光熱費が高騰する中、英国のほとんどの家庭で現在使用されている化石燃料の使用をやめることに関心を持つ人がたくさんいます。 問題は、それをどのように実現するかです。 マーガレットハリス 説明して
中世のバース修道院教会の敷石の奥深くに、古代のひねりを加えた現代の驚異が静かにその存在を感じさせています。 2021 年 XNUMX 月に完成した修道院の 暖房システム 床下パイプと、地表下 2000 メートルにある熱交換器を組み合わせたものです。 そこでは、1.1 年近く前に建設された排水管が、毎日 40 万リットルの XNUMX °C の水を天然温泉から古代ローマ浴場の複合体に運びます。
この温水の流れを利用することで、このシステムは修道院だけでなく、オフィスに使用される隣接するジョージア様式のコテージの列を暖めるのに十分なエネルギーを提供します。 修道院の牧師が「私たちの美しい歴史的な教会を暖房するための持続可能な解決策」と称賛したのも不思議ではありません。
しかし、それだけではありませんでした。 修道院の暖房を脱炭素化する取り組みが始まると、 19.4 万ポンドのバース修道院フットプリント プロジェクト 建物の電気に注意を向けました。 ほとんどの教会と同様に、修道院は東から西へと延び、その屋根は南向きです。 英国の北緯では、このような屋根は 2016 日のほとんどの時間日光にさらされるため、太陽光発電 (PV) パネルに最適です。 バースから北へ車で XNUMX 時間の場所にあるグロスター大聖堂は、すでにこの有利な方向性を利用しており、XNUMX 年には英国で最初の主要な古代大聖堂になりました。 屋根に設置されたソーラーパネル.
同様のセットアップがバース修道院に適しているかどうかを調べるために、フットプリント プロジェクトは、バース大学主導の博士課程の学生と協力しました。 新しく持続可能な太陽光発電の博士課程教育センター (CDT). に掲載された実現可能性調査では、 エネルギー科学と工学 （2022 10 892)、生徒たちは、適切に設計された一連の PV パネルが修道院の電力の 35.7% を供給でき、さらに余剰が発生した日にグリッドに売却できる 4.6% を計算しました。 このアレイは、約 13 年以内に元が取れ、139,000 年間の寿命で 12,000 ± 25 ポンドの総利益を生み出します。
ホームの真実
バース修道院の屋根にソーラー パネルを設置することは、今のところアイデアに過ぎません。 フットプリント プロジェクト ディレクターの Nathan Ward 氏は次のように述べています。 しかし、英国中の多くの人々、つまり一般の世帯主や有名な建物の管理人にとって、そのタイミングは非常に緊急に見え始めています. ロシアのウクライナ侵攻、世界的なガス需要の高まり、さまざまな地域的要因により、エネルギー価格は前例のないレベルまで上昇しています。
XNUMX月に発表された予測では、コンサルティング会社コーンウォール・インサイトが 計算された 状況が変わらなければ、平均的な英国の世帯は、355 年 2023 月に XNUMX か月あたり XNUMX ポンドをエネルギーに費やすことができます。 英国政府のエネルギー価格保証、 9月に発表されました、エネルギー料金を補助することにより、いくらかの救済を提供しました。 それでも、2021 年 2022 月から XNUMX 年 XNUMX 月までの間に、エネルギー供給業者が英国の世帯主に請求できる最大単価は 実質的に増加した、ガスはキロワット時 (kWhr) あたり 7 ペンスから 10.3 ペンスに、電気は 21 キロワット時あたり 34 ペンスから XNUMX ペンスに上昇します。
バス物理学者 アリソン・ウォーカーCDT のディレクターである は、彼女のチームの論文は当時、 修道院が二酸化炭素排出量の削減に真剣に取り組んでいたことを示す、より仮説的な提案です。 しかし現在、「エネルギーのコストは急激に上昇しています。自家発電すれば、はるかに安くなり、今年経験したようなエネルギー価格の変動の影響を受けにくくなる可能性があります」と彼女は言います。
