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「地中熱」の可能性を探る


国際環境経済研究所理事、東京大学客員准教授


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 先日、秋田県湯沢市で地熱に関する全国シンポジウムにファシリテーターとして登壇する機会がありました。地熱発電を導入した自治体の首長を招いて、「地熱発電を活かしたまちづくり」について発表および議論を行いました。ここでの議論は別の機会に書きますが、今回は「地中熱」について考えたいと思います。(文末に国による補助金の情報も掲載しています)

 一般に「地熱」のカテゴリに入れられる「地中熱」。地熱は5000℃以上と言われる地球の内部から伝わる熱エネルギーのことですが、地中熱は地中200m以内の太陽熱由来のエネルギーです。地熱発電は活火山がある地域に適正地が多いですが、地中熱は天候に左右されず、昼夜を問わず日本中どこでも利用ができます。

 地中の温度は、地下10m程度より深くなると、年間を通してほぼ一定で、15~18℃に保たれています。夏季の地中温度は気温より低く、冬季は気温より高くなります。日本では、冬と夏に地上と地中との間で10℃から15℃もの温度差が生じますが、この温度差を利用したのが地中熱利用システムです。(図1)

図1 出典:地中熱利用促進協会

図1 出典:地中熱利用促進協会

 欧米では、石油ショック以降、石油の代替エネルギーとして地中熱ヒートポンプが注目され、1980年頃から導入が始まりました。2000年以降は地球温暖化対策の一つとして注目され、普及が進んでいます。それに比べると、日本での普及はこの数年増えてきたとは言え、世間の認知度はまだ低く、これからという状況です。

東京スカイツリータウンの地中熱地域冷暖房システム

 日本でも地中熱が世間に注目されるきっかけになったのは、東京スカイツリータウンとその周辺(東京都墨田区、10.2ha)において、地中熱を利用した大規模な地中熱冷暖房システムが導入されたことでしょう。東京スカイツリータウン・ウエストヤード地下2階のメインプラントには、ターボ冷凍機2基、インバータターボ冷凍機1基、ヒーティングタワーヒートポンプ3基、水熱源ヒートポンプ1基の熱源設備と、巨大な水蓄熱槽(合計水力7000t)が導入されています。この他、地下鉄の躯体内や建物のトレンチ内などに総延長約3.1㎞の地域導管と、地中で採放熱を行う熱交換用チューブ(総延長1.2㎞)が敷設され、地域冷暖房システムを構成しています。

東京スカイツリータウンのメインプラント

東京スカイツリータウンのメインプラント

メインプラントのヒーティングタワーヒートポンプ

メインプラントのヒーティングタワーヒートポンプ

 東京スカイツリータウンでは、建物の基礎になる杭に複数のチューブを取り付ける「基礎杭方式」と、120mのボアホール(地中井)を21本掘削した「ボアホール方式」の2方式が採用されました。チューブの中に水を循環させ、地中と熱交換を行うことで、効率的な冷暖房を実現しました。東京スカイツリータウンでは、地中熱利用などにより、一次エネルギーの年間消費量を44%削減し、二酸化炭素(CO2)の排出量を50%減らすなど、大きな効果を発揮しています。

鉄道初の地中熱利用、小田急電鉄

 小田急電鉄では、駅空調の一部に、鉄道トンネルとしては日本初の地中熱ヒートポンプシステムが採用されています。小田急小田原線の代々木上駅~梅ヶ丘駅間(約2.2㎞)では、踏切での慢性的な交通渋滞の解消などを目的に、東京都が事業主体となり、鉄道を立体化して踏切を除去する連続立体交差事業と、鉄道の輸送サービスの改善を図るため、小田急電鉄が事業主体である複々線化事業を一体的に進めています。複々線とは、線路を増やして上下線を各2本ずつの4本の線路にすることです。この工事は2004年9月から着手し、2013年3月に在来線が地下化されました。

 鉄道の地下化工事を利用して地中熱を導入したのは、世田谷代田駅と東北沢駅です。ホーム待合室や改札口付近など駅内の空調の一部として地中熱を利用しています。

世田谷代田駅の地中熱ヒートポンプシステムの配管(東京都世田谷区)

