2012/6/21＠サイエンスカフェ in 静岡

静岡流！！自然エネルギーの地産地消�
~地下圏微生物を利用したメタン・水素ガス生成~�

木村 浩之（Hiroyuki Kimura）�
����静岡大学理学部地球科学科・講師�
����静岡大学防災総合センター・兼務�静岡県中西部の掘削温泉�

�

地下800m以上掘削された温泉の場合、ほぼ全ての温泉水にメタンが検出されている。�
静岡県内60カ所以上の天然・掘削温泉にてメタンが含まれることを確認している。�
�○ 静岡市 24ヵ所�
�○ 浜松市 15ヵ所�
�○ 藤枝市���4ヵ所�
�○ 島田市 �4ヵ所�
�○ 掛川市 7ヵ所など�

静岡県中西部のメタン温泉の分布��������������������������������������������������������������������������������（2012年6月現在)�

なぜ、静岡県中西部なのか？�

産業技術総合研究所�
地質調査総合センター�付加帯の分布域�

付加帯の地質構造�
日本列島�

付加帯�

太古の海底堆積物が陸上プレートに付加・隆起してできた厚い堆積構造	

太平洋�

陸上プレート�

海溝�

海底�
堆積物�

付加帯の特徴�
• 南西日本の太平洋側に広く分布する。
• 厚い堆積層（約10 km）からなる。
• 堆積層は海底堆積物に由来する。
• 堆積層は高濃度の有機物を含んでいる。
• 地下深部に豊富な地下水が存在する。
• 地下水に高濃度のメタンが溶存している。
• 地上部にてメタンが激しく気化する。
• 地下水に多くの微生物が含まれている。

遊離ガスの組成�
水素ガス（H2）��<0.01 vol %�
二酸化炭素（CO2）����������0.42 vol %�
メタン（CH4） �� �������97.8 vol %�
エタン（C2H6 ）�
� �������1.76 vol %�
プロパン（C3H8） ��������0.001�vol %�
ブタン（C4H10) �������<0.01 vol %��������������都市ガスとほぼ同じ成分 �静岡県中西部のメタン湧出量の試算
�
静岡県中西部でのメタン湧出量��������������������������������������������������������������������������������（2012年6月現在)�

メタンが検出される温泉施設（60ヵ所以上）
総揚湯量 ・・・ 8,113 L/min → 11,683 m3/day
温泉水 : ガス ＝ 1 : 1 （東海ガスのデータ）
一般家庭1万8千世帯分の都市ガス使用量に相当する。
ガス料金に換算すると、年間8億5千万円に相当する。
ガスエンジンで発電すると・・・
��25kWの発電機61台を24時間フル作動できる。
��1,332万 kWh/年
��一般家庭3,700世帯分の電力に相当（＋α 85℃温水）。

メタンの起源は何か？�

メタンの起源は何か？�
● 地熱作用による有機物分解起源����● メタン生成菌による微生物起源������・ 4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O�
�����・ 4HCOO- + 4H+ → CH4 + 3CO2 + 2H2O�
�����・ 4CH3OH → 3CH4 + CO2 + 2H2O�
�����・ CH3COO- + H2O → CH4 + HCO3- ���その他：Methylamine, Dimethylamine, Trimethylamine, Dimethylsulfide�メタン生成菌の培養�
H2+CO21.5気圧	

N2地下水	

地下水	H2 / CO2酢酸 (20 mM)

N21.5気圧	

N2地下水	

地下水	

メタノール (20 mM)

ギ酸 (20 mM)

1.5気圧	

1.5気圧	

メタン生成菌の培養�
88

H2 + CO2

6酢酸 (20 mM)

7CH4 (mM)

CH4 (mM)

7543255ºC

16543255ºC

10002468

10121416180

2461012141618Day

Day
88

メタノール (20 mM)

7

ギ酸 (20 mM)

76CH4 (mM)

CH4 (mM)

8543255ºC

16543255ºC

1000246810Day121416180246810Day12141618

水素資化性メタン生成菌の温度別培養�
1035ºC

86H2+CO24地下水	

2CH4 (mM)

CH4 (mM)

1001234567894210 11 12 1301012345678910 11 12 1345678910 11 12 1345678910 11 12 13

1045ºC （陸上での泉温）�

8CH4 (mM)

CH4 (mM)

600642075ºC

8642001234567890

10 11 12 13

123101055ºC

8CH4 (mM)

CH4 (mM)

65ºC8642085ºC8642001234567Day8910 11 12 130123Day

水素資化性メタン生成菌�
H2 + CO2 ��� ����� CH4

メタン生成菌�

H2はどこからくるのか？�
（１）マグマ由来の無機ガス（C-H-O-S）の反応（２）600℃以上でのCH4の分解（３）100℃前後でのCO2、H2O、CH4の反応（４）ウランなどの放射線による水の分解（５）H2O存在下での珪酸塩の触媒反応（６）苦鉄質岩の加水分解（７）発酵細菌による水素発生型有機物分解	発酵細菌を培養する�
混合有機基質+（酵母エキス ＋ ペプトン ＋ グルコース）

