地熱エネルギーとその利用、地熱エネルギーの展望
地球内部には膨大な熱エネルギーが存在します。ここでの推定値は依然としてかなり異なりますが、最も控えめな推定値によれば、深さ 3 km に限定すると、8 x 1017 kJ の地熱エネルギーになります。同時に、我が国および世界中での実際の応用の規模は取るに足らないものです。ここでの課題と地熱利用の展望は何でしょうか？
地熱エネルギーは地球の熱エネルギーです。地球の自然熱から放出されるエネルギーを地熱エネルギーといいます。エネルギー源としての地球の熱は、既存の技術と組み合わせることで、長年にわたって人類のニーズを供給することができます。そしてそれは、これまで到達できなかった領域の奥深くにまで伝わる暖かさに触れることさえありません。
何百万年もの間、この熱は地球の腸から放出され、核の冷却速度は10億年あたり400℃を超えません。同時に、さまざまな情報源によると、地球の中心部の温度は現在6650℃以上であり、表面に向かって徐々に低下します。地球からは常に42兆ワットの熱が放射されており、地殻内に存在するのはそのうちのわずか2％です。
地球の内部熱エネルギーは、数千の火山の噴火、地震、地殻の変動、その他あまり目立たないものの、地球規模の自然現象という形で時折脅威的に現れます。
この現象の原因に関する科学的観点は、地球の熱の起源は、地球内部でのウラン、トリウム、カリウムの継続的な放射性崩壊の過程と、物質の重力分離に関連しているというものです。その核心部分にある。
深さ 20,000 メートルにある地殻の花崗岩層は、大陸の放射性崩壊の主なゾーンであり、海洋の場合、上部マントルが最も活発な層です。科学者たちは、大陸では深さ約1万メートルの地殻の底の温度が約700℃であるのに対し、海洋では温度はわずか200℃に達すると考えています。
地殻内の地熱エネルギーの 2% は常に 8,400 億ワットであり、これは技術的に利用可能なエネルギーです。このエネルギーを抽出するのに最適な場所は、地殻がはるかに薄い大陸プレートの端に近い地域と、地表の非常に近くで地球の熱が現れる地震活動や火山活動の地域です。
地熱エネルギーはどこでどのような形で発生するのでしょうか?
現在、地熱エネルギーの開発は、米国、アイスランド、ニュージーランド、フィリピン、イタリア、エルサルバドル、ハンガリー、日本、ロシア、メキシコ、ケニア、その他の国々で積極的に行われており、地球の腸からの熱が利用されています。蒸気と熱水の形で地表に上昇し、300℃に達する温度になります。
アイスランドとカムチャツカの有名な間欠泉や、アメリカのワイオミング州、モンタナ州、アイダホ州に位置し、約9,000平方キロメートルの面積をカバーする有名なイエローストーン国立公園は、鮮やかな例として挙げることができます。
地熱エネルギーについて話すとき、それはほとんどの場合ポテンシャルが低い、つまり井戸から出てくる水や蒸気の温度は高くない、ということを覚えておくことが非常に重要です。そして、これはそのようなエネルギーの使用効率に大きな影響を与えます。
実際のところ、今日の発電では、冷却剤の温度を少なくとも150℃にすることが経済的に有利です。この場合、冷却剤はタービンに直接送られます。
より低い温度の水を使用する設備があります。その中で、地熱水は沸点の低い二次冷却材（フロンなど）を加熱します。発生した蒸気がタービンを回転させます。しかし、そのような設備の容量は小さい（10〜100kW）ため、エネルギーコストは高温水を使用する発電所よりも高くなります。
ニュージーランドのGeoPP
地熱鉱床は、熱水が満たされた多孔質の岩石です。これらは本質的に天然の地熱ボイラーです。
しかし、地表で消費された水が捨てられずにボイラーに戻されたらどうなるでしょうか?循環システムを作るには？この場合、温泉水の熱だけでなく、周囲の岩石の熱も利用することになります。このようなシステムでは、その総数が4〜5倍に増加します。海水は地下の地平線に戻るため、塩水による環境汚染の問題は解消されます。
熱は熱水または蒸気の形で地表に届けられ、建物や住宅の暖房、または発電に直接使用されます。また、地表面の熱も役立ちます。通常、井戸を掘削することで到達できますが、その場合、勾配は 36 メートルごとに 1 °C ずつ増加します。
この熱を吸収するために、彼らは ヒートポンプ… 熱水と蒸気は発電と直接加熱に使用され、水のない深部に集中した熱はヒートポンプによって有用な形に変換されます。マグマのエネルギーと火山の下に蓄積する熱も同様の方法で抽出されます。
一般に、地熱発電所で発電するには標準的な方法が多数ありますが、これも直接またはヒートポンプのような方式のいずれかです。
最も単純なケースでは、蒸気はパイプラインを通って発電機のタービンに送られるだけです。複雑なスキームでは、溶解物質がパイプを破壊しないように蒸気が事前に浄化されます。混合スキームでは、水中の蒸気が凝縮した後に水に溶解しているガスが除去されます。
最後に、低沸点の別の液体 (熱交換器方式) が冷却剤として機能する (熱を奪って発電機タービンを回転させる) バイナリ方式があります。
最も有望なのは、水と塩化リチウムを使用した真空吸収ヒートポンプです。前者は真空水ポンプの電力消費により温泉水の温度が上昇します。
温度60〜90℃の井戸水が真空蒸発器に入ります。発生した蒸気はターボチャージャーで圧縮されます。圧力は必要な冷却液温度に応じて選択されます。
水が暖房システムに直接送られる場合は90〜95℃、暖房ネットワークに送られる場合は120〜140℃になります。凝縮器では、凝縮した蒸気が都市暖房を循環する水に熱を与えます。ネットワーク、暖房システム、温水。
地熱エネルギーの利用を増やすために他にどのような選択肢がありますか?
