第章

2

高温岩体発電の開発

第２章

高温岩体発電の開発 ● 目

我孫子研究所

地圏環境部

我孫子研究所

OB上席研究員

次海江田秀志
堀義直

２−１

高温岩体発電とは ………………………………………………………………………………………………………… 19

２−２

高温岩体発電に必要な技術 ……………………………………………………………………………………………… 20

２−３

コスト試算 ………………………………………………………………………………………………………………… 22

海江田秀志（８ページに掲載）

18

堀義直（1959 年入所、2001 年退職）
アーチダム、地下発電所、原子力発電所など電力会社が建設する発電構造物の基礎の地質調査を担当してきた。1981 年に地熱発電の研究を開始し、1990 年からは雄勝実験場での高温岩体発電の研究リーダーとして研究を推進する。
2001 年、電中研 名誉研究顧問

２−１

高温岩体発電とは高温岩体発電では、図 2-1-1 に示すように地下の高温生産井を通して地表と地下の人工貯留層との間で水を媒の岩盤に坑井（注入井）を掘削し、この坑井に地表から体とした循環系ができ、地下の岩盤の熱を地上に取り出高圧の水（例えば河川水など）を押し込むことにより、すことができる。

岩盤の中に新たな割れ目を造る。注入された水は割れ目

この熱抽出方法によれば、貯留層の大きさの設計や循を通る間に岩盤の熱により加熱され、熱水や蒸気となる環する水の人為的な管理が可能となる。地下は深くなれため、この人工の割れ目は「人工の（地熱）貯留層」とばなるほど温度は高くなり、深い坑井が掘削できれば、なる。そして、この人工貯留層をめがけて別の坑井（生開発可能な資源量も増加することになる。例えば、産井）を掘削すると、岩盤内の熱水や蒸気は地上に噴き1km3 の大きさの岩盤が 250 ℃から 150 ℃まで温度が下が出してくる（これはる場合、その４分の１のエネルギーが電気エネルギーに焼け石に水にたとえられる）。

この熱水や蒸気は、地上で発電などに用いた後、注入井変換されたとすると、100MW（すなわち 10 万 kW）のを通してまた貯留層へ送り込む。これにより、注入井と発電 30 年分に相当する。

サイレンサ
水圧ポンプ

貯水地

注

生

入産

井

井

火山岩または堆積岩

花崗岩

高温岩体
200〜300℃

人工貯留層

図2-1-1深さ
2,000〜5,000m

高温岩体方式地熱抽出の概念図

電中研レビュー No.49 ● 19

２−２

高温岩体発電に必要な技術

高温岩体発電の開発は、概略以下の手順に従い行われ以下の作業により、人工貯留層の造成および水の循環にることになると思われる（図 2-2-1）。まず、高温岩体よる熱抽出システムの造成を行う。)地下の高温の岩盤が開発可能な深さに存在する場所を選定するための、立（高温岩体）内に坑井を掘削し、この坑井を利用して水地計画の策定が必要である。開発候補地が選定されると、圧で岩盤内に亀裂を伸展させ人工地熱貯留層を造成する。

高温岩体の深さ、広がり、温度分布、岩盤物性値などの*人工貯留層をめがけて複数の坑井を掘削する。+ある評価のための地点評価が必要となる。そして、地点評価

坑井から水を貯留層に送り込み、貯留層内で岩盤の熱に結果を基に概念設計および発電コスト試算を行い、開発より加熱された水（熱水や蒸気）を別の坑井から地表にを進めるかどうかの判断を行う。開発することになると取り出す水の循環システムを造成する。,地表に取り出

