私たちの足元にある再エネ「地中熱」　そのポテンシャルと普及に向けた課題とは

皆さんは、「地中熱」という言葉を耳にしたことはあるでしょうか。

地中にある熱を活用する方法として、火山のマグマなどを利用した地熱発電が思い浮かぶ方もいるかもしれませんが、地中熱は地熱とは異なり、火山が周辺にないような場所でも身近で利用可能なエネルギー源です。

地中熱は環境に優しいエネルギー源として、欧米を中心に普及しつつあり、日本でも北海道や東北地方を中心に導入が増えています。

また、地中熱を使ったシステムを利用すれば、ヒートアイランド現象など都市における環境問題の改善につながるなど、様々な場所での実用性が注目を集めています。

それでは、そもそも地中熱とはどのようなものなので、どのようなメリットがあるのでしょうか。

また、1980年代から欧米を中心に普及してきた地中熱利用システムですが、現在は国内外でどのように普及しているのでしょうか。

地中熱とは

地中熱とは、浅い地盤中に存在する低温の熱エネルギーを言います。通常、地下10mから15mの深さの温度は、年間を通じて大きな変化はありません。夏場は外気温度よりも地中温度が低く、冬場は外気温度よりも地中温度が高くなるため、外気温度と地中温度に温度差が生じています(図1)。

図1: 地中熱とは
出典: 地中熱利用促進協会「地中熱利用の概要」
http://www.geohpaj.org/introduction/index1/howto

地中熱の利用では、この温度差に着目して効率的にエネルギーを取り出しています。

なお、地中熱と似た用語として「地熱」がありますが、冒頭でも紹介したように、地熱とは火山に近い場所にある高温のエネルギーを発電等に利用するものです。一方で、地中熱とは足もとにある恒温のエネルギーを温熱・冷熱として利用するものであるため、エネルギーを取り出す場所が異なります [*1]。

地中熱を活用したシステム

地中熱は現在、主に家屋や事業所などの冷暖房や給湯システムで活用されています(図2)。

図2: 地中熱利用冷暖房・給湯システム
出典: 資源エネルギー庁「地中熱利用」
https://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/saiene/renewable/underground/index.html

地中熱を活用したシステムは、夏季と冬季で熱の循環方式が異なります。まず、冬季には、外気温より高い地中温度によって温まった地層・地下水から抽熱が行われ、運ばれてきた熱が建物内に供給されます。

一方で、夏季には外気温より地中温度が低いため、建物内の熱を奪ったり、冷房の使用によって発生した凝縮熱を地中に放熱することで循環させています[*2]。

このような地中を通じた熱や空気の循環によって、快適な室温を保つことができるというのが地中熱利用システムになります。

地中熱利用システムの方式

地中熱利用システムは、大きく5つの種類に分けられ、設置場所や用途によって様々な方式が採用されています(図3)。

図3: 地中熱利用システムの方式
出典: 環境省「令和２年度地中熱利用状況調査の集計結果」
https://www.env.go.jp/press/files/jp/115893.pdf, p.1

ヒートポンプシステムは、身の回りにあるエアコンや冷蔵庫などでも使われている技術です。空気中などから熱をかき集め、少ない投入エネルギーで大きな熱エネルギーを作り出します[*3]。

図4: ヒートポンプとは
出典: ヒートポンプ・蓄熱センター「ヒートポンプ・蓄熱システムを学ぼう」
https://www.hptcj.or.jp/study/tabid/101/Default.aspx

ヒートポンプシステムには、クローズドループ、オープンループと大きく2つの方式があります(図5)。

図5: ヒートポンプシステムの地中熱利用形態
出典: 地中熱利用促進協会「地中熱利用の概要」
http://www.geohpaj.org/introduction/index1/types

クローズドループは、地中から熱を取り出し、地中熱交換器内に流体を循環させ、汲み上げた熱をヒートポンプで必要な温度領域の熱に変換するシステムです。一方で、オープンループは、揚水した地下水の熱を地表にあるヒートポンプで取り出す方式になります。

クローズドループはメンテナンスの必要がないため、適用範囲が広いというメリットがあり、住宅・建築物・プール・融雪などで利用されています。一方で、オープンループは、メンテナンスは必要ですが、採熱量が大きく経済性に優れているため、比較的大規模な施設に適用されています。

