冷たい地域暖房

寒冷地域暖房ネットワークの概略機能

冷暖房地域暖房は、地域暖房ネットワークの技術的な変種であり、従来の地域暖房システムよりもはるかに低い伝送温度で動作し、暖房と冷房の両方を提供できます。伝送温度は約10～25℃（50～77℉）の範囲が一般的で、異なる消費者が同時に、かつ独立して暖房と冷房を行うことができます。温水は水ヒートポンプによって生成され、建物は暖房されます。水ヒートポンプは暖房ネットワークから熱エネルギーを取得します。一方、冷房は冷暖房ネットワークを介して直接、または必要に応じてチラーを介して間接的に提供されます。冷暖房地域暖房は、アネルギーネットワークと呼ばれることもあります。科学用語では、このようなシステムの総称は第5世代地域冷暖房です。完全に再生可能エネルギーで運用できる可能性があり、同時に風力タービンと太陽光発電システムの変動する発電量のバランスをとることにも貢献するため、冷暖房地域暖房ネットワークは、持続可能で温室効果ガスや排出ガスのない可能性のある熱供給の有望な選択肢と考えられています。

条項

2019年現在、ここで解説する第5世代熱供給ネットワークには統一された名称が与えられておらず、その一般的な技術概念についても様々な定義が存在します。英語の技術文献では、低温地域暖房・冷房（LTDHC）、低温ネットワーク（LTN）、冷温地域暖房（CHD）、アネルギーネットワークまたはアネルギーグリッドといった用語が用いられています。また、一部の文献では「温暖」地域暖房ネットワークの定義において定義上の矛盾が生じています。これは、低温地域暖房・冷房と超低温地域暖房を第4世代地域暖房のサブフォームと見なす著者がいるためです。さらに、いわゆる低熱源ネットワークの定義では、これらを第4世代と第5世代の両方に分類することが可能です。[ 1 ]

歴史

最初の冷暖房ネットワークの一つは、フルカベーストンネルからの浸透水を熱源として利用している。

最初の冷房地域暖房網は、ドイツのオーバーフランケン地方アルツベルクの暖房網です。現在閉鎖されているアルツベルク発電所では、タービン凝縮器と冷却塔の間から冷却されない冷却水が取り出され、様々な建物に配管され、ヒートポンプの熱源として利用されていました。この熱源は、学校やプールに加え、様々な住宅や商業施設の暖房にも利用されていました。[ 2 ]

1979年には、ヴルフェンで非常に初期の施設が稼働しました。そこでは、地下水から得られた熱エネルギーが71棟の建物に供給されました。そして1994年には、繊維会社という産業企業の廃熱を利用した最初の冷暖房ネットワークが開設されました。同じく1994年には（ペレグリーニとビアンキーニによれば、1991年には既に[ 3 ] ）、スイスのオーバーヴァルト村に、フルカ地下トンネルの浸透水を利用した冷暖房ネットワークが建設されました[ 1 ]。

2018年1月現在、欧州では合計40の計画が稼働しており、ドイツとスイスでそれぞれ15件ずつ稼働している。これらのプロジェクトのほとんどは、熱出力が数百kWthから数MWのパイロットプラントであり、最大のプラントは約10MWthの出力を誇っていた。2010年代には、毎年約3件のプラントが追加されていった。[ 1 ]

コンセプト

冷熱ネットワークは、非常に低い温度（通常10～25℃）で運転される熱ネットワークである。様々な再生可能な熱源から供給され、熱と冷気を同時に生成することができる。運転温度では温水と暖房熱の生成には不十分であるため、消費者側の温度はヒートポンプによって必要なレベルまで上昇する。同様に、冷熱を生成することができ、廃熱は暖房ネットワークに送り返すことができる。このように、接続された消費者は単なる顧客ではなく、状況に応じて熱を消費または生成できるプロシューマーとして機能することもできる。 [ 1 ]

冷温地域暖房ネットワークの概念は、地下水ヒートポンプとオープンループヒートポンプに由来する。前者は主に個々の住宅への供給に用いられるが、後者は暖房と冷房の両方のニーズがあり、これらのニーズを並行して満たさなければならない商業ビルに多く見られる。冷温地域暖房は、この概念を個々の住宅地や地区にまで拡張する。通常の地熱ヒートポンプと同様に、冷温地域暖房ネットワークは、熱源と加熱温度の温度差が小さいため、空気ヒートポンプよりも効率的に運転できるという利点がある。さらに、地熱ヒートポンプと比較すると、冷温地域暖房ネットワークには、スペースの問題で地熱ヒートポンプの使用が制限されることが多い都市部でも、中央蓄熱システムを介して季節ごとに熱を蓄えることができるという利点がある。さらに、建物ごとに異なる負荷プロファイルによって、暖房と冷房の要件のバランスをとることができる場合もある。[ 1 ]

