地熱発電

概要

地熱発電は、地熱によって生成された水蒸気により発電機に連結された蒸気タービンを回すことによって電力を発生させる。地熱という再生可能エネルギーを活用した発電であるため、運転に際していわゆる温室効果ガスの二酸化炭素の発生が火力発電に比して少なく、燃料の枯渇、高騰などの心配が少ない。また、太陽光発電及び風力発電といった他の主要な再生可能エネルギーを活用した発電と異なり、天候、季節、昼夜によらず安定した発電量を得られる。資源量も多く、特に日本のような火山国においては大きな潜在力を有すると言われる（再生可能エネルギー#資源量を参照）。一方で「探査・開発に費用と期間を要する」「温泉の湧出湯量の減少・枯渇を懸念する観光業界や地元自治体からの反対」「初期費用が高い」「火山噴火などの自然災害に遭遇しやすい」といった難点もある。

技術方式

現在利用されている地熱発電の発電方式として、主にドライスチーム、フラッシュサイクル、バイナリーサイクルの3つの方式が用いられている。さらに将来技術として、熱水・蒸気資源が無くとも発電可能な高温岩体発電の研究開発も行われている。また発電タービンで利用した後の蒸気の取扱いに関し、そのまま大気放出する方式を背圧式、蒸気を冷却して水に戻す方式を復水式と分類する。以下にそれぞれの詳細を説明する。

ドライスチーム

蒸気発電を行う場合、蒸気井から得られた蒸気がほとんど熱水を含まなければ、簡単な湿分除去を行うだけで蒸気タービンに送って発電を行う。このような発電方式をドライスチーム(dry steam)式と呼ぶ。日本での実施例に松川地熱発電所、八丈島発電所などがある。

高温岩体発電

天然の熱水や蒸気が乏しくても、地下に高温の岩体が存在する箇所を水圧破砕し、水を送り込んで蒸気や熱水を得る高温岩体発電（hot dry rock geothermal power; HDR、またはEnhanced Geothermal System; EGS）の技術も開発されている。地熱利用の機会を拡大する技術として期待されている。既存の温水資源を利用せず温泉などとも競合しにくい技術とされ、日本では38GW (38,000MW) 以上（大型発電所40基弱に相当）におよぶ資源量が利用可能と見られている。多くの技術的課題は解決している。2000年から、2年間実証実験、発電が実施されたが、現在はコスト増を理由に中止されている。
また現在の技術ならばコストも9.0円/kWhまで低減する可能性が指摘されているが、日本国のように地下構造の変化の大きい地域で、240MW の発電所建設が可能かどうか調査が必要としている。
2008年には、googleがベンチャー企業などに1000万ドルを出資して話題になった。2010年時点では、オーストラリアのジオダイナミクス社によって75MWの大規模な高温岩体地熱発電プラントの建設が進められている。

マグマ発電

さらに将来の構想として、マグマ溜り近傍の高熱を利用するマグマ発電の検討が行われている。開発に少なくとも50年はかかると言われるが、潜在資源量は6TW(6千万MW)におよぶと見積もられ、これを用いると日本の全電力需要の3倍近くを賄えるだろうと言われている。

背圧式と復水式

地熱発電で利用されるタービンには、背圧式と復水式がある。
背圧式タービンは、タービンで利用した後の蒸気を大気に放出する。後述の復水式に比べおよそ2倍の蒸気を必要とする一方、設備が簡易で安価であり、開発・試験・予備等が目的の設備に向く。比較的短期間で製作・設置が可能であり、主に数MW程度の小規模設備で用いられる。
復水式タービンは、タービン利用後の蒸気を復水器で凝結させて水にする。設備が複雑で工期も長くなるが、蒸気の利用効率は高くなる。比較的大規模な設備で用いられる。

