カーボンリサイクルCO2地熱発電技術（テーマⅠ．CO2地熱発電のための全体システム設計・テーマⅡ．CO2を破砕流体とした人工地熱貯留層造成技術）に関わる成果
令和4年12月14日

地熱技術開発株式会社

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概要
 JOGMECの「カーボンリサイクルCO2地熱発電技術」プロジェクト
は、国内の地熱資源調査において遭遇する機会の多い非熱水系地熱資源を有効に活用するため、超臨界状態の二酸化炭素（
ScCO2）を人工的に地下に注入して循環することにより、地熱発電及び副次的な効果としての二酸化炭素地中貯留（CCS）を行い、カーボンニュートラルを達成する革新的な技術開発を目標にしたものである。
 JOGMECより地熱技術開発㈱・大成建設㈱が委託を受けて、その下で大学・研究機関・民間企業が共同で研究開発を実施する体制で研究開発を開始した。
 このうち、全体システム設計（テーマⅠ）とCO2を破砕流体とした人工地熱貯留層造成技術（テーマⅡ）について、委託先の地熱技術開発(株)より説明する。
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研究開発の内容(令和３年度）
Ⅰ. CO2地熱発電のための全体システム設計

文献調査
特許調査
坑井モデル

システム設計全体システム設計

国内外の関連技術調査

共同研究先

Ⅱ. CO2を破砕流体とした人工地熱貯留層造成技術
国内外の関連技術調査

文献調査

フェーズフィールド
シミュレーション

海外技術調査（非在来石油）分子動力学
シミュレーション

電中研

室内試験

発電サイクルモデル

コア破砕試験
現場実験への反映

東北大

ポテンシャルマップ作成

海抜-3km
温度分布
ヒートホール
等データ収集非熱水系地熱ポテン
シャル
マップの作成発電ポテンシャルマップ

キュリー点
深度再解析

シミュレーション

コア破砕試験再現

モニタリング
計画の策定・
実施

仕様検討

現場実験での実施

坑井・物理探査（弾性波・比抵抗）・潮汐・環境

地科研
試験仕様の検討

現場実験

地点選定

熱水系
地熱ポ
テンシャ
ルマップの更新

試験準備

現場実験

観測井・破砕井・CO2設備

現場実験用ｼﾐｭﾚｰﾀ
JAPEX

設計・解析

（THC+DFM連成)

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超臨界CO2を利用することの利点と課題
水と比較した超臨界CO2の利点①地熱三要素（熱・水・器）のうち、熱があれば発電できる⇒ 地熱資源ポテンシャルの大幅拡大②低沸点⇒ 生産井から自噴しやすい＝低温側の資源量拡大①②⑥⑤③ 低温・低圧で超臨界化し 、 水 よ り 軽 く 、 サーモサイ
ホン効果でキャップロック直下に集積する⇒ 選択的採取が可能④粘性が1/10（容易に岩盤中に浸透する）で 、 低 圧( 水 の 1/2～2/3?) で 岩 盤 破 砕 可 能 （シェール岩での実績あり）⇒ 誘発地震リスク低減の可能性

③②

③③④④⑤

⑤圧入時に水に溶解したCO2はpHを下げる。 周辺に拡散して岩石と反応してpHが上がり圧力（温度）が下がった時点で炭酸塩鉱として固定化する⇒ CO2を鉱物として固定化できる可能性⑥ 高 温 の場 合 はコンパ クト なター ビ ンに よる高効率（ブレイトンサイクル）発電、低温の場合はバイナ
リーサイクル発電の 選 択⇒ 環境負荷低減・発電効率向上

超臨界CO2の課題①CO2の調達コスト②圧縮機の所内電力③生産流体の性状④固定化による貯留層閉塞の可能性⑤環境影響（誘発地震・漏洩リスクなど）
4Ⅰ．CO2地熱発電のための全体システム設計 実施概要

Sc-CO2発電サイクルモデル・発電ポテンシャルの検討
内 容

ツール

目 的

Sc-CO2循環室内実験

電力中央研究所

室内CO2サイクル実験装置（令和4年度以降で計画）

発電サイクルシミュレーションの検証・水の混入の検討（R5以降）

坑井シミュレーション

GERD

坑井シミュレー
最適な発電サイ
タ
クル（坑井内条件）
T2WELL/EOS2N の検討

発電サイクルシミュレー
ション

電力中央研究所

発電サイクルシミ最適な発電サイュレータクル（高温の場合はEnergyWin®
ブレイトンサイクルなど、低温の場合はバイナリーサイクルなど）の検討↓
熱量調査に基づく発電ポテンシ
ャルの計算

