Taisei Advanced Center of Technology

JOGMEC令和3年度地熱事業成果報告会

カーボンリサイクルCO2地熱発電技術（テーマⅢ．地熱貯留層内でのCO2流体挙動把握技術）に関わる成果

大成建設
富山大学
産業技術総合研究所

2022.12.14

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JOGMEC令和3年度地熱事業成果報告会

はじめに 地熱発電のしくみ• 火山周辺などの地熱地帯において深度1~2km程度の井戸を設け、熱水を噴出させて水蒸気でタービンを回して発電• 地熱発電の成立条件①熱源、②水、③貯留構造（器）④地熱貯留層熱源だけでは地熱発電は困難

CO2地熱発電技術

水貯留構造
地熱貯留層

熱源
JOGMEC：”JOGMECにおける地熱開発の取り組み”、ENAA 地熱発電・熱水利用研究会より

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はじめに

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 CO2地熱発電技術■ 特徴• CO2で人工的に貯留層（器）を造成• 水の代わりにCO2により熱を取り出す• CO2の一部は地下に固定化（脱炭素へ寄与）
熱源さえあれば地熱発電を可能にする技術
熱水起源の資源量2374万kWに非熱水起源2900万kWが加算研究テーマⅢ：
地熱貯留層内でのCO2流体挙動把握技術（大成建設、富山大学、産業技術総合研究所）
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課題（地熱貯留層内でのCO2流体挙動把握技術）

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200~300℃、地下1000~2000m(10~20MPa)に対する下記が課題① 地化学反応の把握（ CO2溶解水による鉱物の溶解と沈殿）
富山大学 ・岩石片を用いた反応試験（バッチ式、通水式）② 上記化学反応による地熱貯留層の流動特性の変化の把握
産総研

・岩石コアを用いた流通試験
・分子動力学シミュレーションによる界面検討③ 数値シミュレーション技術の開発
大成建設 ・ラボスケールモデルによる検討

・実スケールモデルによる検討④ モニタリング計画の策定・実施

富山大学 ・光ファイバーセンサーによる原位置測定技術の開発

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課題（地熱貯留層内でのCO2流体挙動把握技術）

Taisei Advanced Center of Technology

200~300℃、地下1000~2000m(10~20MPa)に対する下記が課題① 地化学反応の把握（ CO2溶解水による鉱物の溶解と沈殿）
富山大学 ・岩石片を用いた反応試験（バッチ式、通水式）② 上記化学反応による地熱貯留層の流動特性の変化の把握
産総研

・岩石コアを用いた流通試験
・分子動力学シミュレーションによる界面検討③ 数値シミュレーション技術の開発
大成建設 ・ラボスケールモデルによる検討

・実スケールモデルによる検討④ モニタリング計画の策定・実施

富山大学 ・光ファイバーセンサーによる原位置測定技術の開発

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岩石片を用いた反応試験（バッチ式）

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目的
地熱貯留層条件下での岩石-CO2溶解水の地化学反応に関する基礎データを取得し、数値シミュレーションに必要な条件について評価する。
R3成果
 300℃用の岩石-CO2溶解水反応試験用容器の設計・製作
 岩石-CO2-蒸留水の反応試験の実施■試験概要
・岩石を破砕し、粒径1mm~2mmに整粒・耐圧力温度容器に岩石片7gとCO2溶解水70mLを入れて加温し(200~300℃)、岩石とCO2溶解水を反応させる
・所定期間毎(1,2,5,10,15日)に水質測定と表面分析などを実施
・CO2を含まない場合として、化学反応にほとんど影響しない希ガス（Ar：アルゴン）をCO2の代わりに用いたケースも実施
整粒した試料

300℃用反応試験用容器

又はCO2を含まない比較ケース用

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岩石片を用いた反応試験（バッチ式）結果
160【試験条件】
温度：250℃
圧力：10MPa
試料：利尻島玄武岩（1-2mmに整粒）
反応時間：最大15日

K (mg/L)Na (mg/L)

80
CO260Ar100806005105152.00.51515Fe (mg/L)

Fe

1.5CO2Ar

0.5

1010Ar1.0

Ar2

反応時間 （日）5CO23CO2100

反応時間 （日）Mg450

反応時間 （日）

Ca0Ar

2020

1.00.0CO240400K

100120Mg (mg/L)

Ca (mg/L)

Na140

 CO2の有無により化学成分の挙動が異なる
 2日目以降はほぼ一定濃度
1.51200510

反応時間 （日）

150.0

0510

反応時間 （日）157

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岩石片を用いた反応試験（通水式）
R3成果
 岩石-CO2溶解水反応試験用装置の設計・製作
背圧弁

