気候変動と戦うための最も強力な武器の一つは…家電製品です。ヒートポンプは、屋外の空気の熱を建物内へ輸送する完全電気式の装置で、夏には逆回転してエアコンのように機能します。地球温暖化の原因となるガスを炉で燃やすよりもはるかに効率的で、ある推計によると、平均的なアメリカの世帯は年間550ドル以上の光熱費を節約できるそうです。
平均値に重点を置いています。アメリカの住宅はそれぞれ規模やエネルギー効率が異なり、また、ヒートポンプの稼働状況は気候によって大きく異なります。しかし、理論的には、もしアメリカのすべての家庭にヒートポンプが導入されたらどうなるでしょうか？Joule誌に掲載された新たな研究によると、住宅部門の排出量は驚異的な36～64%削減され、米国全体の排出量も5～9%削減される可能性があるとのことです。
モデル化によると、これらのヒートポンプは、補助金がなくてもアメリカの6,500万世帯で費用対効果が高いことが分かりました。しかし実際には、連邦政府と各州はすでにヒートポンプのコスト削減に尽力しており、導入はますます手頃になっています。2022年インフレ抑制法は、ヒートポンプの設置に対して数千ドルの還付金または税額控除を規定しています。連邦政府は先週、ヒートポンプの国内生産を促進するために6,300万ドルを発表しました。これは、11月に同じ目的で発表した1億6,900万ドルに上乗せされるものです。また今月初めには、9つの州が協力し、できるだけ多くの世帯にヒートポンプをできるだけ早く普及させることを目指しています。
アメリカでは、ヒートポンプの売上が既にガス暖房を上回っています。これは、ヒートポンプの効率性が非常に高く、凍えるような外気からでも暖かさを取り出せるようになったことが一因です。昨年、極寒のメイン州は、10万台の新規ヒートポンプ設置目標を予定より2年前倒しで達成したと発表しました。厳しい寒さに備えて、一部のヒートポンプには予備の電気抵抗加熱装置が装備されており、これは暖房器具のように機能します。総じて、ヒートポンプは電気式であるため、風力や太陽光といった再生可能エネルギーによる電力供給が増加している電力網で稼働できるため、脱炭素化に不可欠です。
この新たな研究では、米国の住宅ストック全体、つまり一戸建て住宅、プレハブ住宅、集合住宅などの構造をモデル化しました。モデル化では、構造物の規模に加え、「漏れやすさ」、つまり断熱の徹底度も考慮されました。もちろん、住宅の立地も重要です。ニューイングランドの冬は、南カリフォルニアの冬よりもヒートポンプの稼働率が高くなるからです。寒冷地用ヒートポンプは、凍えるような外気から十分な熱を取り出すために、より高度で効率的な技術が必要となるため、より基本的な温帯用ヒートポンプよりも高価です。
今後数年間の電力網の進化を正確に予測する者は誰もいないため、研究者たちは再生可能エネルギーの普及について様々なシナリオを検討した。ヒートポンプが風力発電や太陽光発電で稼働する割合が高ければ高いほど、天然ガス発電所の電力で稼働する場合よりも排出量の削減効果は大きくなるだろう。研究者たちは、ヒートポンプが気候に関わらず、米国全土で排出量を削減できるかどうかを検証したかったのだ。
「答えは最終的に、米国のすべての州において、平均するとヒートポンプは温室効果ガスの排出量を削減するだろう、というものでした」と、国立再生可能エネルギー研究所の上級研究エンジニアであり、この論文の筆頭著者であるエリック・ウィルソン氏は述べています。「たとえ、最も寒い時期に電気抵抗加熱を利用する比較的効率の低いヒートポンプであっても、そして風力と太陽光発電の価格が現在の軌道よりも高くなるという最も悲観的な送電網シナリオであっても、です。」
ヒートポンプは逆回転で冷房にも利用できるため、家庭へのヒートポンプ導入が進むことで、夏の公衆衛生の改善にもつながると研究は指摘している。つまり、ヒートポンプがあれば、これまでエアコンを設置していなかった家庭でも快適な室温を確保できるようになるのだ。特に都市部では、建築環境が太陽エネルギーを吸収し、ゆっくりと放出するため、外気温が容赦なく上昇する中で、これはますます重要になる。厄介なのは、ヒートポンプは従来のエアコンよりも冷房効率が高いものの、夏の運転コストは、これまでエアコンを設置したことのない家庭にとっては驚くほど高い可能性があることだ。
