地熱暖房
地熱暖房

地熱暖房は、地熱エネルギーを暖房用途に直接利用するものです。人類は旧石器時代からこの方法で地熱を利用してきました。2004年には、約70カ国が合計270  PJの地熱暖房を直接利用しました。2007年現在、 世界中で28 GWの地熱暖房設備が設置されており、世界の一次エネルギー消費量の0.07%を賄っています。 [ 1 ] エネルギー変換が不要なため熱効率は高いですが、暖房は主に冬季に必要となるため、設備利用率は低くなる傾向があります（約20%）。

地熱エネルギーは、地球が誕生して以来地球内部に蓄えられている熱、鉱物の放射性崩壊、そして地表で吸収される太陽エネルギーから発生します。 [ 2 ]高温の地熱のほとんどは、火山活動が地表近くまで達するプレート境界付近の地域で採取されます。これらの地域では、地面や地下水の温度が、利用目的の温度よりも高いことがあります。しかし、冷たい地面にも熱は含まれています。6メートル（20フィート）より下では、撹乱されていない地面の温度は常に年間平均気温であり、[ 3 ]この熱は地中熱ヒートポンプで抽出できます。

アプリケーション

2005年に地熱暖房を最も多く利用した国[ 4 ]
国 生産PJ/年 容量GW 容量係数 主な用途
中国 45.38 3.69 39% 入浴
スウェーデン 43.2 4.2 33% ヒートポンプ
アメリカ合衆国 31.24 7.82 13% ヒートポンプ
七面鳥 24.84 1.5 53% 地域暖房
アイスランド 24.5 1.84 42% 地域暖房
日本 10.3 0.82 40% 入浴（温泉）
ハンガリー 7.94 0.69 36% スパ/温室
イタリア 7.55 0.61 39% スパ/空間暖房
ニュージーランド 7.09 0.31 73% 工業用途
その他63人 71 6.8
合計 273 28 31% 空間暖房
2015年の地熱直接利用のカテゴリー別状況（John W. Lund [ 5 ]より抜粋）
カテゴリ GWh/年
地熱ヒートポンプ 90,293
入浴と水泳 33,164
空間暖房 24,508
温室暖房 7,407
養殖池の加熱 3,322
工業用途 2,904
冷却/融雪 722
農業用乾燥 564
その他 403
合計 163,287

安価な地熱は、住宅、温室、入浴、水泳、産業用途など、多岐にわたる用途があります。ほとんどの用途では、地熱は50℃（122°F）から150℃（302°F）の高温流体として利用されます。適切な温度は用途によって異なります。地熱を直接利用する場合、農業分野では25℃（77°F）から90℃（194°F）、暖房分野では50℃（122°F）から100℃（212°F）の範囲です。[ 4 ]ヒートパイプは熱を抽出して増幅するため、温度範囲を5℃（41°F）まで下げることができます。150℃（302°F）を超える地熱は、通常、地熱発電に利用されます。[ 6 ]

2004年には、地熱直接利用の半分以上が暖房に、3分の1が温泉に利用されました。[ 1 ]残りは、様々な産業プロセス、淡水化、家庭用給湯、農業用途に利用されました。レイキャビク市とアークレイリ市では、地熱発電所から道路や歩道の下に温水をパイプで送り、融雪に利用しています。地熱淡水化は実証済みです。

地熱システムは規模の経済性に富む傾向があるため、暖房電力は複数の建物、時には地域全体に分配されることがよくあります。この技術は、アイスランドのレイキャビク[ 7 ]、アイダホ州のボイシ[ 8 ]、オレゴン州のクラマスフォールズ[ 9 ]など、世界中で長年実践されており、地域暖房として知られています。[ 10 ]

欧州地熱エネルギー評議会（EGEC）によると、2016年にはヨーロッパだけで280の地熱地域暖房プラントが稼働しており、総容量は約4.9GWthであった。[ 11 ]

抽出

世界には、米国西部の大部分を含む、比較的浅い地熱資源が存在する地域がある。[ 12 ]同様の状況がアイスランド、日本の一部、および世界中のその他の地熱ホットスポットに存在する。これらの地域では、天然温泉から水または蒸気を捕集し、ラジエーターまたは熱交換器に直接パイプで送ることができる。あるいは、地熱発電所のコジェネレーションによって供給される廃熱や高温帯水層の深井戸から供給される廃熱を利用することもできる。地熱直接加熱は地熱発電よりもはるかに効率が良く、温度要件もそれほど厳しくないため、広い地理的範囲で実行可能である。浅い地面が高温だが乾燥している場合は、空気または水を地中管または地中熱交換器を通して循環させることができ、これらは地面との熱交換器として機能する。

