地熱エネルギーとは
このクリーンで再生可能なエネルギー資源により、世界の化石燃料への依存度を低減させる方法をご覧ください。
地熱エネルギーとは
人々や組織、国家が二酸化炭素排出量を削減する方法を模索する中、政府と企業は重要な二酸化炭素削減の誓約に踏み切りました。これらの目標を達成するには、石炭、天然ガス、石油などの化石燃料の代替エネルギーを見つけることが重要です。そのため、太陽光、水力、風力、地熱などの再生可能 クリーン エネルギー の重要性が高まっています。
現在、地熱エネルギーは、クリーンで信頼性が高く、再生可能な資源であるため、最も効率的で持続可能なエネルギーの 1 つと考えられています。地熱エネルギーが地球の表面に蓄えられた熱を利用して発電を行い、家庭や企業の地熱の暖房と冷却を行います。北米では、1 万年以上前から地熱資源が利用されており、アメリカン パレオの先住民族は地熱温泉から暖をとったり、料理や入浴に利用したりしていました。
地域で地熱エネルギーを活用できるかどうかは、地理的条件が重要な役割を果たします。最も優れた地熱資源は、一般的に構造プレートの境界付近に位置しています。火山活動や地震は、地殻変動によりこれらの境界付近に集中しています。たとえば、太平洋の端にある環太平洋火山帯は、主にプレート テクトニクスによって引き起こされる火山活動と地震活動が連続しています。その結果、この地域は世界で最も活発な地熱地帯になっています。
現在、米国は地熱エネルギー生成で世界をリードしていますが、地熱エネルギーが米国のエネルギー消費に占める割合はわずかです。地熱エネルギーは地殻プレートの境界付近に多く存在するため、米国の地熱発電所のほとんどは西部の州にあります。カリフォルニア州では 40 箇所の地熱発電所が稼動しており、最も大きな地熱発電の容量があります。
アイスランド、フィリピン、エルサルバドルも地熱発電の世界的リーダーであり、それぞれの国の総エネルギー使用量の 25% 以上を地熱エネルギーが占めています。
この記事を読んで、地熱エネルギーを探求し、その長所と短所を評価し、地熱エネルギーの例を見つけてください。また、地熱エネルギーの未来と、地熱エネルギーのイノベーションを加速させるテクノロジについても説明します。
地熱エネルギーの種類
地熱エネルギーは、地球内部で発生する熱から得られます。「地熱」という言葉は、ギリシャ語で地球を意味する「geo」と熱を意味する「thermos」に由来します。岩石と水からなる地殻の下には、マグマと呼ばれる高温の溶岩の層があります。マグマの温度は華氏 1,300 度から 2,400 度に達し、溶岩として地表に湧き出ます。また、マグマは、岩石や地下の水の層を熱し、間欠泉、温泉、蒸気噴出孔を通して放出できます。
ただし、地球の地熱エネルギーのほとんどは、蒸気や温水のポケットとして地下に残っており、次のような方法で採取されています。
低温地熱エネルギー
- 地表に近い地熱流体から得られる熱は、自然に上昇するか、井戸を使って利用します。
- 世界中どこからでもアクセスできます。
- 住宅、温室、漁業、一部の工業プロセスにおける暖房など、地熱の直接的な用途。
地熱エネルギーの共同生産
- 油井やガス井から副産物として加熱された水を使用します。
- 発電した電力は工場で使用されるか、送電網に売却されます。
地熱冷暖房
- 地熱ヒートポンプは、地中 10 ~ 300 フィート掘削されます。
- 冬は家や建物を暖め、夏は冷却します。
地熱発電所
- 地中 2 マイルの深さにある地熱貯留層を使用します。
- 発電。
地熱エネルギーの長所と短所
地熱エネルギーは再生可能でクリーンなエネルギー資源ですが、初期費用が高いことや、地震や地盤沈下 (土地が徐々に沈むこと) を引き起こす可能性があるなどのデメリットがあります。
地熱エネルギーの長所:
- 環境に優しい: 地熱発電所は二酸化炭素排出量が最小で、関連する汚染はほとんど発生しません。地熱による冷暖房は温室効果ガス排出量を削減します。
- 再生可能: 化石燃料とは異なり、地熱エネルギーは地球内の再生可能な貯留層に自然に貯留され、何十億年も持続します。