開発段階（技術の実用性）
立地計画（ほぼ実用化）内容（目標）

文献・NEDOの調査結果を基に地点選定（地下浅所200℃以上の岩盤の存在）
物理探査等による広域の熱構造推定（発電所建設に十分な熱的広がり）

地質調査により高温岩体の規模・特性を予測（地点の地質的背景、熱履歴）
地点調査（ほぼ実用化）

物理探査による高温岩体分布を３次元的に推定（高温岩体の大きさ、断層等の存在の有無、坑井掘削位置・深度の決定）
調査井の掘削

概念設計（概念設計、コスト評価）

（開発中）

貯留層
造 成

注入井の掘削と小規模水圧破砕による高温岩体の特性評価（岩盤物性、亀裂分布、透水性、温度分布、地圧、地下水流動状況など）（ほぼ実用化）貯留層
評 価

生産井による高温岩体内熱水流動評価（熱水流動状況、亀裂進展状況など）（ほぼ実用化）

運転維持・管理（開発中）

注入圧力・流量監視
貯留層変動監視
環境影響監視

要素技術
磁気探査
重力探査
自然電位法
TDEM

A
B
B
B

環境調査
年代測定
地化学調査
地表地質調査

B
B
B
B

反射法
重力探査法
CSAMT法
地点総合探査法
坑井掘削
坑内検層
コア調査

AAA
B
AA
A

坑井配置設計法
コスト試算法

CC

電中研式破砕法
ＡＥ法
流体流動電位法
透水試験法
コア調査流体地化学
物性値変換解析法

AA
B
A
A
B
C

光ファイバ温度計測
トレーサ法
比抵抗トモグラフィ
流体地化学
地圧計測
シミュレーション

B
B
B
C
C
C

光ファイバ温度計測
トレーサ法
微小地震モニタリング
物理探査モニタリング
流体地化学
地化学モニタリング
シミュレーション
多坑井干渉解析法
土壌・植生モニタリング

B
B
A
A
C
C
C
C
C

既存の汎用技術
それ以外は当所で開発している技術

図2-2-120

適用性

各開発段階における要素技術の対応

高温岩体発電実用化
への適用性
A ：実績有りB ：部分的実績有り
C ：向上が必要

された熱水や蒸気は、発電などに利用した後、再び地下の貯留層へ送る。これにより、水を媒体として地下の岩2-2-2

地 点 調 査盤の熱を地表に取り出すことができ、発電などに利用できるシステムができることになる。発電所建設後は、従この段階では、高温岩体の広がり、温度分布、透水性

来型地熱開発と同様に運転管理が必要で、貯留層の変動などを精度良く評価し、人工貯留層の設計および発電シや環境調査を行うことになる¸。

ステムの概念設計に必要な情報を得る。
そのためには、坑井掘削位置を決める程度（数十 m2-2-1 立 地 計 画の精度）の地下構造の詳細な調査が必要となる。この調査では、開発地点の半径１〜２ km の範囲での地下構造

この段階では、技術的には既存資料などにより高温岩を推定する必要があり、そのための物理探査として、地体として開発可能な地域の選定や、広域の調査結果から

震探査反射法や CSAMT 法（第５章参照）などが行わ開発に適切な地域を抽出する。一方、社会的にはアクセれる。ただし、これらの評価は地下の物性値を仮定した

ス道路などのインフラの条件や開発に係わる法的規制、構造の評価であるため、地下深部に行くほど精度が悪い。

および地元の開発受け入れなどの調査が必要である。

したがって、物性値の把握や探査精度の確認のため調査

高温岩体発電の候補地点としては、需要地に近いところ井の掘削は欠かせない。また、地下の温度分布についてが望ましいが、現実には人里離れた山間部になることが多は地表からの探査では推定が難しく、調査井により確認いと思われる。また、地下に大量の水を圧入することから、する必要がある。

大量の水が確保できることも必要である一方、活断層や透調査井としては通常掘削費の関係から、最終坑径が水性の高い断層などからは離れた場所が望ましい。高温岩

100mm 程度の坑井が掘削される場合が多い。調査井を体の岩盤としては、経済的に掘削可能な深度（3,000〜4,000

利用した調査としては、掘削時に得られる岩盤の細かいｍ）に十分な広がり（数 MW の発電に対し少なくとも半径破片（スライム）や掘削コア（ボーリングコア）などの500 ｍ以上）を持つ高温の岩盤で、比較的新しい時代に貫分析による地質柱状図の作成、坑内検層による坑井周辺

入した花崗岩もしくは近くの熱源により加熱された花崗岩岩盤の物性値（温度、電気比抵抗、弾性波速度、密度、になると思われる。また、貯留層と地表の間での水の循環自然電位など）の深さ分布をはじめ、超音波を利用したを行うため、高温岩体内には天然の割れ目が少ない方が、坑壁の画像調査などが必要で、この調査結果により天然岩盤内への水の逸散が少なく、設計施工が比較的容易になの割れ目の性状・発達状況、岩盤の物性値・透水性・間ると思われる。高温岩体としての岩盤の温度については、隙率、地圧などを評価し、貯留層を構成する亀裂の伸展発電コストを考慮すると200℃〜250℃は必要と思われる。

を予測する。

立地計画の段階での地点調査としては、開発予定地点の地質や地下構造に関する文献調査から始まるが、我が

2-2-3

概念設計

国においては新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）などにより、国内の主要な地熱地域においてこの段階では、地点調査で予測した貯留層の伸展状況

地下構造や熱構造に関する基礎的な調査が行われており、に基づき、数値シミュレーション等により、注入井に圧その結果が利用できる場合が多い。しかし、既存の調査

入する水の流量・圧力の条件に応じた生産井から得られが不十分な地域や、国の調査対象となっていない地域のる熱水の流量・圧力・温度を推定する。この推定を基に、場合は、いわゆる広域地質調査や物理探査による概査を熱抽出の将来予測や注入井、生産井の数や配置、発電シ行い、開発予定地の選定を行う。開発予定地選定の範囲

