NEDOにおける地熱発電技術開発

２０１７年１１月２２日
ＮＥＤＯ 新エネルギー部
統括研究員 生田目 修志

我が国における地熱発電開発の経緯
我が国は1966年に松川地熱発電所が運転を開始して以降、いくつかの時代を経て地熱発電の導入量を拡大してきた。
一時は導入量の拡大が停滞したが、東日本大震災以降、ベース電源として活用可能な再生可能エネルギーとして注目を集めている。
現在、計約100万ｋＷの案件の開発が進みつつあり、再拡大期を迎えている。

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開発中の案件

出典：総合資源エネルギー調査会長期エネルギー需給見通し小委員会（第4回）配布資料（経済産業省、2015）
2地熱発電所立地推進 いくつかの課題
外部状況が大きく変化し、新規の案件が進みつつある状況であるが、地熱発電が抱える課題が解決されたわけではない。
以下の課題に取り組む必要がある。
課題１．開発コストの低減
課題２．開発リスクの低減
課題３．自然環境との調和
課題４．温泉バイナリー発電システムの導入拡大
課題５．地熱発電と立地地域（自治体、温泉観光業者他）との共生
課題６．既存発電所の利用向上課題７．環境アセスメントの短縮化
3地熱発電の課題１

開発コストの低減

掘削費用は1 本当たり数億円を要する。
山間部建設等の影響にもよる、初期コストの増加。
他のタービン発電システムに比して、設備コストが高い。（86万円/kW）（開発に着手する以前の調査費用含む）

例

地熱発電所（3 万kW モデルケース）の建設費内訳の試算

項目

費用

調査・開発約64億円

建設費約194億円

総額

約258億円

出典：日本地熱開発協議会、調達価格等算定委員会第3回資料（2012年3月19日）

掘削機
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地熱発電の課題２

開発リスクの低減

他の再エネに比べて開発期間（リードタイム）が長い
目に見えない地下構造ゆえ、不確かさが残る。
○地熱発電の開発ステップと所要期間

出所：総合資源エネルギー調査会 省エネルギー・新エネルギー分科会 新エネルギー小委員会（第1回）配布資料（経済産業省, 2014）○各再生可能エネルギー発電のリードタイム
地熱小水力

陸上風力バイオマス（木質専焼）

太陽光（メガソーラー）

9～13年程度

2～3年程度4～5年程度

3～4年程度

1年程度

出所：調達価格等算定委員会（第2回）配布資料（経済産業省,2012）

5地熱発電の課題３ 自然環境との調和
日本の地熱資源は、約8割が自然公園内に存在
これまで公園内の地熱開発は制限され、開発が進まなかった。
２０１２年、２０１５年に規制緩和
優良事例であれば、制限されていた特別地域内の地熱開発が可能に。
○国立・国定公園内の地熱開発の規制状況（イメージ）

出所：「 国立・国定公園内における地熱開発の取扱いについて」に係る通知文書（環境省, 2012, 2015）及び調達価格等算定委員会（第1回）配布資料（経済産業省, 2012）を 参考にNEDO技術戦略研究センター作成（2016）

6地熱発電の課題４ 温泉ﾊﾞｲﾅﾘｰ発電ｼｽﾃﾑの導入拡大
温泉を利用した発電（温泉バイナリー発電）の賦存量は約７２万ｋＷとされる
新たな掘削をせずに使える未利用の低温域の熱エネルギーの活用は地熱資源有効活用法の一つ。
小型で高効率なシステムを廉価に達成できれば、温泉事業者等でもバンカブルな案件となり、導入しやすい。
→ 地熱発電の裾野が広がり、地熱発電への理解も促進

出典：「パラダイム転換としての地熱開発推進」（2009.8, Gate Day Japanシンポジウム 資料, 産業技術総合研究所）

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地熱発電の課題５

地熱発電と立地地域との共生

地熱開発が進まない要因の一つとして、地熱発電開発による温泉への影響を不安視する問題が存在。
立地地域（地元自治体、温泉・観光業者他）との共生が重要。
温泉源泉の湧出量、温度等の継続的なモニタリングや蓄積したデータの積極公開などによる理解促進が必要。

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地熱発電の課題６ 既存発電所の利用向上
運転開始後の水蒸気・熱水生産量の減少やスケール付着等の影響による還元能力の低下により、発電量の減衰が大きな課題。
水蒸気・熱水の生産量や還元能力の回復のため新たな井戸の追加掘削（コスト増） ⇒ 発電能力の回復・維持・向上に資するスケール付着対策○日本の地熱発電設備容量及び発電電力量

