテナンス
時間基準保全状態基準保全Time-based Maintenance

Condition-based Maintenance

矢野経済研究所, 2017製造業のIoT活用の実態と展望-保全・故障予知の現状とAIの可能性-を参考に図を作成

状態把握

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状態予測

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8運転データ解析システムとは・・・

状態把握
性能基準

地熱発電所をデジタルに再現
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状態予測

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9「運転データ解析システム」適用事例
 国内A地熱発電所において、平成21年に実施されたプラント改修工事前後の性能比較

国内A地熱発電所のデジタル発電所を構築
本適用事例は、電中研報告を基に作成、https://criepi.denken.or.jp/jp/kenkikaku/report/detail/M09008.html
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目次
自主研究
1. EnergyWin™の紹介
2. 運転データに基づく性能解析技術の紹介

電力受託

 地熱発電所における性能管理 運転データ解析システムとは システム適用事例

3. ハイブリッド地熱発電技術の紹介

NEDO

 ハイブリッド熱源発電システムの紹介
 ハイブリッド熱源発電システムの成立性評価
 世界のハイブリッド地熱開発

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地熱発電の導入目標
国の地熱発電に係る導入目標
 再生可能エネルギーである地熱発電については、長期エネルギー需給見通し（平成27年経済産業省決定）に基づき、2030年度までに、設備容量を現在の約3倍まで増加させるべく、導入促進を実施。

2030年度までに設備容量を145万kWe～155万kWeに※ 2018年現在：53万kWe

2030年度までに発電電力量を113億kWhに※ 2012年度実績：26億kWh※ 目標達成には、設備利用率の改善(56%⇒83.2%)も必要

出典：地熱発電・熱水活用研究会 講演資料「地熱発電の導入促進に向けた経済産業省の取組について」、経産省、平成30年3月

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NEDO事業における地熱発電技術開発
 事業名：地熱発電技術研究開発／地熱発電の導入拡大に資する革新的技
術開発／地熱発電適用地域拡大のためのハイブリッド熱源高効率発電技術の開発
 実施期間：平成25年9月 ～ 平成30年2月
 実施機関：電中研（エネ技研、社経研、地工研が連携）、 富山大学（再委託先：三菱重工業）
 実施概要： 地熱と他の未利用エネルギーとを効果的に組み合わせることで、より高効率且つコンパクト、低コストな『ハイブリッド熱源発電システム』についてFSを実施し、システムの事業性を評価。
 リアルタイムにスケールの付着状況を遠隔モニタリングすることが可能な新規センシング技術を開発する。
 地熱発電所において現場試験を行い、システムの信頼性を確認する。
 NEDO主管部署：新エネルギー部 熱利用グループ平成30年度 地熱発電・熱水活用研究会

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地熱発電における課題
 地熱発電では、発電効率の向上および設備利用率の向上が期待されている。

汽水分離器
出典：三菱重工業㈱ホームページ

タービン初段翼では、残存液滴の蒸発によるスケールが付着

タービン

従来の地熱発電システムは、井戸より噴気した熱量の小さい地熱飽和蒸気を発電に利用しており、発電効率が十数%程度と低い。
タービン最終段翼では、湿り度の増加により、エロージョンが発生

G

復水器
冷却塔

P

生産井

還元井

井戸の減衰
地熱貯留層
シングルフラッシュ式地熱発電システム

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ハイブリッド熱源発電システムとは外部熱源によりタービン流入前の地熱蒸気を過熱する
蒸気過熱によるメリット①