その他には、パイプやダクトを通じて外気を導入・通気することで室内に空気を取り込む空気循環による方式や、地中から伝わる熱によって室内の保温を行う熱伝導があります。

国内における地中熱利用システム導入の現状

地中熱利用システムの全体の普及状況ですが、2019年度末までに国内では累計8,347件導入されています(図6)。

図6: 地中熱利用全体の普及状況
出典: 環境省「令和2年度地中熱利用状況調査の集計結果」
https://www.env.go.jp/press/files/jp/115893.pdf, p.2

その内、ヒートポンプによる設置件数は全体の3分の1以上を占めており、次いで空気循環、水循環の設置件数が多くなっています。

図7: 地中熱利用システムの都道府県別分布
出典: 環境省「令和2年度地中熱利用状況調査の集計結果」
https://www.env.go.jp/press/files/jp/115893.pdf, p.2

また、都道府県別の設置件数を見てみると、北海道が810件と最も多く、次いで山形県、千葉県と続いています。、地中熱利用システムが住宅・ビル等の冷暖房・給湯に加え、路面の融雪や凍結防止にも利用されることから、西日本と比べて北海道や東北地方、関東地方など東日本で多く導入されていることが分かります(図7)。

地中熱利用システムは、事業者や住宅、学校など様々な場所で活用されています。例えば、クローズドループ方式によるヒートポンプを導入したIKEA福岡新宮店では、導入により電力消費を年間1,461GJ（ギガジュール）削減でき、設置前と比べてCO2を年間44%削減できたとされています[*4]。

図8: IKEA福岡新宮店
出典: 地中熱利用促進協会「地中熱利用実績」
http://www.geohpaj.org/wp/wp-content/uploads/achievement_103_202112.pdf

その他、IKEA福岡新宮店と同様にクローズドループ方式によるヒートポンプを導入した秋田市立山王中学校でも、設置によって年間8.7トン分のCO2削減を達成しています。設置前と比較して、年間45%のCO2削減に成功しました[*5]。

このように、地中熱利用システムは電力や熱エネルギーの供給だけでなく、CO2の削減に寄与しているクリーンなエネルギー源と言えます。

図9: 秋田市立山王中学校
出典: 地中熱利用促進協会「地中熱利用実績」
http://www.geohpaj.org/wp/wp-content/uploads/achievement_201_202112.pdf

海外における地中熱利用システム導入の現状

国内で積極的に導入されはじめている地中熱利用システムですが、欧米では1980年代から普及しはじめ、現在ではアジアを含む多くの国や地域で導入されています[*6], (図10)。

図10: 世界における地中熱ヒートポンプシステムの導入状況
出典: 環境省「海外での取り組み」
https://www.env.go.jp/water/jiban/post_96.html

地中熱ヒートポンプシステムの設置容量が最も大きい中国では、国のエネルギー政策として地中熱の普及が取り入れられており、助成制度も導入されています。

北京大興国際空港では、中国最大級の地中熱ヒートポンプシステムが導入されており、試算では地熱エネルギーを毎年56万3,000GJ取り込むことができるとされています。地熱エネルギーの活用によってCO2排出量を年間1万5,800トン削減できるとされ、環境に良いエネルギーとして活用されています。

図11: 北京大興国際空港
出典: 環境省「海外での取り組み」
https://www.env.go.jp/water/jiban/post_96.html

次いで二位のアメリカでも地中熱を利用したシステムが積極的に導入され、既に100万台が普及しています。

また、環境先進国であるドイツでは、2009年に「再生可能エネルギー熱法」を施行して以降、地中熱を利用したゼロエネルギー住宅が拡大しています。地中熱を活用した住宅は「パッシブハウス」と呼ばれ、外気は地中に埋設したポンプを通じて暖められ（冷やされ）、各部屋に供給されます[*7]。

図12: ドイツの「パッシブハウス」
出典: 大阪ガス「地中の熱を有効活用冷暖房に賢く使って省エネ」
https://services.osakagas.co.jp/portalc/contents-2/pc/w-energy/report/201611/index.html

ドイツの古い家屋の年間の平米当たりのエネルギー消費は、平均300kWh程度とされていますが、「パッシブハウス」に建て替えることによって15kWh程度にまでエネルギー消費を抑えられるため、一戸建て住宅のみならず、公団住宅や学校、老人ホーム、消防署など様々な施設で採用されています[*7]。

