私たちの足元に潜む巨大な「電池」

帯水層熱エネルギー貯蔵システムの動作原理。Martin Bloemendal および Theo Olshoorn

この記事はもともと Wired によって掲載されたもので、Climate Desk コラボレーションの一環としてここに再掲載されています。

雨水が降ると、それは帯水層、多孔質の岩石の層、または砂や砂利のような緩い物質の中に浸透します。 何千年もの間、人間は飲料水を汲むためにこれらの液体の帯を掘ってきました。 しかし、これらの地下プールの別の賢い利用法、帯水層熱エネルギー貯蔵（ATES）への関心が高まっています。

バッテリーは後で使用するエネルギーを保持します。 帯水層を利用して同様のことを行うことができます。帯水層は地球の断熱特性を利用して熱エネルギーを節約し、地上の建物との間で熱エネルギーを伝達できます。 帯水層の水の温度はかなり安定している傾向があります。 これは、天然ガスを炉で燃やしたり、エアコンを稼働させるために化石燃料由来の電力を利用したりする代わりに、水に蓄えられたエネルギーを使って近くの構造物を加熱および冷却する方法を提供します。

ATES システムは、地表とその下の帯水層の間を流れる 2 つの別々の井戸 (1 つは暖かい井戸、もう 1 つは冷たい井戸) で構成されています。 冬には、華氏約 60 度の暖かい井戸から地下水を汲み上げ、熱交換器に通します。 このプロセスはヒートポンプと組み合わせて地下水から熱を取り出し、構造物の内部を暖かく保ちます。

次に、その冷たくなった地下水を 2 番目の井戸にポンプで送り込みます。 これにより、夏には建物を冷やすために汲み出す約 45 °F の冷たい水のプールが得られます。 オランダのデルフト工科大学でATESを研究している水文地質学者のマルティン・ブルメンダル氏は、「建物から熱を取り出して他の井戸に直接注入することで地下水を加熱します」と話す。 「そして冬には、暖かい井戸から水を汲み出します。」 地下水は消費されずに再利用されるため、このプロセスは季節が進むにつれて無限に繰り返されます。 このシステムは、飲料水として取水できない汽水層や汚染された帯水層を利用することもできる。

給水ポンプやその他の機器は太陽光や風力などの再生可能エネルギーで稼働するため、この超効率的なエネルギー貯蔵により化石燃料の需要が減り、大量の炭素が大気中へ排出されるのを防ぐことができます。 米国では冷暖房がエネルギー消費の 3 分の 1、ヨーロッパではエネルギー消費の半分を占めています。 実際、ジャーナル「Applied Energy」に掲載された新しい論文では、ATES により米国の家庭や企業の冷暖房に使用される天然ガスと電気の使用量を 40% 削減できることがわかりました。

これは、大量のエネルギーを長期間貯蔵する方法であり、いつでも活用できる地下バッテリーのようなものです。 米国地質調査所の地熱資源調査プロジェクトのリーダーであるエリック・バーンズ氏は、「地方都市では、熱も冷気も蓄えることができ、後でその代金を支払う必要がなくなりました」と語る。 （USGS は、都市規模の地熱エネルギーを研究している新しい国際コンソーシアムの一員です。） 「これの素晴らしい点は、電池のように重要な鉱物を必要としないことです。」

この技術は、井戸やその他の機器用の専用施設を共有できるため、病院などの大規模な建物や大学のキャンパスなどの建物の集合体に最適です。 これは、送電網への需要が高いときに特に効果的です。 米国では、人々がエネルギーを大量に消費するエアコンのスイッチを入れる夏の終わりの午後に需要が急増します。 ATES は使用する電力がはるかに少ないため、送電網の負荷が軽減され、クラッシュの回避に役立ちます。 これらのシステムが太陽エネルギーや風力エネルギーを利用するだけでなく、リチウムイオン電池の分散ネットワークによってバックアップできれば、停電に対して完全に回復できる可能性があります。

「これらのシステムは、再生可能エネルギーを統合する場合に非常に理想的です」と、新しい論文の主著者であるエネルギー システム研究者の ATD ペレラ氏は述べています。 (ペレラは現在プリンストン大学にいますが、研究を行ったのはローレンス・バークレー国立研究所にいたときです。)

このテクノロジーはまだ世界的に広く導入されていません。 ATES システムの約 85 パーセントはオランダにあり、適切な地質とエネルギー効率に関する厳しい国家基準の両方を備えています。 しかし、ある研究では、ドイツの一部の地域がそれに適していることが判明した。 別の研究者は、スペインの人口のほぼ 3 分の 1 が ATES に適した地域に住んでいることを発見しました。

ただし、すべての領域が適切に適合するわけではありません。 たとえば天然ガス発電所とは異なり、地熱エネルギー システムは多くの複雑な地質学的要因に依存します。 「『わかった、このシステムは私がイリノイに住んでいる場所ではうまく機能する』と言い、それをカリフォルニアのあなたの自宅に置き換えようとするのは、本当に本当に難しいでしょう」とイリノイ大学の地球科学者、ユー・フェン・リンは言う。アーバナ・シャンペーン。 （リン氏はバーンズ氏との国際コンソーシアムの一員だが、新しい論文には関与していない。）「コピー＆ペーストほど単純ではない。」

たとえば、硬い岩の上に築かれた都市は、帯水層に簡単にアクセスできません。 そして、アクセスできる場所であっても、十分な「透水性」が必要です。これは、水が砂や砂利などの地下物質を容易に通過できることを意味します。 水の流れが良くなればなるほど、汲み出すのが容易になり、エネルギー消費も少なくなります。

そうは言っても、水をポンプで汲み下げると、地形の他の場所に移動する可能性があるため、水をあまり多く流すことはできません。 「流れたいときに流れさせたいのです」と、ペレラ氏と論文の共著者であるローレンス・バークレー国立研究所の地球科学者ピーター・ニコ氏は言う。 米国にとって幸運なことに、「この国の広い範囲で良い状況にある」とニコ氏は付け加えた。

しかし、別の課題があります。ATES は高価です。 それには、特定の都市の地質を徹底的に研究し、掘削とポンプ設備の設置に費用を支払う必要があります。 しかし、少なくともそのコストは前払いです。井戸とポンプを用意すれば、すべては豊富な無料の太陽光発電または風力発電で稼働します。 さらに、地表で多くのスペースを占有していないため、都市がこれまで以上に必要としている都市庭園やその他のオープンな緑地のための余地が残されています。 「気候変動に対する回復力を高めたり、持続可能性を高めたりするために、多少のお金を払っても構わないのであれば、これは理想的な方法でしょう」とペレラ氏は言う。