科學研究 - 秋田大學探索在塔吉克斯坦利用「地源熱」供能與脫碳化

無論盛夏還是嚴冬，地下十幾米深處的溫度幾乎不會發生變化。利用這種穩定的「地源熱」的供暖製冷系統，作為降低對化石燃料的依賴、實現脫碳社會的重要手段，正在受到全球的關注。

秋田大學國際資源學部2021年開始在中亞國家塔吉克斯坦推進利用地源熱供能的項目。該項目不僅驗證了此前被認為難以在乾旱地區利用的地源熱的應用潛力，還致力於當地人才培養、制度設計，以及構建日本與塔吉克斯坦之間的信任關係。

記者採訪了項目負責人、秋田大學大學院國際資源學研究科科長兼國際資源學部學部長稻垣文昭，以及地下水分析小組負責人、該研究科特任教授石山大三，請他們介紹了該項目迄今取得的成果以及今後的展望。

照片左：在塔吉克斯坦安裝地源熱交換器的情景（圖片提供：日本地下水開發公司）；照片右：示範工廠安裝的地源熱熱泵（圖片提供：稻垣教授）

地源熱熱泵系統可節能30%～50%

夏天接觸地下水會覺得涼，冬天接觸則會覺得暖。這是因為地下十幾米深處不易受到地表氣溫變化的影響，全年基本維持在15攝氏度左右。這種熱能被稱為地源熱，將其作為供暖和製冷的熱源加以利用的，就是「地源熱熱泵系統」（GSHP）。通過讓防凍液或地下水在埋設於地下的管道（即地源熱交換器）中循環，釋放熱量或吸收熱量，從而調節室內溫度。

普通空調需要與室外空氣進行熱交換，因此在室內外溫差較大的盛夏和嚴冬，效率會降低。相比之下，GSHP以溫度變化較小的地源熱為熱源，可發揮較高的能源效率。據稻垣教授等人介紹，與原有的供暖製冷系統相比，預計可將耗電能降低約30%～50%。

在日本國內，秋田市政府辦公樓、羽田機場等場所已經採用了這一系統，在寒冷地區還被用於道路融雪系統。隨著提高能源自給率的需求不斷增加，該技術作為有效利用可再生能源的手段之一，也備受期待。

地源熱熱泵系統（GSHP）的工作原理（日本環境省提供）

有些家庭一個冬天要燒掉5噸煤

專業領域為中亞政治和能源政策的稻垣教授自2007年以來，幾乎每年都會前往塔吉克斯坦。他在那裡親眼看到了冬季供暖能源不足這一嚴重課題。

塔吉克斯坦被群山環繞，還擁有冰河，發電量的約96%依靠水力發電。然而，在氣候嚴寒、供暖需求旺盛的冬季，因融雪水減少、河流結冰，導致發電量下降。當地居民只能燃燒煤炭取暖，一個家庭一個冬天消耗5噸煤也並不罕見。當地依賴蘇聯時期遺留下來的老舊基礎設施，冬季停電也頻繁發生。

利用地源熱被認為是解決這些問題的有效手段。這種做法不僅能夠穩定供應能源，同時還可以降低對煤炭等化石燃料的依賴，從而減少二氧化碳排放量。

稻垣教授與地源熱研究領域的權威、秋田大學研究生院教授藤井光，以及專門研究資源環境領域的石山教授等人展開了合作。2021年，他們依託日本國立研究開發法人科學技術振興機構（JST）和日本獨立行政法人國際協力機構（JICA）作為政府開發援助（ODA）實施的國際共同研究項目「應對全球問題的國際科學技術合作計畫」（SATREPS），啟動了「利用地源熱構建脫碳型熱能供應系統」項目。

塔吉克斯坦首都杜尚別。城市被群山環繞，來自冰河的地下水資源豐富（圖片提供：稻垣教授）

分析地下水成分，為水資源管理提供幫助

該項目目前主要圍繞三大領域推進研究，分別是「利用示範工廠開展GSHP長期供暖制冷試驗」、「利用人工智慧（AI）構建地源熱能潛力地圖」以及「包括資金籌措在內的制度設計」。

在中亞乾旱地區，由於地下水位較深、土壤含水量較低，此前一直沒有地源熱的應用案例。然而，對塔吉克斯坦首都杜尚別的地下水分佈進行調查後，研究人員發現當地適合採用GSHP。由於杜尚別位於盆地，周邊山區冰河為其提供了豐富的地下水，同時地下溫度也較為穩定。

對示範工廠開展驗證試驗所得的數據進行分析後，稻垣教授表示：「製冷的節能效果方面，最初按照最保守估計為30%，但實際確認達到了41%。由此發現，即使在中亞地區，地源熱也具有充分的利用潛力。」

此外，研究人員還在杜尚別周邊約130個地點進行了地下水分析。石山教授解釋說：「這項調查原本是為了利用地源熱而開展的，但也獲得了能夠用於水資源管理的數據。」研究人員分析了地下水中的鈣含量、碳酸成分以及鈾濃度等，獲得了飲用水管理所需的重要數據。

在杜尚別，隨著都市化導致人口增加，確保飲用水供應成為必要條件，水資源管理也成為一項課題。不過，此前塔吉克斯坦沒有地下水分析設備，因此一直無法著手開展水質調查。此次建立的水質相關數據庫也有助於今後的公共衛生和水資源行政管理。

石山教授（最左）指導當地人員開展地下水調查方法（圖片提供：石山教授）

文理科研究人員攜手推動成果落地

項目將於2027年春季結束。項目啟動之初受新冠疫情擴大導致的出行限制影響，此後又因俄烏衝突造成物流停滯等，面臨了各種困難。此外，由於塔吉克斯坦行政體系複雜等原因，研究所需地質數據的獲取也遲遲難以推進。研究人員通過耐心的努力以及在當地進行細緻溝通，逐一克服了這些障礙。

稻垣教授和石山教授都表示，經過近6年的努力，越來越認識到有必要加強面向年輕人的理工科教育和人才培養。當地年輕學生雖然有著強烈的學習意願，但由於塔吉克斯坦從前蘇聯獨立後，又經歷了內戰，被迫從零開始建設國家，因此支撐研究工作的基礎教育環境尚未完善。

石山教授表示，「我還聽到過有人說自己從來沒有見過溫度計」。研究人員有時甚至需要利用當地能夠採購到的材料，手工製作實驗裝置。因此，該項目不僅要針對地源熱利用開展專業技術指導，還持續通過線上方式，細緻指導當地人員，尤其是年輕研究人員使用電子表格軟體Excel進行數據管理，以及開展研究的方法。

設置於塔吉克斯坦科學院的手工製作的離子交換式純水製備系統。這是製備用於尖端化學分析的高純度純水時不可或缺的設備（圖片提供：石山教授）

稻垣教授表示，「如何在塔吉克斯坦推廣GSHP，以及如何讓它納入國家能源政策體系，這一點非常重要」。不過，他也苦笑道：「其實，地源熱並不是我的專業領域。」由專攻政治學與國際關係這一文科領域的研究人員擔任項目負責人開展SATREPS項目的情況並不多見。但石山教授表示：「要實現的不僅是技術轉移，還要為研究成果走向社會應用鋪平道路，因此，讓能夠從社會學視角審視項目的研究人員參與其中，意義非常重大。」