地熱発電の仕組みをわかりやすく解説！メリット・デメリットと日本に普及しない理由は？

現在注目されているのが、地球温暖化・エネルギー枯渇など、多くの問題への対策となる、地熱発電です。

世界有数の火山国である日本にとって有効なエネルギー活用方式といわれている地熱発電は、いったいどのような発電方法なのでしょうか。

今回は、地熱発電の特徴、メリット・デメリット、日本や世界の普及率、国内の実際の事例、今後の課題などについて解説しています。

地熱発電とは

地熱発電とは、地熱発電とは、地中深くにある蒸気を取り出して直接タービンを回して発電する方式です。火力発電は石炭・石油・LNGなどを燃焼させた熱で蒸気を発生させますが、地熱発電は地中に蓄えられた蒸気がボイラーの役割を担います。

次より地熱発電の仕組みや種類についてさらに詳しく見ていきましょう。

地熱発電の仕組み

（参考：経済産業省 資源エネルギー庁HP）

地熱発電とは、地下に存在するエネルギーを活用して電力に変換する発電方法です。

地球は、核と呼ばれている中核を中心に、高温になる仕組みですが、その熱は地球の深部にあるため、エネルギーとして活用することは困難といわれていました。

しかし、その深部より浅い場所にある、いわゆる「地熱地帯」では、活用が可能です。地熱地帯とは、火山・温泉・変質岩などがある地域で、この地域の地下は数kmという比較的浅いところに1,000c前後のマグマが溜まっている箇所があります。

このマグマの熱によって生じた蒸気・熱せられた地下水が溜まった場所が「地熱貯留層」と呼ばれているエリアです。地熱発電は、この地熱貯留層が持つ熱を活用します。

この熱が地中に浸透した天水などを加熱し地熱貯留層を形成することがあります。このような地点において、地球内部の熱を直接エネルギー源として利用するのが地熱発電です。

発電に利用した熱水は、再び地熱貯留層にも戻します。このサイクルを繰り返すことによって、持続的に発電を起こすことが可能です。

地熱発電は主に2種類ある

地熱発電の種類は、大きく分けてフラッシュ方式・バイナリー方式の2タイプです。それぞれの特徴を以下より説明します。

フラッシュ方式

日本の地熱発電で多く採用されているのが、フラッシュ方式です。地熱貯留層から200〜350cの蒸気・熱水（地熱流体）を組み上げて、そのエネルギーで発電します。

地熱貯留層までは生産井（せいさんせい）と呼ばれている井戸を掘り、そこからくみ上げた地熱流体を気水分離器（セパレーター）と呼ばれる機械で蒸気・熱水に分離して、蒸気の力で発電機を作動させる仕組みです。

セパレーターで分離された熱水は、還元井と呼ばれる井戸を通して再び地下に戻され、蒸気は冷水にして蒸気の冷却に利用されます。

バイナリー方式

取り出せる蒸気が少ない地熱地帯にて用いられるのが、バイナリー方式です。蒸気が少ない地帯は生産井から取り出した熱水も、沸点が低いために発電には使えません。

そのため、バイナリー方式では、熱水の熱で二次媒体と呼ばれる水やアンモニアの混合物を熱して、その蒸気で発電させます。利用後の二次媒体​​は、凝縮器で液体に戻されて、循環ポンプを経由して再び蒸発される仕組みです。

地熱発電のメリット

地熱発電は従来と発電方法と比較した場合、どのようなメリットがあるのでしょうか。次より地熱発電のメリットを4つ紹介します。

持続可能なエネルギー

地熱発電のメリットは、従来のエネルギー供給手段だった石油などの化石エネルギーと違い、永続的に接続可能な点です。

石油・石炭・石油・天然ガスといった、従来の化石エネルギー資源は有限であるため、枯渇した際のエネルギー不足が問題となります。現在確認されている埋蔵量と消費ペースでは、石油は54年・石油は49年・石炭は139年で枯渇すると考えられています。