実験

担 当

シミュレーリョン

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Ⅱ. CO2を破砕流体とした人工地熱貯留層造成技術 実施概要
担 当
GERD

実験東北大学

シミュレーション

GERD＋Reservoir
Engineering ResearchInstitute(RERI,NPO)
東北大学

微視サイズ

コアサイズ

―

―

―

コア破砕室内試験
ScCO2破砕特性詳細
現場実験へフィードバック

分子動力学シミュレーション―

離散き裂モデル＆拡散き裂(フェーズフィールド）モデル
ScCO2破砕特性概略検討
CO2圧入ポンプ仕様検討
フローモデル： Pore-scale
network method (PNM)
破壊モデル：
FEM solid model (Lui, Suzukiand Ito, 2020)
ScCO2破砕特性詳細
現場実験への適用検討

石油資源開発――フィールドスケール
現場破砕実験
（破砕井＋観測井）―――

現場実験設計解析
フローモデル(THC)：(TOUGHREACT)
破壊モデル：離散き裂モデル（SHIFT）＜せん断開口型き裂を想定＞
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Ⅱ. CO2を破砕流体とした人工地熱貯留層造成技術 フィールドスケール実験イメージ
850トンCO2
1,400ｍ級観測井（既存井サイドトラック） 1,200m級破砕井
繰り返し検層（PTS、ABI、比抵抗等）

地上AE、SQUITEM

坑内PTゲージ

坑内PTゲージ
DAS

現場実験

概念図

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令和３年度成果

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Ⅰ．CO2地熱発電のための全体システム設計 文献調査
CO23倍程度
水

CO2プルーム地熱（CPG）システムのモデル(Randolph, J. B. et al.,2011)
サーモサイフォン効果で期待できる水及びCO2の自然循環量（Adams et al.,2014）

CO2は、水の３倍程度の自然揚水（エネルギー無し）が期待できる。

CPGモデル（McDonnell et al., 2020）2010年代にCPGの概念的研究が欧米で実施された。

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Ⅰ．CO2地熱発電のための全体システム設計 文献調査

CO2輸送コスト
種別

費用

論拠

DAC

226 EURO/CO2-ton@2020～
67EURO/CO2-ton@2040

文献（Fashihi et al. ,2019)

パイプライン（液化）690,000千円/直径1mのパイ
プライン1kmあたり

文献(NEDOほか）車両輸送(ISO18tコンテナ・ 64,671千円（76,084円/ton）
850tonCO2)
7tonタンクローリー

調査

ISO18tonコンテナ

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Ⅰ．CO2地熱発電のための全体システム設計 非熱水系地熱資源ポテンシャル

地熱ポテンシャルマップの求め方
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Ⅰ．CO2地熱発電のための全体システム設計 非熱水系地熱資源ポテンシャル• 全国の磁気異常分布のフラクタル性とベイズ推定法を用いた手法でNEDOの空中磁気データの欠落部分を他の公開データ（表参照）で補う形でキュリー点深度の見直しを全面的に行った。

１．ポテンシャルマップの更新
キュリー点深度（NEDO)(℃)• 左上図は既存のNEDOキュリー点データをデジタル化してそこから3km深度の温度分布を求めたもの。
3km深地温マップ •２．キュリー点深度再解析

右下図はキュリー点深度の再解析結果（3km深度の温度分布）に火山、地熱発電所などの関連情報を提示したもの。

日本列島およびその周辺の磁気データ一覧
データ間隔範囲

産業技術総合研究所地質調査総合センター、東・2002年 2分
東南アジア沿岸地球科学計画調整委員会（CCOP）

東・東南
アジア

産業技術総
磁気データ 日本空200合研究所地 産業技術総合研究所地2005年
中磁気データベーm～質調査総合 質調査総合センター
スセンター

日本列島と周辺海域

データ名

400万分の1東アジ
ア磁気異常図 CDROM版（第2版）

著者

発行者

発表年

東・東南アジア磁 石 原 丈 実 ・産業技術総合研究所地2021年 2分
気異常図 改訂版 内 田 利 弘 ・質調査総合センター
CCOP
（第3版）
NOAA National Centers
EMAG2
forEnvironmental 2017年 2分
Information

東・東南
アジア
全球

キュリー点深度から求めた地表面下3 km深地温（℃）

12（温度勾配のデータは松林（1997）による、★地熱発電所、▲火山）

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Ⅱ．CO2を破砕流体とした人工地熱貯留層造成技術 文献調査

水（左）、液化CO2（中）、ScCO2（右）によるき裂形成の違い（Zhang, et al., 2018）中国吉林油田(k=0.63mD)でのScCO2による破砕試験の事例（上左図：圧入履歴、上右図：生産量の改善、下左図：AE観測結果（断面）（Song,X et al.,2019)