井戸

蒸気を採取するための坑井（蒸気井・生産井）の深さは、地下の構造や水分量などによって異なり、数十mから3,000mを超えるものまで様々である。通常は1km以上3km以下である。掘削には油井と同様の設備、技術が多く用いられているが、石油井などではやっかいなトラブルとされる逸水という現象が、地熱井においては地熱貯留層との交錯を意味するため、掘削の方針や方法は必ずしも同様であるとは言えない。
蒸気発電およびバイナリー発電では、発電に使った蒸気（復水器で凝縮されて水になる）や余った熱水を地表に放出・放流させると地下の蒸気や熱水が枯渇してしまうおそれがある。また、熱水に含まれる金属などの成分が、河川や湖沼の水質に影響を与えることも懸念される。そのため、発電に使用した後の蒸気や熱水は坑井（井戸）を通じて地下に戻すことが行われる。これを還元という。還元用の井戸（還元井、かんげんせい）は蒸気井よりも浅いことが多い。還元井は当初から還元井として掘削される他に、勢いの衰えた蒸気井が転用されることもある。
一方、還元する量が多すぎたり場所が悪かったりすると、地中の温度を下げたり、地中の蒸気や熱水の流れを乱してしまい、発電に利用可能な蒸気や熱水が得られなくなることがあるため、還元の際は適切な場所や量を選定する必要がある。

貯留層管理

蒸気や熱水が溜まっている地中の部位は貯留層と呼ばれるが、貯留層の温度や水分を維持するために蒸気の利用や還元を計画・実施することを、貯留層管理という。貯留層管理は、地熱資源を持続的に利用するために重要な技術である。

複合的な利用

発電に伴う余熱や温水を、複合的に利用する事例もある。余熱を温室栽培に活用したり、温水を利用すると共に発電所自体を観光資源にしている例等が見られる。

環境性能

地熱発電は地熱のエネルギーを利用して発電し、発電時に化石燃料を燃焼させる必要が無い。このため発電量あたりの二酸化炭素排出量が低く、建設等に要したエネルギーも通常1年程度で回収できる。ただし、火山性ガスには二酸化炭素が含まれることが多く、例えば柳津西山地熱発電所のように、発電量あたりの二酸化炭素排出量がガス火力発電並に大きい場合もある。

地震の誘発

地下との熱水の出入りにより微小な地震が発生することがある。ただし、通常は高感度な地震計でしか感知できないような無感地震である。また、大規模な地震を誘発させた例もない。
小規模地震が多発した例としてはスイスのバーゼルにおける地熱発電では、2006年から開発が進められたが、M3クラスの地震が頻繁に発生して家屋や建物に約700 万スイスフランの被害を及ぼした。調査の結果、開発を続行した場合、最大M4.5 程度の地震の誘発が起こり得ることが指摘されたため、2009年に開発中止になった。
2019年3月20日、韓国の政府調査団は、2017年11月に韓国の浦項市で発生した、観測史上2番目に大きい浦項地震ついて、浦項で商用化実験中の地熱発電所が原因であるとの調査結果を発表した。

温泉

日本においては影響が出た事例はないが、海外においては温泉の還元不足などから、地熱発電が温泉に影響を与えた例がいくつか確認されている。日本のように還元井での資源管理や環境対策が行われていないことや、規模の違いが海外の事例においては指摘されている。これらの基本的な対策がなされた場合、原理的には温泉の湧出量減少の原因となることはない。

発電量とコスト

地熱発電は、計画から建設までに10年以上の期間を要し、井戸の穴掘りなど多額の費用がかかる。しかし稼働後は他の自然エネルギーと比しても高い費用対効果があり、2005年での調査では8.3円/kWhの発電コストが報告されている。特に、九州電力の八丁原発電所では、燃料が要らない地熱発電のメリットが減価償却の進行を助けたことにより、近年になって7円/kWhの発電コストを実現している。
しかしながら2013年度の固定価格買い取り制度においての買取価格は 15MW未満(40円+税)15MW以上（26円+税）であり、今後新設される地熱発電所について利用者側からみた価格は他の自然エネルギーと比べても高い。

発電量の減衰

各発電所ともに所定の出力を維持するために、補充井の掘削を実施。平均して 3.1年に 1 本の頻度で掘削。（大岳発電所、大沼地熱発電所を除く）補充井を掘削したとしても、ほとんどの発電所が所定の出力を維持できていない。実際、年間発電電力量は2012年のエネルギー白書によると1997年の37.57億kWhをピークに2010年には26.32億kWhと約29.9%低下している。

エネルギー効率が低い

公表されている資料から蒸気量と発電量との比より求められる日本の地熱発電所の平均発電熱効率は15～20%の範囲である。このため発電量の4倍以上の熱が地上に放出される。ほとんどの発電所が山中にあるため冷却手段は冷却塔を用いるしかなく、地下からの蒸気量と同じオーダーの水蒸気が放出されることとなる。

