日本地熱学会

1. 序章

　“地熱エネルギー”とは文字通り地球内部の熱エネルギーのことです。この熱エネルギーは全地球規模でおきている地球内部の現象により発生しています。しかし今日，“地熱エネルギー”という言葉は，地球内部の熱エネルギーのうち，人類が取り出したり利用したりできるエネルギーを指す場合が多く，本書では以下この意味で“地熱エネルギー”という言葉を用いることにします。

1.1 地熱利用の歴史

火山や温泉や噴気などの存在により，我々の祖先は，地球の内部は高温であると思っていたに違いありません。しかし，地中深かければ深い程温度が高くなることを，人類が身をもって感じたのは，16〜7世紀になって鉱山が数100 ｍの深さに達してからのことでした。

　1740年にはDe Gensanneが，フランスのベルフォール近くにある鉱山で温度計による最初の地熱の測定を行っています (Buffon, 1778) 。その後，1870年頃までに地球の熱構造を研究するためにいろいろな科学的手法で地熱の測定が行われています (Bullard, 1965) 。しかし，地球内部の放射性物質の壊変が地熱の本質であることが発見され，地球の熱平衡や熱履歴について十分理解できるようになったのは20世紀になってからでした。最新の地球の熱モデルでは，地球内部に存在する半減期の長い放射性同位元素であるウラン(U²³⁸, U²³⁵)，トリウム(Th²³²)，カリウム(K⁴⁰)の壊変により持続的に熱が発生していることを前提にしています。このほか，惑星星間ガスの付加により地球が誕生したとき蓄積されたエネルギーなど，ほかのいくつかの原因による熱が一定割合含まれていると考えられています。1980年代になると，地球内部の原子壊変と地球から宇宙空間に放射されている熱は平衡状態にはなく，地球はゆっくりと冷えていることが明らかになり，現実的な地球の熱モデルが提示されるに至りました。それらの現象の詳細や定量的な説明は Stacey and Loper (1988) の熱バランスにゆずりますが，地球からの熱放出は伝導，対流，放射をあわせ，42×10¹² Wの熱流量であると推定されています。図1は地球の内部構造を示していますが，このうち地殻からの熱が8×10¹² Wとなっています。地殻は地球全体積の2％を占めるにすぎないにもかかわらずこれだけの熱が放出されているのは，地殻には放射性物質×10¹² Wの熱が放出されていると推定されています。マントルにおける放射性物質からの熱放出は22×10¹² Wと推定されていますので，マントルの冷却率は10.3×10¹² Wということになります。

　最近はより多くのデータに基づき推定が行われていますが，それによると地球からの熱流量は Stacey and Loper (1988) によるものより約6％大きな値となっています。しかし，それだけの熱が放出されていても地球の冷却速度は大変遅いもので，30億年の間にマントルの温度は約4000 ℃のうち高々 300〜350 ℃冷えたにすぎません。地球全体が持っている熱エネルギーは，地表の平均温度が15 ℃であると仮定して12.6×10²⁴ MJ，そのうち地殻の持つ熱エネルギーは5.4×10²¹ MJと推定されています (Armstead, 1983) 。

　このように地球の持つ熱エネルギーは膨大なものです。しかし，人類はそのほんの一部しか利用することはできません。従来，地熱エネルギーを利用できる地域は，熱水や蒸気が地下深部から地表へ熱を運べるような天然の条件がそろっている場所に限られていました。“地熱資源”と言われるのはこのためです。しかし近年の技術革新により，より多くの地熱エネルギーをより広い範囲で利用できるようになってきています。

　我々の身の回りで，科学的な研究や技術開発よりも実用が先行した例はたくさんあります。地熱の利用もそのよい例です。19世紀初頭には地熱流体はすでにエネルギー源として利用されていたのです。イタリア，トスカーナ州のラルデレロとよばれる地域では，地表や浅い坑井（=井戸）からわき出てくる熱水からほう酸をとりだすため，化学会社が設立されました。当初，ほう酸は，近くの森からの木材を燃やし，熱水を鉄製のボイラーで蒸発させることにより得ていました。1827年に創業者の Francesco Larderel は，無くなりつつある森林資源のかわりに，地熱水の熱を蒸発過程に利用するシステムを開発しました。図2はその様子を示しています。

