異常気象はヒートポンプに課題をもたらす

アンドレアス・バンゲリは風を読む術を知っている。故郷オーストリアの山々を何年もハンググライダーや小型飛行機で飛び回ってきた彼は、状況の変化を感じている。

「風はますます強くなってきています。ますます深刻な問題になっています」と、ヒートポンプメーカーHeliothermのCEO、バンゲリ氏は語る。「今年は本当に強いフェーン現象が見られました」と彼は付け加える。フェーン現象とは、山腹を吹き下ろす乾燥した強風で、アメリカではチヌーク風またはサンタアナ風とも呼ばれる。

バンゲリ氏によると、山の風は暖かくても、ヒートポンプに悪影響を与えるほど冷たく感じることがあるという。気候変動によって悪化する可能性のある、寒くて風の強い嵐も問題となる。この春、バンゲリ氏は山腹の自宅に設置した空気熱源ヒートポンプに強風の影響が及んでいることに気づいた。「風冷えの影響が大きかった」と彼は言い、ヒートポンプの霜取り作業は通常より10～15%多く必要だと推定した。

空気熱源ヒートポンプは、屋外の空気から熱を捉え、それを屋内に運びます。しかし、気温が十分に低く湿度が高い場合、ヒートポンプの一部の部品が徐々に凍結する可能性があり、効率的な動作を継続するには、霜取りと乾燥が必要です。強風は、たとえそれほど寒くなくても、この霜取りプロセスを阻害します。ヨーロッパ各地で数千台のヒートポンプを定期的に監視しているHeliotherm社は、風の強い地域でこの影響を確認しています。「北ドイツのハンブルクには多くのヒートポンプが設置されています。そこは常に強風が吹いているからです」とバンゲリ氏は言います。

ヒートポンプは1800年代から様々な形で存在してきました。空気、地面、水などから熱を取り出す様々な種類があります。消費電力1キロワット時に対して数キロワット時の熱を大量に生み出すことができるため、暖房システムの脱炭素化に非常に効果的な手段と考えられており、化石燃料を燃料とするボイラーや暖房炉の廃止を可能にします。また、ヒートポンプの効率は常に向上しているため、専門家が適切に設置すれば、長期的には多額の費用を節約できる可能性があります。

しかし、この技術には欠点がないわけではありません。強風、予想外の低温、高湿度などは、ヒートポンプの性能に影響を与える可能性があります。さらに、今後数年間の気候は一部の予想よりも急速かつ劇的に変化する可能性があるため、現在設置されているヒートポンプの多くは、将来の変化に十分に対応できないリスクがあります。ヒートポンプは未来の技術かもしれませんが、大きな疑問は、その未来が具体的にどのようなものになるのかということです。

バンゲリ氏によると、ヨーロッパ全土に65,000台以上の様々な種類のヘリオサームヒートポンプが設置されている。同社は30年以上の歴史を持つ。地中熱ヒートポンプは、当然のことながら、天候の変化にそれほど左右されない。地中温度は空気よりもずっと安定しているからだ。空気熱源、地中熱源のどちらの装置も、オーストリアの厳しい冬に耐えられる。バンゲリ氏が住む地域は摂氏マイナス15度（華氏マイナス5度）まで寒くなることもあり、同社の装置のいくつかはスイスの山頂にあるスキーホテルにも設置されている。「彼らはヒートポンプをヘリコプターで運んできたのです」と彼は言う。（最新の耐寒性ヒートポンプは、マイナス30度という低温でも作動する。）

極寒の日や風の強い日はヒートポンプの性能に影響を与えますが、そのような状況ではこれらの装置が建物を適切に暖房できないことはないとバンゲリ氏は強調します。気温が3℃以下の高湿度は凍結問題を悪化させる可能性がありますが、それより少し暖かい気温での高湿度は、実際にはヒートポンプにとって有利です。なぜなら、装置内部を循環する冷媒の蒸発に必要なエネルギーが少なくなるからです。これは、装置内部に外部から熱を取り込むプロセスの一部です。

しかし、風の問題は顕著であり、バンゲリ氏と彼の同僚たちは、強風にもより強い新型空気熱源ヒートポンプの設計に着手しました。来年発売予定のこの装置は、一時的に外気を遮断することができます。「嵐が来たら、これを閉じて、後で開けることができます」とバンゲリ氏は言います。「私たちは、未来を見据えたヒートポンプの設計方法を学んでいるのです。」

米国エネルギー省は、風が空気源機器に与える影響を強調し、よりローテクな解決策を提示しています。「コイルの風上に茂みやフェンスを戦略的に設置することで、機器を強風から守ることができます。」また、コロラド州の配管会社は、埃っぽい風がヒートポンプユニットを詰まらせ、効率を低下させる可能性があるため、定期的な清掃が重要であると指摘しています。

風は霜取りに影響を与え、結果としてヒートポンプの性能が低下するのは「当然だ」と、エネルギーに特化した非営利団体「Regulatory Assistance Project」のリチャード・ロウズ氏は述べている。しかし、彼が拠点を置く英国では、これが問題を引き起こしたという話は聞いたことがないと付け加えた。一般的に、風冷えは建物の温度を下げ、必要な熱量を増加させる。そのため、ヒートポンプの稼働率も高くなるとロウズ氏は指摘する。