世田谷代田駅の地中熱ヒートポンプシステムの配管(東京都世田谷区)

 地中熱ヒートポンプシステムを導入したのは、周辺への環境配慮が理由のひとつです。世田谷代田駅と東北沢駅の周辺は閑静な住宅地なため、空気熱ヒートポンプ(エアコン)だと、駅舎の外に室外機を置く必要があり、発生する排熱や騒音など周辺への影響が懸念されたからです。また、地下化の工期を遅らせることができない事情もありました。

東北沢駅の待合室(東京都世田谷区)

東北沢駅の待合室(東京都世田谷区)

 そこで採用したのが、構築中のトンネル構造物の下床面に、地中熱交換器として利用するチューブを「水平埋設方式」で設置する方法でした。140mの区間をブロックに分けて地下トンネル掘削工事を行い、ブロックごとに熱交換機を敷設することで、掘削工事を止めることなくスムーズに作業を進めることができました。

 地中熱ヒートポンプシステムは、通常の空調に比べて稼働時間を長くすることが有益です。イニシャルコストが高いという課題も、ランニングコストが安いため、ランニング時間が長い使い方が理想的といえます。世田谷代田駅と東北沢駅では、空気熱源ヒートポンプと比べて、CO2排出量とランニングコストを年間約30%削減できる見込みです。

 今回、小田急電鉄の水平方式の実用化により、地中に掘削するトンネルや地下街などの地下構造物の下床面や壁面に、地中熱交換器を設置して地中の熱を熱源として利用することが実用上有効だと確認されました。これがトンネル熱交換システムの模範となり、今後、多くの地下工事現場で利用される可能性が期待されます。

出典:三菱マテリアルテクノ 2013年7月17日プレスリリースより

出典:三菱マテリアルテクノ 2013年7月17日プレスリリースより

地中熱の可能性は?

 世界の地中熱ヒートポンプの設備容量は、2010年時点で3500万kWに達し、年間約400万kWの割合で伸びています。一方、日本では地中熱ヒートポンプシステムの設置件数は、2013年時点で累計1500件超(図2)になり、地域別では、北海道が426件と最も多く、東京都、岩手県、青森県、秋田県等で導入件数が多いのが特徴です。ここ数年の導入数は急速に伸びていますが、設備容量は2011年時点で約6万kWと欧米に比べると、かなり遅れている状況です。

図2「地中熱利用ヒートポンプシステムの設置件数」 出典:地中熱利用促進協会

図2「地中熱利用ヒートポンプシステムの設置件数」 出典:地中熱利用促進協会

 地中熱ヒートポンプは、冷暖房、給湯、融雪などでさまざまな施設への導入が期待できます。東京スカイツリーや小田急電鉄以外の最近の導入事例として、東京国際空港の国際線ターミナルビルや東京大学理想の教育棟、東京駅前の商業施設KITTEなどがあります。プールの加温や農業用グリーンハウス、魚の養殖にも利用できます。

 地中熱利用システムは、二酸化炭素(CO2)など温室効果ガスの排出がほとんどないため、地球温暖化対策になります。また、東京や大阪など過密な都市では、夏のヒートアイランド現象が問題になっています。地中熱利用ヒートポンプのメリットは、冷暖房の排熱を外気に排出せず、地中に排熱するため、ヒートアイランド現象を抑制する効果があることです。夏は地中に放熱し、冬は地中から熱を採るため、年間を通して熱バランスが取れます。今後、土壌環境に配慮しながら、地中熱利用システムの一層の普及を図るべきでしょう。

 平成26年度補正予算「再生可能エネルギー熱利用加速化支援対策費補助金」では、地中熱など再生可能エネルギー熱などの利用設備を対象に、要件を満たす事業者(新規事業分)に対して、3分の1~2分の1の補助金が出されます。公募期間は平成27年3月20日~11月30日です。詳細は、新エネルギー導入促進協会のHPをご参照ください。http://www.nepc.or.jp/topics/2015/0320_3.html



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