深部貯留層システムにおける水と加圧CO2を用いた地熱エネルギー抽出の熱・水・力学モデリング
Thermo-Hydro-Mechanical Modeling of Geothermal Energy Extraction Using Water and Pressurized CO2 in Deep Reservoir Systems
既存の坑井システムを用いた地熱エネルギー抽出は持続可能な熱利用に有望なアプローチであるが、異なる作動流体に伴う長期的な熱・水・力学(THM)応答は十分に理解されていない。本研究では、同一の地質および運用条件下で、水と加圧CO2を用いた地熱熱抽出を比較するため、3次元連成THMモデルを開発した。このモデルは、ダルシーの流れ、熱伝達、線形弾性変形を統合し、100年間の運用期間における水理、熱、力学場の進化を調査する。結果として、水理場は急速に準定常状態に達する一方、熱応答は注入井からの冷front伝播により継続的に進化することが示された。水と比較して、加圧CO2はより強い流体移動度を示し、より大きな熱影響領域を生成し、同じ質量流量条件下で異なる熱抽出特性をもたらす。熱冷却は貯留層の収縮と応力再配分を誘発するが、計算された応力と変位の変化はシミュレーション期間を通じて安定範囲内に留まる。この比較により、加圧CO2は調査条件下で許容可能な地殻力学的安定性を維持しながら、長期的な熱利用を強化できることが示された。これらの発見は、坑井ベースの地熱システムにおける作動流体の選択に洞察を与え、長期的な貯留層性能評価における連成THM評価の重要性を強調する。
- 既存坑井システムを用いた地熱エネルギー抽出において、水と加圧CO2を比較する3次元連成THM(熱・水・力学)モデルが開発された。
- 加圧CO2は水と比較してより強い流体移動度を示し、同じ質量流量条件下でより大きな熱影響領域と異なる熱抽出特性をもたらすことが示された。
- 100年間のシミュレーションにおいて、加圧CO2は許容可能な地殻力学的安定性を維持しながら長期的な熱利用を強化できることが示された。
本研究は、既存坑井を用いた地熱エネルギー抽出において、水と加圧CO2の作動流体比較を100年規模の数値シミュレーションで評価した点が重要。特に加圧CO2が地殻力学的安定性を維持しながら熱抽出効率を向上させる可能性を示しており、先進地熱システムにおける作動流体選定の設計指針として価値がある。ただし、これは学術的なモデリング研究であり、実証段階ではなく即座の投資判断に直結する事業進展ではないため、長期的な技術動向として注視すべき水準と評価できる。