「地下の深部に無限のエネルギーが眠っている? 「超臨界流体」を活用した地熱発電は実現するか」の写真・リンク付きの記事はこちら

イタリアのトスカーナ州にあるアペニン山脈。その緑豊かな丘陵地帯の地下深くには、“宝物”が眠っている。

その上には地熱井「Venelle-2」を掘る採掘タワーの骨組みが、まるで宝の地図のX印を描くかのようにそびえ立つ。井戸の深さは、およそ2マイル(約3.2km)。これほどの深さになると、最深部は温度も圧力も非常に高く、岩も曲がるほどだ。

この場所には超臨界流体、つまり液体と気体の両方の特性を示す鉱物を豊富に含んだ水が生まれる条件が揃っている。もしVenelle-2が超臨界流体の貯留層にたどりつき、その水を利用して地表でタービンを回せれば、世界で最もエネルギー密度の高い再生可能エネルギーのひとつが実現することだろう。

未知の境界「Kホライゾン」

だが、そこまでたどり着くのも容易ではない。地下深部まで掘り進む際に巨大な岩体がずれると、地震を誘発する危険性があるからだ。

このリスクはVenelle-2の掘削の際に重大な懸案事項になった。Venelle-2は地表に近い硬岩と、その下の軟岩の間にある「Kホライゾン」と呼ばれる未解明の境界を突破することを目指したプロジェクトである。しかし、Kホライゾン層を貫いて超臨界流体に到達したときに実際に何が起きるのかは、誰にもわかっていなかった。

そして謎は現在も未解明のままだ。Venelle-2の掘削は、Kホライゾンに至る寸前に止まった。地熱井の底面温度が高温になりすぎて、掘削機が先に進めなくなったからだ。底面のセンサーでは、温度は約538℃、圧力は地表の300倍になっていたという。

それでもVenelle-2は過去最高の温度を誇るボアホール(掘削孔)であり、 超臨界状態での掘削が可能であることも証明した。さらに2020年2月に学術誌『ジャーナル・オブ・ジオフィジカル・リサーチ』で発表された論文では、超臨界状態での採掘が大きな地震活動を誘発せずに進められることが証明されている。

この研究結果によって、「地熱発電の掘削で地震が誘発される」という人々の恐怖が和らげばと、論文の著者たちは言う。一般の人々は何か問題が起きてから初めて、地熱発電について知らされるからだ。

一方、論文の共同著者でジュネーヴ大学の研究者のリッカルド・ミネットは、Venelle-2によって「地熱発電を目的とした掘削にもポジティヴな事例が多くあること」も示されたと言う。

各国が挑戦する、超臨界流体掘削プロジェクト

Venelle-2は、中央イタリアのラルデレロ−トラヴァーレ地熱地帯を貫く数多のボアホールのひとつだ。ラルデレロ−トラヴァーレは、初めて地熱発電を実用化した地域である。1904年に初めて地熱発電の実験が行われたとき、わずか5つの電球を点灯させる電力しか発電できなかった。それがいまは、この地帯で世界中の地熱発電の約10パーセントを発電できるほどになった。

そして2015年、この地熱地帯でさらに多くの電力を生み出せるか見極めるために、欧州の電力会社と研究機関が協力して「Descrambleプロジェクト」を立ち上げた。

このプロジェクトでは、ラルデレロ−トラヴァーレの地下深部にある超臨界流体の貯留層を活用することが計画されていた。エネルギー密度の高い流体が抽出できれば、ラルデレロ−トラヴァーレ地熱地帯の新たな歴史的快挙となるだろう。

Descramble以前にも、超臨界流体の掘削を試みたプロジェクトは存在する。過去には米国や日本、イタリア、メキシコなどでも同様の試みがあり、いずれも約370℃以上の高温と地表の220倍近い高圧力に耐えながら、超臨界流体を生成する岩体に達するまで掘削が続いた。

しかし、実際に超臨界流体を見つけられたプロジェクトは、ひとつだけだ。アイスランド政府と国営電力会社が運営する「アイスランド深部地熱井掘削プロジェクト」の研究者らは17年、地下深部約5kmで超臨界流体に達したことを報告した。プロジェクトから3年が経ったいまも、この地熱井では有用なエネルギーを生成する試みが続けられている。

DescrambleプロジェクトのチームがVenelle-2の掘削を始めたのは、アイスランド深部掘削プロジェクトチームが超臨界流体を発見した時期とほぼ同時期だ。従来型の地熱井よりはるかに高温の岩体を貫くため、同チームは強化した掘削技術を使った。

だがその6カ月後、目標の岩体まであと約100mのところで掘削は中止を余儀なくされた。掘削孔の底面温度がアイスランドの地熱井よりも約95℃高くなり、安全に掘削を続けることができなくなったのだ。

