熱水貯留層からの水ベース熱抽出のマルチフィジックスモデリングと微視的分析
Multiphysics Modeling and Microscopic Analysis of Water-Based Heat Extraction from Hot Dry Rock Reservoirs
化石燃料資源の不足を補うため、地熱開発の熱伝達効率向上と適切な開発戦略の採用が求められている。本研究では、熱水貯留層の地質特性に合わせた流体-構造連成モデルを開発し、貯留層岩石と循環熱媒体間の熱交換をシミュレーションする。分子動力学と流体力学の補完的な視点から、熱媒体の物性(化学組成、水素イオン濃度)と流体-岩石相互作用が熱伝達効率に大きく影響することが示された。特に、流体のpHが4を超えると、出口圧力と流速が顕著に増加する。また、貯留層の空隙率や岩石の極性などの地質学的パラメータは、浸透プロセスと界面分子相互作用を通じて出口挙動を変化させる。空隙率が高く、極性が強いほど浸透と鉱物-流体吸着が増加し、地熱抽出に悪影響を与える。熱媒体と貯留層岩石間の分子間引力も特徴付けられ、特定の電気伝導度要件を持つ貯留層に最適な流体組成を設計するための参照フレームワークを提供する。
- 熱水貯留層の地質特性に合わせた流体-構造連成モデルを開発し、貯留層岩石と循環熱媒体間の熱交換をシミュレーション。分子動力学と流体力学の両面から熱伝達効率の支配要因を分析した。
- 熱媒体の物性(化学組成・水素イオン濃度)と流体-岩石相互作用が熱伝達効率に大きく影響することを確認。特に流体のpHが4を超えると出口圧力と流速が顕著に増加する。
- 貯留層の空隙率や岩石の極性といった地質学的パラメータは、浸透プロセスと界面分子相互作用を通じて出口挙動を変化させる。空隙率が高く極性が強いほど浸透と鉱物-流体吸着が増加し、地熱抽出に悪影響を与える。
- 熱媒体と貯留層岩石間の分子間引力を特徴付け、特定の電気伝導度要件を持つ貯留層に最適な流体組成を設計するための参照フレームワークを提示。
地熱発電の熱抽出効率を左右する物理・化学条件を、分子動力学と流体-構造連成モデルで定量化した研究。特に「熱媒体のpHが4を超えると出口圧力と流速が顕著に増加する」という設計指針は、掘削後の流体組成調整や薬剤設計という実務的な最適化レバーを示しており、先進地熱(EGS/熱水貯留層開発)の採熱量=発電収益に直結する。空隙率が高く極性が強い貯留層では鉱物-流体吸着で抽出が悪化するという知見は、貯留層選定・サイト評価のリスク要因として投資判断に使える。事業会社にとっては、同一の貯留層でも流体化学の制御次第で出力が変わり得ることを意味し、キャッシュフロー予測の前提を左右する。