冷暖房地域暖房は、異なる種類の建物（住宅、商業施設、スーパーマーケットなど）があり、暖房と冷房の両方の需要がある場合に特に適しており、短期または長期にわたってエネルギーバランスをとることができます。 また、季節蓄熱システムを使用すると、エネルギーの供給と需要のバランスをとることができます。 さまざまな（廃）熱源を使用し、熱源とヒートシンクを組み合わせることで、相乗効果も生まれ、熱供給を循環型経済の方向へさらに発展させることができます。 さらに、冷暖房ネットワークの動作温度が低いため、通常は利用しにくい低温廃熱を簡単にネットワークに供給できます。 同時に、動作温度が低いため、暖房ネットワークの熱損失が大幅に削減され、特に熱需要が少ない夏場のエネルギー損失が抑えられます。 ヒートポンプの年間パフォーマンス係数も、特に空気熱源ヒートポンプと比較して比較的高くなっています。 2018年までに稼働した40のシステムを対象とした調査では、調査対象となったシステムの大多数でヒートポンプの季節COPが少なくとも4に達し、最高の季節COP値は約6であったことが示された。[ 1 ]

技術的には、冷熱ネットワークはスマート熱ネットワークの概念の一部です。[ 1 ]

コンポーネント

熱源

冷暖房ネットワークは、産業や商業ビルからの廃熱の利用に最適です。

冷暖房ネットワークのエネルギー供給源として、様々な熱源を利用することができます。特に、地中熱、水熱、商業・産業廃熱、太陽熱、大気などの再生可能エネルギー源は、個別に、あるいは組み合わせて利用することができます。 [ 1 ]冷暖房ネットワークは一般的にモジュール設計になっているため、ネットワークがさらに拡張されるにつれて、新しい熱源を徐々に開発することができ、より大規模な暖房ネットワークに様々な熱源から電力を供給することができます。[ 4 ]

実際には、ほぼ無尽蔵の熱源としては、海水、河川、湖沼、地下水などがある。2018年1月時点で欧州で稼働中の40の冷熱ネットワークのうち、17が水域または地下水を熱源として利用していた。2番目に重要な熱源は地熱エネルギーである。これは通常、垂直ボーリング孔熱交換器を用いた地熱ボーリング孔を介して利用される。ただし、農業用熱コレクターなどの表面コレクターを使用することも可能です。この場合、水平コレクターは農地に1.5～2mの深さ、つまり農業機械の作業深度より下に設置され、必要に応じて土壌から熱を取り出すことができます。さらなる農業利用を可能にするこのコンセプトは、例えばドイツのヴュステンロートの冷熱ネットワークで実現されています。[ 1 ]

さらに、トンネルや廃炭鉱から地熱エネルギーを抽出する冷暖房ネットワークがあります。工業および商業企業からの廃熱も利用できます。たとえば、アウリッヒとヘルフォルドの2つの冷暖房ネットワークは酪農場の廃熱を利用しており、スイスの別の工場はバイオマス発電所の廃熱を利用しています。また、別の冷暖房ネットワークは繊維会社の廃熱を利用しています。その他の熱源としては、太陽熱エネルギー（特に地熱源の再生と貯蔵タンクの充填用）、環境熱を利用する大型ヒートポンプ、下水道、熱電併給発電所、および他の熱源をサポートするためのバイオマスまたは化石燃料のピーク負荷ボイラーなどがあります。冷暖房ネットワークは動作温度が低いため、太陽熱システム、コージェネレーションユニット、廃熱回収がこれらの条件下で最大効率で動作できるため、特に有利です。同時に、冷暖房ネットワークは、スーパーマーケットやデータセンターなどの廃熱を利用する産業および商業企業が、冷暖房ネットワークの温度レベルでヒートポンプなしで直接熱供給できるため、大きな投資リスクなしに熱エネルギーをグリッドに供給することを可能にします。[ 1 ]

従来の地域暖房ネットワークの戻り配管も、別の熱源となり得る。[ 1 ]冷暖房ネットワークの運転温度が土壌温度よりも低い場合、ネットワーク自体も周囲の土壌から熱を吸収することができる。この場合、ネットワークは一種の地熱集熱器として機能する。[ 5 ]

