そこで、今回は蒸気を活用してエネルギーを作り出す地熱発電の仕組みについて、わかりやすく説明します。イラストを用いながら、地熱発電にはどのようなメリットがあるのかについても解説していきます。読めばきっと、地熱発電の仕組みやメリットについて、誰かに教えたくなるはずです。
※この記事は2022年5月17日に公開した内容をアップデートしています。
地熱発電とは？
地熱発電とは、地球の奥深くにあるマグマが持つ熱エネルギーを活用した発電の方法です。まず、地上に降り注いだ雨は地下に浸透します。この雨水はマグマで熱されることによって、蒸気となって地下深くに溜まっています。これを「地熱貯留層」と呼びます。
地熱発電では、この地熱貯留層に向かって井戸を掘り、高温の蒸気を取り出します。こうして取り出した蒸気によって、直接タービンを回して電気を作るのが、地熱発電の基本的な仕組みです。
地熱発電の仕組みは？原理を簡単に解説
地熱発電には大きく下記の2種類の方式があります。
●フラッシュ発電｜地中の高温の蒸気で直接タービンを回す
●バイナリー発電｜中低温の蒸気を活用してタービンを回す
それぞれ詳しく解説します。
フラッシュ発電｜地中の高温の蒸気で直接タービンを回す発電方法
フラッシュ発電方式とは、地下に溜まった200～300℃という高温の蒸気で直接タービンを回して発電する仕組みを指します。なお、フラッシュは「減圧沸騰」ともいい、液体から気体を分離する蒸留の方法の一つとされています。フラッシュ発電には、シングルフラッシュ方式とダブルフラッシュ方式があります。
・シングルフラッシュ方式
シングルフラッシュ方式では、まず、地下約1,000～3,000mの深さに溜まっている高温の蒸気を「気水分離器」という装置によって、蒸気と熱水に分離します。続いて、この分離した蒸気をタービンに送り、蒸気によって直接タービンを回し、発電を行うのです。熱水は地下に戻されます。発電し終わった蒸気は冷却・循環して、別の蒸気を冷やすために使用されます。日本の地熱発電所の多くがこの方式を採用しています。
フラッシュ発電方式では、まず、地下約1,000～3,000mの深さに溜まっている高温の蒸気を「気水分離器」という装置によって、蒸気と熱水に分離します。続いて、この分離した蒸気をタービンに送り、蒸気によって直接タービンを回し、発電を行うのです。
・ダブルフラッシュ方式
ダブルフラッシュ方式は、汽水分離機で分離した熱水の圧力を下げて蒸気をさらに取り出し、高圧と低圧の蒸気でタービンを回す方法です。シングルフラッシュ方式より多くのエネルギーを取り出すことができます。
バイナリー発電｜中低温の蒸気を活用してタービンを回す発電方法
地中の熱水や蒸気の温度が約150℃以下と、そこまで高温でない場合に適しているのが「バイナリー発電」です。地中の熱水や蒸気が中低温の場合、蒸気を分離してもタービンを十分に回すことができないため、発電することができません。
そこで、水より沸点が低い媒体（ペンタン等）を加熱し、この媒体の蒸気によってタービンを回す発電方法がバイナリー発電です。ペンタンは沸点が36℃と低く、中低温であっても蒸気にすることができます。
このように、地中の蒸気で直接タービンを回すフラッシュ発電と異なり、媒体による蒸気を使うため、中低温でも発電できる点がバイナリー発電の特徴だと言えます。
そのため、バイナリー発電は地熱発電の可能性を大きく拡大すると期待されており、近年は比較的小さい規模の地熱発電所も増加しています。
また、高温の温泉水が湧き出る温泉地では、その高温の温泉水とバイナリー発電とを組み合わせることで、浴用に適した温度に下げると同時に発電する取組みも行われています。
国では、バイナリー発電による地熱発電を新エネルギーと定義しています。海外でも、1980年代からバイナリー発電による地熱発電所が多く運用されています。
参考：経済産業省 資源エネルギー庁
参考：独立行政法人 石油天然ガス・金属鉱物資源機構
地熱発電に適した場所は？
地熱発電に適しているのは、火山や温泉の近くなど、地下に熱水や蒸気のあるエリアです。では、こうした条件を踏まえた上で、日本での地熱発電が位置するエリアを見ていきましょう。
出典：経済産業省資源エネルギー庁『2-(1) 発電実績2021年9月』
この図をみると、日本の活火山、噴気孔、温泉、湯沼など の分布に沿って、地熱発電所が北海道や東北、九州といったエリアに集中しています。火山の少ないエリアには地熱発電所が少ないことがわかります。
参考：経済産業省 資源エネルギー庁「再生可能エネルギー大量導入・次世代電力ネットワーク小委員会」
参考：経済産業省 資源エネルギー庁「エネルギー白書2021」
参考：環境エネルギー政策研究所
地熱発電のメリット
iStock.com/shirosuna-m
地中の熱水や蒸気といった自然資源を活用する地熱発電には、多くのメリットがあります。ここでは、地熱発電の代表的なメリットを3点ご紹介します。
