2020年6月5日 JOGMEC成果報告会

米国の地熱技術開発動向（スタンフォードGWから）

石油天然ガス・鉱物資源機構 地熱統括部
安川 香澄

目次

• はじめに• 2020年スタンフォード地熱ワークショップについて• 米国における地熱技術開発への政策支援• 注目度の高かった発表１： Amayaほか• 注目度の高かった発表２： Fernandezほか2はじめに3•

本講演では、2020年4月アイスランドにて開催される予定だった５年に一度の世界地熱会議WGC2020での発表論文を元に、世界の地熱技術開発動向をご紹介する予定でした。

•しかし、新型コロナウィルスの影響でWGC2020が延期となったため、2020年2月に開催されたスタンフォード地熱ワークショップSGWにて情報収集した内容をご紹介いたします。

•SGWは米国以外からの参加者も多く、国際学会としての側面を持ちますが、今回ご紹介するのは、米国エネルギー省からの基調講演をはじめ、注目度の高かった論文が米国からの発表だったために、米国の技術動向をご紹介する結果となりました。

•世界の技術動向については、延期されたWGC2020の開催後、改めてご紹介する予定です。ご了承ください。

目次• はじめに• 2020年スタンフォード地熱ワークショップについて• 米国における地熱技術開発への政策支援• 注目度の高かった発表１： Amayaほか• 注目度の高かった発表２： Fernandezほか

4スタンフォード地熱ワークショップ
米国における地熱関係の学術講演会
米国で毎年開催される地熱の学術講演会には、下記の２つがあり、いずれも米国をはじめ世界の多くの地熱開発国からの参加者がある。
• GRC : 主に西海岸で秋口に開催される米国地熱協会 (Geothermal ResourcesCouncil) の年会。展示ブース多く企業の参加者が多い。セミナーや巡検含め約１週間のイベント。
• Stanford Geothermal WS : 1～2月にスタンフォード大学で開催され、内容は基礎研究や先端研究を含みアカデミックな傾向。口頭発表のみ３日間。
Stanford Geothermal WS（SGW）について• 最初の開催は1975年で、地熱貯留層工学に関し51件の発表があった。2010年
以降、発表数が急速に伸び、2013年以降は5会場で行われる年もある。

• 2020年の第45回は3会場で3日間、地熱全般に関し108件の発表（論文集には138件）。なお、WGCの開催年および前年はSGWでの発表数が少ない傾向。
• 主催は、Roland Horne教授率いるThe Stanford Geothermal program、スポンサーはORMAT, Geothermal Resource Group, CAL ENERGY。
• 各年の発表一覧およびアブストラクト・論文は、以下から閲覧できる：
https://geothermal.stanford.edu/publications

スタンフォード地熱ワークショップ
第45回Stanford Geothermal WSの概要• オープニング・セッションでは、米国エネルギー省（DOE）の地熱専門官Lauren
Boyd氏に続き、DOEの大型地熱プロジェクトEGS Collab、FORGE関係者らによる発表があった。

• 技術発表は地熱分野を広く網羅し、地質、地化学、物探、貯留層工学、 EGS、掘削、直接利用などのほか、 EGS Collab、FORGEの特集セッションあり。社会的側面、海外近況などについても、Generalのセッションで発表が行われた。
• アカデミックなイメージの強いスタンフォード地熱ワークショップであるが、DOE予算によるプロジェクトが大々的に取り上げられており、技術開発における政策支援の重要性がうかがえる。
• 発表一覧およびアブストラクト・論文は、以下から閲覧できるので参照のこと：
https://geothermal.stanford.edu/publications• 以下では、 基調講演からの抜粋で米国の地熱開発プロジェクトの概況を簡単に紹介した後、会場での聴講者数が非常に多く注目度の高かった研究を２件紹介する。

目次

7• はじめに• 2020年スタンフォード地熱ワークショップについて• 米国における地熱技術開発への政策支援• 注目度の高かった発表１： Amayaほか• 注目度の高かった発表２： Fernandezほか
注）ここでご紹介する内容は、発表者のLauren Boyd氏（米国エネルギー省EGSプロジェクトマネージャー ）からご提供いただいた発表スライドの抜粋であり、SGWのウェブページには論文として掲載されていない。Boyd氏に感謝する。