光熱費、二酸化炭素排出量、またはその両方を削減したい世帯主にとって、ソーラー パネルは最も簡単で安価な方法の 10 つです。 シリコンベースの PV パネルは成熟した技術であり、その価格は過去 XNUMX 年間で急落しており、屋上アレイの設置には数日しかかかりません。 しかし、太陽光発電設備に対する政府の支援が世帯主に提供されなくなったため、初期費用が多くの人にとって障壁となり、設置業者には長い待機リストがあります。
さらに悪いことに、ソーラー パネルは、技術的な理由や外観の理由から、すべての住居に適しているわけではありません。 「英国では、建物の美学を非常に意識しています。 マイク・ウォールズ、ラフバラー大学の物理学者 再生可能エネルギーシステム技術センター. 「一部の建物、特に古い建物では、見栄えが悪い、または全体的な外観にうまく適合しないという理由で、人々がソーラー パネルを設置しないことがあります。」 グロスター大聖堂のプロジェクト責任者であるアン・クランストン氏は、計画当局がパネルを受け入れる前に、彼女のチームはパネルが「可能な限り「ステルス」である」ことを証明しなければならなかったと述べています。
いずれにせよ、屋根に数枚の PV パネルを平手打ちするだけでは、世帯主が化石燃料への依存から解放されることはめったにありません。 明らかに、太陽は夜には輝きませんが、北ヨーロッパの単位面積あたりの太陽エネルギーの尺度である平均直射日射量は、数 kWhr/m 以下です。2. したがって、最も晴れた冬の日でも、典型的な英国の屋上 PV アレイは、その下の家を暖めるのに十分なエネルギーを生成しません。 」）。
ソーラー パネルが完全な解決策ではない場合、化石燃料への依存を終わらせる (または少なくとも減らしたい) 家庭所有者、およびバース修道院の便利なローマ式給湯設備を利用できない世帯主は、他の解決策を見つけなければなりません。 2050 つの選択肢は、従来のガス燃焼ボイラーを廃止し、代替暖房システムに置き換えることです。 実際、2025 年までに炭素排出量の正味ゼロを達成するという英国政府の誓約の一環として、XNUMX 年から、英国の新築住宅にガスボイラーを設置することは合法ではなくなります。 しかし、既存の施設を改築する取り組みはゆっくりと進んでいます。 では、英国の住宅ストックを「グリーン化」するにはどうすればよいのでしょうか?
熱を保つ
英国の住宅は、他のヨーロッパ諸国の住宅よりも平均で最大 XNUMX 倍の速さで熱を失います
この記事のために私が話した専門家は、ある点で団結しました。住居の断熱性が向上すれば、すべてがはるかに簡単になるということです。 「本当に、答えは断熱材、断熱材、断熱材です。それがエネルギーコストを削減するための最良の方法だからです」とウォーカーは言います。 「効率性は本来あるべき注意を払われていません」と同意する ゾーイロビンソン、キール大学の持続可能性の教授。
数字は冷静です。 2020年 研究 スマート暖房技術会社 Tado° によると、英国の住宅は、他のヨーロッパ諸国の住宅よりも平均で最大 80,000 倍の速さで熱を失うことがわかりました。 Tado° のアナリストは、ヨーロッパ中の 20 人の顧客から収集したデータを使用して、0 °C の日に XNUMX °C に加熱された英国の家は、暖房のスイッチを切ると XNUMX 時間後に平均 XNUMX 度低下するのに対し、わずか XNUMX 度低下すると結論付けました。ドイツの家に。
このパフォーマンスの低さの一部は、英国の住宅ストックの老朽化によるものです。 しかし ローリー・ピーター太陽エネルギーを使用して燃料を生成することに関するバースの専門家である は、この問題は新しい住宅にも及ぶと述べています。 「これまでの政府は、家を建てることに関する規制に関しては厳しい態度をとってきました」と彼は主張し、これは家の全体的な二酸化炭素排出量とそのエネルギー使用に当てはまると付け加えました。 「家づくりや断熱材に関しては、今でも多かれ少なかれビクトリア時代と同じです。率直に言って、これは恥ずべきことです。」
