三菱重工技報 VOL.45 NO.1: 2008

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特集論

地熱発電のしくみと CO2 削減

文

Process of Geothermal Power Plant
Contributing to Reduction of CO2 Emission
福 田 寿 士＊1

石 黒 淳 一＊2

齊 藤 象 二 郎＊3

Hisashi Fukuda

Junichi Ishiguro

Shojiro Saito

地熱発電は地上で燃料を燃焼させることがないため，CO2 排出量が極めて少なく環境に優しい発電方式である．当社は過熱蒸気型，フラッシュサイクル，及びバイナリーサイクルのいずれの地熱発電方式にも対応してきており，世界の地熱発電所の 25 ％を供給してきた．今後は，経済性を高めて地熱発電の更なる普及を図り，地球温暖化防止に貢献していく．

熱水卓越型の生産井と呼んでいる．

1．地熱発電のしくみ
1．1

1．2

地 熱 資 源発電プラントサイクル

地熱発電に適用される典型的な発電サイクルの例を

地熱資源のモデルを図１に示す．雨水が数十年かけ

図２に示す．地熱蒸気を直接タービンに導入するフて地下 1 000 m 以上の深部の断層周辺に存在する岩のラッシュサイクルと，地熱流体を熱交換器に導き，二割れ目に到達し滞留する．この近傍のマグマ溜まりに次作動流体である低沸点媒体に熱だけを回収させて，より過熱され，高温，高圧の熱水層（貯留層）が形成

地熱流体は全量地下へ還元するバイナリーサイクルされる．この熱水が地熱発電のエネルギー源である．とがある．フラッシュサイクルにおいて，過熱蒸気型

貯留層に向かって井戸を掘ると，熱水は減圧，フラッ生産井を利用する場合は，蒸気を洗浄するなどの特別シュしながら噴出し，地上に達したときに過熱蒸気にな例を除いて，自噴蒸気をそのままタービンに導入すなる井戸を過熱蒸気型，気液２相流の状態であれば，る．熱水卓越型の場合はセパレータで熱水と蒸気に分火山
雨水
地熱発電所

生産（蒸気）井
汽水分離器

浅層
地下水 水位

還元配管
還元井

帽岩（キャップロック）
地熱貯留層

深部熱水
火山性ガス，水蒸気断層

マグマ溜まりマグマ

基盤岩
地熱エネルギーJuly 1999 Ser. No.87より

図１＊1

地下資源モデル

地熱エネルギーの起源を示すモデル．

原動機事業本部蒸気タービン統括技術部次長
原動機事業本部蒸気タービン統括技術部長崎タービン設計課長＊2
原動機事業本部蒸気タービン統括技術部長崎タービン設計課主席＊2

三菱重工技報 VOL.45 NO.1: 2008

水卓越型生産井を利用する地熱発電設備の開発に着手

シングルフラッシュサイクル

ガス抽出機（エジェクタ）

汽水分離器
補助蒸気

不凝結ガス

した．地熱流体の化学分析を行い，地熱蒸気雰囲気下でタービンなどの主要機器の材料試験を実施して，材料選定の基礎とした．また，セパレータ，直接接触式

復水器

蒸気59

復水器，二相流輸送配管，ガス抽出機などの地熱発電生産井所に必要な主要機器の特性に関する解析，並びに検証

熱水試験を行い，機器設計の基礎データを蓄積した．これ

冷却水
タービン

温水ポンプ

還元井

クーリングタワー（株）大岳発らのデータを基に出力 11 MW の九州電力
電所は設計，建設され，1967 年に，日本初の熱水卓バイナリーサイクル越型地熱発電所として運転を開始した．その後，性能，熱交換器

低沸点媒体

地熱流体

経済性，並びに信頼性を向上させる様々な技術を開発，適用しながら，日本を含む世界 13 カ国に計 96 台，出復水器

力にして 2 780 MW の地熱発電設備を供給してきた．
これは，世界の総地熱発電容量の 25 ％に相当する．
タービン

生産井

媒体ポンプ

還元井

図２

冷却水ポンプクーリングタワー

サイクル系統図

典型的な地熱発電サイクルの系統図．

2．2

ラインアップ

地熱発電において，一般的に想定される機種を図３に示すが，当社はこのすべての機種を設計製作した実績を有している．フラッシュサイクルでは，100 ℃前後の熱水を 0.06 MPa の大気圧以下でフラッシュさせて作った蒸気で発電する 0.2 MW の発電設備から，離し，分離した蒸気をタービンに導入して発電を行う．

