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Nov 29, 2023

巨大なヒートポンプが都市を温暖化

Un’altra ondata di freddo è arrivata, e lo sono anche i campi della Cornovaglia, nell’Inghilterra sudoccidentale

再び寒波が到来し、イングランド南西部コーンウォールの畑は雪に覆われている。 しかし、風の強い小道を下ると、セリ・シモンズの家はとても暖かいです。 彼女のリビングルームは垂れ下がった植物のジャングルであり、キッチンを通して木張りのスタジオが垣間見え、エアリアルヨガの教師としてのシモンズの仕事が明らかになります。 「暖かい家を持つことは私にとって素晴らしいだけでなく、クライアントにとっても重要なことです」と彼女は言います。

英国本土の最南西端に近く、シモンズ一家が住んでいるスティシアンズという辺鄙な村は、暖房の脱炭素化を目指す競争において、ありそうもないフロンティアとなっている。 同社は、世界中で必要とされる急速な規模拡大の鍵となる可能性のある、低炭素暖房への新しいアプローチを試験的に導入している。

このプロジェクトは、個々の住宅所有者が直面している障害を取り除き、通り、町、都市全体に大規模に導入できるヒートポンプ システムを設計します。 そうすることで、熱システムを迅速かつ効果的に脱炭素化する方法を検討している世界中の都市空間にモデルを提供できる可能性があります。

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現在、英国では 74% の人がガスボイラーを使用して家の暖房を行っており、残りはほとんどが電気ヒーターと石油です。 これにより、暖房部門は英国の温室効果ガス排出量の 3 分の 1 を占めることになり、これはすべてのガソリン車およびディーゼル車の排出量に匹敵します。 米国でも同様の値が見られ、暖房の約半分がガスから供給されています。

地球温暖化を制限するには、これを大幅に変える必要があり、多くの場所で、より多くのヒートポンプを設置することが必要になります。 英国政府の気候諮問機関によると、2030年までに英国の建物の約4分の1が電気暖房を使用して暖房されるはずで、2050年までに52％に増加するという。電気暖房も米国の建物の脱炭素化の鍵となると、同局ディレクターのメリッサ・ロット氏は言う。コロンビア大学のグローバルエネルギー政策センターで研究。 サンフランシスコで行われたある研究では、ヒートポンプが排出削減への「最も影響力のある唯一の手段」であると言及されています。

ヒートポンプは、燃料を燃焼させるのではなく、空気、地面、または水中にすでに存在する熱エネルギーを集中させ、建物のパイプやラジエーターを通して送り出します。

これは驚くべき効率で行われ、1 キロワット (kW) の電気を 3 ～ 5 kW の熱に変換します。これに対し、直接電気ヒーターの場合は 1 kW、ガスボイラーの場合は 0.9 kW です。 これは、実質的に「無料の熱」を提供することを意味するとロット氏は言います。 ただし、すべての暖房システムと同様に、効率は建物が熱損失を最小限に抑えるためにどれだけ断熱されているかによって左右されると彼女は指摘します。

電源が再生可能であれば、ヒートポンプ自体は二酸化炭素を排出しません。 英国では、全国送電網に供給される電力のほぼ半分が再生可能エネルギーによるものですが、米国では 20% です。 両国はこれらの割合の大幅な増加を目指しています。

ここで彼女の家の外で見られるセリ・シモンズのヒートポンプは、現在、道路の下にあるパイプのネットワークからすべての熱と温水を供給しています (クレジット: Evie Townend)

スティシアンの Heat the Streets プロジェクトは、地中熱ヒートポンプがどのように機能するかについてのまったく新しいテンプレートを提供します。

地中熱ヒートポンプは、空気熱源ヒートポンプよりも効率的です。 これは地面の温度が一定しているためです。 ほとんどの地中熱ヒートポンプには垂直配管があり、地中に60～200メートル（200～650フィート）の深さと費用のかかるボーリング穴を掘削する必要があります。 あるいは、地面のはるかに浅いところにある水平ループを使用することもできますが、特に都市では、ほとんどの人が所有していない広い表面積が必要です。