反応容器

反応容器

溶液自動採取装置

反応容器
溶液自動採取装置

送液ポンプ（1mL/分）通水式岩石-CO2溶解水反応試験用装置全景

CO2ガス

CO2溶解水～300℃，～10MPa～1mL/分流速

1試料/時間（24個）

100mL溶液自動採取装置

中子（岩石粒を充填）

反応容器(SUS316)

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課題（地熱貯留層内でのCO2流体挙動把握技術）

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200~300℃、地下1000~2000m(10~20MPa)に対する下記が課題① 地化学反応の把握（ CO2溶解水による鉱物の溶解と沈殿）
富山大学 ・岩石片を用いた反応試験（バッチ式、通水式）② 上記化学反応による地熱貯留層の流動特性の変化の把握
産総研

・岩石コアを用いた流通試験
・分子動力学シミュレーションによる界面検討③ 数値シミュレーション技術の開発
大成建設 ・ラボスケールモデルによる検討

・実スケールモデルによる検討④ モニタリング計画の策定・実施

富山大学 ・光ファイバーセンサーによる原位置測定技術の開発

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岩石コアを用いた流通試験

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目的
CO2注入に伴う岩石中の鉱物反応が、岩石内の流れに関する特性に与える影響を調べる。

R3成果
 高温超臨界CO2流通試験装置を設計・製作（高温水の流通機構まで）
 予備的な流通試験を実施

令和3年度での製作部分■試験概要
岩石コア試料に対して、高温高圧下で塩水および超臨界CO2、あるいは両者の混合水を流通させ、岩石中の鉱物の反応に伴う水理特性の変化を測定する。

10JOGMEC令和3年度地熱事業成果報告会

分子動力学シミュレーションによる界面検討
目的
貯留層内のCO2-水-岩石相互作用の予測・制御には界面物性の把握が重要であり、シミュレーションにより300℃までの界面張力と濡れ性を評価する。

40℃
8MPa
300℃

水50MPaイライト(鉱物)
温度（K）

空気水-空気界面
水
砂粒子

砂粒子の隙間に生じる水-空気界面のX線CT撮影画像。
界面物性によって様相は変化。

 水-粘土鉱物界面系計算• 300℃近傍などで、鉱物表面の水が低温域とは異なる挙動をする可能性
水分子の密度分布（kg/m3）

界面張力（mN/m）

R3成果
 CO2-H2O界面張力計算• 300℃-20MPaの界面張力は、40℃-10MPaの値より約87%低下

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5℃

300℃

鉱物表面からの距離（nm）

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課題（地熱貯留層内でのCO2流体挙動把握技術）

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200~300℃、地下1000~2000m(10~20MPa)に対する下記が課題① 地化学反応の把握（ CO2溶解水による鉱物の溶解と沈殿）
富山大学 ・岩石片を用いた反応試験（バッチ式、通水式）② 上記化学反応による地熱貯留層の流動特性の変化の把握
産総研

・岩石コアを用いた流通試験
・分子動力学シミュレーションによる界面検討③ 数値シミュレーション技術の開発
大成建設 ・ラボスケールモデルによる検討

・実スケールモデルによる検討④ モニタリング計画の策定・実施

富山大学 ・光ファイバーセンサーによる原位置測定技術の開発

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ラボスケールモデルによる検討

目的
室内試験をシミュレーションで再現することで、現象の理解と実スケールシミュレーションのモデル化方法を検討する。
濃度/ppm

実験値

R3成果
 バッチ式試験の予察解析

計算値• 反応の時間変化をある程度再現• 本試験条件では反応が1日程度で平衡に達する早い反応であることを確認

反応時間（日）

室内試験をシミュレーション
 通水式試験試料のX線CT撮影• シミュレーション/試験結果の評価に活用できる可能性を確認

反応容器

試験結果の再現解析（富山大）
背圧弁

反応容器

送液ポンプ
（1mL/分）CO2ガス

CO2溶解水X線CT撮影1試料/時間（24個）

100mL溶液自動採取装置

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ラボスケールモデルによる検討
 岩石コアを用いた流通式試験の予察解析• 流入側での岩石の溶解、流出側での鉱物沈殿が生じる結果• 岩石コア流通試験の条件設定のための基本的な情報を取得0.25

空隙率(ー)

0.2

初期

岩石溶解

0.15

鉱物沈殿

0.1

流れ方向

0.05
0

室内試験をシミュレーション

00.05

0.1

0.15

0.2

岩石コアの位置(m)

地化学反応により変化

流れやすい 8.0E-13

岩石溶解浸透率(m2)7.0E-13
6.0E-13
5.0E-13
4.0E-133.0E-132.0E-13
1.0E-13
0.0E+00
流れにくい

初期

流れ方向
00.05

0.1

岩石コアの位置(m)