　地熱蒸気を運動エネルギーとして利用することもほぼ同時期に始まりました。地熱蒸気は当初，流体をくみ上げるための“エアリフト”に用いられましたが，その後，往復型や遠心型ポンプ，あるいはウィンチの動力として用いられ，これらの動力機はその地域の坑井掘りやほう酸工場で用いられました。このようにしてラルデレロのこの工場は, 1850年から1875年にかけてヨーロッパのほう酸市場を独占するに至りました。1910年から1940年には低圧の地熱蒸気はこの地域の工場，住宅，温室の暖房に用いられています。一方，他の国々でもこの時期に工業規模の地熱利用が始まっています。アメリカ，アイダホ州のボイズでは1892年に地熱による地域暖房が，アイスランドでも1928年に地熱水を用いた住宅暖房が始まりました。

　地熱蒸気を用いた発電が世界で最初に試みられたのは，やはりラルデレロで，1904年のことでした (図3) 。この実験は成功し，地熱エネルギーの工業的価値が世に示されました。これを契機に，世界の地熱の利用は急速に拡大していきました。ラルデレロの地熱発電は経済的にも成功をおさめ，1942年までにこの地域の発電設備容量は 127,650 kWeに達しています。ラルデレロの実験の成功が引き金になり,他の国でも発電に対する動きが始まりました。1919年に日本の別府において最初の地熱井が掘削され，1925年には 1.12 kWe の発電が行われました。また，アメリカ，カリフォルニア州のガイザースでは1921年に最初の地熱井の掘削が，1958年にはニュージーランドで小規模な地熱発電が行われています。これに引き続き，1959年にメキシコで，1960年にはアメリカで地熱発電が開始され，その後各国で続々と発電が開始されています。

1.2 地熱利用の現状

　第2次大戦後，多くの国々にとって地熱エネルギーは魅力的なエネルギーでした。なぜなら，それは他のエネルギーに比べ経済的にも競争力があり，国産であり，また，ときにはそれが，その地域で利用できる唯一のエネルギーであったからです。

　表1に現在地熱発電を行っている国を示します。本表には各国の1995年と2000年の発電設備容量とその5年間の伸び (Huttrer, 2001) ，さらに2003年における設備容量が示されています。全世界の発電設備容量は1995年には6,833 MWe, 2000 年には 7,972 MWe となっています。このうち開発途上国における設備容量が1995年には全体の38％，2000年には47％を占めています。

Country	国名	1995 (MWe)	2000 (MWe)	1995-2000 増加分 (MWe)	1995-2000 増加率 (％)	2003 (MWe)
Argentina	アルゼンチン	0.67	-	-	-	-
Australia	オーストラリア	0.15	0.15	-	-	0.15
Austria	オーストリア	-	-	-	-	1.25
China	中国	28.78	29.17	0.39	1.35	28.18
Costa Rica	コスタリカ	55	142.5	87.5	159	162.5
El Salvador	エルサルバドル	105	161	56	53.3	161
Ethiopia	エチオピア	-	7	7		7
France	フランス	4.2	4.2	-	-	15
Germany	ドイツ	-	-	-	-	0.23
Guatemala	グァテマラ	-	33.4	33.4	-	29
Iceland	アイスランド	50	170	120	240	200
Indonesia	インドネシア	309.75	589.5	279.75	90.3	807
Italy	イタリア	631.7	785	153.3	24.3	790.5
Japan	日本	413.7	546.9	133.2	32.2	560.9
Kenya	ケニア	45	45	-	-	121
Mexico	メキシコ	753	755	2	0.3	953
New Zealand	ニュージーランド	286	437	151	52.8	421.3
Nicaragua	ニカラグア	70	70	-	-	77.5
Papua New Guinea	パプア・ニューギニア	-	-	-	-	6
Philippines	フィリピン	1,227	1,909	682	55.8	1,931
Portugal	ポルトガル	5	16	11	220	16
Russia	ロシア	11	23	12	109	73
Thailand	タイ	0.3	0.3	-	-	0.3
Turkey	トルコ	20.4	20.4	-	-	20.4
USA	米国	2,816.7	2,228	-	-	2,020
Total	合計	6,833.35	7,972.5	1,728.54	16.7	8,402.21

