多くの州は、パリ協定で定められた目標を達成するため、温室効果ガス排出量削減に向けた野心的な目標を掲げています。カリフォルニア州は2045年までにカーボンニュートラルを目指しており、ニューヨーク州は2050年までに1990年の排出量から100%削減を目指しています。フロリダ州は同期間内に80%削減することを約束しています。
しかし、これらの目標を達成し、気候変動による最悪の影響のいくつかを回避するためには、建物の内部、つまり建物の内部に目を向ける必要があります。建物は米国の温室効果ガス排出量の40%を占めており、その3分の1以上は暖房、冷房、換気によるものです。屋内の暖房は年間排出量の10分の1を占めています。今日のほとんどの建物は、暖房のために天然ガス、石油、プロパンガスを使用しており、数百万もの小さな炭素排出源を生み出し、それらが蓄積して大きな打撃を与えています。
幸いなことに、もう1つの選択肢があります。それはヒートポンプです。空気から熱を吸い込むものもあれば、地面から熱を取り出すものもあり、どれもかさばるガス暖房よりも効率が良く、汚染も少ないです。
ヒートポンプの仕組み
ヒートポンプの基本技術自体は新しいものではありません。冷蔵庫もヒートポンプです。内部の熱を吸い上げて外部に送り出すため、背面のコンプレッサーは熱くなっています。気温が低くても空気中には熱があり、冷蔵庫やエアコンが採用している蒸気圧縮サイクルは、基本的にその熱を集中させて外部に排出する役割を果たしています。つまり、ある空間を暖めることで、別の空間を冷やすことができるのです。
ヒートポンプは基本的に可逆的なエアコンです。室内が寒いときは、外部の熱源（空気、地熱ユニットの場合は地面）から熱を吸収し、その熱で室内の空気や温水ポンプの水を温めます。室内が暑すぎるときは、その熱を屋外に放出します。
空気熱源ヒートポンプは、屋外の空気の熱を集熱して室内を暖めるもので、暑いときにはエアコンのような働きをします。地熱ヒートポンプも、熱力学の原理を利用して暖房と冷房を行います。地表から9メートルから数百メートル下まで、地球は年間を通してほぼ一定の温度を保っています。アメリカ合衆国では、場所によって気温が45°F（約23℃）から75°F（約24℃）の間で、多くの州ではその中間に位置します。これらの温度は人間にとって快適な温度に近いため、ヒートポンプはこの温度を利用してエネルギー効率の高い暖房と冷房を実現します。
地熱ポンプは、液体（主に水に不凍液を加えたもの）で満たされたパイプをループ状に配置して、地下深くの理想的な温度を利用します。寒い時期には、地表よりも地中の方が温度が高いため、パイプを通して熱が建物内に送られます。そこでヒートポンプ機器（屋内に設置され、空気を送り出す機器）が、その熱を利用して空気や水を温めます。夏季には、地中の方が上空の空気よりも温度が低いため、熱は建物から地中へと送り出されます。
エネルギー料金と排出量の削減
熱伝達は熱を生成するよりも本質的にエネルギー効率が高いため、ヒートポンプは従来の暖房炉よりもはるかに少ないエネルギーで動作します。実際、すべてのヒートポンプは技術的に100%以上の効率を誇り、電力消費量よりも多くのエネルギーを熱として生成します。一方、非常に効率の高いガスヒーターでさえ、効率は90%にしか達しない場合があります。そのため、米国エネルギー省によると、ヒートポンプは従来のHVACシステムと比較して光熱費を65%削減できます。
地熱ヒートポンプは、冬は地面が地表に比べて暖かく、夏は地面に比べて涼しいという好ましい温度勾配があるため、空気熱源ポンプよりもさらに効率的である可能性があります。「地熱はストローのように熱を吸い込みますが、地面の温度は常に 50ºF で常に穏やかなので、非常に効率的です」と、住宅に地熱暖房を設置する会社 Dandelion の社長兼共同創設者であるキャシー・ハナン氏は述べています。「だからこそ、地熱ヒートポンプは最も効率的な暖房と冷房の方法なのです」。彼女によると、地熱ヒートポンプの効率は 400 ～ 500 パーセントで、購入する電気の 4 ～ 5 倍の熱エネルギーを供給します。
オクラホマ州立大学で建物のエネルギー利用を研究している機械工学教授のジェフ・スピトラー氏は、ある実験で、商業ビルの冷暖房において地熱システムは空気熱源ヒートポンプよりも60%以上効率が高いことを発見しました。スピトラー氏は、様々なヒートポンプシステムの効率性について、さらなる研究が必要だと付け加えています。
ヒートポンプの規模拡大は、気候温暖化の原因となる排出の抑制に大きな期待が寄せられている。天然資源保護協議会向けに作成された2018年の調査では、研究者らは、暖房および給湯用のヒートポンプへの切り替えにより、カリフォルニア州の家庭からの排出量を約半分に削減できると推定した。国中で住宅の冷暖房に膨大な量のエネルギーが使用されているため、全国的な移行は温室効果ガスの大幅な削減も促進するだろう。トランプ政権が米国を協定から離脱させる前に米国がパリ協定を満たす方法を示した2016年の公式文書である米国の20世紀半ばの脱炭素化戦略では、建物からの排出を削減する戦略の一部としてヒートポンプに具体的に言及している。「地熱ヒートポンプは、従来の冷暖房空調システムよりも高いエネルギー効率で、電気を使用して建物の暖房、冷房、給湯を提供します」とオークリッジ国立研究所の地熱ヒートポンプ研究者であるシャオビン・リウ氏は言う。 「発電所で発電された電気は今でも使われていますが、地熱ヒートポンプはその効率性により、電力に関連する排出量を削減することができます。」