この古い建物と緩い規制の組み合わせにより、イングランドの 28.5 万戸の住宅の半分は、バース修道院と同じ壁の断熱材を使用しています。 二重ガラスがより一般的ですが、2020–2021 年によると 英語住宅調査、英国の家庭の 14% にはまだそれがありません。 さらに悪いことに、改造率は 崖から落ちた. 2012 年には、約 2.3 万戸の住宅に新しいロフト、空洞壁、または堅固な壁の断熱材が設置されましたが、政府が成功した改修プログラムをあまり効果的でないことが判明したインセンティブに置き換えた後、この数は年間 200,000 万戸未満に減少しました。
一度に XNUMX つの家
私は物理学者が XNUMX 人いる家庭に住んでいるので、ガス ボイラーをヒート ポンプに置き換え、屋根にソーラー パネルを設置したとき、自然にその設置を科学的な実験として扱い、結果を長期にわたって監視することができました。 私たちはより少ないエネルギーを使用するでしょうか？ そして、それは私たちの請求書に何か違いをもたらすでしょうか?
私たちのエドワード朝様式のレンガ造りのテラスハウスは、二重窓とロフトとキャビティ壁の断熱材を備え、その年齢の割には比較的効率的です。 それでも、ヒートポンプへの切り替えには準備が必要でした。 私たちの部屋と窓を測定した後、設置業者 (副業としてヒート ポンプを扱う地元の配管会社) は、8 kW のヒート ポンプ、新しい高効率の温水タンク、およびより長く、幅が XNUMX 倍のラジエーターが必要であると計算しました。すべての部屋。
需要が高く、設置業者のスケジュールがタイトだったので、2021 月中旬に彼らが私たちにスロットを提供したとき、最大 2022 週間の暖房なしということでしたが、私たちは受け入れました (これは、小さな子供や障害を持つ人々がいる家庭にとっては困難だったでしょう)。 ）。 同様に、高い需要とサプライチェーンの問題により、ソーラーパネルの設置がXNUMX月に延期されました。 しかし、改修が完了すると、XNUMX 年 XNUMX 月から XNUMX 年 XNUMX 月までの家のエネルギー使用量のグラフが示すように、見事に機能しました。
ヒートポンプは 19 月 2021 日に稼働を開始しました。 冬の終わりから早春にかけて、私たちの家の平均的な 2021 日あたりのエネルギー使用量 (青い線) は、2022 年の同時期の約半分でした (3 年のデータセットは四半期ごとまたは隔月ごとの測定値に基づいていることに注意してください。XNUMX 年 XNUMX 月からの使用量は以降は毎週記録されました）。 XNUMX 月 XNUMX 日に設置されたソーラー パネルの効果は小さく、バッテリーのスペースと予算が不足していたため、一部の電力が家庭で使用される (ピンクの線) ではなく、送電網 (緑の線) に送られたためです。 家はまた、夕方、曇りの日、および需要の高い時期に電力を輸入し続けました（オレンジ色の線）. それでも、晩春から初夏にかけて、パネルの XNUMX 日あたりの平均生産量は、住宅の XNUMX 日あたりの平均使用量を日常的に上回っていました。これは心強い結果です。
経済的利益はそれほど明確ではありません。 英国の電力は、再生可能エネルギー、ガス、原子力、(まれに) 石炭など、さまざまな供給源から供給されていますが、電力価格は最も高価な供給源 (現在はガス) に結び付けられています。 英国の電気料金には、ガスの環境コストが高いにもかかわらず、ガスには適用されない環境税も含まれています。 そのため、私たちの家が使用するエネルギーは少なくなりますが、輸入し続けるエネルギーは、ユニットあたりのガスよりもかなり高価です. 英国政府の (現在は閉鎖されている) 国内再生可能熱インセンティブ スキームからのヒート ポンプ助成金と同様に、ソーラー パネルから電力を販売することも役立ちますが、問題のこの部分は最終的には物理学ではなく政治に関するものです。