さらに、ヒートポンプの設置は個々の住宅所有者の責任となる傾向があります。 英国のボイラーアップグレード制度やバイデン氏のインフレ抑制法に基づく米国連邦税額控除などの優遇措置にもかかわらず、広範な導入には依然として大きな障壁が存在する。 このテクノロジーに対する理解と認識が不足していることが多く、多額の初期費用と訓練を受けた設置業者が少ないことも相まって、住宅所有者が変更を行うのを妨げる可能性があります。 建築が障壁になることもあります。住宅にはヒートポンプを設置するのに十分な屋外スペースも必要ですが、アパートや密集した都市環境では明らかに不足しています。

しかし、Heat the Streets では、各家庭が 1 台のヒートポンプ用に 1 つのボーリング孔を掘削するのではなく、道路の真下 100 メートル (330 フィート) に掘削された 200 以上のボーリング孔を使用し、道路レベルのすぐ下にある水平の地下パイプの巨大な共同ネットワークに接続しています。ヒートメイン。

無臭、無毒の粘稠な液体であるグリセロールは、ボアホールを垂直に通過して熱を吸収し、それをこれらの水平パイプ内で循環させます。その結果、道路全体に沿った個々の敷地にヒートポンプが供給され、最終的には近隣全体に供給されます。 。

ヒートポンプは、一般的なガスボイラーほどの大きさではなく、不動産の規模、適合性、所有者の好みに応じて、個人の家の屋内または屋外に設置されます。

ヒート・ザ・ストリートのプロジェクト運営マネージャー、マックス・ブリジャー氏によると、コーンウォールの地表からわずか数メートル下の地表は、数千年にわたって太陽光を吸収することで約11度（52度）の一定温度が保たれており、ヒートメインによって回収されるのはこの熱だという。 。

熱損失を最小限に抑えるために建物が断熱されている場合、ヒートポンプはより効率的に動作します (クレジット: sturti/Getty Images)

次に、ヒート ポンプが別の一連の交換、圧縮、蒸発を実行して、温度を約 50 ℃ (122 °F) に上げます。 最後に、この熱は水に伝達され、住宅の特別にアップグレードされたパイプとラジエーターを通してポンプで送られます。

スティシアンズでのネットワーク設置を担当する会社、Kensa Utilities がインフラストラクチャの所有者であり続けます。 居住者にとって、ヒートメインへの接続は、ブロードバンドや水道などの他の公共施設と同様に機能します。 住民は各自のヒートポンプを所有しており、接続料金を払って準備ができたらいつでも接続できます。

「（ガス）ボイラーが故障した場合、単にそれを交換するという代替手段が登場します。しかしこのシステムは、人々が多額のインフラストラクチャ費用を前払いしたり、一度に接続したりする必要がないことも意味します」とブリッジャー氏は言う。

地中熱ヒートポンプは、住宅に必要なすべての暖房と温水を提供し、そこから放出される温室効果ガス排出量を 70% 削減します。 居住者は暖房を完全に制御でき、いつでも好きなときにエネルギー供給会社を切り替えることができます。

シモンズさんの家にはヒートポンプが設置されており、複数の近隣住民とヒートメインを共有していました。 内装と外装の作業には約 1 週間かかりましたが、「実際にそれほど混乱したり騒々しいものではありませんでした」と彼女は言います。 古いリネン戸棚の中にしまってあるこの水シリンダーは、平均的なボイラーとほぼ同じ大きさです。

彼女は最終的に、ナショナルグリッドに電力を販売するために現在設置されているソーラーパネルを使用してヒートポンプに直接電力を供給することを計画しており、そうすれば自宅をほぼ完全に自給自足できるようになるだろうと彼女は言う。

