未利用エネルギーを季節で切り替えて活用する帯水層蓄熱システムの普及を目指す

密閉式井戸の開発

日本地下水開発はNEDOプロジェクトの中で、「密閉式井戸の開発」と「専用ヒートポンプの開発」という、２つの研究開発目標を立てました。これらの開発により、ATES冷暖房システムの設置や運用における大幅なコストダウンや冷暖房能力の強化を目指したのです。

中でも最も困難な課題となったのは「密閉式井戸の開発」でした。密閉式井戸は熱利用した後の地下水を余すことなく帯水層に戻すのに不可欠です。従来のATES冷暖房システムの開放型井戸だと、地下水の水位が高い時、地下水を帯水層に戻すと水が噴き出してしまう可能性がありました。それを避けるために、日本地下水開発では熱利用した地下水を戻すための井戸を2本用意し注水量を分散させていましたが、それでも十分に地下水を帯水層に戻すことができませんでした。

日本地下水開発営業本部企画開発部部長の山谷睦さんは、「開放式の井戸は、圧力をかけると水が噴き出してしまいます。これではくみ上げた地下水を100％帯水層に戻すことができません。実際、2本の井戸から注入しても、夏場は77％しか戻すことができず、熱効率が落ちてしまいました。それを克服するために井戸の上部をセメントで固めた 「密閉式井戸」を開発する必要があったのです」と説明します（写真1）。

写真1　（左）開放式井戸上部と、（右）密閉式井戸上部

密閉式井戸を開発、実用化できれば、井戸も揚水と注水の2本に減らすことができ、初期導入コストを大幅に下げることができます。

また、従来の開放型の井戸では、井戸内の水位が上昇して井戸に戻すことが困難になった場合、注入量の回復を図るため、その都度地下水をくみ上げる操作を行う必要がありました。そのため、ポンプの電力コスト、さらにくみ上げた地下水を排水するための下水道料金が発生しますが、密閉式井戸ではこの操作を行う必要がないため、運用時のコストダウンも可能となります。

山谷さんは、「この密閉式井戸を掘るコストをいかに下げるか、が課題でした。今回のプロジェクトでは4本の井戸を掘りましたが、我々がこれまでいろいろな現場で積んだ経験が役に立ちました。1本目の井戸はてこずりましたが、残りの3本は順調に掘ることができました」と話します。

いかに安く、早く密閉式井戸を掘るか、という課題を解決したのは、日本地下水開発がこれまでにたくさんの井戸や温泉を掘ることで培ってきた技術力の蓄積でした。まず注目すべきは、「ソニックドリル」（写真2）を用いることで高速の掘削を可能にしたことです。ソニックドリル工法とは、ドリル先端のビットに回転と特殊振動を与えることによって高速掘削する方法です。

写真2　（左）高速掘削が可能なソニックドリル（右）そのビット

このソニックドリルで掘削した孔に、ケーシング・パイプと呼ばれる管を挿入し、帯水層上部をモルタルで固めて確実に遮水します。さらにこの工程を短縮する方法を開発し、密閉式井戸を低コストで施工する技術を確立しました。

山谷さんは話します。「揚水と注入両方に対応可能なデンマーク製のインジェクションバルブ（写真3）を導入しました。密閉式井戸の実績のない日本ではあまり使われませんが、NEDOプロジェクトでは自由に挑戦をさせていただくことができ、プロセスの簡略化に向けた課題解決に、極めて効果的でした。NEDOさんとチームを組むことができたからこそ、密閉式井戸の研究開発は上手くいったと思います」

写真3　１本の配管で揚水、注入を可能にするインジェクションバルブ

無散水消雪システムの応用

雪国ならではの課題である、夏と冬との熱収支のアンバランスを補うために応用したのは、日本地下水開発の最も得意とする地下水還元式無散水消雪システムです。

桂木さんは説明します。「山形の場合、冬場の冷熱注入期間が長く約半年も続くため、帯水層に冷熱ばかりが貯まり、温熱の4倍にもなってしまいます。その結果、温熱を貯めている帯水層にも、冷熱が入り込んでしまいます」

そこで日本地下水開発では、従来のATES冷暖房システムに無散水消雪システムを応用し、冷熱／温熱を増強して帯水層に蓄熱して利用する「Hi-ATES冷暖房システム」を開発しました（図4）。

図4　（左）夏期稼働模式図、（右）冬期稼働模式図（資料提供：日本地下水開発）

Hi-ATES冷暖房システムでは、システムを導入する建屋前の駐車場の地面から5〜6cm下に伝熱管を敷設し、ヒートポンプで熱交換した後の地下水を通します（写真4）。

写真4　駐車場への伝熱管敷設状況（写真提供：日本地下水開発）

夏には駐車場に敷設された伝熱管に通すことで太陽光の温熱を集熱し、冬には地下水を暖房に使った後、同じく伝熱管に通して駐車場を無散水消雪することで、雪の融解熱を放出します。この仕組みによって、より一層、帯水層に戻すときの地下水の温度を上げ下げすることが可能になり、冷暖房に効率よく熱利用できるようになりました。

「夏場は山形でも、太陽光が当たると路面温度が50℃以上になり、駐車場下の伝熱管に流した地下水は、最高で40℃ぐらいまで温度が上昇します」（山谷さん）

逆に冬場は、駐車場を消雪した後、帯水層に戻すときには地下水の温度が5℃まで下がりました（図5）。

図5　伝熱管の赤外線画像。（左）夏期稼働時、（右）冬期稼働時（資料提供：日本地下水開発）

桂木さんは、「消雪システムを夏期も使うという考えは、それまでなかったのですが、夏期に稼働させると路面温度が下がる、つまり送水した水が温まることは経験的に分かっていました」と言います。