その長年の問題・課題であったエネルギー枯渇を解決してくれるのが、地熱発電です。

地熱発電は、地球の奥深くにあるマグマの地熱を利用するため、化石エネルギーのように枯渇する心配はありません。

地熱発電は、地熱エネルギーがある地熱貯留層から取り出した熱を、また地下へ戻す仕組みです。地熱発電で利用した熱水を地上で処理するのではなく、地下へ戻すという循環再生のシステムが出来上がっているため、地上を常にクリーンな状態にできます。

エネルギー不足を気にすることなく常に発電が可能なのが、地熱発電が世界から注目される理由です。

発電時にCO2を排出しない

エネルギー枯渇と並ぶ人類の深刻な問題といえば、地球温暖化ですが、地熱発電はその問題にも対処できる優れたメリットがあります。

地球温暖化の原因は、二酸化炭素（CO2）の排出です。CO2は、メタン・亜酸化窒素と並ぶ温室効果ガスの一種といわれており、大気中に温室効果ガスが増加すると温暖化が促進されます。

エネルギーが消費されるとCO2が排出されるため、いかにエネルギー利用をしながらCO2の排出軽減をするかが、地球温暖化の促進を防ぐ世界共通の課題となったのです。

このような問題解決に最適なのが、地熱発電です。地熱発電は地球深部のマグマの熱という自然のエネルギーを利用するため、他の発電方法と比較した場合、以下のようなCO2排出量の差があります。

• 石炭火力：942.7
• 石油火力：738.0
• 太陽光発電：38.0（住宅用）
• 太陽光発電：58.6（事業用）
• 風力発電：25.7
• 地熱発電：13.1
  （単位：g-co2/kWh）

（参考：経済産業省 資源エネルギー庁HP）

従来の化石エネルギーと比較した場合、地熱発電のCO2排出量の少なさは数百分の1です。

そして、地熱発電と同じ種類である、自然エネルギーを利用した太陽光・風力といった「再生可能エネルギー」の発電と比べても、CO2排出の低さは地熱発電が一番となっています。

このように「地球に優しい」エネルギー活用が、地熱発電のメリットなのです。

24時間発電可能

地熱発電のメリットは、24時間発電可能な点も挙げられます。地熱発電と同じ再生可能エネルギーである風力発電・太陽光発電は、その日の天候・時間帯・季節の変化によって発電量も変化するため、日々の発電が安定しません。

しかし、地熱発電の元である地球奥深くに存在するマグマは、天候・季節の変化にまったく影響がないため、24時間いつでも安定した発電が可能です。

環太平洋火山帯に位置している日本は、世界有数の火山国といわれています。他国の輸入に頼ることなく、自国の豊富な地下エネルギーを利用するため、常に安定したエネルギー供給が実現できるのが、地熱発電の特徴です。

蒸気や熱水を再利用できる

産業において問題となっているのが、産業廃棄物の排出およびその処分方法です。その処分を円滑に行わないと、環境汚染・不法投棄による衛生問題などが浮上し、さまざまなトラブルが発生します。

しかし、地熱発電で利用する際に排出される廃棄物は熱水なので、人体にも環境にも害はなく、排出された温水は発電に再利用、または地下で戻す仕組みなので、廃棄処分に困る・費用がかかるといった心配はいりません。

また、地下発電で生じた上記・熱水は農業・魚の養殖・暖房などに再利用することも可能です。地熱発電で生じる蒸気・熱水は高温であるため、寒さが厳しい東北地方などでは、ビニールハウス・魚の養殖場などで重宝されています。

地熱発電のデメリット

エネルギー枯渇の心配は不要・CO2排出が極点に少ないなど、メリットの多い地熱発電ですが、デメリットといえる点もいくつかあります。地熱発電のデメリットは、以下の4点です。

発電効率が低い

(出典：関西電力)

地熱発電のデメリットは、発電に手間がかかり効率が決して良くないという点が挙げられます。地熱発電が活用するエネルギー源は、太陽光や風力などといった地上にあるエネルギー源ではなく、地下にある地熱流体という存在です。