ロンドンのエンフィールドでボーリング孔の掘削装置を操作する作業員。高層マンションに地中熱ヒートポンプを設置している (クレジット: Kensa Utilities)

共用道路の下にヒートメインを埋め込むというこのコンセプトは、決してシモンズのような平屋建ての物件に限定されるものではありません。 ロンドンのエンフィールドにある別の Kensa プロジェクトでは、高層アパートに地中熱ヒートポンプを設置しています。

ヒートメインは、8 つの高層ビルのそれぞれの下、合計 400 戸のアパートの下に開発され、駐車場を使用して必要なボーリング孔を掘削しています。

ブリッジャー氏によると、サービスライザーとして知られる、建物全体に他のユーティリティを輸送するために使用される垂直シャフトにより、スティシアンで使用されている技術が多階建ての建物でも機能することが可能になります。 スペースが狭い場合は、各アパートに「靴箱」ヒートポンプを改造することで、室内に占めるスペースを最小限に抑えながら十分な熱を供給できると同氏は付け加えた。

高層ビルにおけるヒートポンプの将来への注目が世界中で高まっています。 ニューヨーク市では、市内の 6,000 棟の高層ビルを脱炭素化する取り組みの焦点となっているのが空気熱源ヒートポンプです。

現在、これらのほとんどには、建物全体の暖房を制御する単一の大型ガスボイラーが設置されています。 各アパートでは、暖房システムとは別に作動する屋外の窓に取り付けられたエアコン ユニットも使用されています。

2021 年、ニューヨーク市住宅協会は、2024 年から建物の温室効果ガス排出を制限する次期地方法に沿って業界のイノベーションを促進するコンテストである Clean Heat for All Challenge を開始しました。優勝したデザインは次のとおりです。ロット氏によると、この空気熱源ヒートポンプはアパートの窓の根元から「馬のサドルバッグのように」吊り下げられており、光を遮らず、アパート内のスペースも取らないという。

「ヒートポンプの利点は、同じプロセスを逆に使用して、空間の暖房と冷房の両方ができることです」とロット氏は付け加えた。 「これは 2 つの機能を実行する 1 つのモジュール式ユニットです。」

この設計により、アパートが独自の冷暖房を制御できるようになります。 「アパートを自分の快適さに合わせてカスタマイズできるので、冬にアパートの過熱で窓がバタバタと開けられることがなくなるので、より効率的です」とロット氏は言います。

新しいヒートポンプは今年、クイーンズのレンガ造りの建物20棟からなる複合施設ウッドサイド・ハウスで試験的に導入されており、昨冬はハリケーン・アイダの影響で住民が暖房も給湯もできなかった。

地域の送電網インフラをすぐにアップグレードする必要があるとは予想されていませんが、一般的にヒートポンプの使用が増加する場合、電力需要の増加が重要な考慮事項となります。

規制支援プロジェクト（RAP）の欧州プログラム担当ディレクター、ジャン・ローズナウ氏は、英国では今後20～30年で送電網への圧力が2倍、さらには3倍になる可能性があると語る。 「家庭にある大型電池以外に電気を蓄える方法が必要になるだろう」と彼は言う。 フロー電池やグリーン水素など、さまざまな有望な技術があると彼は付け加えた。(重力バッテリーがエネルギー貯蔵問題を解決できるかどうかについて詳しく読んでください)。

ストックホルムの地域暖房ネットワークは、産業規模のヒートポンプやその他の熱源を使用して 80 万世帯に電力を供給しています (クレジット: Christine Olsson/Getty Images)

ある意味、Heat the Streets は、低炭素世界で住宅を暖房するためのもう 1 つの主要なソリューションである地域暖房を活用しています。

リーズ大学の熱の脱炭素化の専門家であるデビッド・バーンズ氏は、本質的に地域熱ネットワークは「施設を繋ぐ空の容器を叩きつけているだけだ」と語る。 「その熱ネットワークに熱エネルギーをどのように取り込むかは、関連していますが別の質問です。」