山谷さんは、「今までの4倍近い量の温熱を帯水層に注入できることで、夏と冬との熱収支のアンバランスを打ち消すことができました。これもNEDOプロジェクトで実証できた非常に大きな成果です」と話します。

地下水と冷媒を直接熱交換できる新型ヒートポンプ

本プロジェクトにおけるもう一つの大きな成果は、Hi-ATES冷暖房システム専用のヒートポンプを、再委託先のゼネラルヒートポンプ工業株式会社と共同開発したことでした。

ゼネラルヒートポンプ工業と日本地下水開発は地中熱利用の研究開発で協力関係にあり、桂木さんは、「今回のNEDOプロジェクトで、我々が今まで熱望していたヒートポンプを実用化できました」と話します。

今回新たに開発したヒートポンプは、地下水を直接蒸発器に流すというもので、間に熱交換器を挟まない分、効率的に熱交換することが可能です。従来のATES冷暖房システムでは、配管にスケール（地下水中に含まれる鉄分等）が付着するおそれがあるため、行われていませんでした。

山谷さんは言います。「自然の水ですから、地下水にはいろいろな成分が含まれます。それらが、ヒートポンプの細かい配管に付着し効率低下を起こさないように洗浄したり、ヒートポンプの前に分解清掃が容易な熱交換器を設置したりしていました。もし、地下水と冷媒を直接熱交換できるヒートポンプがあれば、システムの効率が格段に上がるはずと考え続けていました」

そこで、日本地下水開発とゼネラルヒートポンプ工業では、スケール付着を抑制する電磁処理装置を組み込み、地下水をヒートポンプの蒸発器に直接送水して熱交換できるように改良しました。その結果、ヒートポンプの前の熱交換器や循環ポンプも不要になりました（図6）。

「２シーズン、NEDOプロジェクトで使ったヒートポンプの蒸発器の中身を観察したら、ほとんどスケールが付着していませんでした。しかも、わずかに付着していたスケールも、流水洗浄で簡単に剥がれてしまいました」（山谷さん）

図6　新旧ヒートポンプの比較（上：新、下：旧）（資料提供：日本地下水開発）

ATES冷暖房システムの適地を示す

本プロジェクトの大きな成果に、ATESの普及に欠かせない研究である、産業技術総合研究所（産総研）による「地中熱・地下水熱利用ポテンシャルマップの構築」があります。

産総研再生可能エネルギー研究センター地中熱チーム（現在は地圏資源環境研究部門）の吉岡真弓さんは、「ポテンシャルマップと言ってもいろいろなものがありますが、今回の場合は、ATES冷暖房システムの導入適地かどうか、地下水がどこにあるか、また地下の温度環境、さらに地下水の流速などをシミュレーションし、マッピングしていきました。地下水の流れが速い地域では蓄熱効果が低くなることや、くみ上げた地下水が戻りにくい地域では、ATESには不向きとなる可能性があります」と話します。

今回、産総研では、NEDOとディスカッションを重ねながら、ATES冷暖房システムなど「オープンループ」の東北主要地域のポテンシャルマップを、日本地下水開発と共同で作成しました（図7）。

具体的には、これまでに存在する地下水位や水温の観測データを基に3次元地下水流動熱輸送モデルを作ってシミュレーションを行い、それらの結果を重ね合わせ、ポテンシャル（適地）をマッピングしていきました。さらに5年かけて東北５地域で新たに100mの深さのボーリング調査を行いました。

図7　山形盆地のATESポテンシャルマップ

吉岡さんは、「何よりも難しかったのは、『シミュレーション結果から、ATESのポテンシャルを具体的にどのようにマップに落とし込むか』ということでした。オープンループの事例は日本にはほとんどありませんから、基準がありません。どのくらいの帯水層があればATESのポテンシャルがあると言えるのか、どのような地下水環境であれば安定して地下水を戻せるのかなどの基準データがありません。日本地下水開発の経験も伺いながらマップを作成していくのですが、作成したマップと現場の感覚が合わないこともしばしばありました」（写真5）

写真5　（左）ポテンシャルマップと（右）吉岡さん

また、ポテンシャルマップへの記載の仕方もいろいろと配慮したと吉岡さんは言います。「マップに『不適地』と書いてしまえば、そのマップを見た人は『その場所はATES冷暖房システムに適さない土地だ』と思い込んでしまうからです」

「でも、システムの規模によっては可能性がないわけではありません。そこで『不適』ではなく、『事前調査推奨』という表示にすることで、ATES冷暖房システムの普及を阻害しないように、最大限の配慮をしました」（吉岡さん）

吉岡さんは言います。「NEDOのプロジェクトリーダーの方から『こういうマップが欲しい』と言われるとモチベーションが上がりましたし、迷いも吹っ切れました。『システムを売り込む営業の方が活用できるマップを』と言い続けてくださった結果、迷いながらもどうにかマップを仕上げられ、その評判も上々で安心しました」

実際、同ポテンシャルマップを参考に、山形県河北町役場の新庁舎に、本プロジェクトで研究開発された日本地下水開発の「Hi-ATES冷暖房システム」の導入が決まり、2021年度中にも稼働が予定されています。