出典：「エネルギー白書2014」（2014経済産業省）

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地熱発電の課題７ 環境アセスメント早期化「日本再興戦略（ 2013年6月に閣議決定）」において、風力・地熱発電について「環境アセスメントの迅速化を行う（3、4年程度かかるとされる手続期間の半減を目指す）」との目標を提示
環境アセスメント手続き期間の半減を目指すことが重要。 環境調査の前倒し・並行実施（前倒環境調査）の方法論に関する知見を得ることを目的とした取組の必要性
方法書～準備書手続までの期間短縮（24～30ヶ月⇒8ヶ月以内）を目指す
前倒環境調査のイメージ

10課題への対応と取組

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ＮＥＤＯの取り組み

地熱発電技術研究開発の概要

研究開発の目的○地熱資源を有効活用するための技術開発を行い、我が国の地熱発電の導入拡大を促進する。
事業規模○事業期間：平成２５～２９年度（５年間）○予算規模：１２億円（２９年度）
主な研究開発項目①環境配慮型高機能地熱発電システムの機器開発②低温域の地熱資源有効活用のための小型バイナリー発電システムの開発③発電所の環境保全対策技術開発④地熱発電の導入拡大に資する革新的技術開発
超臨界地熱発電の調査含む
テーマ数○２４件 （H25年度 8件、H26年度 9件、H27年度 3件、H29年度4件採択）
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（課題１への対応）環境に配慮する高機能発電システム
地熱複合サイクル発電システムの開発（東芝）[H25fy-27fy]○概要
自然公園での新規地熱発電所を建設する場合、小型で風致景観等への影響が小さく、高機能と環境配慮を両立した機器開発が望まれる。
高効率化、地熱資源をより有効に活用することにより、小さなサイズの機器で従来と同様の地熱発電量を得るシステムを開発する。
○最終目標
地熱発電システムの小型化に資する技術（熱効率を20％以上に向上）を確立する。

○研究結果
・複合サイクルに適する低沸点媒体を選定し、目標熱効率20％を可能とするヒートバランスを構築。
・このヒートバランスに基づき、バイナリータービンおよび各種熱交換機の機器開発・設計を完了。

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（課題２への対応）開発リスク低減に係る技術開発
地熱発電所に係る環境アセスメントのための硫化水素拡散予測数値モデルの開発（電力中央研究所）[Ｈ25ｆｙ-27ｆｙ]○テーマ概要と開発目標
環境アセスでは、冷却塔排気からの硫化水素について、発電所計画地域周辺における拡散予測が必要。現状、この拡散予測は地形、建物の影響等を考慮した風洞実験を要し、その解析を含めて６ヶ月程度を要する。本テーマでは評価期間の短縮化を目指した数値シミュレーションモデル開発を行い、硫化水素拡散予測評価に係る期間及び費用を、従来の風洞実験と比して半減する。
○研究結果 風洞実験を代替可能な、硫化水素拡散予測数値モデルの開発に成功。
⇒所要期間及び費用の半減を可能に
数値モデルによる拡散予測計算のイメージ

数値モデル結果と風洞実験結果の比較（濃度分布）

画像データ：（一財）電力中央研究所提供 14

（課題２への対応）開発リスク低減に係る技術開発
地熱発電所に係る環境アセスメントのための硫化水素拡散予測数値モデルの開発【制度にも反映】
開発した硫化水素拡散予測数値モデルが「改訂・発電所に係る環境影響評価の手引（経済産業省）」に反映（H29.5）⇒開発した数値モデルを環境アセスメントで利用可能に。
改訂・発電所に係る環境影響評価の手引（経済産業省） 【抜粋】【第4章 六 予測の基本的な手法について】
イ 基本的な考え方
発電所の・・・従ってその着地濃度の予測は地形、建物の影響及び排気の上昇過程の相似性を考慮した風洞実験、又は風洞実験に代替できる数値計算モデル（例えば、「地熱発電所から排出される硫化水素の大気拡散予測のための数値モデル開発、大気環境学会誌、第52巻、第1号、pp.19-29(2017)｣に示される数値計算モデル）により行う。

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（課題２、３への対応）自然環境に配慮する技術開発
エコロジカル・ランドスケープデザイン手法を活用した設計支援ツールの開発(清水建設、風景デザイン研究所、法政大学)[H26ｆｙ-29ｆｙ]○概要「エコロジカル・ランドスケープ」を活用した、自然環境・風致景観に配慮するデザイン手法の開発、設計を支援するツール（アプリ）の開発等を行うことで、地熱発電開発の合意形成促進や、立地制約の解消を目指す。