ステムなどの設計を行い、最終的に発電コストを試算し、としては、半径 10 km 程度の範囲の調査により、半径 1開発を行うかどうかの判断を行う。

〜 2 km 程度の範囲を選定することになると思われる。

電中研レビュー No.49 ● 21

破壊する際に発生する破壊音（AE ： Acoustic

2-2-4Emission）の観測が有効であり、その震源分布より推定貯留層造成・評価する。なお、天然の割れ目が大きく発達したところや、この段階では、地点調査および概念設計に基づき、人岩盤の透水性が高いところでは、AE の発生が少ない場

工貯留層とこれを介した地表と地下の水の循環システム合があり、このようなところでは平面的は評価に留まるを造成する。

が、流電電位法や自然電位法３などによる補完も必要で

まず、注入井を用いて水圧で岩盤を破砕し、貯留層造ある。さらに、地化学調査やトレーサテストなどは、圧成を行う。これまでの国内外での実績に基づくと、裸坑入した水の流動状況の評価や将来のスケール問題などのパッカー１が利用できれば効率的に貯留層造成が可能で事前調査として重要である（第８章参照）。

あるが、裸坑パッカーの適用は材質の耐熱の問題など現¹

貯留層の造成が終わり、その伸展方向・広がりなどが状では課題が多く 、高温岩体および地熱開発での適用推定されれば、貯留層を貫くように生産井を掘削する。

２

その後、注入井との間で水の循環試験を行う。このを設置して、これをセメントで固定した後、坑井全体を際、注入井と生産井の間の透水性を高め、循環におけ加圧する方式（全坑加圧方式）によりケーシング末端とる水の回収率を高める必要がある。水の回収率は、水坑底との間の裸坑部を破砕するのが、簡単で確実な方法の確保や環境への影響などの問題から、少なくともと思われる。この水圧破砕のみでも大規模な貯留層の造80 ％以上は必要と考えられる。一生産井当たりの回収成は可能であるが、貯留層の領域を大きくし、熱抽出領率が低ければ、生産井を何本も必要とすることになる域を大きく取るには、異なる深度での多段貯留層造成がため、発電コストを大きく左右する可能性がある。当必要である。この方法として、当所で開発した多段水圧所では、我が国では深度が浅く天然の割れ目が発達し破砕法（Casing Reamer and Sand Plug Method, CRSPている箇所での高温岩体発電開発が行われる可能性が法；第６章参照）が有効である。この方法により比較的高いことから、一つの注入井に対し、４本の生産井を簡便で確実に深部から浅部へ多段の貯留層が造成できる。

配置するモデルを考案したº。

は難しい。そこで、注入井の坑底近くまでケーシング造成された貯留層の大きさ、伸展方向については亀裂の２−３

コスト試算

当所では現状の技術でどの程度の発電所建設が可能で、深さ 1km あたり 90 ℃以上の地温勾配が期待される地域 10

その建設費および発電コストがどの程度になるかを試算箇所を選定した。そして、各地域においてどの程度の発し、高温岩体発電による実用化の可能性について検討し電出力が期待できるかを評価し、75MW（7.5 万 kW）の発º電出力を基準とし、この発電所がいくつ建設可能かを評た 。

価した。その結果、抽出した 10 地域で 200 箇所程度の建2-3-1

75MW 発電コスト（昭和 61 年度）設が可能とした。ただし、この地域の抽出の過程で、国立公園の指定や地元の了解などは考慮していない。

昭和 61 年度に実施した高温岩体発電の経済性について以上の資源量評価の後、75MW の発電所建設に係わは、まず資源量評価を行い、地温勾配により発電所建設候補地を３つのランクに分け、発電所の建設が可能な、１ 坑井内に設置する栓のこと。パッカーにはゴム、テフロン、メタル製などがある。
２ 坑壁を保護するために坑井に設置する鉄管のこと。

22３ 流電電位法は坑井のケーシング（鉄管）を電極として電流を流し、地上等に配置した多数の電極との間で電位変化を測定するもので、自然電位法は自然の水の流れ自体で発生する電位変化を測定するもの。これらにより、地下の水の流れを推定する（第８章参照）。

る経費を算出した。まず、発電所建設の前提条件としてた。その結果、調査井などが掘削され、より確度の高い以下を仮定した。)出力は 75MW 程度、*循環に使用

高温岩体発電可能性地域として 16 地域を抽出し、これする水の注入井での坑口圧力は 10MPa（約 100 気圧に相らの地域の合計で 38,400MW の発電が可能と評価した。