1.68 MPa，204 ℃の蒸気を約 700 ton/hr 使って，1 車

地熱流体には，火力発電プラントに比べると格段に高室のタービンで 121 MW 出力する発電設備まで広い

い濃度の不純物や不凝結ガスが含まれる．これらが引出力レンジをカバーしている．

き起こす腐食に関係する損傷，並びにスケールの析出が地熱発電固有の課題である．
1．3

地熱発電の特徴

バイナリーサイクルについては，３種類の低沸点媒体（イソブタン，フロン，又はアンモニア＋水の混合流体）を使い，それぞれ大分県の大岳地域，滝上地域，地球内部の熱を発電に利用し，地上で燃料を燃焼さ並びに当社長崎研究所においてプロトモデル発電設備せることがないので，地球温暖化の原因である CO2として設計製作，試運転まで行い，その実用性を検証の大気排出量は原子力発電並みに少ない．地熱の起源

した．

は地球内部の熱の移動によるものや放射性物質の崩壊によるものであり，熱エネルギーの量は膨大である．

背圧タービン

世界最大規模の地熱発電が行われているカリフォルニ
ア州ガイザース地熱地域において，30 年間の発電で消費した熱量は同地域に存在する地下資源熱量の５％過熱蒸気型
復水タービン
フラッシュ
サイクルにしか達していないという報告もあり，地熱は枯渇し熱水卓越型にくいエネルギーのひとつである．また，天候に左右されないため，自然エネルギーの中では稼働率は最も高く，火力発電所とほぼ肩を並べる．

2．当社の取組み
2．1

開発の歴史

シングル
フラッシュ

背圧タービン

ダブル
フラッシュ

復水タービン

バイナリーサイクル（媒体はイソブタン，水＋アンモニア混合流体など）

図３

復水タービン

機種の区分

一般的に想定される地熱発電設備の種類．

1904 年，イタリアのラルデレロにおいて自噴する過熱蒸気を利用して 3/4 馬力の発電を行ったのが世界

2．3最初の地熱発電である．熱水卓越型の生産井を利用

腐食性を有する不純物や不凝結ガスを含む地熱蒸気信頼性についてした地熱発電技術はニュージーランドで初めて開発さと遠心力に曝されるタービンの回転部の応力腐食割れ，1958 年にワイラケイ地熱発電所に実適用された．

れ（SCC）や腐食疲労による損傷を回避する技術がこの成功を受けて，当社は九州電力（株）と共同で，熱信頼性確保のために不可欠である．タービンロータの三菱重工技報 VOL.45 NO.1: 2008

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表１

当社地熱タービンロータ材の化学成分と機械的性質
機械的性質（N/mm2）

化学成分（質量 ％）

材料コード
CMnPSSiNi＜ 0.015−＜0.005−0.2〜0.4＜ 0.5−

1.0〜1.3＜ 0.015＜0.005−＜ 0.30−5.0〜5.5

11.5〜12.510325 MGB

0.23〜0.3

0.7〜1.0GSR 1＜ 0.06−＜1.0−−

SCC 対策としては，低応力設計を心掛けると同時に，SCC 感受性の低いロータ材を適用している．当社は地熱タービンロータ材として表１に示す２種類の材料

Cr

3．まMoとV

0.2 ％ 耐力

引張強さ

1.0〜1.3

0.21〜0.29＞ 635−

＞ 740−0.8〜1.2＜ 0.1−＞ 635−＞ 740−

め

地熱発電は以下の優れた特性を持つ発電方式であを標準材として有している．材料コード 10325 MGBる．

は不純物の硫黄の濃度を極めて低いレベルに制限する● CO2 排出量が低く，環境に優しい．

ことで SCC 感受性を低くしている．GSR1 は特に腐● 高稼働率

食雰囲気の厳しい地熱蒸気に適用可能な材料として● 枯渇しにくいエネルギーの利用開発された 12 ％ Cr- ５Ni 材である．動翼の腐食疲労

ただし，蒸気条件が低く機器のサイズが大きくなるに対しては，腐食環境，及び翼長に応じて 12 Cr 鋼，ので火力機に比べて出力当りの建設費が高くなる傾向

17-4 PH 鋼，又はチタン合金を使い分けている．また，がある．経済性を高めることで地熱発電が更に普及す

長翼にインテグラルシュラウド構造を適用し，隣り合るよう努力したい．

う翼のシュラウド部での相互接触による高いダンピン
グ効果によって振動応力を従来翼の 20 ％以下に抑えて腐食疲労を回避している．信頼性確保のための技術の一例を挙げたが，これらの技術の蓄積により回転部の損傷発生率は低減され，今日，発電設備としては火力機と同じレベルの稼働率に達している．

福田寿士

石黒淳一

齊藤象二郎