米国における地熱開発動向
米国における地熱発電容量の伸び1980年代のガイザーズの急速な開発により、干渉に伴う深刻な生産量減少が発生し、1990年以降は複数のユニットが閉鎖されたが、他地域では開発が進み、米国全体では1990年以降も容量は徐々に増加。

2000年以降、ガイザーズは経営統合化と涵養により生産量の減少幅が縮小し容量的には安定。
税金減免など再エネ支援策もあって他地域では開発が進み、2009年頃から容量増加が加速。
（解説：安川）8

地熱技術開発の政策動向

2019年に承認された地熱技術開発に関係する新たな法律：• S. 2657 – Advanced Geothermal
Innovation Leadership Act of 2019 (AGILE)• H.R. 5374 – Advanced Geothermal
Research and Development Act• H.R. 5685 – Securing American
Leadership in Science and Technology Act
米国では、技術開発を支援する政策的裏付けのもと、DOE予算によって地熱技術の開発が行われている。

9

DOEによる地熱技術開発費の推移

10

DOEによる近年の地熱技術開発費は順調に増加し、2020年は約120億円の予算がついている。
120USD millions

100

Geothermal Technologies Office
Annual Budget 2015-2020
80.9
7169.5FY2016FY20171108480556040200
FY2015FY2018FY2019FY2020DOEにおける地熱資源探査技術開発
地熱資源探査に関しては、①全国的およびローカルな資源探査、②地下からのシグナル検出の向上、③掘削および坑井の信頼性向上、④地熱資源の回収率向上、⑤地熱資源のモニタリング、モデリング、マネージメント技術の向上、を目標に掲げて技術開発を進めている。

上記の技術開発目標は、右のGEO VISIONで提言としてまとめられたもので、下記からダウンロードできる：
https://www.energy.gov/eere/geothermal/downloads/geovisi
on-harnessing-heat-beneath-our-feetDOEが現在進めている地熱技術開発
Efficient Drilling for
Geothermal Energy [EDGE]

Frontier Observatory for Researchin Geothermal Energy [FORGE]

Beyond Batteries / AESI
Waterless Stimulation
Machine Learning for
Geothermal Energy

EGS Collab
Zonal Isolation

Play Fairway Analysis [PFA]

Subsurface Stress / Lost Circulation

Deep Direct-Use

以下のページで、代表的プロジェクトを紹介

坑井関連技術 Wells of Opportunity (WOO)
DE-FOA-0002227
高度EGS技術（坑井刺激に関連した技術）に対し、25百万ドルの予算規模• Topic 1 – PILOT: 既存の坑井を改修・利用して、ダウンホールツールや坑井刺激技術をテストする。

• Topic 2 – AMPLIFY: エネルギー回収量の増加という観点から坑井刺激技術を
Closes April 6 2020
テスト、評価する。

隠れた地熱系とAESI
DE-FOA-0002219６つのプロジェクトについて、18.8百万ドル の予算規模

Topic 1 – 探査 RD&D: ベーズン・アンド・レンジ
地域で地表徴候のない“隠れた”地熱系の探査

Topic 2 – 先導的エネルギー貯蔵イニシアティブAdvanced
Energy Storage Initiative (AESI): 低温地熱を利用した双方向（冷房・暖房）エネルギー貯蔵の活用

FORGE 次なる展開

$4M

$14M

$10M

FORGEは、深部の高温高圧地熱資源の開発をターゲットとしており、日本ではNEDOによる超臨界地熱資源の関連プロジェクトに相当。

地熱製造業への賞金•

地熱の機材・部材の製造における優れた技術革新や工夫に対し、3.25百万ドルの賞金。

•

先端的な製造技術は、地熱関連部材の設計や性能に関し、新たな可能性を生み出す。

•

詳細は、herox.com/geothermalma
nufacturing

2020 学生向けコンペティション

地熱デザインチャレンジ：GISを活用して、 いかに地熱エネルギーを可視化して広報できるか？

• 米国全土の高校生、大学生、大学院生を対象とする。
• 勝利チーム（複数）には現金5,000 ドルの賞金を支給。
• 締め切り: 2020年3月30日。

詳細は: inl.gov/geothermalchallenge

目次

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• はじめに• 2020年スタンフォード地熱ワークショップについて• 米国における地熱技術開発への政策支援• 注目度の高かった発表１： Amayaほか• 注目度の高かった発表２： Fernandezほか