　開発途上国における地熱利用の伸びは注目に値します。1975年から1979年の5年間でこれらの国々での設備容量は75 MWe から462 MWeに，1984年までの次の5年間では1,495 MWeに達しています。伸び率に換算するとそれぞれ500 ％と 223％になります (Dickson and Fanelli, 1988) 。さらに1984年から2000年の16年間では150 ％増加しています。地熱発電が電力供給の上で主要な役割を果している国もあります。例えば2001年において，フィリピンでは地熱発電量の国の全発電電力量に占める割合が27 ％，ケニアでは12.4 ％，コスタリカでは11.4 ％，エルサルバドルでは4.3 ％になっています。

　表2は地熱直接利用の2000年における各国の設備容量とエネルギー量を示したものです。全世界ではそれぞれ 15,145 MWt, 190,699 TJ/yrとなっています。本表は報告のあった58カ国について記載してありますが，1995年には報告が28カ国，1985年には24カ国であったことを考えると，地熱の直接利用を行っている国，設備容量，利用エネルギー量の全てが近年増加していることがわかります。

　直接利用の利用形態を設備容量順に並べると，ヒートポンプ (34.80 ％) ，浴用 (26.20 ％) ，暖房 (21.62 ％) ，温室 (8.22 ％) ，水産 (3.93 ％) ，工業 (3.13 ％) の順になります (Lund and Freeston, 2001) 。

Country	国名	設備容量 (MWt)	エネルギー利用量 (TJ/yr)
Algeria	アルジェリア	100	1,586
Argentina	アルゼンチン	25.7	449
Armenia	アルメニア	1	15
Australia	オーストラリア	34.4	351
Austria	オーストリア	255.3	1,609
Belgium	ベルギー	3.9	107
Bulgaria	ブルガリア	107.2	1,637
Canada	カナダ	377.6	1,023
Caribbean Islands	カリブ諸島	0.1	1
Chile	チリ	0.4	7
China	中国	2,282	37,908
Colombia	コロンビア	13.3	266
Croatia	クロアチア	113.9	555
Czech Republic	チェコ共和国	12.5	128
Denmark	デンマーク	7.4	75
Egypt	エジプト	1	15
Finland	フィンランド	80.5	484
France	フランス	326	4,895
Georgia	グルジア	250	6,307
Germany	ドイツ	397	1,568
Greece	ギリシャ	57.1	385
Guatemala	グァテマラ	4.2	117
Honduras	ホンジュラス	0.7	17
Hungary	ハンガリー	472.7	4,086
Iceland	アイスランド	1,469	20,170
India	インド	80	2,517
Indonesia	インドネシア	2.3	43
Israel	イスラエル	63.3	1,713
Italy	イタリア	325.8	3,774
Japan	日本	1,167	26,933
Jordan	ヨルダン	153.3	1,540
Kenya	ケニア	1.3	10
Korea	韓国	35.8	753
Lithuania	リトアニア	21	599
Macedonia	マケドニア	81.2	510
Mexico	メキシコ	164.2	3,919
Nepal	ネパール	1.1	22
Netherlands	オランダ	10.8	57
New Zealand	ニュージーランド	307.9	7,081
Norway	ノルウェー	6	32
Peru	ペルー	2.4	49
Philippines	フィリピン	1	25
Poland	ポーランド	68.5	275
Portugal	ポルトガル	5.5	35
Romania	ルーマニア	152.4	2,871
Russia	ロシア	308.2	6,144
Serbia	セルビア	80	2,375
Slovak Republic	スロバキア	132.3	2,118
Slovenia	スロベニア	42	705
Sweden	スウェーデン	377	4,128
Switzerland	スイス	547.3	2,386
Thailand	タイ	0.7	15
Tunisia	チュニジア	23.1	201
Turkey	トルコ	820	15,756
United Kingdom	英国	2.9	21
USA*	米国	3,766	20,302
Venezuela	ベネズエラ	0.7	14
Yemen	イエメン	1	15
Total	合計	15,145	190,699