JP6153774B2 - 地熱発電方法および地熱発電システム - Google Patents

Description

本発明は、地熱発電方法および地熱発電システムに関する。

地熱を利用した発電方法としては、地盤内に貯留された熱水を利用する方法の他に、地盤内の高温岩体に形成された貯留層に注入井を通じて水を供給する段階と、地熱により貯留層内で水を加熱する段階と、貯留層内から生産井を通じて熱水を回収する段階と、熱水によって発電装置のタービンを駆動させる段階と、を備えているものがある。

前記したいずれの発電方法でも熱水の一部が蒸発により損失するとともに、地盤内の熱水の採取により、周辺の温泉等の地熱資源の熱水量や温度に影響を与える可能性がある。

そこで、従来の地熱発電方法としては、図４に示すように、高温岩体Ｂの貯留層１００に注入井１１０から二酸化炭素や液体の超臨界流体からなる熱媒体を圧入し、その熱媒体を生産井１２０から回収して、発電装置５０のタービン５１を駆動させているものがある（例えば、特許文献１参照）。

二酸化炭素を用いた地熱発電方法では、熱媒体の損失を抑えるとともに、周辺の地熱資源への影響を防ぐことができる。また、二酸化炭素は高温高圧下（温度３１度以上、圧力７．３ＭＰａ以上）の超臨界状態では水と混合し難いため、鉱物スケールの生成を抑えることができる。

特開昭５６−１４８６９０号公報

従来の二酸化炭素を用いた地熱発電方法では、図４に示すように、注入井１１０および生産井１２０の二つの井戸を用いており、注入井１１０から貯留層１００に圧入した熱媒体を、別の場所に設置された生産井１２０から回収している。この構成では、注入井１１０と生産井１２０との間の地盤の連続性（流体の浸透性）が低い場合に、熱媒体の回収量が少なくなるという問題がある。

本発明は、前記した問題を解決し、高温岩体の貯留層に圧入した超臨界流体からなる熱媒体を確実に回収することができ、発電効率を高めることができる地熱発電方法および地熱発電システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、地盤内の高温岩体に形成された貯留層に単一の井戸を通じて熱媒体を圧入および回収することで発電装置を発電させる地熱発電方法であって、前記貯留層に前記井戸を通じて超臨界流体からなる前記熱媒体を圧入する段階と、前記井戸の内部を遮断し、地熱により前記貯留層内で前記熱媒体を加熱する段階と、前記井戸の内部を開放し、前記貯留層内から前記井戸を通じて前記熱媒体を回収する段階と、前記井戸から回収した前記熱媒体によって前記発電装置のタービンを駆動して発電する段階と、を備えている。

また、本発明は、地熱発電システムであって、地盤内の高温岩体に形成された貯留層に通じる井戸と、前記井戸の内部を遮断および開放する開閉手段と、前記井戸に超臨界流体からなる熱媒体を供給する供給装置と、タービンの駆動により発電する発電装置と、を備え、前記井戸の地面側の開口部は開閉弁を備えた供給管によって前記供給装置に連結されるとともに該開閉弁とは別途の開閉弁を備えた送出管によって前記タービンにも連結され、 前記熱媒体が供給された前記井戸から回収した前記熱媒体によって前記タービンを駆動するように構成されている。

本発明の地熱発電方法および地熱発電システムでは、超臨界流体からなる熱媒体を井戸から貯留層に圧入し、その熱媒体を同じ井戸を通じて貯留層から回収している。このように、単一の井戸を用いて貯留層の同じ場所で熱媒体を圧入および回収しているため、地盤の連続性が低い場合でも、貯留層に圧入した熱媒体を確実に回収することができる。

前記した地熱発電方法において、前記貯留層に複数の前記井戸が設け、前記各井戸のそれぞれを通じて前記貯留層に前記熱媒体を圧入および回収するように構成し、前記各井戸を通じて前記貯留層内から順次に前記熱媒体を回収することで、タービンを連続して駆動することが望ましい。

前記した地熱発電方法および地熱発電方法において、熱媒体が二酸化炭素の超臨界流体である場合には、二酸化炭素の超臨界流体は水と混合し難いため、鉱物スケールの生成を抑えることができる。また、二酸化炭素の超臨界流体は、粘性が小さいとともに、地盤内において浮力および膨張力が大きいため、地盤内から井戸を通じて熱媒体を確実に回収することができる。さらに、貯留層に圧入された二酸化炭素の一部が地中に固定化されることで、大気中の二酸化炭素の削減に寄与することができる。

本発明の地熱発電方法および地熱発電システムでは、単一の井戸を用いて貯留層に熱媒体を圧入および回収しているため、貯留層に圧入した熱媒体を確実に回収することができ、発電効率を高めることができる。

本実施形態の地熱発電システムおよび地熱発電方法を示した図であり、第一貯留層に熱媒体を圧入し、第三貯留層から熱媒体を回収する段階の構成図である。 本実施形態の地熱発電システムおよび地熱発電方法を示した図であり、第三貯留層に熱媒体を圧入し、第二貯留層から熱媒体を回収する段階の構成図である。 本実施形態の地熱発電システムおよび地熱発電方法を示した図であり、第二貯留層に熱媒体を圧入し、第一貯留層から熱媒体を回収する段階の構成図である。 従来の地熱発電方法を示した構成図である。