- 信頼性と安定性: 風力や太陽光発電とは異なり、地熱エネルギーは常に利用可能で、変動がありません。経営者は地熱発電所の出力を正確に予測できるため、ベースロード エネルギー需要を満たすのに理想的です。
地熱エネルギーの短所:
- 環境の副作用: 地熱エネルギーは、地表下の温室効果ガスの一部を大気中に放出します。地熱発電所は土地の安定性に影響を与える可能性があり、地震を誘発したり、地盤沈下を引き起こしたりしています。
- 必要な管理: 地熱発電所で利用された後は、地熱貯留層が枯渇しないように適切に管理する必要があります。
- 地熱発電所は特定の場所に限定される: 地熱発電所を建設できるのは、地熱貯留層が存在する地殻プレートの境界付近だけです。
地熱発電所
地熱発電所は、高温の地熱資源を利用しており、乾燥した蒸気または温水井から湧き出るものです。石油を採掘するのと同じように、地熱発電所も地中深く井戸を掘ります。蒸気や温水は地表に送られ、そこでタービンを回して発電します。
地熱発電所には次の 3 種類があります。
乾式蒸気発電所
天然の地下蒸気資源を使用します。蒸気は、生産井で地表まで移動し、タービンにエネルギーを伝達し、凝縮し、ポンプで地中に戻されるか、大気中に放出されます。乾式蒸気発電所は最も旧式の地熱発電所で、最もシンプルで効果的と考えられています。
最古の乾式蒸気発電所はイタリアのラレードにあります。1911 年に建設され、現在も 100 万人以上の住民に電力を供給しています。もう 1 つの重要な乾式蒸気発電所は、サンフランシスコ北部にある Geysers Geothermal Resource Area です。1960 年代から電力を生産しており、カリフォルニア州の再生可能エネルギーの約 5 分の 1 を供給しています。
フラッシュ蒸気発電所
地中深くから華氏 360 度以上の高温の高圧水を蒸気に変換します。温水が地表に達すると、非常に低圧に維持された「フラッシュ タンク」に送られます。圧力が低下すると、一部の水が「フラッシュ」し、すぐに蒸発してタービンを駆動する蒸気になります。残存する液体は、2 基目のフラッシュ タンクで再度フラッシュし、さらにエネルギーを抽出します。
フラッシュ蒸気発電所は、現在使用されている最も一般的な種類の地熱発電所です。火山島であるアイスランドでは、フラッシュ蒸気地熱発電所を使って、国が必要とするほぼすべての電力が供給されます。環太平洋火山帯に位置するフィリピンには、世界最大のフラッシュ蒸気発電所があります。
バイナリ サイクル発電所
熱を発生させるために別の方式を選択します。華氏 225 度から 330 度の低温で高圧水を使用します。この方式では、熱交換器を使用して温水の熱をタービンの動力源である二次流体に伝達します。
常温の水をより幅広く利用できるようになったため、バイナリ サイクル発電所が将来的に最も一般的な種類の地熱発電所になると予想されています。
地熱エネルギーの利用方法は?
地熱エネルギーの最も一般的な用途は、直接利用、発電、地中熱利用冷暖房の 3 つです。
地熱直接利用システム
地表から数フィートから 1 マイル未満の深さにある自然に熱せられた地下水を利用します。200°F 以上にもなる熱水を掘り出すために井戸が掘られます。場合によっては、ポンプを必要とせずに、熱水または蒸気が自然に上昇し、直接利用したり、熱交換器に循環させたりすることができます。
直接利用される地熱水は、魚の養殖場を温めたり、歩道や道路の氷と雪の溶かしたり、大規模なプールの暖房、建物の暖房、お湯の提供など、多くの活用方法があります。地熱直接利用システムは、より深く掘削する必要のある地熱システムよりも資本コストが低くなりますが、このテクノロジは、地表面の近くまたは地表に天然の大量の温かい地下水がある地域での活用に限定されています。たとえば、火山活動や地殻変動が活発な地域などです。
発電
上で説明した 3 種類の地熱発電所は、地球の深いところにある地熱資源を利用して発電します。ほとんどの場合、閉ループの水システムがあり、抽出利用された水は使用後に直接地熱貯留層に戻されます。水の多くは水蒸気となって蒸発しているため、発電所では、地熱貯留層で安定した水量を保つために、大量の水を流入させる必要があります。地熱発電は、現在、約 20 か国で使用されている再生可能エネルギーですが、特に水が補充される速度よりも熱が抽出される速度の方が速い場合、ほとんどの地熱井戸は時間の経過と共に冷えてしまいます。