超臨界流体の掘削と、地震誘発のリスク

欧州の地球科学者たちからなるチームは、Descrambleプロジェクトの全掘削プロセスを通じて、ラルデレロ−トラヴァーレ地熱地帯周辺に配置した超高感度地震計のネットワークをモニタリングしていた。掘削していた期間にも一定の地震活動は記録されたが、この地域では通常の範囲内だったという。

それでもジュネーヴ大学のミネットは、この技術の一般化には慎重だ。超臨界地熱発電は新しいテクノロジーであり、将来的に超臨界流体を掘削する実験によって「より大きな地震活動が誘発される可能性もある」と指摘する。

ミネットいわく、これまでに超臨界流体の掘削に誘発された地震はない。だが、過去に地熱井の採掘が大地震を誘発した事例があることは、彼も認めている。

韓国では17年に、同国での観測史上2番目に大規模な地震である浦項地震が発生している。19年に発表された調査結果によると、その原因は地熱発電の開発にあったという。

06年にスイスのバーゼルを襲った地震も、やはり地熱発電と関連づけられた。専門家の一部が、断層での掘削が地震発生につながったと非難したのだ。断層内部での掘削は効率がいいが、地震誘発のリスクもずっと高くなるというのが、その専門家たちの意見だった。

超臨界流体の掘削は、従来型の地熱井の掘削よりハイリスクなのだろうか。ミネットは「正しい答えを出すには、超臨界流体についてわからないことが多すぎます」と語る。

天然の貯留層に頼らない「強化地熱システム」

地震誘発のリスク以外にも、超臨界地熱発電には欠点がある。ひとつは、超臨界流体の貯留層は比較的希少とみられるため、世界的に地熱発電に移行するうえで有用性が制限される点だ。次に、超臨界流体そのものが掘削孔の内部やコンクリート栓を破壊し、大惨事を引き起こしかねない点である。

「超臨界流体は腐食性が高く、岩体から多くの物質を溶解しています。こうした物質に対処しなくてはなりません。恐ろしい性質です」と、高温岩体エネルギー研究組織(HERO)の会長で地熱発電企業アルタ・ロック・エナジーの共同創業者であるスーザン・ペッティは言う。

ペッティが代わりに推奨しているのが、自然界に存在する貯留層に頼らずに発電する「強化地熱システム」だ。このシステムでは、まず地下深部の乾燥高温岩体に井戸を掘り、そこに地上から水を注入する。次に、超臨界流体に近い温度まで熱せられた水を地上に吸い上げ、発電機のタービンを回す。

これは石油天然ガス産業の技術を応用したシステムで、天然の高温貯留層への依存から地熱エネルギー産業を解放してくれる。深部まで掘削さえできれば、強化地熱システムは地球上のほぼどこでも活用できるからだ。

これまでは天然の貯留層の発見と、それに到達するまでの掘削というふたつの課題が、世界中で地熱発電の採用に制限をかけてきた。しかし、地熱エネルギーを自然によって選ばれた場所に限らず得られれば、常に稼働できる炭素フリーな発電手段を、世界の大半に無尽蔵に提供できるようになるとペッティは考えている。

技術的課題と資金難を乗り越えろ

しかし、超臨界流体を利用した地熱発電と同様に、強化地熱システムもまた技術的課題と大地震のリスクに苦しめられている。バーゼルや韓国で発生した地震も、強化地熱システムが関与したものだ。しかし、地震のリスクが地熱発電に固有のものなのか、もしくは掘削する場所によるものなのかは、まだ不明である。

あらゆる地熱発電用の掘削に地震のリスクがあると決まったわけではないが、それでも強化地熱システムのコンセプトはなかなか広まっていない。米国ではアルタ・ロック・エナジーといった企業が、大きな資金を必要とするプロジェクトの資金調達に苦戦している。風力や太陽エネルギーに比べると、米国政府が地熱発電に出す補助金はごくわずかだ。また、実績のない新技術である強化地熱システムは、投資家にとってもリスクが大きい。

「地熱発電はマーケティングの問題にいささか苦慮しています」と、オハイオ州立大学のエネルギー持続性研究所でリーダーを務めるジェフリー・ビエリキは言う。「地熱発電には有益な性質がたくさんあります。でも“再生可能エネルギー”と言えば通常、風力やソーラーエネルギーになってしまうのです」

米国エネルギー省は20年2月4日、同省の「地熱エネルギー研究のための前線観測所(FORGE)」の地熱発電実験場での研究に2,500万ドル(約28億円)の資金を投入すると発表した。手始めではあるが、地熱発電システムが各家庭に電力を供給するようになるのは、まだまだ先の話だろう。