当）で流量は毎時 2,000 〜 2,400ton、+坑井は注入井がなお、この地域選定においても国立公園などの指定や地４本で生産井は９本、,熱抽出の範囲は深さ 2,000 ｍ〜元の発電所建設についての了解などは考慮していない。

3,000 ｍで平面的には 1,200 ｍ× 1,800 ｍ、-熱抽出範囲

次に、2-3-1 の発電コストを出力 240MW に増大させたの岩盤の平均温度は 300 ℃、.熱抽出時の出力の減衰を場合の前提条件を以下のように設定した。)出力は補うため、5 年毎に注入井 1 本と生産井 2 本を追加する。

240MW 程度、*循環に使用する水の注入井での坑口圧/利子年 6 ％、人件費などの上昇率 2 ％、である。これ

力は 10MPa で流量は循環中 20 ％損失が生じるものとし、らの条件で計算された建設費の主なものは、)坑井掘削

毎時 6,250ton、+坑井は注入井が 5 本で生産井は 11 本、費が 130 億円、*水圧破砕による貯留層造成費が 38 億

,熱抽出の範囲は深さ 2,000 ｍ〜 4,000 ｍで平面的には円、+発電機器が 130 億円、,輸送管などの費用が 40

1,200 ｍ× 1,800 ｍ、-熱抽出範囲の岩盤の平均温度は億円などであり、建設費の合計は 483 億円となった。こ300 ℃、.熱抽出時の出力の減衰を補うため、５年毎にの結果から、建設コストは 64.4 万円/kW で、発電コス注入井 1 本と生産井２本を追加する。/利子年 6 ％、人トは初年度が 25.8 円で、その後安くなり、15 年間の平件費などの上昇率４％、である。これらの条件で計算さ均では 18.0 円/kW となった。

れた建設費の主なものは、)坑井掘削費が 382.5 億円、*水圧破砕による貯留層造成費が 137.6 億円、+発電機

2-3-2器等が 330 億円、,輸送管などの費用が 100 億円などで240MW 発電コスト（平成元年）あり、建設費の合計は 1,282.2 億円となった。この結果から、建設コストは 53.4 万円/kW で、発電コストは 15

上記の検討の後、出力を増大させることにより、より年間の平均では 12.7 円/kW となった。

発電コストの低下が期待できるとのことから、平成元年
度に大容量高温岩体発電のコスト試算を行った（表 23-1）。

2-3-3

最近の見直し（平成 14 年度）

この試算においても、NEDO などにより新たに調査された地熱地域の評価も踏まえ、資源量の再評価を行っ高温岩体発電コストを試算した昭和 61 年度および平表2-3-1

建設費および発電コストの試算例（240MW発電所の場合）

査費

60.0

調査井30億円、その他30億円

土地購入費

6.0

200万m2×300円/m2

1990年のコスト試算（億円）
調
地下部

51.0
6.0

費

382.5

注入井５坑×24.8億円/坑、生産井11坑×23.5億円/坑

267.5

水圧破砕費

137.6

５坑×27.52億円/坑

137.6

輸

100.0

坑

井送管

小計測費を含む

100.0
562.1

686.1

計12.0

物

12.0

発電プラント

330.0

330.0

注入ポンプ

20.0

20.0
20.0

建地坑井掘削費３割減

上水路・貯水池

20.0

部

建 中 利 子159.8

そ54.3の小合他
計計

建 設 単 価土木工事一式を含む

79.8
管理費：8.5百万円×150人・年、その他

54.3

596.1

516.1

1282.2

1078.2

53.4万円/kW

発電端単価（239.9MW）

12.7円/kWh

現在価値換算収支等価計算法による

44.9

発 電 単 価（15年平均）

9.0円/kWh

電中研レビュー No.49 ● 23

成元年度の時点では、上述した発電コストでも十分水力

これによる発電コストは 11.3 円/kWh になる。また、最発電などと競合できると想定したが、その後の経済変動

近の金利の変動を基に以前６％と仮定した金利を３％になどにより、他の発電コストが値下がりしていることかすると、約 80 億円削減が図られ、掘削コストの低減もら、コスト試算を見直すことにした（表 2-3-1）。

含めた場合、発電コストは 9.0 円/kWh まで低下する可

近年の坑井掘削技術の進歩により、掘削コストは現在能性があることが判った。

では約３割減が期待できるようである。そこで、既存のただし、我が国のように地下構造の変化の大きい地域計算に基づき 240MW の発電所建設における掘削費が３で、240MW の発電所建設が可能かどうか、高温岩体資割安くなるとすると、約 124 億円削減されることになり、源に関する全国規模の調査が望まれる。

24