超臨界CO2を作動流体としたクローズドループ
地熱デモンストレーション
Alvaro Amayaほか（GreenFire Energy社）”GreenFire Energy Closed-Loop
Geothermal Demonstration using Supercritical Carbon Dioxide as Working Fluid”
研究の背景
多くの地熱地域で、温度は高いが透水性が不十分で、期待した地熱流体が採取できない。

そういった地域や地熱井で発電を可能にするための新技術。

地熱流体システム概要
 既存の地熱井にDBHXを挿入してsCO2と熱交換
 DBHXは、底が閉じたライナとそれに挿入したVITで構成• ダウンボアホール熱交換器 (DBHX)• 真空断熱チューブ (VIT)VI• 超臨界状態の二酸化炭素 (sCO2)

T

特徴

地熱流体

 既存の地熱井を使える。
 透水性が不十分な場合にも発電可能。

sCO
2

既存の地熱井

sCO
2

ライナ

地熱流体

超臨界CO2を作動流体としたクローズドループ
地熱デモンストレーション
コソ地熱地域でのデモンストレーション

地上設備と地下部分を含めた３つの流れの一次元数値シミュレーションモデルを作成し、フィールド実験データとの照合を行う。

コソでの実験システムでの３つの流体の流れ
なぜ超臨界CO2 ？

 CO2は作動流体として効率が高い。また超臨界状態の流体は、液体より粘性が低いので低摩擦で流れやすく、気体より密度が高いので体積当たりエクセルギーが高く、液体と気体の利点を併せ持つ。

超臨界CO2を作動流体としたクローズドループ
地熱デモンストレーション←数値モデルとフィールドデータの一致を確認し、そのモデルを使って得られる発電量などを計算。

発電量* (kW)

坑口温度WHT (C)

坑口圧WHP (kPa)

2019年のフィールド実験

DBHXの流量 (kg/s)
2019年5月(1)と12月(2)のフィールド・データ
生産井の坑口圧 と坑口温度（異なる地熱流体生産量に対して）＊実験ではコスト削減のため発電機をつけていないが、流量と温度を測定し、回収熱量から発電量を計算。

超臨界CO2を作動流体としたクローズドループ
地熱デモンストレーション

発電量 (kW)DBHXの圧力増加 (kPa)

設定を変えた場合のモデル計算

DBHXの流量 (kg/s)

DBHXの流量 (kg/s)

フィールドデータとの一致が確認されたモデルを使い、DBHXの注水温度が低い場合（左）の発電量や、地熱井の深度（＝DBHXの圧力差、右）による変化を計算。
その他、多数のモデリング解析を行った上で、モンテカルロ法を用いた統計的解析により、深い傾斜井を用いた場合に期待される発電量を算出（次ページ）。

超臨界CO2を作動流体としたクローズドループ
地熱デモンストレーション実用スケールのECO2G システム：コソ地熱地帯で期待される発電量大半径のECO2G system。異なる２深度について水平距離に対する発電量をプロット（地温勾配：120℃/km ）まとめ：コソ地域で水平距離6km, 深度3kmのシステムを導入すれば、最大1MW程度の発電が可能と結論。また、実際の適用に際してのディシジョン・ツリーも紹介している。

目次24• はじめに• 2020年スタンフォード地熱ワークショップについて• 米国における地熱技術開発への政策支援• 注目度の高かった発表１： Amayaほか• 注目度の高かった発表２： Fernandezほか

