NPO地中熱利用促進協会
設立20周年記念講演

2024/6/13
於 日比谷コンベンションホール

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カーボンニュートラル社会へ向けた地中熱利用の展開
長野 克則
北海道大学大学院 工学研究院 教授
nagano@eng.hokudai.ac.jp

1１．GXと地中熱蓄エネルギーによるディマンドリスポンス

ヒートポンプと地下蓄熱_
2

1

3

欧州、米国、日本における最近の天然ガス価格変動

欧州

日本
米国

データ元：https://www.worldbank.org/en/research/commodity-markets
グラフ引用：https://pps-net.org/statistics/gas

3

GXと我が国のカーボンニュートラルの実現「GX実現に向けた基本方針」～今後10年を見据えたロードマップ～
内閣官房（令和5年2月）

GX: グリーントランスフォーメーション
・産業革命以来の化石エネルギー中心の産業構造・社会構造をクリーンエネルギー中心へ転換する、戦後における産業・エネル
ギー政策の大転換
GXの実現を通して、・2030年度の温室効果ガス46％削減や2050年カーボンニュートラルの国際公約の達成を目指す

・安定的で安価なエネルギー供給につながるエネルギー需給構造の転換の実現、我が国の産業構造・社会構造を変革
・将来世代を含む全ての国民が希望を持って暮らせる社会を実現

421) 徹底した省エネルギーの推進、製造業の構造転換（燃料・原料転換）「GX実現に向けた基本方針」～今後10年を見据えたロードマップ～
内閣官房（令和5年2月）

省エネルギー（以下「省エネ」という。）は、エネルギー使用量の削減を通した脱炭素社会への貢献のみならず、危機にも強いエネルギー需給体制の構築にも資するため・支援一体型で大胆な省エネの取組を進める。 、家庭・業務・産業・運輸の各分野において、改正省エネ法等を活用し、規制・支援一体型で大胆な省エネの取組を進める。
➢ 熱需要の脱炭素化・熱の有効利用に向け、家庭向けにはヒートポンプ給湯器や家庭用燃料電池などの省エネ機器の普及を促進するとともに、産業向けには産業用ヒートポンプやコージェネレーションも含めた省エネ設備等の導入を促進➢ ディマンドリスポンスについては、これに活用可能な蓄電池や制御システムの導入支援、改正省エネ法におけるディマンドリスポンスの実績を評価する枠組みの創設等を通じ、更なる拡大を図る

52) 再生可能エネルギーの主力電源化「GX実現に向けた基本方針」～今後10年を見据えたロードマップ～
内閣官房（令和5年2月）

脱炭素電源として重要な再生可能エネルギーについては、引き続き導入拡大に向けて、国民負担の抑制と地域との共生を図りながら、
S＋3E 1) 安全性（Safety）
2) 安定供給（Energy security）
3) 経済性（Economic efficiency）
4) 環境（Environment））
を大前提に、主力電源として最優先の原則で最大限導入拡大に取り組み、2030年度の電源構成に占める再生可能エネルギー比率36～38％の達成を目指す
長期脱炭素電源オークションを活用した揚水発電所の維持・強化を進めるとともに、分散型エネルギーリソースの制御システムの導入支援によりディマンドリスポンスを拡大することや、余剰電気を水素で蓄えることを可能とするための研究開発や実用化を進めることなど、効果的・効率的に出力変動が行える環境を整える。

63

日本全体の電源構成(2022年速報)
日本全体の電源構成に占める再生可能エネルギー比率：

22.7 %
国の2030年の目標
36～38%

出所：経済産業省 令和4年度（2022年度）エネルギー需給実績から作図
https://www.meti.go.jp/press/2023/11/20231129003/20231129003-1.pdf

7

2023年度の北海道エリアの電力需給実績(2023年4月～2024年3月)
北海道エリアの電源構成に占める再生可能エネルギー比率：
40.5%

風力実績
7.9%
太陽光実績
10.3%

国の2030年の目標
36～38%を既に超えている！

バイオマス
6.6%
地熱
火力
59.5%

水力
15.4%

火力

水力

地熱

バイオマス

太陽光実績

風力実績

出所：ほくでんネットワーク公開データから筆者が作図
https://www.hepco.co.jp/network/con_service/public_document/supply_
demand_results/index.html

842023年4月27日木（平日）の北海道エリアの電力需給実績
5000
4000
3000
20001000
23時

22時

21時

20時

19時

18時

17時

16時

15時

14時

13時

12時

11時

9時

10時

-1000

8時

7時

6時

5時

4時

3時

2時

1時

00時

時刻毎の平均電力需給 [MW]

8時から14時までの7時間、再エネ発電量がほぼ電力需要量以上を満たしている
この時間帯は、京極揚水発電所の揚水と北本連携線を通した送電が行われている

-2000
水力

地熱バイオマス

太陽光実績

風力実績

火力

揚水連系線

エリア需要

出所：ほくでんネットワークの公開データから筆者が作図
https://www.hepco.co.jp/network/con_service/public_document/supply_demand_results/index.html

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北海道の洋上風力発電建設計画（合計1,463万kW)
引用先：大竹財団, https://ohdake-foundation.org (2024)

石狩湾新港洋上風力発電所の商業運転（2024年1月1日～）
引用先：株式会社グリーンパワーインベストメントホームページ(2024)
https://greenpower.co.jp/2024/01/04/ishikari_offshore_cod/

単機出力8.0 MWのSiemens Gamesa
Renewable Energy製風力発電機を14基設置、総出力は11.2万kW
180 MWhの蓄電池容量を持つ
プロジェクト変電所を経由し、北海道電力ネットワーク(株)へ供給

105

蓄エネルギーによるディマンドリスポンス

蓄エネルギーによるディマンドリスポンス

11

蓄エネルギー ; P2 ES 2P
蓄エネルギーの種類

方式名

総合効率

位置エネルギー

揚水発電

65～75%

圧力エネルギー

圧縮空気貯蔵

～max70%

運動エネルギー

フライホィール

90 ～ 95 %磁気エネルギー

超電導電力貯蔵85~95%

電気エネルギー

電気二重層キャパシタ

85%程度

鉛蓄電池
NaS電池
リチウムイオン電池
ニッケル水素電池

87%程度
85%程度
95%程度
66%程度

水の電気分解による水素発生、燃料電池で発電

約25～35%

水を電気分解して水素を作る場合の電解効率は約60～70%、
燃料電池の発電効率はPEFC(固体高分子型)で約40%、SOFC (固体酸化物型)で約50%

電気ヒーターによる高温蓄熱からランキンサイク
ルで発電

約30～40%

蓄熱体は砕石など顕熱蓄熱、溶融塩による潜熱蓄熱など

ヒートポンプによる高温蓄熱からランキンサイク
ルで発電

約40～50%

蓄熱体は溶融塩や他の相変化温度の材料

化学エネルギー

備考

カルノーバッテリー

熱エネルギー126

蓄エネルルギーによるディマンドリスポンス；揚水発電
羊蹄山

下部調整池

・京極発電所上部調整池は、北海道電力が北海道虻田郡京極町に建設した純揚水式発電所である京極発電所の上部調整池
・表面アスファルト遮水壁型フィルで下部調整池の京極ダムとの間の有効落差369ｍにより最大出力60万kWの発電を行う

上部調整池

京極発電所上部調整池と羊蹄山「月刊ダム日本」２０１５年１月号表紙から

計画時の役割：夜間、泊原子力発電所１～3号機（計207万kW)の余剰電力への対応、
夜間揚水→昼間発電
現在の利用状況：日中、再エネ発電量を含む
総発電力量の余剰電力に対応、昼間揚水→夕方発電

北海道電力 Facebook (2014.10.27)
https://www.facebook.com/photo/?fbid=64388814
2387412&set=pcb.643888249054068&locale=ja_JP

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蓄エネルギーによるデマンドレスポンス ：カルノーバッテリー
引用先：北海道大学 能村貴宏准教授“カルノーバッテリー技術と高温蓄熱技術の最新動向”講演スライド(2020)

カルノーバッテリー（蓄熱発電）：
電力を一旦熱に変換して蓄熱し、蓄熱した熱から動力を取り出す。
すなわち、充電過程では、電気は熱に変換される。この熱を蓄熱システムにて貯蔵し、放電過程では、貯蔵した熱を電気に変換する