水（左）、ScCO2（中）、液化CO2（右）による破砕応答の違い（Zhang, et al., 2018）中国吉林油田ではシェール層（0.63mD)での超臨 •界CO2最大8m3/minでの140分間の破砕実験が行われており、井戸によって4倍から最大20倍程度の生産性の改善が報告されている。

シェールのコア実験では、水より超臨界CO2の方が細かなき裂が進展し、破砕応答も半分の値になっている例が提示されている。

•13

Ⅱ．CO2を破砕流体とした人工地熱貯留層造成技術 室内実験 (東北大)室内実験装置

超臨界CO2の圧入試験結果

水の圧入試験結果a)100℃（40MPa）、b)200℃（40MPa）。出来たき裂は赤点線で示す。

水破砕実験（右）と比較してCO2破砕実験（左）では形成されるき裂が細かく形成されて、かつ破砕圧力が小さい結果となった。
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Ⅱ．CO2を破砕流体とした人工地熱貯留層造成技術 フェーズフィールド法による室内実験再現

フェーズフィールド法（英語: Phase-Field Models、PFM）は材料内部組織形成を直接計算する手法。材料の分野で広く用いられている、現象論的なシミュレーション法。拡散界面モデルを用いて、移動する自由界面位置を簡便に定義できる利点がある。

拡散き裂（フェーズフィールドモデル）( RERI)

離散き裂(COMSOL等)
き裂の進展によって散逸されるエネルギー

破壊エネルギーgc (Gc)
き裂面の断面積 ΓM.J.Borden et al. / Comput.MethodsAppl. Mech. Engrg. 217–220 (2012) 77–95

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Ⅱ．CO2を破砕流体とした人工地熱貯留層造成技術 フェーズフィールド法による室内実験再現
３つの火山岩によるコア破砕実験結果（上）とフェーズフィールドシミュレーション（下）の比較（東北大）

破砕圧力

破砕圧力

Gc：破壊エネルギー

江持安山岩では再現性が低い結果となった。

岩石名

孔隙率（%）

浸透率（m2）玄武洞玄武岩本小松安山岩江持安山岩

3～4523-24

1～3×10-18
1～4×10-18
1×10-16

引張強度(MPa)

9105

一軸圧縮強度
(MPa)

202
242
72

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Ⅱ．CO2を破砕流体とした人工地熱貯留層造成技術 フェーズフィールド法による室内実験再現
フェーズフィールドモデルの見直し（江持安山岩）

水

••

CO2

CO2 は水に比べてゆっくり破砕が起こっている。
水の場合、コアサイズが小さいた
め、１次破砕が既にコア周辺まで達しており、後半では２次・３次の破砕効果を確認できていない。
コアサイズが大きい場合は、２次・３次の破砕効果が生じると考えられる。

江持安山岩については均質モデルではうまくフェーズフィールドモデルで再現できなかったため、天然き裂が元々あった場合について水とCO2でフェーズフィールドモデルで再現した。
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Ⅱ．CO2を破砕流体とした人工地熱貯留層造成技術

岩石破砕圧力のまとめ
項目
コア室内実験（東北大）
シミュレーション⇒

岩石破砕圧力36（高透水性）～55MPa(緻密な硬岩）
フェーズフィールドモデル コア：37(天然き裂を含む）～54MPa(緻密な硬岩）
SHIFT&TOUGHREACT(せ フィールド（肘折モデル）
28MPa
ん断開口性き裂）
この3つの結果を基に、ポンプ設計を行った。
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Ⅱ．CO2を破砕流体とした人工地熱貯留層造成技術 現場実験準備