方向性の 1 つは、大部分が枯渇した石油およびガス鉱床の利用に関連しています。
ご存知のとおり、古い油田でのこの原料の生産は、水氾濫法によって行われます。つまり、水が井戸に汲み上げられ、貯留層の細孔から石油とガスが追い出されます。
枯渇が進むと、多孔質の貯留層が水で満たされ、周囲の岩石の温度が得られ、鉱床が地熱ボイラーに変化し、そこから石油の抽出と加熱用の水を同時に得ることができます。
もちろん、追加の井戸を掘削して循環システムを構築する必要がありますが、これは新しい地熱地帯を開発するよりもはるかに安価です。
別の選択肢は、人工の浸透性ゾーンを形成することによって乾燥した岩石から熱を抽出することです。この方法の本質は、乾燥した岩石の爆発を利用して多孔性を作り出すことです。
このようなシステムからの熱の抽出は次のように実行されます。2 つの井戸が互いに一定の距離をあけて掘削されます。水はポンプで 1 つに汲み上げられ、形成された細孔や亀裂を通って 2 つ目に移動し、岩石から熱を奪い、加熱されて表面に上昇します。
このような実験システムはすでに米国や英国で運用されている。ロス アラモス (米国) では、深さ 2,700 m と深さ 2,300 m の 2 つの井戸が水圧破砕によって接続され、185 ℃ の温度に加熱された循環水で満たされています。採石場では、水を80℃に加熱します。
地熱発電所
エネルギー資源としての地球の熱
イタリアの町ラレデレロの近くでは、井戸からの乾燥蒸気を動力源とする電気鉄道が運行されています。このシステムは 1904 年から運用されています。
日本とサンフランシスコの間欠泉地帯も、乾燥した高温の蒸気を利用して発電する世界的に有名な場所です。湿った蒸気に関しては、そのより広い範囲はニュージーランドにあり、面積は小さいですが、日本、ロシア、エルサルバドル、メキシコ、ニカラグアです。
地熱をエネルギー資源として考えると、その埋蔵量は世界中の人類の年間エネルギー消費量の数百億倍にもなります。
深さ 10,000 メートルから採取される地殻の熱エネルギーのわずか 1% は、人類が継続的に生産する石油やガスなどの化石燃料の埋蔵量の数百倍に相当し、不可逆的な資源の枯渇につながります。地下土壌と環境汚染。
これは経済的な理由によるものです。しかし、地熱発電所の二酸化炭素排出量は非常に少なく、発電量1メガワット時あたり約122kgであり、化石燃料発電による排出量よりも大幅に少ないです。
産業GeoPEと地熱エネルギーの展望
7.5 MW の容量を持つ最初の産業用 geoPE は、1916 年にイタリアで建設されました。以来、貴重な経験が蓄積されてきました。
1975 年の時点で、世界中の GeoPP の総設置容量は 1278 MW で、1990 年にはすでに 7300 MW でした。地熱エネルギー開発が最も多く行われているのは、米国、メキシコ、日本、フィリピン、イタリアです。
ソ連領土内で最初の geoPE は 1966 年にカムチャツカに建設され、その容量は 12 MW です。
2003 年以来、ムトノフスカヤ地形発電所がロシアで稼働しており、その出力は現在 50 MW であり、現時点でロシアで最も強力な地形発電所です。
世界最大の GeoPP はケニアのオルカリア IV で、容量は 140 MW です。
将来的には、マグマの熱エネルギーが、地球の表面からあまり深くない地域で利用される可能性が非常に高いです。また、冷たい水が冷水になると、加熱された結晶岩の熱エネルギーも利用されるようになります。深さ数キロメートルの掘削穴にポンプで送り込まれ、熱水または蒸気が地表に戻され、その後加熱または発電されます。
疑問が生じます - 地熱エネルギーを使用する完了したプロジェクトが現在これほど少ないのはなぜですか?まず第一に、それらは水が地表に注ぐか、非常に浅く位置する好ましい場所に位置しているためです。このような場合、地熱エネルギー開発で最も費用がかかる深井戸の掘削は必要ありません。
熱供給のための温泉水の使用は発電用よりもはるかに多いですが、その使用量はまだ小さく、エネルギー部門では重要な役割を果たしていません。
熱エネルギーはまだ最初の一歩を踏み出したばかりであり、現在の研究と実験・産業活動がさらなる開発の規模についての答えを与えるはずです。