ヒートポンプのメリットを最大限に享受するには、断熱性も向上させることが重要です。例えば、二重窓にすれば、冬や夏に室内の暖房や冷房が逃げる量を減らすことができます。こうした断熱材には初期費用がかかるのは確かですが、今回の調査によると、ヒートポンプの初期費用は数千ドル削減できることがわかりました。家がしっかりと密閉されていれば、適切な暖房を提供するのに必要な機器は小型で安価なものになります。「断熱性の低い家にヒートポンプを設置しても、快適に過ごせないという人が出てくるのではないかと少し心配です」とウィルソン氏は言います。（そのため、インフレ抑制法では断熱材の費用を30%割引しています。また、この法律では、新しいヒートポンプを設置するために必要となる可能性のある住宅の電気系統のアップグレード費用も数千ドル補助しています。）
さらに、この調査では、最も効率の低いヒートポンプを導入した場合、世帯の39%で光熱費が増加する可能性があるものの、断熱材の再設置も行えばその増加率は19%に低下すると指摘しています（これは、2021～2022年冬の州平均エネルギー価格に基づいています）。一方、高効率ヒートポンプを使用した場合、光熱費の増加が見込まれる世帯はわずか5%です。この断熱材や高効率ヒートポンプの初期費用は、IRA（アイルランド国税庁）が提供するような財政的インセンティブによって相殺できる可能性があると、この調査は述べています。
このモデリングは未来を予測するものではなく、米国におけるヒートポンプの普及がどのように展開していくかのシナリオを計算するものです。今後数年間、ヒートポンプ業界は驚くべき結果、特に米国が国内生産に数億ドルを投資する中で、良い意味での驚きを生み出す可能性を秘めています。「実際に大規模導入を開始した場合にのみ得られる効率性の向上、驚くべきイノベーション、飛躍的な進歩とは何でしょうか？」と、コロンビア大学ビジネススクールの気候経済学者ゲルノット・ワグナー氏は問いかけます。ワグナー氏はこの論文には関与していません。
この新たな研究は、私たちが知っている要因をモデル化したものですが、前向きな進展があれば、コストが下がり、ヒートポンプの普及が予想以上に加速する可能性があります。実際、IKEAは現在スウェーデンでヒートポンプを販売しています。
グラデーション提供
米国では、Gradient社が窓枠に取り付けるヒートポンプ（上図）を開発しました。ダクトのない住宅やアパートを対象としています。戸建て住宅向けのダクト式ヒートポンプは技術者による設置が必要ですが、Gradient社によると、このヒートポンプは一般家庭でも約30分で設置できるとのことです。同社はニューヨーク市住宅局と協力し、旧式のラジエーターで暖房されている建物に1万台のヒートポンプを設置しています。「ほとんどの建物は自前で冷房設備を持たなければなりませんが、このシステムで冷房もできるというメリットがあります」と、Gradient社の共同創業者兼CEOであるヴィンス・ロマニン氏は述べています。「このシステムは、これまで設置に使用していた機器よりも安価で、運用コストも低いことを、かなり効果的に示したと思います。」
ヒートポンプがガス暖房に、電気自動車がガソリンを大量に消費する車に取って代わるなど、国全体の電化が進むにつれて、電力需要は増加するでしょう。電力会社は、太陽光発電と風力発電のさらなる増加でこの需要を満たし、風が吹かず太陽が照らない時に備えて巨大なバッテリーにエネルギーを貯蔵できるようになります。
さらなる課題は、この電力需要の増加が時として集中してしまうことです。例えば、全員が仕事から帰宅し、ヒートポンプのスイッチを入れると、数時間にわたって需要が急増します。しかし、自宅の温度を数度下げたり上げたりすることができれば、ヒートポンプの稼働時間を減らすことができ、需要を減らすことができます。電力会社はまた、特に断熱性が高く、冷房や暖房を維持できる場合は、需要を一日のうちの別の時間帯にシフトさせるため、自宅を「予冷」または「予熱」することを顧客に推奨しています。さらに、スマートサーモスタットやヒートポンプの普及により、電力会社は遠隔操作で住宅内の温度を微調整することさえ可能になっています。もちろん、住宅所有者の許可が必要です。
確かに、ヒートポンプが増えれば電力需要は増えますが、電力網はそれに対応できるよう進化し、再生可能エネルギー発電によるクリーンな方法で対応していくでしょう。問題は、ヒートポンプがアメリカの家庭でガス暖房に大量に取って代わるかどうかではなく、どれだけの速さで取って代わるかです。