高圧ガス保安法（目的）①高圧ガス保安法概要■法律の目的（法第1条）
a）高圧による災害から、公共の安全を確保すること。
b）高圧ガスによる災害を防止する為に、高圧ガスの製造・貯蔵・販売・移動・取扱・消費・容器の製造を規制する。
c）民間事業者（各企業・研究機関等）及び高圧ガス保安協会による自主保安を推進する。
■高圧ガスの定義（法第2条） この法律で「高圧ガス」とは、次のゲージ圧力以上となる「ガスという。 a）
常用の温度でゲージ圧力が、1MPa以上の圧縮ガス。又 温度が35℃のとき、1MPa以上となる圧縮ガス。
（アセチレンガスを除く） b）常用の温度でゲージ圧力が、0.2MPa以上のアセチレンガス。又 温度が15℃のとき、0.2MPa以上となるアセチレンガス。 c）常用の温度でゲージ圧力が、0.2MPa以上の液化ガス。 又 圧力が0.2MPa以上となる場合の温度が35℃以下である液化ガス。 d）温度が35℃のとき0MPaを超える液化シアン化水素、液化プロムメチル等別に政令で定める液化ガス（液化酸化エチレン）■保安法の適用除外a）高圧ボイラーに係わる高圧蒸気（ボイラー及び圧力容器安全規則）b）鉄道車両のエアコン用の高圧ガスc）船舶内の高圧ガス（船舶安全法・自衛隊法）
d）炭鉱等の坑内の高圧ガス（鉱山保安法）
E）航空機内の高圧ガス（航空法）
f）発電所内の一部の高圧ガス（電気事業法）
g）原子炉内の高圧ガス（核原料物質、核燃料物質及び原子炉の規制に関する法律）h）内容積が1.0デシリットル以下の容器及び密閉しない容器i）その他

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Ⅱ．CO2を破砕流体とした人工地熱貯留層造成技術 現場実験準備

ポンプ設計(ダイヤフラム型）G3R(LEWA製，独国)

20MPa,14.6ｍ3／ｈ

メーカー（LEWA)カタログ
欧州などでCCS用に使われているポンプを日本国内の高圧ガス保安法に強化して適用した例。
この場合、ダイヤフラム型で設計の見直し行ったが、20MPa, 14.6m3/hで先述の岩盤破砕圧力に及んでいない。
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Ⅱ．CO2を破砕流体とした人工地熱貯留層造成技術 現場実験準備

メーカー（LEWA）のカタログスペック（圧力ー吐出量）
次回の設計
今回の設計

メーカーのCCSポンプのカタログスペックを踏まえると、高圧ガス保安法で圧力をあげるためには、より小流量（例えば1ｍ3/h）のポンプを併用し、小流量高圧ポンプで破砕した後に、今回設計の大流量ポンプを用いる必要があることがわかった。令和4年度は圧力の高い小流量ポンプの設計を行っている。
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Ⅱ．CO2を破砕流体とした人工地熱貯留層造成技術 現場実験準備
液化CO2貯蔵タンク設計

現地実験用液化CO2ガスタンク

現地実験用液化CO2ガスCEタ
ンク×17個

2つのタイプのタンクについて検討した（左側：作り付けのガスタンク、右側：新潟県岩野原のCCSで用いられたCEタンク）。
再利用を考慮するとCEタンクの方がよいものの、高価。CEタンクを用いる場合、CO2で割って水で後押しするなどの方法でCO2量を削減する必要があると考えられる。
球形タンク

CEタンク

1基のサイズ
貯蔵量および850ton貯蔵時の必要数

直径：12m、高さ13m
850ton×1基

直径：3.5m、高さ9m
50ton×17基

コスト
組立法

4億円
現地で組立、終了後は現地で解体（再使用不可）
断熱材（ウレタン等）
蒸発ロス大（貯蔵量の0.5%/ 日）

12億円
工場で製作し現地に搬入、使用後はそのまま搬出（再使用可）
真空二重構造蒸発ロス小22

断熱法

まとめ
テーマⅠ．CO2地熱発電のための全体システム設計【発電ポテンシャルの検討】•キュリー点深度（NEDO)より非在来型地熱系の温度分布を求めた。また、ブラッシュアップのため、磁気異常分布のフラクタル性に基づきベイズ推定法によるキュリー点深度の再解析を行った。

【Sc-CO2発電サイクルモデルの検討】•ENERGY-WIN®を用いて、まずは簡単のためクローズドループ（シングルループ）での回収量（発電量）を求めた。

テーマⅡ．CO2を破砕流体とした人工地熱貯留層造成技術【室内実験】•
室内実験の環境を整備して、水とCO2を用いたコア破砕実験を行った。
•ScCO2破砕は、水圧破砕と比較してより細かいき裂が生成されて、かつ破砕圧力が低くなった。
•フェーズフィールドモデルによる岩盤破砕シミュレーションの結果は、水圧破砕、ScCO2破砕ともコア実験（東北大）と調和的であった。
【現場実験準備】•CO2破砕ポンプとして、高圧ガス保安法で要求される強度規制を踏まえ、CCSベースのポンプを用いて吐出圧力20MPa程度の３連ポンプ（43.8t/h)を設計した。
•
シミュレーションやコア実験からは28MPa～55MPa程度の破砕圧力が必要なことが判ったため、より強度の高い小流量（1t/h程度）の高圧ポンプの事前使用（プレ破砕）が必要と考えられる。

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ご静聴ありがとうございました。

地熱技術開発株式会社

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