※

GISVR

3D地形

○進捗状況
自然環境・風致景観配慮手法のパタン化
設計支援アプリを開発中○最終目標
設計支援アプリを完成させツール化

・自然環境をGISで見える化
・可視領域を３Ｄ地形で見える化
・発電所をVRで見える化※「国土地理院基盤地図情報の数値標高モデル（5mメッシュ）」、「基本項目（道路縁）」、「基盤地図情報（森林地域データ、土砂災害警戒区域データ）」をもとに作成
画像データ：清水建設提供

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エコロジカル・ランドスケープデザイン手法の原則
原則１「地域環境の潜在能力を見極める」
原則２「人が手を加えていいところといけないところを正しく認識する」
原則３「人が半分つくり、残り半分を自然に創ってもらう」

エコロジカル・ランドスケープ・ドローイング Ⓒsoichiro 「早春の八ヶ岳／山梨県北杜市」
https://www.facebook.com/soichiro.r.ogawa

エコロジカル・ランドスケープデザイン手法

・目 的：地熱資源賦存地近傍でしか建設できないという制約条件の中で、地熱発電所の開発を実現・促進するため、予定エリアの中で、出来うる限り、自然環境や風致景観に配慮した地熱発電所（優良事例？）を実現
・概 要：ランドスケープ・アーキテクトの目線からエコロジカル・ランドスケープデザイン手法を活用して、自然環境や風致景観への配慮をするための地域分析の方法と発電所計画のプロセスを明確化すると共に、その作業を支援するためのアプリケーションを開発

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地熱開発推進・合意形成のコミュニケーションツールとして・エコロジカル・ランドスケープデザイン手法：
自然環境や風致景観に配慮するための方法論【構成】・自然環境・風致景観配慮マニュアル
・配慮パターン参考集
これまでの事例の良いところを分析、パターン化
・アプリケーションツール
①建設検討地域での可視分析②発電所配置レイアウト検討③ＶＲ(バーチャルリアリティ）
19活用シーン （どんな時に役に立つのか？）・立地検討：
地熱資源賦存地域近傍にしか建設できないという制約条件の中で、ランドスケープ的な検討分析を通じて、地域の自然環境や風致景観に最大限配慮した建設候補地を選定する。（優良事例の検討）
・設備配置計画の検討：
アプリケーションを活用して風致景観のシミュレーションをしながら、設備機器の最適な配置計画が検討できる。
・立地や配置計画の説明資料作成：
立地点検討や配置計画検討のプロセスとその具体的イメージを地元（自治体、観光・温泉関連）や環境省などへの合意形成用説明資料の作成が簡単にできる。
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現地写真と支援アプリ画像
現地写真

支援アプリ画像

遠い眺め～3000m

高精度ＧＩＳベースの画像は、ほぼ本来の風景を再現可能21

評価実験に用いたCG画像例（視距離1200m）

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（課題４への対応）温泉バイナリ―発電システムの開発
スケール対策を施した高効率温泉熱バイナリー発電システムの研究開発(京葉プラントエンジニアリング)[H26ｆｙ-28ｆｙ]○概要
温泉水を気水分離器（フラッシュタンク）で蒸気を抽出して、低沸点媒体を気化させることで、スケール対策を施した高効率な温泉熱バイナリー発電システムを開発する。

○進捗状況
バイナリー発電システムの構成要素であるスケール除去フラッシュタンク等を開発・製作し、性能確認を実施した。

○最終目標
実温泉水を用いて発電システムの性能実証試験を行い、温泉を熱源とする小型バイナリー発電システムとしての発電効率7％以上を達成する。

クラフト
エンジン

スケール除去フラッシュタンク

蒸発式凝縮器熱源泉
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（課題５への対応）立地地域との共生に係る技術開発
温泉と共生した地熱発電のための簡易遠隔温泉モニタリング装置の研究開発（産業技術総合研究所、地熱エンジニアリング、横河電機）[H26fy-29fy]○概要
長期にわたり高品位な泉質データの取得ができるハードウエアを開発。その運用法の提言。
○進捗状況
実験室内の温泉配管模擬装置で測定可能なプロトタイプ装置を開発○最終目標
温泉地域で長期(1年以上)にわたり連続使用可能な装置の実現。
廉価な計測器の実現
画像データ：産総研、地熱エンジニアリング提供

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（課題６への対応）既存発電所の利用向上に向けた開発
発電能力の回復・維持・向上に資する技術開発

還元熱水高度利用技術（熱水中のスケール誘因物質の高機能材料化による還元井の延命・バイナリ―発電の事業リスク低減）（地熱技術開発、北九州市立大学、日揮）[H27-29]○概要
熱水に含まれるシリカを、経済的価値のある「コロイダルシリカ」として回収する技術の確立を目指す。シリカ回収を可能にすることで、既存地熱発電所で課題となっている還元井閉塞問題を解決。また、バイナリ―発電の導入を可能にし、発電量の増大にも貢献する可能性。
シリカ回収実証プラント（100t/d）○進捗状況

