寒冷地におけるエネルギーシステムを構築したいんです。再生可能エネルギーと聞くと、多くの人は電気をイメージするかと思うのですが、熱エネルギーを供給しなければ、北海道でのゼロカーボンは難しいだろうと。膨大な熱エネルギーが必要とされるわけですが、では、どういう形で供給するのが良いのか。さまざまな要素を研究しています。自分の家で生み出して、自分のところで消費する、クローズドなシステムを作り上げたいんです。

将来的にはモバイルと組み合わせた形も考えています。寒冷地では電気自動車（EV）よりも、燃料電池自動車（FCV）の方が効率良いだろうと。北海道では11月から車でもヒーターが必要ですが、電気から熱エネルギーを作り出そうとすると、変換効率があまり高くないんですね。そのために電気を使ってしまうと、今度は航続距離が短くなってしまう。だから寒冷地ではEVはあまり向かないと考えています。

そこで、ソーラーパネルで作った電気で、水電解をかけて、水素を作り上げる。非常に純度の高い水素を作り上げて、それを蓄える。そのためには家に水素を貯蔵しておくためのタンクが必要ですが、加えて、FCVに直接供給するという想定もできるでしょう。必要な時にはその水素を使って走り、FCVが家に帰ってきたら、今度は家の中にエネルギーを供給するようなシステムができたらと思っているんです。

そう、まずはハードですよね。どんな設備が必要になるのか。さらに、ハードをコントロールする高度な制御についても作り上げていく必要があるだろうと。どれくらいの電気エネルギー、熱エネルギーが必要で、どれくらい生み出されるのかということを、予測、学習していく。おそらくAIの仕事になっていくでしょうが、そのシステム作りをやっていきたいと思ってます。

電気を作るソーラーパネルだけでなく、太陽光の熱エネルギーを利用するためのモジュールなどもあります。電気に変換する際には、半導体の性能から上限20%ほどの変換効率しかないですが、熱は60~70%の変換効率。冬の苫小牧でも雪が載っていなければ、70℃のお湯が作れるんですね。それを暖房に使わない手はないだろうと。

それから、地中熱を使うヒートポンプにも大きな期待を寄せています。ヒートポンプは非常に優れたもので、1のエネルギーを投入して、5～6倍の熱エネルギーが回収できる装置です。本州ではおそらく冷熱の回収の方が多くて、いわゆるエアコンですよね。どこからそのエネルギーを持ってくるのかと言えば、空気であったり、地中であったり。絶対零度、マイナス273℃に比べれば、苫小牧の冬がマイナス20℃でも、膨大な熱エネルギーを持っているわけですね。ただし、それだけ寒くなってしまうと、熱交換器に霜がついたり、性能が極端に劣化してしまう。ですので、空気ではダメだと。でも、地中ならば、非常に安定した熱源になる。なので、50〜100mの深さから熱回収をしています。

今までの方式のほとんどが熱採取のものだったんですが、我々は今、井戸型のヒートポンプで、地下水から熱を奪って、奪い切ったらまた新しい地下水を入れて、熱を奪った地下水はまた地中に戻していく。そういう循環システムを作り上げています。

土壌から熱採取をする方式に比べると、地下水のシステムでは5～6倍の性能が出るんです。今まで、いいものだとはわかっていたけれど、コストがかかってなかなか普及していかなかったんですが、地下水メインの方式ならば、今までよりも性能が良く、かつ5分の1から10分の1のコストで賄うことができます。

うまくコントロールすれば、マイナス20℃の北海道でも、1のエネルギーを投入して、どうにか6倍で成立させたいと思っているんですが、それだけの熱回収ができるシステムになる。するとエネルギー消費が5分の1、6分の1となりますよね。北海道では、人口は半分以下ですが、冬季には首都圏と同じくらいのCO2を出しています。この熱エネルギーをどうにかうまく作り上げていかなければ、北海道のカーボンニュートラルはなかなか難しい。そのために、ヒートポンプや水素も絡んだモビリティとの組み合わせ、そうした発展形を考えています。

これまではそう言った各論の要素研究がメインだったんですが、これからはそれらを軸にシステム化を図って、制御のところまで考えていきたい。さらにゼロエネルギーハウスのみならず、ゼロエネルギーの街づくりまで貢献できないかと考えています。

実験ハウスからさまざまなデータは出てきますが、あくまで限定的なものです。その実験データと検証を照らし合わせながら、運転条件や境界条件を変えて、複雑な熱移動のメカニズムを明らかにしていこうと。もしも明らかにすることができたら、今度はどこから地下水を取り入れて、どのタイミングで排水して、不凍液の流量はどれくらいにすればいいのか、最適化していく。各種パラメーターを最適化するためには、実験データ＋シミュレーションしかないんです。そうした課題にディスカッションしながら取り組むことで、北海道の問題点がよくわかるはずですから。

地域の課題に密接に取り組んでいることが、高専の利点だと思ってます。アカデミックにディテールを深く追求していくというよりは、地域の課題を吸い上げて、一緒に取り組んでいく。熱移動のメカニズムは、なかなか難しいテーマではあるんですが、地域から一緒に解決しましょうという声があれば、学生たちもリアリティを持ちやすいですよね。自分でシミュレーションをして、その会社の人に説明するところまで任せています。それも教育の一つですから。また同時に、地域の課題に取り組む過程で、アカデミックな研究テーマも見つかるはず。実践を行う中から、研究者としてのテーマも見つけられるのではないかと考えています。