歴史

1919年に帝国海軍中将・男爵山内万寿治が、大分県別府で地熱用噴気孔の掘削に成功した。1925年、これを引き継いだ東京電灯研究所長・太刀川平治が実験発電に成功した。これが日本での最初の地熱発電とされる。しかし出力にして1.12kWと微力であったことから、山内の死後程なくして地熱発電の実用化は立ち消えとなった。実用の地熱発電所としては、1966年10月8日に松川地熱発電所（岩手県八幡平市）が営業運転を始めたのが最初となる。

現状

日本における地熱発電の発電量は、2010年段階でおよそ530MW、他の発電を含めた総発電量のわずか0.2%である。これは中規模の原子炉1基分の発電量に相当する。地熱発電が比較的盛んな九州においても、総発電量の2%にすぎない。日本において地熱発電の普及が低迷してきたのは、開発に際する国定公園、国立公園の規制と、温泉地からの反発が主な理由だと言われている（詳細後述）。
それでも日本列島は火山の多い環境のため、日本国内の地熱発電の埋蔵量は多く、約33GW（33,000MW）にもなると見積もられている。燃料の大部分を国外からの輸入に頼る日本としては貴重な国産エネルギーともなりうるため、地熱発電の開発を積極的に進めるべきとの指摘がなされている。
また地熱発電に関わる日系企業の技術は高く、140MWと1基としては世界最大出力の地熱発電プラント（ナ・アワ・プルア地熱発電所-英語版）を富士電機システムズ（現在は富士電機（旧富士電機HD）に吸収合併）、さらにそれを上回る166MWのタービン発電機（テ・ミヒ地熱発電所-英語版）を東芝がニュージーランドに納入するなど、2010年の時点で、富士電機、東芝、三菱重工の日本企業3社が世界の地熱発電設備容量の70%のプラントを供給している。
一方、日本国内の地熱発電に関わる研究は長年冷遇されており、1997年の新エネ法で地熱発電が新エネルギーから除外され、国内での研究がほとんど行われない状態が続いていた。2003年から始まった「電気事業者による新エネルギー等の利用に関する特別措置法（RPS法）」の対象となる地熱事業は「熱水を著しく減少させないもの」という条件付きで、実質的に蒸気フラッシュ型が認定を受けにくい制度であったことから、日本国内の市場展開も滞り、文字通り2000年代は地熱の「冬の時代」が続いていた2008年にバイナリー発電のみ新エネルギーに復帰し、地熱発電の主要をなすフラッシュ発電の可能性が制度上なくなった。。同年、経済産業省で地熱発電に関する研究会を発足、2010年度には、地熱発電の開発費用に対する補助金を引き上げを検討はしたものの、実現には程遠い状態であった。。2010年には民主党政権の事業仕分けの対象に「地熱開発促進調査事業」と「地熱発電開発事業」が含まれることになり存続そのものが危ぶまれたが、2011年の東日本大震災とそれに伴う福島第一原子力発電所事故により、再生可能エネルギー開発の一環として、地熱発電の新規開発に向けた規制緩和に関心が持たれるようになった。例えば、環境省は同年6月にも地熱発電所設置における二大課題である「国定・国立公園に関わる規制」および「温泉施設に対する影響評価」の見直しを始めた。翌2012年には、地熱発電を含む再生可能エネルギーによる電力の買取価格を、15年間の間1kWあたり42円と決定した。さらに国定・国立公園に関わる規制の緩和も進み、後述する小規模地熱発電の稼働に向け多数調査、計画が始められている。

国定・国立公園との関係

地熱発電の設立が、日本で積極的に進まなかった大きな理由の一つとして、発電所の候補地の多くが国定公園、国立公園に指定されていることがあった。1972年（昭和47年）に当時の通商産業省（現・経済産業省）と環境庁（現・環境省）の間で交わされた「既設の発電所を除き、国立公園内に新たな地熱発電所を建設しない」ことを約する覚書により、事実上発電所の新設が認められていなかったのである。
日本地熱学会などの推進派は、国立公園内にも巨大ダムや大型施設が立地していることから、環境省の裁量次第で地熱発電の建設ができると反論していた。環境庁も前述の通り2011年から見直しに入り、2012年には国立公園内の開発工事が届出が不要になるなど、規制緩和が進んでいる。