深部地熱資源から発生する加圧蒸気は、地熱発電にも利用されています。アイスランド深部掘削プロジェクト（IDDP-1）は、地下2,100メートル（6,900フィート）のマグマ溜まりを発見しました。掘削孔にはセメントで固められた鋼鉄製のケースが建設され、マグマに近い底部に穿孔が設けられました。マグマ蒸気の高温高圧を利用して36MWの発電を実現したIDDP-1は、世界初のマグマ強化型地熱発電システムとなりました。[ 13 ]

浅い地面が直接的に快適な温度を提供できない地域でも、冬の空気よりは暖かいことがあります。浅い地面の熱慣性により、夏季に蓄積された太陽エネルギーが保持され、地中10メートル（33フィート）より深い場所では地中温度の季節変動は完全に消失します。この熱は、従来の炉で生成するよりも効率的に地中熱ヒートポンプで抽出できます。[ 10 ]地中熱ヒートポンプは、基本的に世界中のどこでも経済的に実現可能です。

理論的には、地熱エネルギー（通常は冷却）は、自治体の水道管などの既存のインフラから抽出することもできます。[ 14 ]

地中熱ヒートポンプ

高温の地熱資源がない地域では、地中熱ヒートポンプ（GSHP）で暖房や冷房を行うことができます。冷蔵庫やエアコンと同様に、これらのシステムはヒートポンプを使用して地中から建物へ熱を強制的に伝達します。熱はどんなに冷たい熱源からでも取り出すことができますが、温かい熱源の方が効率が高くなります。地中熱ヒートポンプは、浅い地面または地下水（通常10～12℃または50～54℉）を熱源として使用し、季節的に穏やかな気温を利用します。[ 15 ]対照的に、空気熱源ヒートポンプは空気（より冷たい外気）から熱を取り出すため、より多くのエネルギーを必要とします。

地中熱利用ヒートポンプ（GSHP）は、地中に埋設された閉ループパイプを通して、キャリア流体（通常は水と少量の不凍液の混合物）を循環させます。戸建て住宅向けのシステムは、深さ15～120メートル（50～400フィート）のボーリングホールを備えた「垂直ループフィールド」システム、または[ 16 ]、広大な溝を掘るのに十分な土地がある場合は、地下約6フィートに「水平ループフィールド」を設置します。地中を循環する流体は地中から熱を吸収し、温まった流体は地中に戻る際にヒートポンプを通過します。ヒートポンプは電気を使って流体から熱を抽出します。再冷却された流体は地中に送り返され、このように循環が継続されます。抽出された熱と、ヒートポンプ機器によって副産物として生成される熱は、住宅の暖房に使用されます。エネルギー方程式に地中熱利用ループが加わることで、暖房に電気のみを直接使用した場合よりも、はるかに多くの熱を建物に伝達できるようになります。

熱の流れの方向を変えることで、同じシステムを用いて冷却水を家屋内に循環させ、夏季の冷房に利用することもできます。熱はエアコンのように熱い外気へ放出されるのではなく、比較的冷たい地面（または地下水）へ排出されます。その結果、より大きな温度差を通して熱が放出され、効率が向上し、エネルギー消費量を削減できます。[ 15 ]

この技術により、あらゆる地理的条件において地中熱暖房が経済的に実現可能となります。2004年には、総容量15GWの地中熱ヒートポンプが推定100万台設置され、暖房用に88PJの熱エネルギーを抽出しました。世界の地中熱ヒートポンプの容量は年間10%増加しています。[ 1 ]

歴史

紀元前3世紀の秦の時代に造られた、温泉が供給されている最古のプール。

温泉は少なくとも旧石器時代から入浴に利用されてきた。[ 17 ]最も古いスパとして知られているのは、紀元前3世紀の秦の時代に中国の毓山に造られた石造りのプールで、後に華清池が建てられたのと同じ場所にある。地熱エネルギーは、西暦0年頃、ポンペイの浴場や住宅に地域暖房として供給されていた。 [ 18 ]西暦1世紀、ローマ人はイングランドのアクア・スリスを征服し、そこにある温泉を公衆浴場や床暖房に供給した。[ 19 ]これらの浴場の入場料は、おそらく地熱エネルギーの最初の商業利用を表している。アイスランドには、島の最初の入植者の1人によって建てられた1000年前の温水浴槽が発見されている。 [ 20 ]フランスのショード・エーグにある世界最古の稼働中の地熱地域暖房システムは14世紀から稼働しています。[ 4 ]最も古い産業的採掘は1827年にイタリアのラルデレロで間欠泉の蒸気を使って火山泥からホウ酸を抽出したときに始まりました。