蒸気条件が向上することにより、発電効率が向上②

タービン内部で蒸気が湿ることがないため、タービン最終段においてエロージョンが発生しない（水滴による機械的損傷）

蒸気過熱の着想は30年以上前に特許登録※1されたが、実現されなかった

今だからこそ実現可能な「革新的技術」※1 JPA-1977106044 「ガスタービン・地熱タービン組合せ発電プラントの運転方法及び装置」、日立製作所

加えて・・・
地熱蒸気とバイオマスなどの自然エネルギーとを効果的に組み合わせた「ハイブリッド熱源発電システム」を提案
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ハイブリッド熱源発電システムとは
 従来の地熱発電システムにおいて、タービンに流入する前の約150℃の湿り域に入らないため地熱飽和蒸気を未利用エネルギーによって約400℃まで過熱するハイブ
エロージョンが発生しない
発電効率:17%⇒20％HHVに向上
リッドシステム。

温度 T[℃]

蒸気条件の向上により発電効率:17%比エントロピー s[kJ/kg]

定義
発電効率 ＝

発電端出力
タービン流入蒸気熱量

試算条件
地熱蒸気：0.5MPa飽和蒸気
真空度： 700mmHg（冬期）平成30年度 地熱発電・熱水活用研究会

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ハイブリッド熱源発電システムの課題① 日本国内において、必要十分な量の外部熱源を調達可能か？

タービン上に生成するスケール③ 蒸気過熱に起因するスケール付着は生じないか？

⇒ ポテンシャル調査

出典：三菱重工業㈱ホームページ⇒ 小規模実証試験⇒ スケールセンサーの開発② ハイブリッドシステムは、事業として成立するか？
⇒ 概念設計、コスト評価

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事業スケジュール
研究開発項⽬①ハイブリッド熱源発電システムの成⽴性評
価（電中研・MHI）②ハイブリッド熱源発電システムの実運転条
件の検討（電中研・MHI）

25年度
1Q

2Q

3Q

26年度
4Q

1Q

2Q

3Q

経済性評価

27年度
4Q

1Q

2Q

3Q

28年度(予定)
4Q

システム構成の検討

成⽴性評価

システムインテグレーションの検討
実運転条件の検討

室内試験③スケールセンサーの現場試験装置設計・製作
開発（富⼭⼤）1Q

経済性評価(詳細調査)

2Q

3Q

4Q

29年度(予定)
1Q

2Q

3Q

4Q

・高効率化が可能であることを確認
・バイオマス調達コストを調査
・概念設計を実施・システムの発電原価を試算

現場試験
ラボ試験器の設計・製作④ハイブリッド熱源⾼効率発電システムの⼩規模実証試験（電中研・MHI）

電中研および澄川地熱における安全性確認試験
滝上発電所にて小規模実証試験を実施し、以下を確認
・蒸気過熱器の長期安定性

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設計・製作

据付試験

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評価25日本国内における外部熱源の探索
バイオマス

法規制
性能

経済性

水素燃焼
ガスタービンの排熱

燃料電池の排熱

太陽熱

△

×

△

△

排ガス規制

コレクタの景観影響

燃料貯蔵

燃料貯蔵

○

×

同規模専焼発電に比べて高効率

日本においては直達日射が不足○△

FIT適用可高効率化は可能△◎ｶﾞｽﾀｰﾋﾞﾝｺﾝﾊﾞｲﾝﾄﾞｻｲｸﾙより劣る

広負荷帯で高効率△
設備コスト大（低コスト化に期待）－
現状では、評価不可◎ 地熱発電と発電設備を共用

環境性○
カーボンフリー敷地面積小運用性
地熱発電規模：

総合評価

×
敷地面積大◎◎ゼロエミッション
敷地面積小ゼロエミッション
敷地面積小○△◎◎

カーボンフリー
300kWe～9MWe

要蓄熱タンク
海外では大容量可

負荷応答速度大～数MWe

負荷応答速度大9MWe～○×△

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○
※将来技術

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地熱／バイオマス

ハイブリッド熱源発電システムの熱効率解析
MHIによる
概念設計より

地熱発電設備規模・中間期条件で3MWe級
地熱蒸気条件・151.7℃ ＠0.5MPaA
タービン断熱効率・82％
機械効率・96％
復水器真空度・685mmHg（中間期条件）
NCG抽出方法
・２段蒸気エゼクタ方式
電中研開発ソフト「EnergyWinTM」による解析結果