地熱冷暖房
これは土壌熱源冷暖房とも呼ばれ、これが現在最も一般的に地熱が利用されている方法です。「地熱暖房とは何か」という質問に答えるには、地熱ヒート ポンプ (土壌熱源ヒート ポンプとも呼ばれます) のしくみを理解することが重要です。ポンプは、熱を生成する代わりに、土壌をその熱源として使用し、土壌と住宅または建物との間で熱を移動させます。
地表から 10 ~ 300 フィートの穴を掘り、ポンプを設置し、ループ状のパイプを接続し、液体を地下と建物全体を循環させます。冬には、液体が地熱を吸収し、それを建物に運びます。ここで、運ばれた地熱は、換気システムを通じて放出されます。夏には、液体が建物の熱を吸収し、冷却するために地下に運びます。
地熱エネルギーのその他の利用方法
- 地熱を利用した農業は、土壌に蒸気を当てることで、冬でも植物を暖かい状態に維持できます。
- 温泉の中には、地熱を利用して浴槽や風呂を温めているところもあります。
- 温泉は、人々の健康を改善する治療能力で知られています。
- 自然の間欠泉は、荘厳な観光名所です。イエローストーン国立公園の “Old Faithful” は、60 分から 90 分ごとに噴火する地熱の驚異で、毎年約 400 万人が訪れます。
地熱エネルギーの未来
地熱エネルギーのための水圧破砕法
石油、ガス業界では、破砕法は生産量を増やすための一般的な方法です。破砕法は、高圧の流体を岩盤に注入して岩盤を破壊し、浸透性を高める方法です。地熱エネルギーのための水圧破砕法では同様の手法が採用され、「強化地熱システム」(ESG) とも呼ばれます。天然ガス産業で採用されている破砕法と同様のプロセスですが、いくつかの重要な違いがあります。地熱破砕法は、より小さく、より制御された亀裂を作り出し、より汚染されていない流体を使用します。
ESG は、それ自体で蒸気を発生させるには十分高温であるものの乾燥しすぎている岩石からエネルギーを抽出することで蒸気を発生させます。開発者は、高温の乾性岩の貯留層に到達するために、地中約 0.6 ~ 2.8 マイルの深さまで「注入井戸」を垂直に掘削します。その後、高圧水や火薬を用いて岩石を破砕し、地熱流体の貯留層を形成します。生産井が熱水を地表に汲み上げ、バイナリ サイクル発電所と同様に二次流体を温めて蒸気にします。地熱発電所では、その蒸気でタービンを回して電気を作ります。
地熱エネルギーの成長への障壁
- 天然地熱資源の不足。 冒頭で説明したとおり、地熱資源が利用できる場所は地殻プレートの境界に近い場所に限定されています。地熱エネルギーを利用できる国のほとんどで、既にある程度まで資源を活用しています。
- 地熱発電所の探査コストとリスク。 3 ~5 基の地熱井の初期探査と掘削プログラムを実施するのに 2,000 万ドルから 3,000 万ドルかかります。これは、探査の失敗のリスクと相まって、地熱エネルギーの利用を地球規模に拡大する上での障壁になっています。
- 強化地熱システム発電所のコストとリスク。 ESG は地熱資源の利用可能性を拡大する可能性がありますが、地熱井の掘削は石油やガスの掘削に比べて非常にコストがかかります。もう 1 つの障壁は、従来の「破砕」方法と同様、ESG 井により地震が引き起こされることです。特に、水圧破砕法が既存の断層の近くで行われる場合、近隣の建物に損傷を与えるほどの強い地震が発生する危険性があります。
- 地熱冷暖房システムの高い初期コスト。 地熱ヒート ポンプは、基本的なユニットで 3,500 米国ドルから 7,500 米国ドルかかり、温水暖房などのオプションが付いた高価なモデルはさらに高額になります。さらに、掘削と設置の費用で、12,000 米国ドルから 15,000 米国ドルかかる場合もあります。ただし、国によってはこれらの費用の一部を相殺するリベートや税額控除が提供されている場合もあります。これらのシステムはエネルギー効率が非常に高いため、最終的に投資収益率が向上します。地熱冷暖房システムに投資する人は、年間エネルギー料金の 30 ~ 70% の節約が期待できます。
地熱エネルギーは環境にどのような影響を与えますか?