ポンピング熱
高いエネルギー料金と二酸化炭素排出量の増加で世帯主を悩ませているだけでなく、断熱材が不足しているため、住宅の暖房方法を変更する選択肢が限られています。 正味ゼロ炭素排出量を達成するための英国政府の計画は、以下に大きく依存しています。 天然ガスボイラーをヒートポンプに置き換え、 現在の約 19 台と比較して、2050 年までに 250,000 万台のヒートポンプを目標としています。 ある意味、理にかなっている戦略です。
ヒート ポンプは、冷蔵庫と同じ原理で動作しますが、空気または地面から熱を取り入れて内部を暖めます。 そして、熱力学の法則のおかげで、それらは非常に効率的です。つまり、取り込んだ電気の単位ごとに、3 ～ 4 単位の熱を放出します (囲み「ヒート ポンプのしくみ」を参照)。 この技術は商業的にも成熟しており、三菱電機やダイキンなどの主要メーカーがさまざまなモデルを生産しています。
残念ながら、英国の現在のエネルギー体制の特定の側面は、作業にスパナを投げかけています。 ユ・ジビングラスゴー大学のエンジニアである は、状況を要約しています。 「英国では、ほとんどの家がガス網に接続されているため、セントラル ヒーティング システムはボイラー用に設計されています」と彼は説明します。 従来の天然ガスボイラーは、60、70、さらには 80 °C の水を循環させることで、ラジエーターが小さく、壁や屋根裏の断熱が不十分な場合でも、家を暖かく保つことができます (コストは高くなりますが)。
対照的に、ヒート ポンプの性能は、ヒート ポンプの供給源 (外気など) とその供給源 (暖房システムを循環する水または空気) の間の温度差に依存します。 Yu が説明するように、ギャップが大きい場合、パフォーマンスは低くなります。 最高のエネルギー効率を達成するには、供給を 35 ～ 45 °C にするのが理想的です。
バース修道院で使用されているような床暖房システムには、これで十分かもしれません。 しかし、標準サイズのラジエーターの伝熱面積は、比較的ぬるい 45 °C の水が周囲を循環している場合、部屋を暖かく保つのに十分な大きさではありません。 その結果、居住者は不快な寒さを感じるようになる可能性があります。時間とエネルギーを費やしてガスボイラーを撤去し、ヒートポンプを設置したことのある人にとっては朗報ではありません。
より大きなラジエーターと優れた断熱材を使用すると、この問題を解決できますが、費用はかかります。 Yu 氏によると、一般的な一戸建て住宅を暖房するのに十分強力な空気熱源ヒート ポンプの価格は、通常 3000 ～ 5000 ポンドです。 しかし、ラジエーターの改造を含む完全な設置には、その XNUMX 倍以上の費用がかかる可能性があり、プロジェクト全体では、新しいボイラーを設置するよりも XNUMX 倍から XNUMX 倍の費用がかかります。 「それは困難な状況です」と彼は締めくくります。
ヒートポンプのしくみ
抵抗線に電流を流すことによって機能する標準的な電気ヒーターとは異なり、ヒート ポンプは冷蔵庫と同じ熱力学的原理で動作します。 その中心には、比較的低い温度と圧力で気化するジフルオロメタンなどの作動流体があります。 これにより、流体は低温源からでも熱を吸収できます (Qsource冬場の土、水、外気など）。
熱を吸収した後、作動流体は蒸気に変わり、温度をさらに上昇させるコンプレッサーと、高温高圧の蒸気を液体に変えるコンデンサーを通過します。 この相変化で放出される熱 (Q供給) はセントラル ヒーティング システムに送られ、その後、ダクトを通って送風される空気、またはラジエーターや床下パイプを通って循環する水によって建物に送られます。 作動流体がその熱の大部分を放出すると、膨張弁に送られ、その圧力 (したがって温度) が低下し、サイクルを再開できるようになります。
水素の導入
ボイラーをヒート ポンプに交換する代替案の XNUMX つは、ボイラーの燃料を水素に変更することです。 水素は、天然ガスのように燃やしても二酸化炭素を排出せず、原理的に環境にやさしい方法で製造できます。 これが、最近完成した ハイデプロイ このプロジェクトでは、数百の英国の家庭が天然ガスと体積で最大 20% の水素を混合して燃焼させました。
パイロット スタディは、世帯主ができる限り簡単に移行できるように設計されました。 幸いなことに、最新のガスボイラーは最大 25% の水素に対応できるように設計されているため、改造が必要な家庭はほとんどありませんでした。 パイロットの両方のフェーズは、地理的に限られた地域 (スタッフォードシャーのキール大学とイングランド北東部のウィンラトンの近く) で実施され、安全性とコストに関する住民の最初の懸念に個別に対処することができました。
Keele の社会科学者として HyDeploy に関与している Robinson 氏は、これまでのところ、彼女の調査データは世間の高い支持を示していると述べています。 「大部分の人はそれほど気にしていません。混合水素では特に何もする必要がないからです」と彼女は言います。 「それはただ起こるだけです。」
それらは良い点です。 ここにいくつかの欠点があります。 英国の規制では、一般に、ガス グリッド内の水素の量が 0.1% 未満に制限されているため、より高い割合を展開するにはポリシーの変更が必要になります。 もう 20 つの問題は、水素はメタンよりもはるかに密度が低いことです。つまり、7% の水素 (質量ではない) を混合すると、炭素排出量がわずか XNUMX% 削減されます。 さらに、水素の比率をさらに高めるには、ボイラーを新しくするだけでなく、配管を交換する必要があります。高濃度の水素は鋼をもろくするからです。
さらなる問題は、世界が毎年生成する 87 万トンの水素のほとんどがメタンの水蒸気改質から来ていることであり、この技術は「グリーン」ではなく「グレー」になっています。 水素を生成する主な環境に優しい方法は、再生可能エネルギー源からの電力を使用して、水を酸素と水素に分解することです。 しかし、バースの太陽燃料の専門家であるピーターは、これを大規模に行うのに十分な再生可能電力を見つけるのは難しいと述べています。 「太陽光発電による電気分解でそれをすべて生成しようとすると、これは不可能な作業です」と彼は言います。 「それはできません。」
カーボン ニュートラルな世界での生活
Peter は、現在、世界の水素の約 40% が肥料の生産に使用されており、残りの多くは石油精製に使用されていると指摘しています。 どちらの産業も、国内のエネルギー消費よりも脱炭素化が難しく、Peter は、家庭での水素燃焼もロジスティクス上意味がないと主張しています。 「電気分解によって『グリーン』な水素を生成し、それをパイプで送り、あなたがそれを燃やすことは、『グリーン』な電気を家に送ることに比べてエネルギー効率が悪い」と彼は説明する。 「あなたの家で何が起こっているかという点で、私自身、水素が主要なプレーヤーになるとは思いません。」
長期的には、ロビンソン氏は、国産の水素は効率性の点で「意味をなさない」ことに同意します。 しかし、代わりの暖房システムの設置には時間がかかると彼女は指摘します。 「現時点での問題の XNUMX つは、誰かのボイラーがクラッシュした場合に、別のボイラーに交換するしかないということです」と彼女は言います。 「暖房技術者と人々が受けるアドバイスに関して、スキルのギャップがあります。」
ロビンソン氏の見解では、水素は「足がかり」として機能し、ヒートポンプがより安価になり、より一般的になるまで、化石燃料への依存を減らすことができます。 「（かつて）混合水素がグリーン水素生産の市場を生み出した後、エネルギーシステムのどこかでグリーン水素を使用し始める可能性があります。」 この点で、彼女はグリーン水素と洋上風力エネルギーの間に類似点があると考えています。洋上風力エネルギーは、国やメーカーが投資を開始するまで高価であり、価格を引き下げるのに十分な需要を生み出しました。