1892年、アメリカ初の地域暖房システムがアイダホ州ボイジーで導入されました。このシステムは地熱エネルギーを直接利用しており、 1900年にはオレゴン州クラマスフォールズでも同様のシステムが採用されました。1926年にはボイジーで深部地熱井が温室の暖房に利用され、ほぼ同時期にはアイスランドとトスカーナでも間欠泉が温室の暖房に利用されました。[ 21 ]チャーリー・リーブは1930年、自宅の暖房用に初の地下熱交換器を開発しました。間欠泉からの蒸気と温水は、1943年にアイスランドで住宅の暖房に利用され始めました。

この頃、ケルビン卿は既に1852年にヒートポンプを発明しており、ハインリッヒ・ゼーリーは1912年に地中から熱を取り出すヒートポンプのアイデアで特許を取得していました。[ 22 ]しかし、地熱ヒートポンプが実用化されたのは1940年代後半になってからでした。最も初期のものは、おそらくロバート・C・ウェバーが自作した2.2kWの直接交換システムですが、彼の発明の正確な時期については諸説あります。[ 22 ] J・ドナルド・クローカーは、オレゴン州ポートランドのコモンウェルスビルを暖めるため、最初の商用地熱ヒートポンプを設計し、1946年に実証しました。 [ 23 ] [ 24 ]オハイオ州立大学のカール・ニールセン教授は、1948年に自宅に最初の住宅用オープンループバージョンを構築しました。[ 25 ]この技術は、 1973年の石油危機の結果、スウェーデンで人気となり、それ以来、世界中でゆっくりと受け入れられてきました。1979年のポリブチレンパイプの開発は、ヒートポンプの経済的実現可能性を大幅に高めました。[ 23 ] 2000年以来、地下源の浸透性が水圧破砕によって強化された強化地熱システム（EGS）からの地熱エネルギー回収のための熱伝達流体として、水の代わりにCO2を使用する利点と効率を数値的に証明するための説得力のある一連の研究が行われています。[ 26 ] [ 27 ] 2004年現在、世界中で100万台以上の地熱ヒートポンプが設置されており、12GWの熱容量を供給しています。[ 28 ]毎年、米国では約8万台、スウェーデンでは2万7000台が設置されています。[ 28 ]

経済

地熱掘削機

地熱エネルギーは、天然資源の保全を促進する再生可能エネルギーの一種です。米国環境保護庁（EPA）によると、地熱交換システムは、従来のシステムと比較して、暖房費を30～70%、冷房費を20～50%削減します。[ 29 ]地熱交換システムは、メンテナンスの必要性が大幅に少ないため、費用も削減できます。また、信頼性が高いだけでなく、数十年にわたる耐久性も備えています。

カンザスシティ電力会社などの一部の電力会社は、地熱発電の顧客向けに冬季特別割引料金を提供しており、さらなる節約を実現しています。[ 15 ]

地熱掘削のリスク

シュタウフェン・イム・ブライスガウの歴史的な市庁舎の亀裂は、地熱掘削による損傷によるものと推定される。

地熱暖房プロジェクトでは、トレンチや掘削孔によって地下を掘削します。他の地下工事と同様に、対象地域の地質が十分に理解されていない場合、プロジェクトは問題を引き起こす可能性があります。

2007年春、シュタウフェン・イム・ブライスガウの市庁舎に地熱熱を供給するための調査的な地熱掘削作業が行われた。 市の中心部は、最初に数ミリ沈下したが（地盤沈下と呼ばれるプロセス）、その後徐々に隆起し始め[ 30 ]、市庁舎を含む多くの歴史的建造物に相当な損害を与えている。掘削によって硬石膏層が穿孔され、高圧の地下水が硬石膏と接触して膨張し始めたと推測されている。現在でも、上昇プロセスの終わりは見えていない。[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]変化の前後の TerraSAR-Xレーダー衛星のデータにより、状況が局所的であることが確認された。

これらの隆起の原因は、無水石膏膨張と呼ばれる地球化学的プロセスであることが確認されています。これは、鉱物である無水石膏（無水硫酸カルシウム）が石膏（含水硫酸カルシウム）に変化するものです。この変化の前提条件は、無水石膏が水と接触していることであり、水はその後結晶構造内に蓄えられます。[ 35 ] 潜在的なリスクの他の発生源としては、洞窟の拡大または安定状態の悪化、地下水資源の質または量の劣化、地滑りが発生しやすい地域での特定の危険の悪化、岩石の機械的特性の悪化、土壌および水質汚染（不凍液添加剤または汚染された建設材料や掘削材料によるもの）などがあります。[ 36 ]サイト固有の地質学的、水文地質学的、および環境的知識に基づいて定義された設計は、これらすべての潜在的なリスクを防ぎます。

参照

参考文献

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