鉱物沈殿

0.15

0.2

数値シミュレーションによる通水開始30日後の空隙率分布と浸透率分布14Taisei Advanced Center of Technology

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実スケールモデルによる検討

目的
地化学反応を考慮した超臨界CO2の挙動を把握するシミュレーション技術を確立する。
R3成果
 理想井戸配置での採熱量の予察検討（熱-流動計算のみ）• 注入したCO2を基本的に全て回収できる既往研究で多く利用されているモデルによる検討• 予察検討において、注入井1本あたりMW規模の発電可能性を確認
対称性から赤枠部をモデル化
生産井

CO2注入井500 m

60 m

理想井戸配置条件（平面図）

モデル鳥瞰図

CO2のみの生産熱量
CO2の生産井到達

流れ生産井

熱水＋CO2の生産熱量
生産熱量 (kW)注入井

初期に熱水の生産注入開始からの経過時間 (年)

本予察的シミュレーションにおける生産熱量の経時変化（理想井戸配置、熱-流動計算のみ） 15

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JOGMEC令和3年度地熱事業成果報告会

実スケールモデルによる検討
 注入井1本と生産井1本の2本での採熱量の予察検討（熱-流動計算のみ）• 開発初期など井戸本数に制約のある場合を想定したモデルによる検討• 数MW規模の採熱の可能性• CO2注入初期の熱水産出• 貯留層の拡がりの考え方の違いによる生産井戸でのCO2/水の比率の変化
CO2相飽和度

境界の扱い方で貯留層の有限/無限を設定
注入井

生産井対称性から半分をモデル化
注入井1本と生産井1本の場合のモデル概要

生産井戸での生産熱量（kW）

浸透率：1×10-14m2
空隙率：0.12
モデルへのCO2注入量：約5万t/年

4000
3500

浸透率を大きく
(1×10-13m2)

3000
2500
2000

ベースケース
・水平方向に有限な貯留層
・浸透率1×10-14m2

1500
1000
500
0

水平方向に無限に広がる貯留層
01020304050

CO2圧入開始からの時間（年）

本予察的シミュレーションにおける生産熱量
16の経時変化（注入井1本と生産井1本、熱-流動計算のみ）

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課題（地熱貯留層内でのCO2流体挙動把握技術）

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200~300℃、地下1000~2000m(10~20MPa)に対する下記が課題① 地化学反応の把握（ CO2溶解水による鉱物の溶解と沈殿）
富山大学 ・岩石片を用いた反応試験（バッチ式、通水式）② 上記化学反応による地熱貯留層の流動特性の変化の把握
産総研

・岩石コアを用いた流通試験
・分子動力学シミュレーションによる界面検討③ 数値シミュレーション技術の開発
大成建設 ・ラボスケールモデルによる検討

・実スケールモデルによる検討④ モニタリング計画の策定・実施

富山大学 ・光ファイバーセンサーによる原位置測定技術の開発

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光ファイバーセンサーによる原位置測定技術の開発

目的
高温・高圧下における流体中のCO2濃度や鉱物沈殿現象を遠隔リアルタイムで計測する技術を開発
超臨界CO2中の水分・CO2量
観測孔

水中の溶存CO2濃度
炭酸カルシウム沈殿速度
 実施項目（開発する光ファイバーセンサー）
1. FT-IRによる流体中のCO2濃度測定センサー
・光波長域：近赤外～赤外・赤外分光光度計（FT-IR）に光ファイバーを接続
2. 既存の鉱物センサーの高温・高圧対応
・光波長域：可視光域
・通水式試験でのCO2濃度や鉱物沈殿速度の測定に利用
3. 局在表面プラズモン(LSPR) による鉱物センサー
・光波長域：可視光～近赤外・光ファイバーに金ナノ粒子を修飾したファイバー

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光ファイバーセンサーによる原位置測定技術の開発
R3成果

CO2の赤外吸収ピーク（赤外線の透過率の減少）

1. FT-IRによる流体中のCO2濃度測定センサー
 流体中のCO2濃度測定の室内試験の実施• 溶存CO2量の増加に伴い、赤外線の透過率の減少を確認
2.既存の鉱物センサーの高温・高圧対応
 反応容器の設計・製作
 高温高圧条件での試験• 温度上昇に伴い透過率の減少量、速度の増加が見られたことから、鉱物生成挙動などの予測への活用が期待

反応容器
光ﾌｧｲﾊﾞｰ

3.局在表面プラズモン(LSPR) による鉱物センサー
 現地試験の実施• スケール生成に伴うピークシフトを確認でき、数時間で沈殿速度を測定できる可能性(SUS316)
製作した反応容器

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