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施形態の地熱発電システム１は、図１に示すように、地盤Ａ内の高温岩体Ｂに形成された三つの貯留層Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３にそれぞれ通じる三つの井戸１０，２０，３０と、井戸１０，２０，３０に設けられた開閉手段１１，２１，３１と、各井戸１０，２０，３０に熱媒体を供給する供給装置４０と、タービン５１を有する発電装置５０と、を備えている。

地盤Ａ内の高温岩体Ｂは、地中のマグマによって加熱されている岩盤であり、地熱発電システム１の熱源となる部位である。
高温岩体Ｂには三つの貯留層Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３が形成されている。貯留層Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３は、岩盤に人工的な割れ目群を形成した領域であり、流体を貯留可能となっている。なお、岩盤に自然に形成された割れ目群をそのまま貯留層として利用することもできる。

第一井戸１０は、地面から第一貯留層Ｂ１に亘って削孔された井戸である。第一井戸１０の地面側の開口部は、供給管１２によって供給装置４０に連結されるとともに、送出管１３によって発電装置５０のタービン５１に連結されている。供給管１２および送出管１３には開閉弁１２ａ，１３ａが設けられている。

第二井戸２０は地面から第二貯留層Ｂ２に亘って削孔された井戸であり、第三井戸３０は地面から第三貯留層Ｂ３に亘って削孔された井戸である。
第二井戸２０および第三井戸３０は、第一井戸１０と同様に、供給管２２，３２によって供給装置４０に連結されるとともに、送出管２３，３３によってタービン５１に連結されている。供給管２２，３２には開閉弁２２ａ，３２ａが設けられるとともに、送出管２３，３３には開閉弁２３ａ，３３ａが設けられている。

開閉手段１１，２１，３１は、各井戸１０，２０，３０の内部を遮断および開放するものである。開閉手段１１，２１，３１は、プラグ、パッカーおよび開閉弁等の装置である。開閉手段１１，２１，３１を閉じて、各井戸１０，２０，３０の内部を遮断することで、貯留層Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３は閉塞された領域となる。

供給装置４０は、二酸化炭素の超臨界流体からなる熱媒体を各供給管１２，２２，３２に供給するものである。なお、供給装置４０は、還元管４１によってタービン５１に連結されており、タービン５１から還元管４１を通じて熱媒体が供給される。
二酸化炭素の超臨界流体とは、二酸化炭素を高温高圧下（温度３１度以上、圧力７．３ＭＰａ以上）の超臨界状態にしたものである。二酸化炭素は超臨界状態では気体と液体の両方の性質を有する流体となる。なお、二酸化炭素の超臨界流体は水と混合し難い。

発電装置５０は、タービン５１の羽根を回転させることで発電するものである。本実施形態の発電装置５０では、各貯留層Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３から回収された熱媒体を、タービン５１の羽根に吹き付けることで、羽根が回転するように構成されている。

次に、前記した地熱発電システム１を用いた地熱発電方法について説明する。
最初に第一井戸１０を用いた発電について説明し、その後、三つの井戸１０，２０，３０を組み合わせた発電について説明する。

まず、図１に示すように、供給管１２の開閉弁１２ａを開くとともに、送出管１３の開閉弁１３ａを閉じる。そして、第一井戸１０の開閉手段１１を開いた状態で、供給装置４０から供給管１２を通じて第一井戸１０に熱媒体を供給し、第一貯留層Ｂ１に熱媒体を貯留させる。

供給装置４０から所定量の熱媒体を第一井戸１０に供給したら、図２に示すように、供給装置４０から第一井戸１０への熱媒体の供給を停止するとともに、開閉手段１１を閉じて第一貯留層Ｂ１内に熱媒体を閉じ込める。そして、第一貯留層Ｂ１内の熱媒体は地熱により加熱される。

所定時間が経過した後に、図３に示すように、供給管１２の開閉弁１２ａを閉じるとともに、送出管１３の開閉弁１３ａを開ける。そして、開閉手段１１を開くと、加熱された熱媒体は、体積を膨張させながら第一井戸１０内に流入する。

第一井戸１０に流入した熱媒体は、送出管１３を通じてタービン５１内に噴出し、タービン５１の羽根に吹き付けられる。そして、熱媒体の圧力によってタービン５１の羽根が回転して発電装置５０が発電する。

なお、熱媒体は、タービン５１に吹き付けられた後に、還元管４１を通じて供給装置４０に還元され、再度、供給管１２，２２，３２を通じて各井戸１０，２０，３０に供給される。

図１から図３に示すように、前記した第一井戸１０を用いた発電と同様に、供給装置４０から第二井戸２０および第三井戸３０を通じて貯留層Ｂ２，Ｂ３に熱媒体を供給するとともに、貯留層Ｂ２，Ｂ３内で加熱された熱媒体を第二井戸２０および第三井戸３０を通じて回収し、その熱媒体によってタービン５１を駆動させて発電する。

