地熱システム

1.4.2 地熱システムの特徴と利用

地熱システムは、熱源、熱吸収源、熱交換器の3つの主要コンポーネントから構成されています。 通常、熱源は地中であり、熱吸収源は建築物（一般的には構造物）である。 しかし、その逆もあり得る。つまり、熱源は建築物であり、ヒートシンクは地面である。

熱源またはシンクである熱リザーバーとして地面を利用することは、長い歴史的な発展の結果であり、しばしば間接的な考察に基づいてのみ対処することができる（Cataldi, 1999）。 以下、そのタイプの初期の発展例をいくつか挙げる。 シュメール時代やアッカド時代には、地上の温度条件との親和性を考慮して、氷（および食料）を貯蔵するためのヒートシンクとして、地下に一部または全部を建設したいわゆる「氷室」が採用された（例えばDalley, 2002）。 旧石器時代や古代ローマ時代には、地下に温水源（温泉など）があったことから、地中が入浴や暖房のための熱源として利用されていた（例えば、Armstead, 1973）。 1904年には、イタリアのPiero Ginori Conti王子によって最初の地熱発電所が建設され、地中が発電のための熱源として利用されました（Lungonelli、2003など）。

地熱システムの大きな特徴の1つは、地中から採取した熱エネルギーをそのシステムを通じて使用する方法です。 浅い地熱システムでは、通常、地熱エネルギーの間接的な利用が行われる。 浅い地熱システムでは、地中と対象環境との間で入力されるエネルギーを変化させる（強める、減らす）機械や装置、およびその間を熱媒体流体が流れる（熱交換する）機械や装置が採用される。 深層地熱システムでは、間接的な利用を目的としない場合、地熱エネルギーを直接利用することができる。

浅い地熱システムは、25℃以下の地下の温度を利用して、暖房、冷房、温水を供給するために使用することができます。 これらのシステムは、ほとんどすべての地理的な場所での小規模および家庭での使用に適している。 深層地熱システムは、25℃以上200℃以下の地下の温度を利用して、暖房や温水、電力を供給することができます。

先に提案した地熱システムの分類に加えて、これらのシステムを特徴づけるために、熱交換器に閉ループと開ループがあるかどうかという基準もよく使われる。 この基準に基づいて、地熱発電システムはほとんどの場合、閉ループと開ループのどちらかに分類される。 クローズドループシステムは、密閉されたパイプを循環する水性混合物を使用して、地面から上部構造へ、またはその逆方向へ熱を移動させるものである。

閉ループと開ループの決定的な違いは、前者とは対照的に後者のシステムでは物質交換が行われ、熱伝達がより有利に行われることである。 しかし、オープンループシステムは、最も高いエネルギー収量を提供するものの、より大きな資金投入を必要とし、例えば地下汚染などに関する技術的リスクがある（Boënnec, 2008）。 クローズドループシステムは、地面との物質交換がないため、環境リスクと鉱物の沈殿の問題を最小限に抑え、採掘許可を得る必要もない（Narsilio et al.） 浅瀬の地熱システムには、オープンループとクローズドループがある。

図1.11に、浅い地熱と深い地熱の典型的な例を示す。 典型的な浅い地熱システムは、水平地熱ボアホール、地熱バスケット、地下水捕捉システム、垂直地熱ボアホール、エネルギー地質構造物である。 典型的な深部地熱システムは温泉、熱水システム、石油熱システムである。

Figure 1.11.

Modified after Geothermie Schweiz.

Horizontal geothermal boreholes are the most shallow type of geothermal systems.地熱システムの水平ボーリングは、最も浅いタイプの地熱システムです。 このシステムは通常、建物の横の深さ数メートル(z=2-5 mの深さ)の地中に、ポリエチレン製の密閉パイプを水平に耕したり掘ったりして構成されています。 パイプの中では熱媒体が循環しており、地中の熱（主に太陽熱）を交換することができるため、特に住宅や農業、養殖業などでの暖房に利用されている。

地熱バスケットは、水平地熱ボアホールよりもコンパクトなシステムで、同様の目的に使用することができる。 これらのシステムは通常、数メートルの深さ（深さz= 2-10 m）から地中に埋設され、熱媒流体が流れる螺旋状の形状に固定されたポリエチレン製の閉管で構成されています。 スパイラルコイルが建物の隣の地表水貯水池に設置される応用も可能であるが、そのような貯水池は、システム運用にとって問題となる条件、たとえば貯水池水の凍結、したがってパイプ内の循環熱媒体流体の凍結を避けるために十分深い位置にあることが条件である。 これらのシステムは、水文学的、地質学的、環境的な制約がない場合に適用することができる。 一般的には、地下水中の熱エネルギーを利用した暖房に使われる。 小規模な建造物では、1本の井戸を使用することができる。 大規模な建造物では、通常2本の井戸が必要である。

垂直地熱ボアホールは、ポリエチレン製の密閉パイプを建物の下または横に、これまでの用途よりも深い深さ（z=50～300 m）まで垂直に埋め込んだものである。 通常、地中とパイプの間の熱交換を促進するために、ボーリング孔内に充填材（ベントナイトなど）が設置される。 パイプ内を循環する熱媒体流体により、暖房、冷房、蓄熱、温水製造などの目的で、様々な種類の建築物に熱交換を行うことができる。 小規模な住宅であれば、1本のボーリング孔で供給することができます。 大規模な建築物に熱エネルギーを供給する場合は、ボーリング場が必要です。 垂直方向の地熱ボアホールでは、深度の浅い地熱システムよりも高いエネルギー入力が可能であり、地面の温度レベルが高くなるためです。

エネルギー地熱構造は、（深さz=10-50 mから）地面と接触するあらゆる構造物の構造支持の役割と浅い地熱システムの熱交換器の役割をカップリングする新しい地熱システムで、以前に説明したシステムと同等かそれ以上に好ましい結果をもたらす。 これらのシステムは、地下の比較的深い場所（深さ500-1000m）にある高温の地下水貯留層に囲まれた開放井を使用している。

水熱システムは、大規模な暖房アプリケーションを実現するために十分な温度と熱エネルギーが存在する深さ（深さ1000～4000m）から、開放井を通して地下水を取り出します。

地中熱システムもまた、開放井を通して地下水を抽出しますが、水熱システムよりも深い深度（深度4000～6000m）から抽出します。 この深さの水中に存在する温度と熱エネルギーは、大規模な電力の生産と供給に利用することができる

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