太陽光・風力であれば、日光・風といったエネルギー源を発電機器でダイレクトに受け止めるため、手間がかからないという特徴があります。しかし、地熱発電の地熱流体は地下の深部に存在するため、それを引き上げるところから始めなくてはいけません。

そして、地熱流体が持つ高熱は、発電に利用する前に熱が大気中に分散されてしまい、実際に発電に利用する際は組み上げる前の20%ほどの熱量となっています。そのため、地熱発電は太陽光・風力発電と比べると、電気を起こす力が弱く、効率が悪いのが特徴です。

現在の地熱発電は地熱流体の100%の効果を利用できていないため、今後、いかにして効率を高めるのかが課題といえます。

発電所の建設費用が高い

これは太陽光・風力発電といった再生可能エネルギーを利用した発電すべてにいえることですが、地熱発電のデメリットは、発電のための環境・設備を用意するのに費用がかかることです。

発電そのものを行なう設備の開発に加えて、地熱流体をくみ上げる生産井・温水を地下へ戻す循環井なども開発しないといけないため、費用と時間がかかります。

また、それだけの労力を費やして完成した地熱発電所であっても、想定した発電が実現できるとは限りません。その場合は設備・環境の見直しをすることになり、さらに費用がかかります。

開発リスクがある

地熱発電は、設備・環境にかかる費用だけでなく、その開発・設置期間が長いこともデメリットの一つです。

地熱発電のための発電所はどこにでも設置していいわけではなく、設備の建設の前に建設する土地の地質調査をしなくてはいけません。

（参考：経済産業省 資源エネルギー庁HP）

上記の画像をみてわかる通り、調査・環境アセスメント・開発という段階を経て合計7〜12年もの年月がかかります。それだけの期間を費やしても、開発にかかった費用はすぐに回収できるわけではなく、これもさらに数年の年月を費やさなくてはいけません。

また、先述した通り、地熱発電所を開発したからといって、100%成功する保証はなく、発電所に不具合な点があった場合、それを改善するのにさらに期間がかかります。

このように、地熱発電所を設置しても収益が出るのが100%保証されているわけではないため、地熱発電はリスクが決して小さくはないといえるのです。

発電所の設置が難しい

地熱発電所は、その立地場所・周辺環境にも配慮をしないといけません。地熱発電を行なうには、地熱地帯と呼ばれている地熱貯留層があるエリアを選ばなくてはいけません。

しかし地熱貯留層は、国立公園・温泉地などが多いために、そのような場所に発電所を建設すると「恵まれた自然の景観が損なわれてしまう」「近隣の迷惑になる」といったデメリットが発生します。

そのため、近隣の住民の意見を無視して発電所の建設を強行すると、建設反対の声が大きくなり住民との衝突が起きる可能性も高いです。

そのようなトラブルを回避するためには費用など建設に関する問題だけでなく、周囲の住民との意思の疎通も気にかけなくてはいけません。

日本の地熱発電の普及率は世界と比べて高い？

世界および日本では地熱発電がどれぐらい普及しているのか、令和2年3月 新エネルギー財団 新エネルギー産業会議「地熱エネルギーの開発・利用推進に関する提言」から、世界の地熱発電の現状を引用してみました。

この表でわかる通り、日本は、世界の地熱発電において、発電開発・発電容量に関しては、世界の中で第10位のランクインとなっています。しかし、地熱資源量に関しては、アメリカ・インドネシアに次ぐ第3位です。

アメリカ・インドネシアともに総面積が日本の数倍であることを考えると、日本がいかに地熱資源に恵まれているかがわかります。

日本の地熱発電の電源構成割合

日本の地熱発電は、日本の電力のなかでどれぐらいの割合なのでしょうか。以下の円グラフからみてみましょう。

（引用：自然エネルギー財団HP）

このように、日本の電力は石油や石炭のような化石エネルギー・有限資源が大半を占めており、自然エネルギー（再生可能エネルギー）は全体の20%程度という状況です。

その20%の割合で最も主流なのが太陽光エネルギー、その後に水力・バイオエネルギーが続く状態で、地熱発電は再生可能エネルギーの中でも0.3%という割合になっています。

