二酸化炭素地下貯留に関する大規模シミュレーション技術の開発

山本 肇*1・Keni Zhang*2・唐崎 建二*2・丸井 敦尚*3

二酸化炭素の地下貯留は,火力発電所や製鉄所などの排出ガスから分離・回収した二酸化炭素を,ボーリング孔を通じて地下深部の帯水層などへ圧入して,長期間貯留するものであり、近年,地球温暖化対策としての有効性が世界的に認知されつつある。しかし,大量の二酸化炭素を連続的かつ大規模に圧入すると,二酸化炭素のプリューム本体が帯水層内に安定的に留まるとしても,帯水層から相当量の地下水が押し出され,生活圏に近い浅部の地下水流動や水質に影響を与える可能性がある.この大規模圧入による周辺環境影響を評価するためには,二酸化炭素の地中挙動だけでなく,広域地下水流動も含めた総合的かつ大規模な解析が必要である.しかし現状では,解析モデルの強い非線形性のため,数万~10万グリッドが実用的な計算の限界である。本研究では,100万~1000万グリッド以上の大規模計算を実現するため,並列シミュレータTOUGH2 MPを用いた計算システムを構築し,関東平野南部を対象に地表地形や地層構造を組み込んだ高解像度の水理地質構造モデルを作成し、仮想的な大規模圧入時に生じる広域地下水環境影響を数値シミュレーションにより検討した.その結果,今回の約100万グリッドのモデルであれば,当社が保有する並列計算機(SGI ONYX 3800, 64GFlops)を用いて1~2日程度で実用的に計算でき、従来は困難であった二酸化炭素の地中挙動と広域地下水流動の相互作用の解析が,高解像度の地形・地質モデル上で統合的に可能なことが分かった。

キーワード: 地下水,二酸化炭素,地下貯留,並列計算,大規模シミュレーション

*1 技術センター土木技術研究所地盤・岩盤研究室
*2 米国エネルギー省 ローレンスバークレー国立研究所
*3 (独)産業技術総合研究所 地圏資源環境研究部門

Massively Parallel Computing System for Geologic Storage of CO2

Hajime YAMAMOTO *1, Keni ZHANG *2, Kenzi KARASAKI *2 and Atsunao MARUI *3

Geologic storage of CO2 in deep saline aquifers is an effective way to reduce greenhouse gases in the atmosphere. Carbon dioxide from large-scale emission sources, such as power plants, is captured and injected via boreholes into deep aquifers. The large-scale injection of CO2 into a virgin aquifer will push an equivalent volume of water out of the deep aquifer and into shallower aquifers, possibly changing the subsurface groundwater environment (regional flow regime and/or water quality). In this study, the impact of CO2 geologic storage on regional groundwater systems is explored by means of numerical simulations. Assuming a hypothetical storage site under Tokyo Bay, we performed numerical simulation of a large-scale CO2 injection (1,000 Mt/year) into a three-dimensional hydrogeological model of the Southern Kanto Plain with a million gridblocks. In order to solve such a large-scale model efficiently, we developed a massively parallel computing system with the parallelized multiphase flow simulator, TOUGH2-MP (Zhang et.al, 2003).

Keywords: groundwater, carbon dioxide, geologic storage, parallel computing, large-scale simulation

*1 Soil and Rock Research Section, Civil Engineering Research Institute, Technology Center
*2 Earth Sciences Division, E.O. Lawrence Berkeley National Laboratory, USA
*3 Institute for Geo-Resources and Environment, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology