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地熱暖房とは、地熱エネルギーを暖房用途に直接利用することです。人類は旧石器時代からこのように地熱を利用してきました。2004年には約70か国が合計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、暖房は主に冬に必要とされるため、設備利用率は低い傾向にあります（約20%）。
地熱エネルギーは、地球が最初に形成された時から地球内部に保持されている熱、鉱物の放射性崩壊、および地表で吸収される太陽エネルギーに由来します。 [ 2 ]高温の地熱のほとんどは、火山活動が地表近くで活発化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、地中と地下水の温度が用途の目標温度よりも高い場合があります。しかし、冷たい地中にも熱が含まれています。6メートル（20フィート）より下では、乱されていない地中温度は常に年間平均気温と同じであり、[ 3 ]この熱は地中熱ヒートポンプで抽出できます。
安価な地熱には、住宅、温室、入浴や水泳、産業用途など、さまざまな用途があります。ほとんどの用途では、50 °C (122 °F) から 150 °C (302 °F) の高温流体の形で地熱が利用されます。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 °C (77 °F) から 90 °C (194 °F) の温度範囲、空間暖房では 50 °C (122 °F) から 100 °C (212 °F) の温度範囲です。[ 4 ] ヒートパイプは熱を抽出して「増幅」することで、温度範囲を 5 °C (41 °F)まで拡張します。150 °C (302 °F) を超える地熱は、通常、地熱発電に使用されます。[ 6 ]
2004年には、直接地熱の半分以上が暖房に、3分の1がスパに利用されました。[ 1 ]残りは、さまざまな工業プロセス、海水淡水化、家庭用温水、農業用途に利用されました。レイキャビクとアークレイリの都市では、道路や舗装の下に地熱発電所からの温水をパイプで通して雪を溶かしています。地熱による海水淡水化も実証されています。
地熱システムは規模の経済の恩恵を受ける傾向があるため、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多い。この技術は、アイスランドのレイキャビク[ 7 ] 、アイダホ州ボイシ[ 8 ]、オレゴン州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る[ 10 ]。
欧州地熱エネルギー協議会（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4.9 GWthであった。[ 11 ]
世界のいくつかの地域、特に米国西部のかなりの部分は、比較的浅い地熱資源に覆われています。[ 12 ]アイスランド、日本の一部、および世界中の他の地熱ホットスポットでも同様の条件が存在します。これらの地域では、天然温泉から水または蒸気を採取し、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ます。あるいは、熱は、地熱発電所からのコージェネレーションによって供給される廃熱、または高温帯水層への深い井戸から得ることができます。直接地熱暖房は、地熱発電よりもはるかに効率的で、必要な温度も少ないため、広い地理的範囲で実現可能です。浅い地中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ダウンホール熱交換器に循環させ、これらを地中との熱交換器として使用することができます。
深部地熱資源からの高圧蒸気は、地熱発電による電力生成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では、 2,100 m (6,900フィート)の深さでマグマ溜まりに当たりました。マグマに近い底部に穴が開いたセメント鋼製のケーシングが掘削孔内に構築されました。マグマ蒸気の高温高圧を利用して 36 MW の電力が生成され、IDDP-1 は世界初のマグマ強化型地熱システムとなりました。[ 13 ]
浅い地盤が冷たすぎて直接快適さを提供できない地域でも、冬の空気よりは暖かい。浅い地盤の熱慣性により、夏に蓄積された太陽エネルギーが保持され、地温の季節変動は深さ10メートル（33フィート）より下では完全に消滅する。その熱は、従来の炉で生成するよりも効率的に地熱ヒートポンプで抽出できる。[ 10 ]地熱ヒートポンプは、世界のほぼどこでも経済的に実現可能である。
理論的には、地熱エネルギー（通常は冷房）は、都市の水道管などの既存のインフラからも抽出できる。[ 14 ]
高温の地熱資源がない地域では、地中熱ヒートポンプ（GSHP）が暖房と冷房を提供できます。冷蔵庫やエアコンのように、これらのシステムはヒートポンプを使用して、地面から建物に熱を強制的に伝達します。熱は、どんなに低温であっても、あらゆる熱源から抽出できますが、より高温の熱源を使用すると効率が高くなります。地中熱ヒートポンプは、浅い地中または地下水（通常10～12 ℃または50～54 °Fから）を熱源として使用し、季節的に穏やかな温度を利用します。[ 15 ]対照的に、空気熱源ヒートポンプは空気（より低温の外気）から熱を奪うため、より多くのエネルギーを必要とします。
GSHPは、地中に埋設された密閉されたパイプループを通して、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。一戸建て住宅のシステムは、深さ50～400フィート（15～120メートル）のボーリング孔を使用する「垂直ループフィールド」システム、または[ 16 ]広範囲の溝を掘るのに十分な土地がある場合は、地表から約6フィート下に「水平ループフィールド」を設置することができます。流体が地下を循環する際に地中から熱を吸収し、戻ってくると、温められた流体はヒートポンプを通過し、ヒートポンプは電気を使用して流体から熱を抽出します。再び冷やされた流体は地中に戻され、サイクルが続きます。抽出された熱と、副産物としてヒートポンプ機器によって生成された熱は、住宅の暖房に使用されます。エネルギー方程式に地中加熱ループを追加すると、電気のみを直接暖房に使用した場合よりも、建物に伝達できる熱量が大幅に増加します。