先述したデメリットにある通り、地熱発電を実施するのはリスクがあるのが特徴です。世界有数の恵まれた地熱地帯を持ちながらも、地熱発電が本格的に普及するのは時間がかかるといえます。

日本全国にある地熱発電電力量

（引用：独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構（JOGMEC））

日本の地熱発電所の電力量は、2023年4月現在で約51万kW、世界第10位となっています。

表を見てわかるのが、地熱発電所は東北・九州に多く、関東・関西はないということです。特に東北の秋田県・岩手県、九州の大分県は、複数の地熱発電所が可動して他の発電所より高い容量の発電を行なっています。

東北・九州と地域に偏ってしまうのが、地熱発電の今後の課題といえるかもしれせん。

地熱発電を普及させるための今後の課題

日本の地熱発電は、恵まれた資源がありながらも、なかなか定着に至りません。その理由は「コスト・費用がかかる」「景観を損ねるというイメージがあり、各地域の温泉事業者が開発に反対している」などが挙げられます。

地熱発電を普及させるためには、地熱発電がいかに温暖化・環境問題に有効な発電方法であるか、啓蒙活動を行なうことです。

確かに地熱発電はコストがかかりますが、発電所の稼働が開始されれば廃棄物も地下へ還元でき、温泉・農作業などへの再利用も可能となっています。豊かな自然に危害を与えることもありません。

自然・地球に優しい発電方法であるため、地域ごとに啓蒙活動・宣伝を行なうことが、今後の課題といえます。

日本の地熱発電の事例

先述した通り日本では、北海道・岩手県・秋田県・宮城県・福島県・岐阜県・熊本県・大分県・鹿児島県の合計9県・23エリアに地熱発電所が設置されて可動しています。

そのなかから3つの発電所をピックアップしてみました。発電所の特徴を以下より紹介します。

【秋田県】澄川地熱発電所

(引用：東北電力)

所在地	〒018-5141 秋田県鹿角市八幡平熊沢
最大出力	50,000kWh
運営会社	・発電事業者：東北電力株式会社 ・蒸気熱水供給事業者：三菱マテリアル株式会社
運転開始	平成7年3月2日
発電方式	フラッシュ方式

秋田県鹿角市にて運営しているのが、澄川（すみかわ）地熱発電所です。東北では6番目、全国では14番目に稼働開始をしました。

澄川地熱発電所​​の設立計画は昭和54年にまでさかのぼります。昭和54年発案以来、長い年月をかけて地表調査を行ない、平成に入っての7年、1995年になりようやく営業開始となりました。

澄川地熱発電所は、周辺の住民の配慮・地域住民との共存を目指すために、さまざまな対策を実践しています。その対策は以下の通りです。

• 排水対策：地下からくみ上げて利用した熱水は、排水として発電所周辺に破棄するのではなく、還元井で地下へ還元
• 騒音、振動対策：配置した発電のための機器は程騒音タイプを使用、振動が起きる機器は高性能の小型タイプを採用、騒音・振動を極力軽減
• 大気汚染対策：蒸気に含まれた硫化水素は空気で薄めて、大気の濃度を軽減
• 自然との調和：発電所の建築・運営の際は周辺の自然の排除を極力抑える方針をとり、設立後も発電所構内に自然・緑を配置して豊かな自然との調和を目指す

【大分県】八丁原（はっちょうばる）地熱発電所

(引用：九州電力)

所在地	〒879-4912 大分県玖珠郡九重町湯坪601
最大出力	・1号機：55,000kWh ・2号機：55,000kWh ・3号機：2,000kWh
運営会社	発電事業者、蒸気熱水供給事業者：九州電力株式会社
運転開始	・1号機：1977年（昭和52年）6月 ・2号機：1990年（平成2年）6月 ・3号機：2006年（平成18年）4月
発電方式	・1、2号機：ダブルフラッシュ方式 ・3号機：バイナリー方式