147溶融塩を熱媒体・蓄熱材と利用した中央タワー式集光型太陽熱発電所

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世界初、通称：Gemasolarはトレソル・エナジー社によりスペインに2011年5月誕生

米国加州･モハーベ砂漠のイバンパ太陽発電所：世界最大級392MWの集光型太陽熱発電所,7m2の鏡☓35万枚 (2013) 出典：米NRG Energy

革新的な技術の一つが熱媒体と蓄熱体に溶融を採用。2650基の反射鏡を利用して、内部に熱媒体として溶解塩が流れている中央のタワーに光を集め、昼間に溶融塩を溶かして熱を蓄え、溶融塩が固体に戻るときの潜熱によって夜間でも蒸気を発生させ発電する仕組み
太陽光が全くないときでも15時間は継続して発電できる。夜間や太陽光の乏しい冬場でさえ、1年のうち何ヶ月間も1日24時間発電できる

中国甘粛省敦煌市でアジア初の溶融塩太陽熱発電所(2016)15

低温蓄熱によるデマンドレスポンス：
大地の蓄熱利用：ATES, BTES, CTES

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湖水DTES(ダクト蓄熱,Duct)

砂層ATES(帯水層蓄熱,Aquifer)
BTES(掘削孔蓄熱, Borehole)

換気予冷・予熱

CTES (岩洞蓄熱, Rock Cavern)

CTES
砂
岩盤 Rock(岩洞蓄熱,Cavern)

地下蓄熱 UTES

道路・歩道・屋根 融雪

1. 直接熱利用

2. 蓄熱利用_

3. ﾋｰﾄﾎﾟﾝﾌﾟ熱源利用

168低温蓄熱によるデマンドレスポンス：大地の蓄熱利用：ATESによる季節間蓄熱
ドイツ連邦議会 のエネルギーシステム概念:電力、熱、冷気

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バイオ燃料によるコジェネ
レーションの温排水を地下300mの帯水層に蓄熱・コジェネの排熱で吸収式冷凍機にも利用されない不要な余剰熱は、深度約300m の2 本の井戸を介して帯水層に最高温度 60 ℃ 、最大 100 m³/h で注入される。
汲み上げ温度は冬季暖房開始時に 約55 ℃、最終的に30℃まで汲み上げられる。

冷水蓄熱：深さ数十ｍ
自然温度約10℃
ドイツ連邦議会議事場：筆者撮影

・冬季は周囲の冷気と地下水を熱交換、冷却して帯水層に注入、夏期冷房開始時に冷水井戸側から約 6℃ で汲み上げられ、冷房終了時に自然温度の 11 ℃ まで利用される

温水蓄熱：深度約300 m
自然温度約20℃
井戸間離隔距離 280 m

引用先：https://www.bundestag.de/en/visittheBundestag/energy

・蓄熱回収効率は約60%

17

地中熱利用を核としたデマンドリスポンスを伴うスマートシティ構想

18

蓄熱
蓄電
蓄電DR(ﾃﾞﾏﾝﾄﾞ･ﾚｽﾎﾟﾝｽ)

蓄熱

蓄熱

蓄熱
蓄熱

蓄電

蓄熱

18189

２．欧州と中国のGSHP市場の概況

19

2022年の世界のヒートポンプ市場の伸び
Annual market growth in 2022(Bars) and 2021(Dots) [%]図中、黒丸は2021年の伸び）:
引用先：https://www.ehpa.org/news-and-resources/press-releases/pump-it-down-why-heat-pump-sales-dropped-in-2023/ (2024).

2010欧州地熱協会(EGEC)
欧州地熱市場レポート 2022 （第12版 2023.7)

2121

欧州各国の2021年までに導入されたGSHP総件数と2021年の導入件数2023年7月発行のEGEC2022市場レポートを引用の上、Sannerが加筆修正
引用先：https://geothermie-schweiz.ch/wp_live/wp-content/uploads/2022/12/00-EUROPEAN-SUMMARY-EGC-2022-country-updates.pdf (2022).