温泉地との争い

地熱発電の開発が進まないもう一つの大きな理由として、周辺の温泉地からの反対があった。これは、地熱発電の新設により、温泉の枯渇、湯量の低下、温泉の温度低下、景観を損なうおそれがある反発が根強い。実際、日本温泉協会が地熱開発に反対を表明している。また、群馬県の嬬恋村では2008年（平成20年）に地熱発電の計画が浮上したが、その予定地が草津温泉の源泉から数kmしか離れていないため、温泉に影響が出る可能性が必ずしも排除できないとして草津町が反対を表明した。草津温泉では、地熱発電と温泉との因果関係の有無を検証するための地下ボーリング調査等を行うことにも反対している。
しかし、地熱発電推進派からは、地下の地熱エネルギーおよび温泉資源についての科学的調査の結果、日本においては地熱発電所の開発規模が外国と比較して小さいことや地熱資源の維持に細心の注意が払われているから、地熱発電所が温泉などの周辺環境に影響を与えた事例が一例もないとも反論されている。また、地熱発電所と温泉・観光地との共存共栄は可能であるとの見解を示している。
温泉地からの反対は、地下熱源の利用を巡り、地熱発電所と周辺の温泉とを調停する仕組みが確立されていないため解決が難しくなっている、という指摘もある。例えば、利水に当っては、水争いといわれるような歴史があり、上流の地域が水利権を独占することはなく、上流と下流とが調停する習慣が古くからあった。しかし地下熱源に関しては、これまで温泉業者だけが、温泉権を独占し既得権益としてきた。そのため地下熱源を巡っても、地熱発電と温泉地との間で協議できる調停の仕組みが、新たに必要だと言う。

歴史

世界最初の地熱発電は、1904年7月4日にイタリアのラルデレロにおいて天然蒸気を利用した実験運転が行われ(0.75馬力)、1913年に発電所としての商業発電が始まった(250kW)。1942年には総出力12万kWにもなったが、この時の発電所は戦災で焼失した。第二次世界大戦後、改めて発電所が建設され、2010年時点、同発電所の発電能力は543MW、年間発電量は約50億kWhと、中規模の火力や原子力発電所1基分に匹敵する電力を供給している。

現状

2005年の世界の地熱発電設備容量の合計は8878.5MW（原子炉にしておよそ8基分）である。全世界の総発電設備のうち地熱発電の割合は約0.3%になっている。
国別首位はアメリカ合衆国で、このうち約9割がカリフォルニア州に集中している。他にネバダ州、ユタ州、ハワイ州で地熱発電が行われているが、エネルギー省では西部・南部の州で地熱エネルギー開発を進め、2006年までには地熱発電所のある州を8州にまで増やす計画である。
アメリカに次いで発電容量が多いのは火山国フィリピン。フィリピンは国内に建設を進めていた2基の原子力発電所を運転開始の直前になって廃絶し、代わりに同じ発電設備容量の地熱発電所を建設した。フィリピンは国内総発電量の約4分の1を地熱でまかなう「地熱発電大国」である。
産油国であり、また500-600の火山が存在し、世界の地熱埋蔵量の4割を有しているインドネシアでは、化石燃料の枯渇後を見据え、2015年までに国内の電力のうち4.5GW(4,500MW)を地熱発電で賄い、2025年までに9.5GW(9,500MW)の地熱発電を実現させることで化石燃料を節約するエネルギー安全保障戦略を国として打ち出している。2014年にはスマトラ島北部のサルーラ地区で出力330MWの地熱発電所の建設が始まっている。「インドネシアの地熱発電」も参照のこと。
アイスランドにあるスヴァルスエインギ地熱発電所では、発電用に汲み上げた地熱海水を利用して、世界最大の露天温泉ブルーラグーンが運営されている。アイスランドでは、地熱発電と水力発電だけで電力を賄うことを目指すエネルギー安全保障戦略を追求している。さらに、将来において燃料電池で稼働する車両や船舶が一般にも普及した場合は、その燃料となる水素を調達するために地熱発電所を更に開発するとの国策が示されている。
ニュージーランドでは、原子力発電をしないことを国策としている。そのため、原発に代わる発電方法として地熱発電を推進している。