季節蓄熱

地熱集熱器の機能。これらの集熱器は季節的な蓄熱にも使用できます。

季節蓄熱方式による蓄熱は、冷暖房システムの重要な要素である。[ 4 ]熱の生産と消費の季節変動を均衡させるため、多くの冷暖房システムは季節蓄熱方式を採用している。これは、消費者/生産消費者の構造上、熱と冷房の需要がほぼ均衡しない場合や、年間を通じて十分な熱源がない場合に特に適している。帯水層貯留層やボーリングフィールドを介した蓄熱は非常に適している。[ 1 ]これらにより、例えば冷房などの夏の半年間における余剰熱だけでなく、他の熱源からの熱も蓄熱し、地中を温めることができる。暖房期間中は、このプロセスが逆転し、温められた水がポンプで汲み上げられ、冷暖房ネットワークに供給される。[ 3 ]ただし、他のタイプの蓄熱も可能です。例えば、フィッシャーバッハの冷暖房ネットワークでは氷蓄熱が使用されている。[ 1 ]

熱ネットワーク

冷温局所暖房システムは、様々なネットワーク構成が可能です。大まかに分けると、水が供給され、ネットワークを通過してそれぞれの消費者に供給され、最終的に環境に放出されるオープンシステムと、キャリア流体（通常は塩水）が回路内を循環するクローズドシステムに分けられます。また、これらのシステムは、使用されるパイプラインの数によっても区別されます。それぞれの条件に応じて、1本から4本のパイプによる構成が可能です。

  • 単管システムは通常、表面水または地下水を熱源として使用し、暖房ネットワークを流れた後に環境に放出するオープンシステムで使用されます。
  • 2管式システムでは、2本の配管が異なる温度で運転されます。暖房運転時には、2本のうち温度の高い方の配管が消費者のヒートポンプの熱源として機能し、温度の低い方の配管はヒートポンプによって冷却された熱伝達媒体を吸収します。冷房運転時には、温度の低い方の配管が熱源として機能し、ヒートポンプによって生成された熱が温度の高い方の配管に供給されます。
  • 3管式システムは2管式システムと同様に機能しますが、より温水で運転される3本目のパイプも備えているため、（少なくとも床暖房など流量温度が低い暖房システムの場合）ヒートポンプを使用せずに暖房を行うことができます。熱は通常、熱交換器を介して伝達されます。使用後は、温度に応じて、より温水側またはより冷水側のパイプに熱が戻されます。また、3本目のパイプを冷却パイプとして使用し、熱交換器を介して直接冷却することもできます。
  • 4パイプシステムは、直接加熱と冷却にそれぞれ1本のパイプが接続されている点を除けば、3パイプシステムと同様に機能します。これにより、エネルギーカスケードを実現できます。

一般的に、冷暖房ネットワークの配管は、温水・温水地域暖房システムよりもシンプルで低コストな設計が可能です。運転温度が低いため、熱機械応力が発生しないため、飲料水供給に使用される一般的なポリエチレン管を断熱材なしで使用できます。これにより、迅速かつ費用対効果の高い設置が可能になり、さまざまなネットワーク形状への迅速な適応が可能になります。また、配管の高価なX線検査や超音波検査、個々の配管の溶接、そして接続部品の現場での時間を要する断熱作業も不要になります。しかし、従来の地域暖房配管と比較して、同じ量の熱を輸送するには、より大きな直径の配管を使用する必要があります。また、容積が大きいため、ポンプのエネルギー要件も高くなります。一方、冷暖房地域暖房システムは、接続された建物の熱需要が従来の暖房ネットワークを稼働させるには低すぎる場合にも設置可能です。例えば、2018年には、十分なデータが利用可能な16のシステムのうち9つが、従来の「暖かい」局所暖房システムの経済的運用の下限と考えられている1.2kWの熱出力/mグリッド長さの閾値を下回っていました。[ 1 ]