ベースにした地熱発電システムは八丈島地熱発電所（認可出力：3MWe）

EnergyWinによる熱効率解析を実施

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地熱＋バイオマス ＜ ハイブリッドシステム
バイオマス

発電効率：20%

発電効率：17%（冬期条件）（冬期条件）

タービン

G
150℃

400℃
蒸気過熱器
タービン

G

3MWe級フラッシュ式地熱発電

送電端出力：2,853kWe
発電効率：12%
ボイラ

生産井
タービン

P

還元井

G

バイオマス（チップ）34TPD

ハイブリッド熱源発電システム

地熱貯留層

バイオマス専焼発電

送電端出力：501kWe
ボイラ :1台
タービン :2台
発電機 :2台
送電端出力合計：3,354kWe

蒸気過熱器 :1台
タービン :1台
発電機:1台

ハイブリッド化することによって、タービンと発電機の台数を削減できる

送電端出力：3,716kWe

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ハイブリッド化することで、送電端出力が約１割増える
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バイオマス燃焼設備の詳細検討
項目

種類
ペレット

原料

チップ
林地残材

熱風炉形式

火格子燃焼炉特徴
性状一定、前処理不要
保管サイロ要、保管面積小、（嵩比重0.6）
含水率変動（50%）、乾燥要
保管面積大、嵩比重0.2程度
含水率変動（50%）、破砕、乾燥要
保管面積大、嵩比重0.8程度
灰取り出し手動、安価過熱器
3.0MWth・原料の種類に応じた機器構成を検討し、熱物質収支解析を実施
・原料の種類に応じた機器構成における補機動力を試算
・蒸気過熱器の仕様検討および熱交換器設計
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29滝上地熱発電所における小規模実証試験
 滝上発電所 生産基地を利用して、地熱飽和蒸気の過熱試験を実施
実施期間：2017年7月3日（月）～7月13日（木）実施場所：滝上発電所 生産4号基地
実施機関：電中研、富山大学、三菱重工業
実規模の蒸気過熱器配管1本分に相当

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約400℃

滝上発電所における地熱蒸気過熱試験（延べ5日間）②～⑦（出口付近）
過熱蒸気中シリカ分析項目
No.

採取日時

ろ液中

残渣中 総シリカ
過熱器下部配管（mg/L） （mg/L） （mg/L）• シリカを主成分とするスケールは生成していない。
• 蒸気過熱に起因するスケール付着量の増加は認められない。

0.04.6

4.6

2 H29.7.12.13:00

0.0

3.4

3.4

3 H29.7.13.13:00

0.0

3.83.8

主成分:Fe, C①（入口付近）約110℃

既存技術の組合せで設計可能

1 H29.7.11.13:00

非加熱配管部

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ハイブリッドシステムのポテンシャル調査
上川町

弟⼦屈町

⼋幡平地域

滝上発電所

4千〜1.2万kWe × 13箇所 ⇒ 約10万kWeのポテンシャルが期待される。
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ハイブリッドシステムの発電原価
バイオマス熱源としての発電原価投入したバイオマスの発熱量に対し、どれだけの増出力が得られたか？

地熱熱源としての発電原価
ここでは、地熱発電所として、事業性が成立していると仮定。
地熱熱源としての発電原価は、ベースとなる地熱発電システムに依存する。
地熱発電のFIT価格：
出力が1万5,000kWe未満

40円/kWh+税

バイオマスのFIT価格：
間伐材等由来の木質バイオマス(2,000kWe未満)

40円/kWh+税

バイオマス熱源としての発電原価25円/kWh ～ 30円/kWh程度

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ハイブリッド化によるメリット
 地熱発電の発電効率の向上および設備利用率の向上が期待できる。
 バイオマスの持続的な消費が見込め、林業の活性化が期待できる。
タービンへのスケール付着が発生しない*

