クローズドサイクル地熱開発システムにおけるCO2と水の熱伝達性能に関する数値シミュレーション比較
Comparative Numerical Simulation on Heat Transfer Performance of CO2 and Water in Closed-Cycle Geothermal Development Systems
中国の「双炭」戦略を受け、地下水採取なしで熱を抽出できる利点から、中深度クローズドサイクル地熱エネルギーが主流のクリーン暖房技術となっている。しかし、単一井戸あたりの熱出力が低く、作動流体と坑井の間のマッチングメカニズムが不明確であることが、大規模応用を制限している。山東省徳州市の砂岩地熱貯留層を対象に、CO2と水の熱伝達特性を比較するため、COMSOL Multiphysicsを用いて坑井・貯留層の3次元連成熱伝達モデルを構築した。結果として、水の熱抽出性能は注入温度に大きく依存し、分岐井戸と相性が良く、長期開発における貯留層の熱枯渇を遅延させる。一方、CO2の性能は質量流量に敏感で、連結井戸に適しており、高流量では「冷却された注入帯と加熱された生産帯」を持つ非対称な地熱場を形成する。比熱容量の低さから、CO2は同一流量では熱出力が低いが、流量を水の2倍にすれば同等の熱量が得られる。本研究は、2つの作動流体に対する適切な開発スキームを明確にし、山東省北西部の砂岩貯留層におけるクローズドサイクル地熱システムの最適化開発に理論的参照を提供する。
- 山東省徳州市の砂岩地熱貯留層を対象に、COMSOL Multiphysicsを用いて坑井・貯留層の3次元連成熱伝達モデルを構築し、CO2と水のクローズドサイクル地熱開発における熱伝達性能を比較した。
- 水は注入温度に依存し分岐井戸と相性が良く貯留層の熱枯渇を遅延させる一方、CO2は質量流量に敏感で連結井戸に適し、流量を水の2倍にすれば同等の熱量が得られることを示した。
クローズドサイクル地熱システムは地下水採取を伴わないクリーン暖房技術として中国の「双炭」戦略下で需要が高まっており、本件はCO2と水の作動流体選定に関する具体的な数値シミュレーション結果を示した点で地熱開発の設計最適化に資する。投資家視点では、単井戸あたりの熱出力向上と大規模適用の障壁解消に関する技術的裏付けが得られた点が注目に値する。特に、作動流体と坑井形態(分岐井戸vs連結井戸)のマッチングに関する知見は、今後の地熱プロジェクトの設備投資効率に直接影響する。