本実施形態の地熱発電方法では、三つの井戸１０，２０，３０を組み合わせて発電している。
図１に示すように、第一貯留層Ｂ１に第一井戸１０を通じて熱媒体を圧入している間に、第二貯留層Ｂ２では熱媒体を加熱するとともに、第三貯留層Ｂ３から第三井戸３０を通じてタービン５１に熱媒体を供給して発電する。

続いて、図２に示すように、第一貯留層Ｂ１で熱媒体を加熱している間に、第三貯留層Ｂ３に熱媒体を供給するとともに、第二貯留層Ｂ２から第二井戸２０を通じてタービン５１に熱媒体を供給して発電する。

さらに、図３に示すように、第一貯留層Ｂ１から第一井戸１０を通じてタービン５１に熱媒体を供給して発電している間に、第二貯留層Ｂ２に熱媒体を供給するとともに、第三貯留層Ｂ３では熱媒体を加熱する。

このように、三つの井戸１０，２０，３０を通じて、各貯留層Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３から順次に熱媒体を回収することで、タービン５１を連続して駆動することができ、発電装置５０において発電を継続することができる。

以上のような地熱発電方法および地熱発電システム１では、図１に示すように、二酸化炭素の超臨界流体からなる熱媒体を用いているため、熱媒体の損失を抑えるとともに、周辺の地熱資源への影響を防ぐことができる。また、二酸化炭素の超臨界流体は水と混合し難いため、井戸１０，２０，３０における鉱物スケールの生成を抑えることができる。また、二酸化炭素の超臨界流体は、粘性が小さいとともに、地盤Ａ内において浮力および膨張力が大きいため、地盤Ａ内から井戸１０，２０，３０を通じて熱媒体を確実に回収することができる。さらに、貯留層Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３に圧入された二酸化炭素の一部が地中に固定化されることで、大気中の二酸化炭素の削減に寄与することができる。

また、本実施形態の地熱発電方法および地熱発電システム１では、二酸化炭素の超臨界流体からなる熱媒体を井戸１０，２０，３０から貯留層Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３に圧入し、その熱媒体を同じ井戸１０，２０，３０を通じて貯留層Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３から回収している。
このように、単一の井戸１０，２０，３０を用いて、貯留層Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３の同じ場所で熱媒体を圧入および回収しているため、地盤の連続性が低い場合でも、貯留層Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３に圧入した熱媒体を確実に回収することができ、発電効率を高めることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜に変更が可能である。
本実施形態では、図１に示すように、三つの井戸１０，２０，３０を用いているが、井戸の数は限定されるものではなく、例えば、三つ以上または一つの井戸を用いて発電することもできる。

１ 地熱発電システム
７ 圧力
１０ 第一井戸
１１ 開閉手段
１２，２２，３２ 供給管
１３，２３，３３ 送出管
２０ 第二井戸
３０ 第三井戸
４０ 供給装置
４１ 還元管
５０ 発電装置
５１ タービン
Ａ 地盤
Ｂ 高温岩体
Ｂ１ 第一貯留層
Ｂ２ 第二貯留層
Ｂ３ 第三貯留層

Claims (5)

1. 地盤内の高温岩体に形成された貯留層に単一の井戸を通じて熱媒体を圧入および回収することで発電装置を発電させる地熱発電方法であって、
   前記貯留層に前記井戸を通じて超臨界流体からなる前記熱媒体を圧入する段階と、 前記井戸の内部を遮断し、地熱により前記貯留層内で前記熱媒体を加熱する段階と、 前記井戸の内部を開放し、前記貯留層内から前記井戸を通じて前記熱媒体を回収する段 階と、
   前記井戸から回収した前記熱媒体によって前記発電装置のタービンを駆動して発電する段階と、を備えていることを特徴とする地熱発電方法。
2. 前記貯留層には、複数の前記井戸が設けられ、
   前記各井戸のそれぞれを通じて前記貯留層に前記熱媒体を圧入および回収するように構成されており、
   前記各井戸を通じて前記貯留層内から順次に前記熱媒体を回収することを特徴とする請求項１に記載の地熱発電方法。
3. 前記熱媒体は、二酸化炭素の超臨界流体であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の地熱発電方法。
4. 地盤内の高温岩体に形成された貯留層に通じる井戸と、
   前記井戸の内部を遮断および開放する開閉手段と、
   前記井戸に超臨界流体からなる熱媒体を供給する供給装置と、
   タービンの駆動により発電する発電装置と、を備え、
   前記井戸の地面側の開口部は開閉弁を備えた供給管を介して前記供給装置に連結されるとともに、開閉弁を備えた送出管を介して前記タービンに連結され、
   前記熱媒体が供給された前記井戸から回収した前記熱媒体によって前記タービンを駆動させることを特徴とする地熱発電システム。
5. 前記熱媒体は、二酸化炭素の超臨界流体であることを特徴とする請求項４に記載の地熱発電システム

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