●二酸化炭素(CO2)を排出しない
●純国産のエネルギー
●天候に左右されず安定して発電できる
二酸化炭素(CO2)を排出しない
「地熱発電の仕組み」の箇所でもご説明した通り、地熱発電は蒸気や媒体によってタービンを回すことで発電機を動かし、電気を作ります。こうした仕組みのため、燃料を燃やすプロセスを必要としません。
燃焼がないということは、二酸化炭素（CO2）を出すことなく発電できるということ。 地熱発電は、環境にやさしい「ゼロカーボン」な発電方法だと言えるのです。ゼロカーボンについて詳しく知りたい方は、以下の記事をご覧ください。
純国産のエネルギー
日本は今、火力発電の燃料である石油、石炭、液化天然ガス（LNG）といった化石資源のほとんどを海外からの輸入に頼っています。なぜなら、こうした資源は日本ではほとんど採れないためです。
しかし、地熱資源は日本国内に多く眠っているとされています。地熱資源は輸入する必要のない純国産のエネルギー源。そのため、地政学的なリスクや価格の変動などに左右されることなく安定的に供給できるのです。
天候に左右されず安定して発電できる
発電する際にCO2を排出しないエネルギー源といえば、太陽光発電や風力発電といった再生可能エネルギーがあります。ですが、こうした再生可能エネルギーは、気象条件などによって発電の出力が変動することがあります。
一方で、地熱発電は天候などの気象条件によって発電の出力が左右されることはありません。昼夜を問わず約1,000～3,000mの地下深くから蒸気が噴出するため、発電し続けることができるのです。
このように、安定した発電ができる地熱発電は、電力の安定供給に貢献する発電方法であると言えます。
再生可能エネルギーのメリット・課題についてはこちらの記事も併せてご覧ください。
地熱発電の課題
iStock.com/anants
たくさんのメリットを持つ地熱発電ですが、一方で課題もあります。地熱発電の抱える課題と、それに対する対策をご紹介します。
開発が高コスト・高リスク
地下のどこに熱水や蒸気があるのかを調べたり、掘削したりするには膨大なコストと時間がかかります。また、掘削は一度だけでなく複数回行うこともあり、こうした開発にかかるコストは地熱発電の大きな課題であると考えられています。
そこで、国ではこうした開発にあたっての調査をサポートするために補助制度を設けています。この補助制度では、地熱発電に関する勉強会の開催や、関係者との協議会の開催なども補助の対象になるとされており、開発にともなうさまざまなプロセスをカバーできると考えられます。
地元住民の方々の理解が必要
温泉や観光地への影響を不安に思う地元住民の方々から、地熱発電所 建設に対して反対の声があがることがあります。
そこで、地元住民の方々に向けた説明会や情報連絡会を密に行うほか、温泉の泉質をモニタリングする機器の開発や実証を通して、こうした不安を解消しようとする動きも出ています。
また、地熱発電にともなって発生する温水を農業用の温室ハウスに利用したり、そこで収穫された農産物を特産品としてPRしたりして、地域活性化の取組みにつなげようとする活動も生まれています。
限定的な立地条件のクリアが必要
地熱資源は火山地帯に偏在しています。そのため、地熱発電の適地は限定的です。また、火山地帯の多くは国立公園や国定公園に指定されていて、発電所の開発にはさまざまな規制が関係します。開発の許認可を得るには手続きに時間がかかることから、規制の運用改善に取り組む必要性が指摘されています。
日本の地熱発電の状況
火山の多い日本は北海道や東北、九州といった火山の多い地域に地熱発電所が集中しています。
世界有数の地熱資源を持っており、アメリカ、インドネシアに続いて、日本は世界第3位の地熱資源量を有しています。
まとめ：純国産でゼロカーボンな地熱発電
豊富な地熱資源を持つ日本では、CO2を発生させずに発電できる方法として地熱発電に大きな関心が寄せられています。天候などの影響を受けず安定的に発電できるというメリットもあり、電力の安定供給に役立つことも期待されています。
その一方で、開発にかかるコストや時間、地元住民の方々とのコミュニケーションにはまだ課題もあると指摘されており、こうした課題を一つずつ乗り越えていく必要があります。
関西電力では、2019年から地熱発電事業の開発、運営を行う「ふるさと熱電株式会社」へ出資参画してきました。この出資参画を通して、地熱発電の運営・開発の知見を得ると同時に、関西電力が培ってきた電力設備の運転やメンテナンスに関するノウハウを共有し、より良い地熱発電事業を目指しています。
こうした取組みを通して、CO2をなるべく排出しない「ゼロカーボン」な社会作りに向けて、関西電力は地熱発電事業においても活動を広げています。
ももぱん
課題はありながらも、純国産でゼローカーボン、さらに安定して発電できるなど多くのメリットがある地熱発電。かんでんも地熱発電事業に参画しているので、私もこれからの活動が楽しみです！