22

11

欧州各国の１０００世帯あたりの地中熱ヒートポンプシステム件数(2019～2021)

スウェーデンフィンランド

23

ドイツ
スイス

オランダ

23

第5世代地域熱供給(5GDHC、アネルギーネットワーク)の構成

第４世代までの地域熱供給
一方向

従来型熱供給システム

第5世代熱供給
双方向

アネルギーネットワークシステム

引用先： http://www.geothermaleranet.is/media/publications-2015/5_Presentation_KOLB.pdf (2015).

24

12

２．第５世代熱供給システム（アネルギー・ネットワーク）

25

EU内における第5世代熱供給の導入件数の推移と国別、熱源別割合
2017年まで40件の導入

地中熱＋複合で14件,地下水熱＋複合で9件

ﾄﾞｲﾂ・ｽｲｽで全体の75%
S. Buffa et,al, Renewable and sustainable energy reviews 104 (2019)25

欧州の大規模ボアホール型地中熱交換器を持つシステム一覧

262613

低温蓄熱によるデマンドレスポンス：大地の蓄熱利用： 27
BTESによる長期蓄熱利用(ｽｲｽ連邦工科大学ETH Zurich）
地中熱交換器：長さ200m×629本
HPL 101, HWO 400, HCI-HPS 128

https://www.international-sustainable-campus-network.org/downloads/conferenceand-symposia/iscn-conference-2012/255-2012-iscn-award-building-ethz/file

ETH Zurich 資料

27

中国のGSHP導入熱供給面積の年推移
2017年には5億m2、2020年には11.2億m2に達すると予測

引用先：C. Song, et al.: Protection and Control of Modern Power Systems, 6 (7), 1 (2021).

2814

1. 地中熱利用の世界的なトレンド No.1 大規模
北京大興国際空港、1万本の地中熱交換器

29

2019年9月、北京大興国際空港が開港、フルオープン後は年間利用者1億人を見込む導入された荏原製作所のターボ冷凍機

引用先： http://global.chinadaily.com.cn/a/202009/25/WS5f6da951a31024ad0ba7be8f.html (2020).

(Record China)
地中熱ヒートポンプシステム1号、2号の合計熱供給床面積257万m2(推定冷暖房負荷：凡そ 300 MW, 260 MWと推定される）
大興国際空港の地上熱源ヒートポンプは冷暖房需要の10％を受け持つと推測
8台の地中熱ヒートポンプ（ターボ冷凍機）、CO2排出量年間15,800トン削減見込み

2930

３． NEDO技術開発事業の成果
地中熱利用システムの低コスト化・高度化に向けた
NEDO技術開発事業「低コスト化のための共通基盤技術開発/見かけ熱伝導率の推定手法と簡易熱応答試験法および統合型設計ツールの開発・規格化」
受託元（国）北海道大学, （国）秋田大学, （国研）産業技術総合研究所
再委託先（一社）全国さく井協会, （国）京都大学
共同実施（学法）金沢大学,（学法）工学院大学, （学法）静岡理工科大学, （国）広島大学,（国）東京海洋大学, （公）日本地下水学会

30153131４．講演のまとめ

321) 世界の潮流に後れを取ってはならない
・大規模化へ向かって→特に、暖房加熱需要が大きな地域で大深度BHEが有効
・季節間蓄熱を伴う熱源ネットワーク化へ → 熱融通、通年COP向上
・ 全ての建物；構造物へ地中熱交換器設置推奨

2) 5thDHC導入への新しいビジネスモデルの構築
・Win-Win-Winの関係のビジネスモデルの構築、例えば、地中熱ESCO・トータル・施工コスト低減； BHE施工の無人化・省力化、配管のプレファブ化
・電力供給とヒートポンプ・蓄熱の地域最適化制御・運用方法

３) 地中熱利用システムのZEBへの貢献
・まずは自然温度での利用：フリークーリング、ヒート/クールチューブ、融雪・ヒートポンプの熱源として利用：高効率、より高効率に利用するためには、(1) 建物の熱容量・断熱性能に見合った最適制御、(2) 天候を加味した電力・熱利用の予測制御、スマートエネルギーハウス
・季節間蓄熱体として利用：熱源ループ→夏冬、適切な温度範囲に制御

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