地中熱利用システムのメリット・ポテンシャル

国内外で積極的に導入が進んでいる地中熱利用システムですが、その理由としては、設備面や環境面における様々なメリットや高いポテンシャルがあるためです。今後日本ではどのように発展していくのでしょうか。

日本中どこでも利用可能な地中熱

一つ目のメリットとして、地中熱利用システムは日本中どこでも利用可能であるという点が挙げられます。

地中熱利用システムは、地中と外気との温度差を利用するシステムであるため、地熱発電や風力発電などと比較して、地理的条件に左右されにくいという特徴があります。また、現状国内では北海道や東北地方など寒い地域での導入が進んでいる地中熱利用システムですが、東京など都心部にあるオフィスビルなどでも利用が可能です。

実際に、東京都心のあるオフィスビルでは、空調システムを通常のエアコンから地中熱ヒートポンプに更新した結果、年間で49%もの節電・省エネとなったと報告されています(図13)。

図13: 東京都心のオフィスビルにおける地中熱利用の電力消費量
出典: 地中熱利用促進協会「地中熱利用の概要」
http://www.geohpaj.org/introduction/index1/advantag?msclkid=b16bfc23b7b111ec9c1d7c47d4bf0657

CO2排出量の削減効果

二つ目のメリットは、温室効果ガスであるCO2の排出削減です。石油やガスを用いた暖房や給湯と比べた場合、地中熱利用ヒートポンプは電力のみで稼働するためCO2を直接排出しないこと、空気熱源ヒートポンプよりも高効率で消費電力が少ないことからCO2の排出削減にも寄与します[*9]。

例えば、環境省が実施した「環境技術実証事業」における実証実験では、灯油、都市ガスによる空調利用と比較すると、地中熱利用システムは最大58%までCO2が削減できると報告されています(図14)。

図14: 地中熱利用ヒートポンプシステムの CO2 排出削減効果
出典: 環境省水・大気環境局「地中熱利用にあたってのガイドライン」
https://www.env.go.jp/water/jiban/gl-gh201203/main.pdf?msclkid=acc4072bb7b511ec8fb84717f6322323, p.14

ヒートアイランド現象の緩和効果

節電・省エネ効果のある地中熱利用システムですが、ヒートアイランド現象の抑制にも効果があるとされています。

ヒートアイランド現象とは、都市の中心部の気温が郊外に比べて高くなる現象のことを言い、特に夏季の気温上昇が生活の快適性を低下させるとして問題となっています[*8]。

東京周辺では、30℃以上となる時間数は、1980年代前半には年200時間程度でしたが、2000年代に入ると、400時間程度まで増加しています。

地中熱利用システムの活用は、このヒートアイランド現象を緩和することができるとされています。実際、都内のオフィスビル街区を地中熱利用ヒートポンプに置き換えた場合、最高気温で1.2℃、住宅街では0.3℃程度の気温低減効果が期待できると試算されています[*9]。

また、東京スカイツリーでは2013年夏期に、地中熱利用ヒートポンプを使用したことによって476GJ分の熱を地中に排熱し、空気中への排熱を削減できました。

地中熱の利用促進に向けた課題

環境負荷も少なく、全国で導入可能なポテンシャルをもつ地中熱利用システムですが、普及に向けた課題も山積しています(図15)。

図15: 地中熱利用システムの普及課題
出典: 地中熱利用促進協会「地中熱利用の現状と課題」
http://www.bsca.or.jp/event/wp-content/uploads/sites/5/2014/06/Open_Geo-Heat_Trends_and_issures-150514GeoHPAJ_sasada.pdf?msclkid=929f6d6fb7ce11ec9fa6c3575a24937f, p.31

例えば、コスト面で言えば、青森県の試算によると、約40坪の戸建て住宅において地中熱、灯油ボイラーをそれぞれ導入した場合、灯油ボイラーの導入コストは115.5万円であるのに対し、地中熱利用システムの導入コストは273万円となっています[*10]。

また、太陽光発電や風力発電などのほかの再生可能エネルギーと比較するとまだまだ認知度が低いです。

今後は、地中熱利用システムの大量生産や低コスト化に向けた技術開発を推進するとともに、国や自治体による助成制度などを通じて認知を広めることが、将来的な普及に向けてのカギとなるでしょう。

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