Bromoethanesulfonate
Br - CH2 - CH2 - SO3H
（メタン生成菌に特異的な増殖阻害剤）

N21.5気圧�

地下水	

バイアル瓶 70 ml （地下水 30 ml）�

発酵細菌の温度別培養�
435ºC

3H2 (mM)

H2 (mM)

4N22YPG-BES

1012345617012345672345672345674445ºC

3H2 (mM)

H2 (mM)

200210012345675ºC

32107014455ºC

3H2 (mM)

H2 (mM)

65ºC

321001234Day56785ºC

321001Day

微生物共生システム�
発酵細菌�

付加帯の有機物���� H2 + CO2

太古の海底堆積物

����� CH4

メタン生成菌�電力供給�

特願: 2011-220274	

電力供給�

ガス�エンジン�

燃料電池�

温水�
出口�

ガス供給�

ラ
ジ
エ
タ

水素
タン
ク
P�

水槽保温用温水�

冷水�
入口�

発電機�
ラ
ジ
エ
タ

ガス供給�

メ
タン
タン
ク

有機物�
＋�
メタン生成菌�
阻害剤�
↓�

P�

メ
タン
タン
ク
有機物�
↓��

ファン�

P�
地下水�

排水�

微生物群集�

ガス�

電気�

メタン�
分離槽�

メタン�
生成槽�

窒素またはアルゴン�

微生物群集�

エンジン/燃料電池冷却水�

Ar�

水
中
ポン
プ�

付加帯の大深度掘削井�

水素ガス�
生成槽�

エネルギーの地産地消を実現する!!	
市街地、工業地帯、高速道路、鉄道、新幹線への電力供給	

有機物+
H2

発電�

発電�

発電�

メタン生成菌に特異的な阻害剤

CH4

微生物群集	

メタン生成槽	

水素ガス
生成槽	
水素発生型発酵細菌＋
水素資化性メタン生成菌�

古米、古々米、輸入米、サツマイモ
農作物の非可食部など

CH4

微生物群集	

メタン分離槽	

水素発生型発酵細菌＋
水素資化性メタン生成菌�

嫌気性
地下水の揚水	

付加帯の大深度掘削井（地下1,000~1,500 m）

海外への技術移転を目指す�

付加帯のある国：米国西岸、メキシコ、ペルー、チリ、ギリシャ、トルコ、インドネシア、NZなど	

災害時緊急ステーションとしての利用�
日本列島�

付加帯 = 被災地�太平洋�

陸上プレート�地震�

東海地震シミュレーションデータ�
	 	 想定発生時刻：午前5時
マグニチュード：最大M8.0	 	 	 	 	 	 	 	 震 度：最大7	 	 	 	 	 	 	 	 死 者：最大9,200人	 	 	 	 	 	 建物全壊：約26万棟	 	 	 	 	 	 	 	 	 避難者：約190万人	 	 ライフライン：断水人口・・・約550万人	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 停電人口・・・約520万人	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 ガス停止・・・約290万人	 

「水-ガス-電気」を自家的に供給できる緊急ステーション	
東海・中京工業地帯、新東名、リニア新幹線への電力供給	

有機物+
H2発電�

発電�

発電�

メタン生成菌に特異的な阻害剤

CH4

微生物群集	

メタン生成槽	

水素ガス生成槽	
水素発生型発酵細菌＋
水素資化性メタン生成菌�古米、古々米、輸入米、サツマイモ
農作物の非可食部など

CH4

微生物群集	

メタン分離槽	

水素発生型発酵細菌＋水素資化性メタン生成菌�

嫌気性
地下水の揚水	

付加帯の大深度掘削井（地下1,000~1,500 m）

付加帯エネルギー生産システムの特徴�
・ 季節変動がない。年中昼夜のエネルギー生産が可能である。
・ 東海・中京工業地域と分布が一致し、電力需要がある。
・ 送電ロスのない地産地消エネルギーの生産が可能となる。
・ 中山間地における新規振興事業の創出につながる。
・ 地下水の塩濃度は低く、配管やリアクターの腐食が少ない。
・ 硫化水素が少なく、ガスエンジンの腐食が少ない。
・ 屋外にリアクターを設置することにより、安全に利用できる。
・ 事故が起こったとしても、放射能汚染の心配はない。
・ 液体培養が可能であるため、反応後の残物が少ない。

付加帯エネルギー生産システムの特徴�
・ 付加帯の深部地下水に大量のメタンが溶存している。
・ 地下水からのメタンの分離は非常に簡単である。
・ 嫌気性地下水を使用するため、直ちにメタン生成を開始できる。
・ 発酵細菌のみを活性化することで、水素ガスも生成できる。
・ 地下水に多種多様な微生物が含まれる。
・ 多様な有機物を利用できる （古米、サツマイモ、農作物非可食部）
・ 「地下水・ガス・電気」といったインフラを自家的に供給できる。
・ 災害時に役場、避難所、医療拠点、防災拠点、ヘリポート、空港、自衛隊の人命救助最前基地などで有効利用できる。