地熱発電とは？仕組みやメリット・デメリット、今後期待される技術など解説

地熱発電とは、地中深くの地熱貯留層から蒸気を取り出し、タービンを回して発電する方法です。

火力発電では石炭や石油などの化石燃料を利用しますが、地熱発電では、マグマ溜まりで熱せられた蒸気を利用します。地熱発電は、火力発電と比較してCO2の排出量が少ない再生可能エネルギーとして注目されています。

日本は環太平洋火山帯の一部であり、世界の他の国と比較して地熱貯留層が多い地域です。地熱発電は、国内の資源を活用できる発電方法として研究開発が進められています。

※出典：独立行政法人 エネルギー・金属鉱物資源機構「地熱発電のしくみ」

地球の内部にはマグマ溜まりがあり、周囲の地層に熱を与えています。地熱貯留層は、その熱によって熱せられた地下水が蒸気や熱水となり、キャップロックと呼ばれる難透水性の層で閉じ込められた場合などに生成される層です。

地熱貯留層には、高温・高圧の蒸気や熱水が閉じ込められています。地熱発電では、井戸を掘って蒸気や熱水を取り出します。その後、気水分離器と呼ばれる機器を通じて蒸気のみを分離し、タービンを回して発電する仕組みです。

発電された電気は、送電線や送電鉄塔によって、各家庭や工場など、電気を利用する場所へと送電されます。

地熱発電は、発電方式により大きく「フラッシュ発電方式」と「バイナリー発電方式」に分けられます。以下では、各発電方式の特徴を解説します。

フラッシュ発電方式は、地熱貯留層から取り出した蒸気で直接タービンを回す発電方式です。蒸気発電方式とも呼ばれています。フラッシュ発電方式には、以下の3つの種類が存在します。

地熱貯留層からは蒸気と熱水が混合して噴出する場合があり、日本の地熱発電所の多くはシングルフラッシュ方式を採用しています。例えば、大岳地熱発電所や葛根田地熱発電所がシングルフラッシュ方式を採用している例です。

ダブルフラッシュ方式は、気水分離器で蒸気を抽出した後、分離した熱水をフラッシャー（低圧気水分離器）で再度蒸気と熱水に分離して活用する方式です。蒸気を抽出するプロセスを2度行うことから、高い出力が期待されます。

蒸気のみが噴出する場合は、ドライスチーム方式が採用されます。日本で最初の地熱発電所である松川地熱発電所で採用されている方式です。

バイナリー発電方式は、地熱貯留層から取り出した蒸気や熱水で低沸点の媒体を蒸発させ、タービンを回す方式です。

抽出した蒸気で直接タービンを回すのではなく、ペンタンやアンモニアなどの媒体を利用する点がフラッシュ発電方式との違いです。生産井から抽出される蒸気や熱水の温度が低く（80～150℃ほどの中高温）、直接タービンを回すことに適さない場合に採用されます。

バイナリー発電方式の実用化により、幅広い地熱資源の活用ができるようになりました。近年では、高温の熱水で発電し、温度が低下した熱水を浴用として活用する「温泉バイナリー発電」も進められています。

地熱発電の活用は、CO2の排出量が少ない点をはじめ、複数のメリットが存在します。以下では、代表的な地熱発電のメリットを解説します。
 

地熱発電は、地球内部の熱源を利用して蒸気で発電するため、発電時のCO2排出量が少ない点がメリットです。

2050年のカーボンニュートラル実現に向け、温室効果ガス排出量の8割以上※を占めるエネルギー分野では、脱炭素化が進められています。発電時のCO2排出量が少なく、環境への負荷が少ない地熱発電は、脱炭素化に向けた有効な発電方法です。

※出典：経済産業省 資源エネルギー庁「2050年カーボンニュートラルに向けた地熱をとりまく現状について」

地熱発電は、天候や時間帯を問わず、一年を通じて安定して発電可能な点がメリットです。

同じ自然エネルギーを活用する太陽光発電や風力発電は、天候や風況、季節などで発電量が変動します。発電所の設備利用率で比較すると、地熱発電は約80％であるのに対し、風力発電は約20％、太陽光発電は約10％です※。

地熱発電は自然条件に左右されにくく、ベースロード電源として安定的に発電できる方法として期待されています。

太陽光発電や風力発電についてより詳しく知りたい方は、以下の記事もあわせてご覧ください。

▶関連記事：太陽光発電のメリットとデメリットをわかりやすく解説！具体的な導入事例も紹介
▶関連記事：風力発電の仕組みは？種類や特徴など基本情報を徹底解説！

※出典：独立行政法人 エネルギー・金属鉱物資源機構「安定的な発電特性」

日本の地熱資源量は2,347万kWとされ、アメリカやインドネシアに次いで世界第3位に位置しています※。国内に豊富な資源がある点は、地熱発電の大きなメリットです。

石油や石炭、天然ガスなどの化石燃料をエネルギー源とする場合、日本で採掘できる資源は限られており、そのほとんどを海外に依存しています。地熱発電は資源を国内で確保でき、燃料コストを抑えられる側面を持っています。

※出典：独立行政法人 エネルギー・金属鉱物資源機構「世界に誇る地熱ポテンシャルを最大限に活用するために。～「カーボンリサイクルCO2地熱発電技術」プロジェクト～」