大分県玖珠郡にて3つの発電所を構えているのが、八丁原（はっちょうばる）地熱発電所​​です。日本の地熱発電所としては5番目に設立されたため、古い歴史を誇っています。

八丁原地熱発電所の特徴は、阿蘇くじゅう国立公園・耶馬日田英彦山国定公園という大分県が全国に誇る美しい公園が隣接していることです。公園がある高原は大自然に囲まれた緑豊かなエリアで、その景観と自然に調和して存在しているのが、この発電所の特色といえます。

八丁原地熱発電所は1,2号機に加えてバイナリー形式の発電所もあるのが特徴です。出力こそ他の発電所に比べたら低いものの、沸点の低い媒体であっても熱を加えて発電できるメリットがあります。

【大分県】杉乃井地熱発電所

(引用：オリックス)

所在地	〒874-0823 大分県別府市南立石
最大出力	1,900kWh
運営会社	発電事業者、蒸気熱水供給事業者： (株)杉乃井ホテル​​
運転開始	昭和56年11月
発電方式	バイナリー方式

オリックスグループである（株）杉乃井ホテルが運営しているのが、杉乃井地熱発電所です。ホテルの敷地内にあるこの発電所は、かつてはバイナリー方式ながらも3,000kWhの出力を誇り、ホテル全般の電力を賄っていました。

しかし地下の資源の熱量が年々下がり始め、現在は1,900kWhほどの出力に落ち着いています。発電で使用された熱水はその後、ホテルに送られて温泉として再利用される仕組みです。

地熱発電に関するよくある質問

地熱発電に対して寄せられている質問の一部とその答えを紹介します。

地熱発電発祥の地はどこ？

世界で初めて地熱発電所が誕生したのは1904年です。発祥の地はイタリアのラルデレロ地方で、この年この場所で世界で初めての地熱発電実験が成功しました。

地熱発電は環境に悪い？

発電時にCO2を発生させないというメリットがある地熱発電ですが、地熱発電所の建設が環境に悪影響を与える可能性があります。

地熱発電所建設の際に大規模な土地改変を行うため、森林伐採や温泉資源損失などの悪影響を及ぼす可能性があることが地熱発電所建設の重要な課題です。

地熱発電の寿命はどのくらい？

地中深くまで井戸を掘り、地熱貯留層の蒸気・熱水を用いて発電する地熱発電は、熱源であるマグマ溜まりの温度が650℃から1,000℃に及ぶため、寿命は数万年から数十万年と推測されています。

日本で地熱発電が多い県はどこ？

国内で最も地熱発電所が多いのは大分県です。大分県には国内で最大規模の地熱発電所が集まっているため、地熱の発電電力量は国内でトップです。

地熱発電に適した国はどこ？

地熱発電に向いているのは火山地帯・火山地帯周辺のマグマ溜まりで形成された地熱地帯なので、環太平洋火山帯に属している日本・アメリカ・インドネシア・フィリピン・メキシコなどが適しています。

アルプス・ヒマラヤ火山帯に属しているイタリアや太平洋上の地熱資源環境に位置しているアイスランドも地熱発電に適している国です。

まとめ

温暖化問題・環境汚染問題への対処法として世界規模で注目されているのが、再生可能エネルギーです。そして、太陽光・風力などと比べて、世界有数の地下資源に恵まれた日本にふさわしいのが、地熱発電といわれています。

地下資源は地中のマグマの熱を利用するため、石油や石炭などの化石エネルギー源に比べると、無限です。CO2の排出も極端に少ないため、今後ますます重要な問題となる地球温暖化に最も有効な発電方法といえます。

しかし、そのようなメリットがある反面、「コスト・開発期間がかかる」「自然の景観を損ねる可能性がある」などといった点がデメリットです。

恵まれた資源があるため、輸入に頼る必要のない地熱発電ですが、ほとんど普及するまでにはいたっていません。

今後の日本の発展を担う可能性のある地熱発電が、今後どのように技術革新があり、政府が対応してくれるのか、注目することが大事です。