林業の活性化開発地域での雇用創生* 蒸気過熱器にはスケールが付着する可能性あり。ただし、修繕費はタービンよりも安価

バイオマス

蒸気条件が向上するシステムの効率が向上
タービン最終段でのエロージョンが発生しない

150℃

400℃
蒸気過熱器

発電所のリパワリングにも活用できる
設備利用率の向上

タービン生産井

P

還元井

地熱貯留層

G

ハイブリッド熱源発電システム

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34今後の展開 地熱発電所とバイオマス専焼発電所とを効果的に組み合わせることで、別々に建設するよりも高効率且つコンパクト、低コストな『ハイブリッド熱源発電システム』のFSを実施した。
 実規模の過熱配管を用いた小規模実証試験を実施し、蒸気過熱に起因するスケール付着等の問題が生じないことを確認。
⇒ 既存技術の組合せで設計可能であることが分かった。
 地熱および森林バイオマスの賦存量評価を実施したところ、地熱とバイオマスとを組み合わせるハイブリッド熱源地熱発電システ
ムの開発有望地点は国内に13地域。

現在、新たな実証プロジェクトを立ち上げるべく、地熱開発事業者に対して、本事業のPR活動を実施中

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イタリア EGPのHybrid地熱発電技術
 イタリア トスカーナ州ラルデレッロ
 EGP Cornia2地熱発電所
 2015年7月に運用を開始
Marco Paci, Innovation of geothermal power production in Italy, Ravenna, Mar 31, 2017,
http://unmig.sviluppoeconomico.gov.it/unmig/info/omc2017/presentazioni/geotermia/paci-bonciani.pdf

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NZにおけるHybrid地熱発電技術の検討
 ニュージーランド、Rotokawa
 バイオマスとのハイブリッドによる高効率化の検討
 SF、DF、バイナリーなど3方式
 蒸気条件：約11MPa/320℃（気相比率：約0.3）

Lan T. Thain, Ronald Dipippo, Hybrid Geothermal-Biomass power Plants: Applications,Designs and Performance Analysis, World Geothermal Congress 2015

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米国におけるコプロ、ハイブリッド技術の開発
米国では、地熱発電所におけるコプロ、ハイブリッドプロジェクトを推進
・Geothermal and Solar
地熱バイナリー＋太陽光＋太陽熱、フラッシュ地熱＋水力
近年は特に、CSPとのハイブリッドが目立つ（SunShotプロジェクト by DOE）
a.フラッシュ前地熱熱水の加熱源としてCSP熱源を活用＠NREL
b. CSPの給水加熱用熱源として地熱熱水を活用＠INL
・Oil and Gas and Geothermal @UND, NRELなど
化石燃料採取時に併産される地熱流体を発電に利用
・Water Desalination @INL, NRELなど（膜技術）
Nevada州では冷却水が不足しているため、地熱流体を淡水化して利用
・Mineral Recovery @NREL, Southern Researchなど
近年では特に、地熱資源よりLiの採取がブーム（GRC2017: 7件発表）
地熱資源中には、全Li採取量の2%程度しか存在しないと試算されているが、例えば、米国加州Salton Seaでは、～200mg/Lと高濃度で存在する
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2018年5月11日

CSP＋地熱ハイブリッド発電技術
定格3万kWeが2.25万kWeの部分負荷運転に。
CSPとのHybrid化により、4千kWeの増出⼒化。

38

GRC ANNUAL MEETING 2017
October/2-4/2017

NRELによるFS

電中研が実施しているハイブリッド地熱の実証試
験結果に興味あり。

Joshua McTigue, Retrofitting a Geothermal Plant with Solar and Storage toIncrease Power Generation, GRC Vol.41, pp768 - 785, 2017