クリーンで再生可能な資源である地熱エネルギーは、化石燃料に代わるエネルギーとしてますます注目を集めています。ただし、地熱エネルギーはいくつかの方法で環境に影響を与えます。全体的に、地熱エネルギーのプラスの影響はマイナスの影響を上回ります。
マイナスの影響
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水使用量
地熱発電所は、冷却と地熱貯水池の補給のために大量の水を消費します。再生可能発電所と非再生可能発電所全体のうち、地熱発電の水消費量は 2 番目に多くなっています。 -
大気排出量
開ループ地熱発電所では、硫化水素、二酸化炭素、アンモニア、メタン、ホウ素が大気中に排出されます。ただし、ほとんどの地熱発電所は閉ループ システムであり、大気排出量を最小限に抑えながら、背後で除去されたガスを地中に注入します。 -
地盤沈下
地熱発電所が地中深くから温水を採取する場合、補充しなければ時間が経つにつれて減少する可能性のある空のポケットを残します。地表レベルでは、環境と建物の両方に影響を与える可能性があります。 -
ESG 破砕法
ESG 破砕法は地震を誘発する可能性があり、これは都市部や企業、住宅の近くにある発電所にとっては導入の障壁になります。さらに、ESG 破砕法はガス採掘と同様に、漏えい、流出、土壌や地下水の汚染などの悪影響をもたらす可能性があると考える人も少なくありません。
プラスの影響
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二酸化炭素排出量の削減
ほとんどのエネルギー源と比較して、地熱エネルギーは環境に優しいものです。平均的な地熱発電所で排出される二酸化炭素量は、平均的な石炭発電所で排出される二酸化炭素量の 8 分の 1 です。 -
代替エネルギーへの依存度の低減
地熱エネルギーは、安定した信頼できる電力源を提供する可能性を秘めており、米国や他の国々が化石燃料、プロパンガス、天然ガス、石油などの熱エネルギーへの依存からの脱却に役立ちます。さらに、 地熱発電所では化石燃料が必要ありません。 -
二酸化炭素排出量の削減
地熱冷暖房はエネルギー効率が非常に高いものです。これは、人々が自宅や建物の二酸化炭素排出量を削減するための効果的な方法です。たとえば、地熱を利用した冷暖房は、住宅の 温室効果ガス排出量を 75% 削減できます。 -
テクノロジはエネルギーの変革を促進するのに役立ちます
世界は、 カーボン ニュートラル エコノミー を構築することで、気候を安定させるという驚くべき課題に直面しています。これらの革新的なテクノロジは、世界のよりクリーンなエネルギーへの移行をサポートするのに役立ちます:
IoT エネルギー管理
IoT エネルギー管理を通じて、企業はエネルギー効率と供給と需要のバランスを改善することで、電力網への負担を減らし、持続可能性へのコミットメントをサポートすることができます。
持続可能性への取り組みを加速させる
ネット ゼロへの道のりをどこまで進んでいるかにかかわらず、Microsoft Cloud for Sustainability の環境・社会・ガバナンス (ESG) の機能で進歩を拡大し、ビジネスを変革することができます。
よく寄せられる質問
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最も効率的で持続可能なエネルギーである地熱エネルギーは、クリーンで信頼性が高く、再生可能な資源です。地熱エネルギーが地球の表面に蓄えられた熱を利用して発電を行い、家庭や企業の地熱の暖房と冷却を行います。
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地熱エネルギーには、主に次の 3 つの利点があります。
- 環境に優しい。
- 再生可能である。
- 信頼性が高く、安定している。
このクリーンで再生可能なエネルギー資源は、世界の化石燃料への依存度を低減させるのに役立ちます。
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ほとんどのエネルギー源と比較して、地熱エネルギーには次の 3 つの欠点があります。
- 地熱エネルギーは、 地表下の温室効果ガスを大気中に放出し、土地の安定性に影響を与える可能性があります。
- 地熱貯留層は枯渇しないように管理する必要があります。
- 地熱発電所を建設できるのは、地熱貯留層が存在する地殻プレートの境界付近だけです。
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地熱エネルギーは、家庭用冷暖房、温室の暖房、工業プロセスのサポート、発電などに利用されています。
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地熱エネルギーには、次の 4 つの種類があります。
- 低温地熱エネルギー。
- 地熱エネルギーの共同生産。
- 地熱冷暖房。
- 地熱発電所。
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