ヒートポンプは、風力や太陽光をベースとした電力システムの重大な問題、すなわち風力や日照の変動によって引き起こされるエネルギー供給の変動性も解決する可能性があります。リュー氏によると、地熱ヒートポンプシステムは余剰エネルギーを地中に熱として蓄え、風車や太陽光パネルがエネルギー需要に追いつかない場合に備えて蓄えるように設計できるとのことです。「このシステムは冷暖房だけでなく、電力網にも接続できます」と彼は言います。「そのため、電力網は（変動するエネルギー生産による）電力サージに悩まされることはありません。」
市場を活性化させる
現在、米国の世帯の10%がヒートポンプを使用しており、そのほとんどは空気熱源ヒートポンプです。特に地熱ヒートポンプは、HVAC市場のわずか1%を占めています。
2017年の研究で、リュー氏らは市場シェア拡大を阻む主な障壁を特定しました。最も重大なのはコストの高さです。商業施設では、地熱システムの設置費用は1平方フィートあたり20.75ドルかかる場合があり、リュー氏は3ベッドルームの住宅の場合、9,000ドルから15,000ドルと見積もっています。これは、配管のために地面に穴を掘る費用と、配管システム自体の費用が高額になるためです。「従来のシステムの2倍のコストになる可能性もあります」とリュー氏は言います。「これが最大の障壁です。」
さらに、リュー氏は、地中熱ヒートポンプの市場規模が小さいため、「鶏が先か卵が先か」という問題があると説明する。投資が少ないため、技術の改良やスケールアップに関する研究もほとんど行われていない。市場が小さいため、開発への投資も進んでいない。「新しい技術は常に高コストです」と彼は述べ、地熱ヒートポンプ自体は新しいものではないものの、近年の技術開発はほとんど進んでいないと付け加えた。「しかし、改良を重ねることでコストは下がっていきます」。さらに、消費者への教育や施工業者へのヒートポンプに関する研修といった「ソフトコスト」も発生する。
運動はまだ小規模だが、いくつかの企業がこうした問題に取り組み始めている。ダンデライオン・エナジーのハヌン氏は、従来は別々だった掘削と配管工事を基本的に1つにまとめることで、初期費用を下げることができたと語る。ダンデライオンのような会社がなければ、住宅所有者は設置のために複数の業者と協力しなければならなかっただろう。これは、太陽光発電が独立した専門業者となり、屋根工事と電気工事のスキルを統合して、サービス全体を提供できる統一された会社を作ることで安価になったのと似ている。ダンデライオンは融資も提供しており、ハヌン氏によると、ニューヨークの一般的な住宅所有者は地熱発電設備に20年間、月々135ドルから140ドルを支払い、システムは25年持続する。北東部では、この金額は住宅所有者が支払う暖房用燃料よりも少ない場合が多く、そのため設置後は月々の暖房費が下がり、その後はヒートポンプを稼働させるためのわずかな電気代を支払うだけで済むようになる。
既に天然ガスの地下システムを運営している民間の公益事業会社も、電気による暖房・冷房への移行において重要な役割を果たす可能性がある。マサチューセッツ州のラジオ局WBURは最近、気候変動に取り組む非営利団体「Home Energy Efficiency Team」が地元の公益事業会社と協力し、老朽化した天然ガス管を地熱パイプに交換することを検討していると報じた。現在、この公益事業会社は「ネットワーク化システム」を試験するための3つのパイロットプロジェクトを提案している。このシステムでは、公益事業会社が地下のパイプを管理し、住宅所有者や企業が建物内に独自のヒートポンプを設置する。このようなシステムは、不動産所有者のコストを削減し、地熱暖房・冷房への接続を容易にする可能性がある。
しかし、現状ではほとんどの地域で、暖房に天然ガスを利用するのは依然として安価で簡単です。例えばニューヨークでは、電力会社は天然ガス管から30メートル以内の住宅に無料でガスを供給することが義務付けられています。「新しい技術であれば、無料サービスと競争するのは難しい」とハナン氏は言います。「現在施行されている政策を精査し、私たちが望むようなインセンティブを確実に提供できるようにする必要があります。」
政府の優遇措置や政策、そしてさらなる投資と労働力の育成があれば、ヒートポンプは排出量目標の達成に貢献する可能性を秘めています。ハナン氏は、まさに革命の始まりを目の当たりにしていると考えています。「私は3年前にダンデライオンを共同設立しましたが、設立以来、大きな変化を目の当たりにしてきました」と彼女は言います。「ですから、この運動は勢いを増しているように感じます。」