熱の流れの方向を反転させることで、同じシステムを使用して、夏季には冷却された水を家の中に循環させて冷房することができます。熱は、エアコンのように高温の外気へ放出するのではなく、比較的温度の低い地面（または地下水）へ放出されます。その結果、熱はより大きな温度差を越えて送られるため、効率が向上し、エネルギー消費量が削減されます。[ 15 ]
この技術により、地中熱を利用した暖房はあらゆる地域で経済的に実現可能になります。2004年には、推定100万台の地中熱ヒートポンプが総容量15GWで88PJの熱エネルギーを抽出し、暖房に利用しました。世界の地中熱ヒートポンプの容量は年間10%ずつ増加しています。[ 1 ]
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 ]最も古い温泉として知られているのは、紀元前3世紀の秦王朝時代に中国の黎山に建てられた石造りのプールで、後に華清池宮殿が建てられた場所と同じである。紀元0年頃、ポンペイでは地熱エネルギーが浴場や住宅の地域暖房に利用された。[ 18 ]紀元1世紀、ローマ人はイングランドのアクアエ・スリスを征服し、そこの温泉を公衆浴場や床暖房に利用した。[ 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1000年前のホットタブが発見されており、島の初期の入植者の1人が建てたものである。[ 20 ]フランスのショーデ・エ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る。[ 4 ]最も初期の産業的利用は1827年に始まり、イタリアのラルデレッ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。
1892年、アイダホ州ボイシにアメリカ初の地域暖房システムが建設され、地熱エネルギーを直接動力源としていた。このシステムはすぐに1900年にオレゴン州クラマスフォールズでも模倣された。1926年にはボイシで深層地熱井戸が温室の暖房に利用され、ほぼ同時期に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た。[ 21 ]チャーリー・リープは1930年に自宅の暖房用に最初のダウンホール熱交換器を開発した。アイスランドでは1943年に間欠泉からの蒸気と温水が住宅の暖房に利用され始めた。
この頃には、ケルビン卿は1852年にヒートポンプを発明しており、ハインリッヒ・ツェリーは1912年に地中から熱を取り出すためにヒートポンプを使用するアイデアの特許を取得していた。[ 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だった。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 直接交換システムだったが、彼の発明の正確な時期については資料によって意見が分かれている。[ 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・ビルディングを暖房するために最初の商業用地熱ヒートポンプを設計し、1946年に実証した。[ 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た。[ 25 ]この技術は、 1973年の石油危機の結果としてスウェーデンで人気を博し、それ以来、世界的に徐々に受け入れられるようになった。 1979年にポリブチレンパイプが開発されたことで、ヒートポンプの経済的実現可能性が大幅に向上しました。[ 23 ] 2000年以降、水圧破砕によって地下源の浸透性が向上した強化地熱システム（EGS）からの地熱エネルギー回収において、水の代替としてCO2を熱伝達流体として使用することの利点と効率を数値的に証明するための説得力のある研究が行われてきました。[ 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、12 GWの熱容量を提供しています。[ 28 ]毎年、米国では約8万台、スウェーデンでは約2万7千台が設置されています。[ 28 ]
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。米国環境保護庁によると、地中熱交換システムは、従来のシステムと比較して、住宅所有者の暖房費を30～70％、冷房費を20～50％節約できます。[ 29 ]また、地中熱交換システムはメンテナンスの手間がはるかに少ないため、費用も節約できます。信頼性が高いだけでなく、何十年も使えるように設計されています。
カンザスシティ・パワー・アンド・ライトなどの一部の電力会社は、地熱発電の顧客向けに冬季の特別割引料金を提供しており、さらに節約できる。[ 15 ]
地熱暖房プロジェクトでは、地下に溝や掘削孔を掘ります。あらゆる地下工事と同様に、地域の地質が十分に理解されていない場合、プロジェクトに問題が生じる可能性があります。
2007年の春、シュタウフェン・イム・ブライスガウの市庁舎に地熱を供給するため、探査的な地熱掘削作業が行われた。当初、数ミリメートル沈下したが（沈下と呼ばれるプロセス） [ 30 ]、 市の中心部は徐々に隆起し始め[ 31 ]、市庁舎を含む多くの歴史的建造物を含む市の中心部の建物にかなりの被害を与えた。掘削によって無水石膏層が貫通し、高圧の地下水が無水石膏に接触し、その後膨張し始めたと推測されている。現在、隆起プロセスの終息は見通せない。[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]変化の前後のTerraSAR-Xレーダー衛星からのデータは、状況が局所的であることを確認した。
これらの隆起の原因として、無水石膏膨潤と呼ばれる地球化学的プロセス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、その結晶構造内に水が蓄えられることです。[ 35 ] 他にも潜在的なリスク源があります。例えば、洞窟の拡大や安定性条件の悪化、地下水資源の質や量の劣化、地滑りが発生しやすい地域での特定の危険性の悪化、岩石の力学的特性の悪化、土壌や水の汚染（例えば、不凍液添加剤や汚染された建設資材や掘削資材によるもの）などです。[ 36 ]現場固有の地質、水文地質、環境に関する知識に基づいて定義された設計により、これらの潜在的なリスクはすべて防止されます。
ローマ時代には、ポンペイの建物や浴場の暖房のために、温水が開いた溝を通して循環されていた。