暖房システムからエネルギーシステムまで
ヒートポンプと水素以外にも、住宅の低炭素化をスムーズにする技術がいくつかある。 結晶シリコンとペロブスカイトと呼ばれる材料をタンデム構造にした高効率太陽電池パネル 商業生産に入る予定です 来年には、太陽エネルギーのコストに「深刻な影響」を与えるとウォーカーは考えています。 Walls 氏も同様に、電気自動車用の一体型ソーラー パネルや標準的な屋根瓦のように見えるパネルを開発して、太陽光発電に対する見た目の違和感を軽減する可能性について熱心に取り組んでいます。 「すべての再生可能エネルギーの中で、太陽光発電は住宅レベルで魅力的である可能性が最も高いです」と彼は言います。
多くのイノベーションを引き付けるもう XNUMX つの分野は、エネルギー貯蔵です。 国内の多くのソーラー設備には、曇りや暗い場合に備えてリチウム電池がすでに組み込まれています。 大規模なストレージも 現実になる、そしてヒートポンプ技術も立ち止まっていません。 グラスゴーで、Yu は 新しい柔軟なポンプ 凝縮器と膨張弁の間に蓄熱装置を組み込んだものです。
この装置は、そうでなければ失われるであろう熱の一部を取り、ヒートポンプの操作に利用できるようにします。 たとえば、周囲温度が約 6 °C を下回ると定期的に必要になるように、補助熱を使用してヒート ポンプの室外ユニットの霜取りを行うことができます。 全体として、Yu 氏は、彼の設計では 10% の効率改善が実現可能であると考えており、ヒート ポンプを設置するための「投資回収期間を見ると、大きな違いが生じる」と考えています。
サイクル内補助蓄熱のおかげで、柔軟なヒート ポンプは、私たちが毎日捨てている熱を利用するなど、他の可能性も開きます。 「たとえば、シャワーを浴びるとき、水を 70 ～ 80 度に加熱し、冷水と混ぜて 35 ～ 40 度に下げ、20 ～ 30 度でシャワーを出ます。そこに含まれる熱は排水路に捨てられます。」
より良いアプローチは、私たちの家を統合されたエネルギーシステムと見なすことかもしれません. 「基本的に、暖房と冷房で家のエネルギーの流れを管理しようとします」と Yu 氏は言います。 「冷蔵庫、冷凍庫、ボイラー、エアコンが必要です。大量の熱を排出し、空気から大量の熱を抽出します。 これらのプロセスを統合してみませんか?」
前例を作る
2016 年に計画当局がグロスター大聖堂の屋根にソーラー パネルを設置することを決定したとき、彼らはプロジェクト ディレクターのクランストンに、この決定は他の歴史的建造物の先例にはならないと警告しました。 それから XNUMX 年が経ち、計画当局と英国国教会内の両方で「事態は大きく変わった」とクランストンは言います。 「NetZero は、私たち全員の前にある課題を明確にしています」と彼女は言います。 「歴史的建造物はその役割を果たさなければなりません。」
バースでウォードは、修道院が追随する道はまだ開かれていると強調する。 教会のローマ風の地熱暖房システムは、市議会と自然保護団体が追加のオプションを追求することを熱望しており、「バースを炭素ゼロに向けて前進させる第一歩として非常に注目されている」と彼は言います。 市のローマン バス複合施設は、修道院の暖房システムの独自のバージョンを既に設置しており、ウォードと彼のチームは、オフィスの屋根にソーラー パネルを設置することを熱望しています。
「私たちが知る限り、現在市には持続可能なエネルギーソリューションはありません。そのため、システムをどれだけ迅速に設置できるかを調査するために、評議会や他の利害関係者と早期に話し合いを行っています」と彼は言います。 「私たちが引き続き協力して進歩を加速できることを願っています。」