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CSP＋地熱ハイブリッド発電技術

GRC ANNUAL MEETING 2017
October/2-4/2017

地熱流体をCSPプラントの給水加熱に利用。
低温地熱資源利用時、発電原価は通常の地熱発電方式より安価になる。

Idaho National LaboratoryによるFS

CSPバイナリーの給⽔加熱器に地熱熱⽔を活⽤し、⾼効率化を狙う。

Daniel S. Wendt, Hybrid Geo-Solar GioVision Case Study Analysis: CSP power plant withgeothermal boiler feedwater heating, GRC Vol.41, pp2634- 2644, 2017

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2018年5月11日

地熱流体からのLi抽出技術の開発

GRC ANNUAL MEETING 2017
October/2-4/2017

加州、ネバダ州などでLithiumの資源量調査が始まっている。
回収技術に関しては、今後の課題とされている。
現在、Li系バッテリーの⼤量⽣産のため、Liは全世界で年間32,000トン以上消費されている。しかしながら、2030年には年間80,000〜280,000トンの消費が⾒込まれている。

Li分布図
C, Hickson et al., Do Geothermal Systems Play a Role in Lithium Brine
Enrichment in Nevada Plays?, GRC Vol.41, pp1922-1937, 2017

Liの消費消費予測

S, Mohr et al,Lithium Resources and Production: CriticalAssessment and Global Projections, Minerals, 2012

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2018年5月11日

41地熱＋太陽光＋太陽熱のトリプル発電：ネバダ州
太陽光発電(約0.97km2)

地熱発電 (イソブタン)
太陽熱発電

地熱(バイナリー２基) ：33MW(2009年～)
太陽光(89,000パネル)：24MW(2011年～)
2MW(2012年～)
太陽熱(集光型; CSP) ： 2MW(2015年～)
Total：61MW(185,000MWh/yr)→
出典: Youtube/enelvideo,Stillwater Solar Geothermal Hybrid Project in Fallon, USA (ENG)より抜粋(https://www.youtube.com/watch?v=U_kayrbkkus)

地熱単独に比べ、CSPにより発電量は3.6%増加
夏期の地熱の発電出力低下を補い、地熱貯留槽の寿命を延長が期待
1.5万世帯分の電力供給、CO2排出量2.8万t削減

・当初の狙いは、サイト内の出⼒調整だったが、現在は⾼効率化が主流
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地熱＋水力のハイブリッド発電：ユタ州

出典：ENEL Cove Fort: the new geothermal frontier, Dec. 16, 2016,
https://www.enelgreenpower.com/en/stories/a201612-cove-fort-thenew-geothermal-frontier.html

Cove Fort発電所（エネル・グリーン・パワー社）⇒ 世界初の「地熱＋水力」大規模発電所

https://www.stgeorgeutah.com/news/archive/2016/12/09/jla-power-plantis-first-to-combine-geothermal-hydroelectrictechnology/#.WvOd9qSFOUl

バイナリー発電(ペンタン)：25MW(160GWh/y) 2013年～
水力発電：5GWh/y(780kW相当？) 2016年～→ 還元熱水の流れを利用。動力回収のイメージ？
→ 所内率を高め、送電量増加する効果
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2018年5月11日43

世界初PnPマイクログリッド (PV＋LiB＋水素貯蔵)
Enelは、チリOllagüe にて、2017/5、世界初となるPlug and Play（PnP）マイクログリッド設備を運開。太陽光発電
125kWp、⽔素貯蔵450kWhおよびLiB132kWhとで構成され、24時間、再⽣可能エネルギー由来の電気供給が可能な、100%エミッションフリーの設備である。
また、同設備は容易にリロケーション可能なPnP製品としての特⻑を有する。
Hybrid Energy Storage System (HyESS)- 太陽光発電 ：125kWp- ⽔素貯蔵：450kWh- LiB：132kWh

http://geothermalresourcescouncil.blogspot.com/2017/04/chilegeothermal_4.html

ENELのCERRO PABELLON地熱発電所(48MW)が2016年2⽉に運開しており、近郊の町Ollagueには約600⼈の技術者が⽣活する。

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2018年5月11日

ご清聴ありがとうございました。

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