EGSフラクチャリング流体としてのCO2応答性ポリマーとCO2：25cm角規模での評価
Carlos A. Fernandezほか (Pacific Northwest国立研究所) “Foot-scale Evaluationof CO2-Responsive Polymer and CO2 as an Alternative Fracturing Fluid forEnhanced Geothermal Systems”
研究概要
水に代わるフラクチャリング流体の可能性を探るため、封圧下の岩石サンプルに４種の流体を注入してフラクチャリング実験を行った。
水水飽和した岩石に水を注入
CO2
乾いた岩石HDRにCO2を注入
CO2/水 水飽和した岩石にCO2を注入
CO2/PAA 1%PAA水溶液で飽和した岩石にCO2を注入

 実験温度は200℃。
 注入レートは定圧・定流量の２条件。
予備知識
 CO2ベースの流体は水ベースの流体に比べて、導通性の高いフラクチャを作る。

 ポリアリラミン(polyallylamine, PAA)はポリマーの一種で、重量比1%水溶液のCO2との反応による体積膨張率が、200℃で30％、350℃で200％、400℃で250％と高く（しかも可逆性）、フラクチャリング流体として期待されている。

EGSフラクチャリング流体としてのCO2応答性ポリマーとCO2：25cm角規模での評価
注入フラクチャリング室内実験のセッティング

定圧モードでのフラクチャ坑口圧、ポンプ流量、流量の変化

各岩石サンプルには小さなボアホールが開けられ、写真のようなケーシングが挿入された。

CO2
⇓注入流体
水／ポリマー

オイル⇕封圧用オイルオイルポンプ

25cm角のシエラ
花崗岩(a) 坑口圧の変化（4種の注入流体）(b) ポンプ流量の変化（4種の注入流体）(c) 流量の変化：開始時圧力11.03 MPa（3種の注入流体: CO2, CO2/,水 CO2/PAA）EGSフラクチャリング流体としてのCO2応答性ポリマーとCO2：25cm角規模での評価
注入フラクチャリング前後でのフラクチャ流量の変化（H2OとCO2の比較）

H2O
水飽和
岩石で
実験

黒 : 200℃でのフラクチャ流量

赤: 坑内圧力

CO2
乾燥岩石
で実験
赤: 坑内圧力青: 22℃でのフラクチャ流量

黒 : 200℃でのフラクチャ流量• CO2では、フラクチャリング後に圧力は急激に下がる一方、流量は高く保たれる。

EGSフラクチャリング流体としてのCO2応答性ポリマーとCO2：25cm角規模での評価
注入フラクチャリング前後でのフラクチャ流量の変化（CO2/PAAとCO2/水の比較）

赤: 坑内圧力CO2/水

黒 : 200℃でのフラクチャ流量

CO2/PAA青: 22℃でのフラクチャ流量• CO2/水は低流量ではフラクチャリングが起きない。
• 10mL/minでは圧力・流量ともにCO2/PAAとCO2/水の違いが無いが、 CO2/PAAは変化が速い。

EGSフラクチャリング流体としてのCO2応答性ポリマーとCO2：25cm角規模での評価

まとめ CO2ベースの流体は水ベースの流体に比べて、導通性の高いフラクチャを作る（高破壊圧→高遷移流量が発生するため）
 定流量の場合、CO2のほうがフラクチャ導通性が高く加圧レートが高くなる。

 PAA水溶液飽和岩石にCO2注入すると（CO2-PAA）、CO2によるPAAの体積膨張と粘性の増加により、速い圧力上昇が起きる。
 注入レートが非常に高い場合は、乾燥高温岩石へのCO2注入（CO2/HDR）が最もフラクチャの導通性が上昇。僅差でCO2/PAAが続く。
 CO2/PAAは、注入レートによらずフラクチャの導通性が高く、CO2/HDRの1/6 の体積CO2で導通性が上昇。
 破壊圧も、同一の注入レートではCO2/HDRとCO2/PAAの結果はほぼ同様。
 ご存知の通りCO2は粘性が低くプロッパントを効果的に輸送できない。一方、 反応
したCO2/PAA流体は、高粘性の“バイナリー流体”を形成し、効果的なフラクチャリングに加えてプロッパントを輸送できる可能性がある。
プロッパント：支持材。注水により開口したフラクチャは、流量が下がると閉じてしまうことが多いので、楔型の支持材を流し込むことで、開口を保とうとするもの。通常、地熱では用いないが、米国のEGSでは実験が行われているようだ。