研究者たちは、ヒートポンプが劇的に変化する気候にどのように対処するかを調査し始めています。昨年発表されたある論文では、予想通り、冬が穏やかになれば暖房用のヒートポンプのエネルギー消費量は減少するだろうと結論付けられました。しかし、ヒートポンプは夏季の冷房にも利用でき、その需要は急増すると著者らは述べています。「この増加は冬季のエネルギー消費量の減少によって部分的に相殺されるに過ぎず、建物全体のエネルギー消費量は予測通り増加すると見込まれます。」

ロウズ氏は、もう一つ、かなり恐ろしいシナリオに注目している。大西洋南北循環（AMOC）は、地球の南端から北へ暖かい水を分配する海流システムである。これは北米とヨーロッパの気候に大きな影響を与え、これらの地域を本来よりもはるかに暖かく湿潤な状態に保っている。問題は、地球規模の気候変動により、AMOCがわずか数十年で崩壊する可能性があることだ。この可能性については、最近複数の研究が検討しており、昨年発表された研究では、AMOCの崩壊は早ければ2025年にも始まる可能性があると示唆されている。ただし、その分析では、実際には今世紀末まで崩壊しない可能性も示唆されている。

経済協力開発機構（OECD）の2022年の分析によると、このようなシナリオでは、ヨーロッパ全体の平均気温が最大8℃、北米では最大3℃低下する可能性があります。それほど大きな変化には思えないかもしれませんが、最も寒い日がさらに寒くなる可能性があることを意味します。

「それはかなり大きな影響になるでしょう」とロウズ氏は強調する。「影響は大きいでしょう」。例えば最低外気温が摂氏マイナス10度程度を想定して設計されたヒートポンプ設備の一部では、もはや対応できなくなるかもしれない。「より大型のヒートポンプを検討する必要があるかもしれません」とロウズ氏は言う。しかし彼は、もしAMOCが本当に崩壊した場合、英国のような極寒が稀な国では、はるかに深刻な問題に直面することになるだろうと付け加える。地中のパイプが凍結したり、猛吹雪で道路が通行不能になったりするなど、より大きな問題が発生する可能性が高い。

AMOCの崩壊はさておき、気候変動によって冬は一般的に温暖化すると予想されていることは注目に値する。しかし、カリフォルニア大学バークレー校のエネルギー資源学教授であるダンカン・キャラウェイ氏は、例えばカリフォルニア州のような最も寒い日は、おそらく依然として寒さは変わらないだろうと述べている。「猛暑はより困難になるだろう」とキャラウェイ氏は主張し、冷却技術の需要が高まることを強調する。空気対空気ヒートポンプは、暖房と冷房の両方を提供できるという点で、多くの競合技術とは異なる。

今後数年間の気候変動がどのような形をとるかを正確に予測することは困難ですが、大まかな傾向は明らかです。例えば、気象変動の拡大や異常気象の増加などが予想されます。電力網が太陽光や風力といった再生可能エネルギーへの依存度を高めるにつれ、ヒートポンプにも間接的な影響が及ぶ可能性があります。

例えば、天候に恵まれた短期間の間、送電網でエネルギー余剰がより頻繁に発生する可能性がある。送電網の運用者は停電を避けるためにエネルギーの生産と消費のバランスを取る必要があるが、ヒートポンプはここで実際に有用なツールになる可能性があるとミシガン大学の電気工学およびコンピュータサイエンスの准教授であるジョアンナ・マシュー氏は述べている。「ヒートポンプがもっとあれば、その仕事をより効率的に行うことができるでしょう」と彼女は述べ、ヒートポンプは原理的に遠隔操作して通常よりもわずかに多くのエネルギーを使用するように制御できるため、送電網のバランスをとるのに役立つと説明している。マシュー氏と彼女の同僚は最近、テキサス州の約100世帯のエアコンを使用して送電網のバランスをとるプロジェクトを立ち上げたが、結果はまだ公表されていない。

これを大規模に展開すれば、将来的には電力系統運用者の余剰電力管理に役立つ可能性があり、住宅所有者は負荷分散への取り組みへの参加に対するインセンティブとして、支払いや電気料金の割引を受けられるようになるかもしれません。洗濯機や給湯器といった他の家電製品に焦点を当てたこの種の実験は、英国をはじめとする国々で既に大規模に行われています。マシュー氏によると、一つの障害は、サーモスタットやヒートポンプの技術が多種多様で、それぞれ異なるソフトウェアを使用していることです。数千台のヒートポンプを遠隔制御するためのインフラはまだ整備されていません。

強風や極端な気温の影響はあるものの、気候変動によってヒートポンプの運転が止まることはないだろうとキャラウェイ氏は主張する。むしろ、システム設計と想定される不測の事態が問題となる。しかし、バンゲリ氏は今、気候変動のシナリオについて考える価値があると強調する。余剰容量やバックアップ技術を導入しておけば、脱炭素化された暖房システムが脆弱になることは避けられるだろう。

2024 年 8 月 15 日午後 11 時 (BST) に更新: Mathieu チームの作業の説明が更新され、エアコンを使用してグリッド バランシングがテストされていることが反映されました。