1970 年代の石油危機中に北欧諸国で地域暖房がブームになりましたが、そのシステムのほとんどは、大規模な熱エネルギー複合プラントで化石燃料を燃やすことによって供給されていました。 それでも、単一の集中システムのこの設計により、何千ものボイラーを「撤去」することなく、かなりの数の家庭を低炭素暖房に切り替えることがはるかに簡単になるとバーンズ氏は言います。

この記事を報道するためにかかった旅行による排出量は 3 kg の CO2 でした。 この記事によるデジタル排出量は、ページ ビューあたり 1.2 グラムから 3.6 グラムの CO2 と推定されます。 この数値の計算方法について詳しくは、こちらをご覧ください。

たとえば、ストックホルムの地域暖房ネットワークには 3,000 km (1,860 マイル) のパイプがあり、現在、家庭廃水、データセンター、海水、焼却されたリサイクル不可能な廃棄物や森林バイオ燃料から熱を回収する産業規模のヒートポンプを使用して、80 万世帯に電力を供給しています。 。

スティシアンの Heat the Streets モデルでは、ヒート ポンプ技術と組み合わせた局所的なネットワークである「第 5 世代地域暖房」を使用しています。 スウェーデンのライズ研究所でエネルギー技術を研究するキャロライン・ハグランド・スティグノール氏は、この種のストリートごとのプロジェクトの利点は、近くにあるエネルギー資源に焦点を当てて最適な組み合わせを実現できることだと語る。 「小さなことから始めて、少しずつ増やしていきます」と彼女は言います。

これにより、ロンドンの地下鉄トンネルからの熱流や古い鉱山の洪水から熱を利用するイズリントンのネットワークなど、より革新的な熱源の方法が可能になる可能性がある。

しかし、英国では地域暖房に関する認識と規制が不足しており、それが普及を遅らせているとバーンズ氏は言う。

英国政府は、熱ネットワークを最適な場所に配置する熱ネットワークゾーンを遅くとも2025年までに指定し、人々が熱ネットワークに接続することを義務付けることを約束している。 これにより、民間投資家が人々が熱ネットワークを利用するという確信が高まるため、これにより熱ネットワーク構築のビジネスモデルが経済的に実行可能になるとバーンズ氏は説明する。

ローズナウ氏によると、この種の大規模工事は、電気自動車の充電ポイント用のケーブルなど、他の基礎工事と連携して混乱を軽減できるという。 しかし、こうした地方レベルでの展開には計画の「抜本的な変更」が必要であり、それは政策や枠組みにはまだ反映されていない、と同氏は付け加えた。

空気熱源ヒートポンプは、集合住宅よりも個人住宅に設置される方がはるかに一般的です (クレジット: Mark Morgan/Alamy)

それでも、地域暖房がどこでも必ずしも正しい答えになるわけではありません。 高温の水を長距離輸送することで生じる熱損失が大きいため、人口密集地域に最適です。

地域暖房はミルウォーキーやボルティモアなど米国の一部の都市ではすでに存在しているが、この国の人口密度は、いくつかの例外を除いて英国や西ヨーロッパのほとんどの地域と同じではないとロット氏は言う。 「米国のほとんどの地域では、個別の建物を暖房することについて話しているため、地域熱供給ネットワークは意味がありません。空気熱源でも地中熱源でも、[個別の]ヒートポンプの方が私たちにとってははるかに優れた選択肢です。」

脱炭素化暖房への道は簡単ではありませんが、コストのハードルを突破できる限り、ヒートポンプは多かれ少なかれ準備が整っており、待っているテクノロジーの1つです。 しかし、エネルギー安全保障、燃料価格、気候に関連した異常気象などに疑問符がつきつつも、シモンズ家の自宅にあるヨガスタジオは、不確実性を乗り切るのに最適な場所のように感じられる。

この記事は、Jan Rosenow からの長期保管ソリューションに関する引用を明確にするために、2013 年 2 月 2 日に更新されました。

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