変電所

水熱源ヒートポンプ

従来の「温水」地域暖房ネットワークと比較して、冷水地域暖房システムの変電所はより複雑で、より多くのスペースを占有するため、より高価です。接続された各消費者または生産者には、ヒートポンプと直接貯湯タンクを設置する必要があります。ヒートポンプは通常、電気駆動の水冷式ヒートポンプとして設計されており、多くの場合、熱交換器によって冷熱ネットワークから物理的に分離されています。ヒートポンプは、住宅を暖房するために必要な温度まで温度を上昇させ、温水を生成します[ 1 ]。しかし、ヒートポンプを使用せずに直接冷房を行う場合を除き、ヒートポンプは住宅の冷房にも使用でき、そこで発生した熱を暖房ネットワークに供給します。加熱要素などのバックアップシステムを設置することもできます。暖房システム用の蓄熱タンクを設置することで、ヒートポンプをより柔軟に運用できます[ 3 ] 。このような蓄熱タンクは、ヒートポンプを小型化するのに役立ち、設置コストを削減します[ 4 ] 。

将来のエネルギーシステムにおける役割

冷熱地域暖房システムを含む低温暖房ネットワークは、エネルギーシステム変革と気候変動緩和の観点から、熱供給の脱炭素化の中心的な要素とみなされている。[ 6 ]地域暖房システムは、個別の暖房システムと比較してさまざまな利点がある。たとえば、システムの効率が高いこと、熱電併給が可能なこと、これまで利用されていなかった廃熱を活用できることなどが挙げられる。[ 5 ]さらに、再生可能エネルギー源の利用を増やし[ 3 ]、熱生成における一次エネルギー要件と地域排出量を削減するための重要なアプローチと見なされている。冷熱ネットワークに供給するための燃焼技術を廃止することで、二酸化炭素排出量と地域汚染物質の排出を完全に回避できる。[ 1 ]冷熱ネットワークは、将来、再生可能エネルギー源から100%供給される熱ネットワークを構築する機会としても見られている。[ 4 ]

熱部門の広範な電化はセクターカップリングの中心的な要素である

もう一つの有望なアプローチは、冷暖房システムと他のヒートポンプ暖房システムをセクターカップリングに活用することです。つまり、電力熱交換技術は、一方では暖房に電気エネルギーを使用し、他方では暖房セクターが電力セクターにおける変動するグリーン電力生産を補うためのシステムサービスを提供するのに役立ちます。このように、冷暖房ネットワークはヒートポンプを介して負荷制御に貢献し、他の蓄熱システムと組み合わせることで供給の安全性を確保するのに役立ちます。[ 5 ] [ 1 ]

供給対象の建物の屋根に太陽光発電システムが設置されている場合、ヒートポンプに必要な電力の一部を消費者の屋根から得ることも可能です。例えば、ヴュステンロートにはPlusEnergyの住宅が20棟建設されており、いずれも太陽光発電システム、太陽電池、蓄熱タンクを備えており、ヒートポンプの柔軟な運用を通じて最大限の自給自足を実現しています。[ 7 ]

注記

  1. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q Simone Buffa; et al. (2019)、「第5世代地域暖房・冷房システム：欧州における既存事例のレビュー」、Renewable and Sustainable Energy Reviews、第104巻、pp.  504– 522、doi : 10.1016/j.rser.2018.12.059
  2. ^ Leonhard Müller: Handbuch der Elektrizitätswirtschaft: Technische, wirtschaftliche und rechtliche Grundlagen。ベルリン/ハイデルベルク、1998、p 266f。
  3. ^ a b c d Marco Pellegrini; Augusto Bianchini (2018)、「冷暖房地域ネットワークの革新的なコンセプト：文献レビュー」、Energies、vol. 11、p. 236、doi : 10.3390/en11010236、hdl : 11585/624860
  4. ^ a b c d Stef Boesten; et al. (2019)、「再生可能な都市熱エネルギー供給のためのソリューションとしての第5世代地域暖房・冷房システム」、Advances in Geoscience、vol. 49、pp. 129–136、Bibcode : 2019AdG....49..129B、doi : 10.5194/adgeo-49-129-2019
  5. ^ a b c Marcus Brennenstuhl他 (2019)「低温DHCネットワーク、新規農業熱源、応用需要応答を備えたプラスエネルギー地区に関する報告書」応用科学、第9巻、第23号、p. 5059、doi : 10.3390/app9235059
  6. ^ Dietmar Schüwer (2017)、「Konversion der Wärmeversorgungsstrukturen」(PDF)、Energiewirtschaftliche Tagesfragen (ドイツ語)、vol. 67、いいえ。 11、21  ～ 25ページ
  7. ^ Laura Romero Rodríguez他 (2018)、「ヒートポンプによる需要応答への貢献：プラスエネルギー住宅の事例研究」『応用エネルギー』第214巻、  191～ 204頁、doi : 10.1016/j.apenergy.2018.01.086、hdl : 11441/76023

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