井戸の目詰まりを防止し、追加掘削費を低減

東北電力葛根田地熱発電所内にシリカ回収実証プラントを構築。
還元熱水

還元井

○最終目標
コロイダルシリカ回収技術を確立し、 還元井寿命を2倍以上に延命化可能であることを示す。
シリカ回収事業のF/Sを行い、IRR10% (7年)程度を示す。

シリカを有価物として回収し、事業性を向上

バイナリー発電導入により発電量を増大
コロイダルシリカ（精密鋳造用等）

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（課題７への対応）環境アセスメント調査早期実施実証事業
現在、全国３３箇所にて風力・地熱発
中部地方1件
北海道2件

電所に係る環境アセスメント調査早期実施実証事業を実施

そのうち、地熱案件は２件
東北地方27件
中部地方1件・安比地熱発電所（安比地熱開発）・鬼首地熱発電所（電源開発）
四国地方1件
中部地方1件

関東地方1件
中部地方1件
中部地方1件
中部地方1件

九州地方1件
中部地方1件26

（課題７への対応）環境アセスメント調査早期実施実証事業
環境アセスメント調査早期実施実証事業

実施案件①安比地熱発電所（仮称）に係る前倒環境調査
方法書～準備書手続までの期間：８か月○事業実施想定区域及び長期噴気試験の様子②鬼首地熱発電所設備更新計
画に係る前倒環境調査
方法書～準備書手続までの期間８か月以内を目指し事
業実施中

出典：「「安比地熱株式会社」の共同設立、および地熱発電事業化の検討」
発表資料、平成27年10月○事業実施想定区域及び鬼首地熱発電所（既設）27

超長期の取り組み 超臨界地熱とは○従来型地熱と次世代地熱（超臨界地熱）の違い
深さ

温度

地熱流体

地熱貯留層

従来型地熱

1～3ｋｍ程度

200-300℃

主に天水起源

断層や破砕帯（亀裂）

超臨界地熱

4～5km程度

400-500℃

海水起源

脆性－延性遷移の下、もしくは、弾性－塑性境界28

超長期の取り組み 超臨界地熱とは○超臨界地熱発電の発想• 沈み込み帯での海洋プレートの上位の大陸プ
レートには、マグマが地表下数km（東北地方では4km程度）まで上昇し、数十万年かけて冷却する。
• 最近の研究では、古火山やカルデラの下には、400～500℃の超臨界水を含んだ「超臨界岩体」の存在が推定される。
• この超臨界岩体は、直径10～20km程度のスケールがあり、１か所で、数GW規模の熱エネルギーを有しており、これらを発電に利用する発想。
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（参考） 水の相状態
100(L-SC)(V-SC)

圧力（MPa）

超臨界領域
10

圧縮水

過熱蒸気

10.1

臨界点
温度 374℃
圧力 22MPa

100300500700温度（℃）
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海外事例１ （IDDP１：Iceland Deep Drilling Project：2010～2012）
IDDP-1(Krafla地域、深度2,100ｍ）の噴気試験の様子（地上での測定値：450℃、13.8MPa≒30MWA相当）

出典：IDDPウェブサイト
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海外事例２ （IDDP２：Iceland Deep Drilling Project：2016～）
IDDP-2(Reyjanes地域)①深度 4,650m②温度 427℃③圧力 34MPa32

海外事例２ （IDDP２：Iceland Deep Drilling Project：2016～）

掘り止め後の温度圧力検層結果

IDDP-2(Reyjanes地域)①深度 4,650m②温度 427℃③圧力 34MPa④割れ目 深度3,450m,4,450m, 4,560m

割れ目

出典：IDDPウエブサイト

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超臨界地熱発電技術開発のロードマップ○ 「エネルギー・環境イノベーション戦略」（内閣府Ｈ28.4）
有望な革新技術として次世代地熱発電技術があがり、具体例の一つとして、超臨界地熱発電技術が記載された。
〇H28fyにロードマップ作成（内閣府WG）。
超臨界地熱発電システムの実現に向けたステップ
実現可能性調査
ステップ１
現在

試掘
準備

試掘

実証前
検討

2050年頃
実証試験

普及

ステップ５

超臨界水の状態把握や、熱資源からのエネルギー抽出など、利用方法に関する工学的な実現可能性を調査する（ステップ１）
資源の存在・状態の確認に向けた試掘（ステップ３）と、その安全な実施に向けた準備調査研究（ステップ２）発電実証（ステップ５）と、実証前準備検討（ステップ４）34

ご清聴ありがとうございました。

www.nedo.go.jp