地熱発電は、発電後の蒸気や熱水をハウス栽培や魚の養殖、温泉や暖房など様々な熱用途で利用可能です。

例えば、岩手県八幡平市では、松川地熱発電所の熱水とIoT制御システムを併用した「スマートファームプロジェクト」を進めています。地熱発電は、得られたエネルギーを総合的に利用した地域振興が期待されています。

地熱発電は安定的な発電が可能であるなどのメリットがある一方、いくつかのデメリットや課題を抱えています。主なデメリットや課題を解説します。

地熱発電所を建設するためには、地表調査や地下探査・評価、環境アセスメントなどの長いプロセスが必要です。

熱源となる地熱貯留層を探し当てるには相応の調査や探査が必要であり、蒸気や熱水を取り出す井戸を掘る費用も数億円かかります。発電開始までは約10年かかるといわれており、コストと時間がかかる点がデメリットです。

開発にかかるコストや時間の低減を図るため、国主導の地熱資源の調査や債務の一部保証、技術開発による開発期間の短縮などが進められています。

日本の地熱資源の約80％は自然公園や国立公園と重なっているため、景観への配慮をはじめ、開発に一定の制約がかかる点が課題です。地熱資源は、温泉などの観光資源ともなっていることから、周辺の温泉事業への影響を考慮する必要があります。

国は地熱発電のさらなる導入を目指し、今後は自然環境の保全や景観などの配慮をしつつ地域と共生した地熱開発を進められるよう、規制の運用の見直しをはかっています。

地熱発電はカーボンニュートラルに貢献するエネルギーであり、世界各国で導入が進められています。以下では、地熱発電の現状を日本と世界に分けて紹介します。
 

※1出典：独立行政法人 エネルギー・金属鉱物資源機構「日本の地熱発電」

日本は、東北地方と九州地方を中心に複数の地熱発電所が運用されています。

2022年度のエネルギー需給実績によると、地熱の発電電力量は30億kWhです※2。日本の電源構成全体に占める割合は0.3％であり、太陽光（9.2％）やバイオマス（3.7％）と比較すると低い割合です。

※2出典：環境省「令和4年度（2022年度）におけるエネルギー需給実績（確報）」

世界では、アメリカやインドネシア、フィリピンなどの国が地熱発電設備容量のシェアで上位を占めています。特にアメリカはザ・ガイザーズ地区をはじめとする大型の地熱発電所が稼働しており、地熱発電量や地熱資源量で世界的にもトップです。

日本は地熱資源量で世界第3位ですが、発電設備容量と発電量は中位を占めており、先行する国々と比較すると地熱発電の導入がやや遅れている状況です。

地熱発電は、開発に要するコストやリスクが課題です。国内では、それぞれを低減するための技術開発が進められています。

例えば、経済産業省 資源エネルギー庁によると、以下のような試みが進んでいます※。

• 地下構造（熱水・水蒸気の有無、地層の状態）を探査する技術の向上
  
• 人工涵養（人工的に水を注入する技術）の開発
  
• 超臨界地熱発電技術（マグマ近くの熱水資源を活用）の開発

さらに、カーボンリサイクルCO2地熱発電方式は、CO2を地下に注入して人工貯留層を形成する技術も開発されています。カーボンリサイクルCO2地熱発電方式はCO2を地下に送り込み、超臨界状態となったCO2を抽出してタービンを回します。熱があれば発電できるため、地熱発電の可能性を広げる技術として期待されています。

※出典：経済産業省 資源エネルギー庁「もっと知りたい！エネルギー基本計画④　再生可能エネルギー（4）豊富な資源をもとに開発が加速する地熱発電」

カーボンニュートラルの実現に向け、地熱発電をはじめとする再生可能エネルギーへの需要は高まりを見せています。地熱発電に関連する事業に従事しているなら、最新の情報を収集し、知見を深めることが重要です。

「SMART ENERGY WEEK 」は新エネルギーの総合展であり、関連する様々な技術・製品が出展されます。

ご来場いただくと、水素燃料電池や太陽光発電、二次電池などの様々な新エネルギーの最新動向に触れられます。

エネルギービジネスの重要なプラットフォームとして定着しているため、関連する技術をお持ちの方は当展示会への出展もぜひご検討ください。

■SMART ENERGY WEEK
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■H2 & FC EXPO 水素燃料電池展
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■PV EXPO 太陽光発電展
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■BATTERY JAPAN 二次電池展
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■SMART GRID EXPOスマートグリッド展
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■WIND EXPO 風力発電展
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■BIOMASS EXPO バイオマス展
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■ZERO-E THERMAL EXPOゼロエミッション火力発電展
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地熱発電は、地中の蒸気や熱水を利用して発電する仕組みです。フラッシュ発電方式やバイナリー発電方式の種類があり、カーボンリサイクルCO2地熱発電方式の研究開発が進むなど、導入の促進に向けた取り組みがなされています。

日本は地熱資源が豊富な国ですが、先行する国と比較すると、未だ導入を進める余地があります。国や関連団体は調査や開発費の支援を行っており、今後さらなる普及が見込まれます。

地熱発電を含めた新エネルギーの最新動向は、関連する事業者の方にとってビジネスに関わる重要な情報です。新エネルギーの情報収集に、ぜひ「SMART ENERGY WEEK -スマートエネルギーWeek-」をご活用ください。

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