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May 26, 2023

ヨーロッパのクリーンエネルギーへの移行において、産業界はヒートポンプに注目

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ウクライナ戦争とEUの排出削減推進によるガス価格の高騰を受けて、欧州の産業界は高温高効率ヒートポンプへの切り替えを進めている。 住宅用のブームと相まって、EU は現在、ヒートポンプ革命に期待を寄せています。

ポール・ホッケノス著

2023 年 2 月 1 日

オランダ、ヴェーヘルのマース・コンフェクショナリーにある産業用ヒートポンプ。 GEA

オーストリア、チロルアルプスのウッテンドルフにあるウィーンベルガーレンガ工場では、建設ブロックを乾燥させるために常に華氏 194 度の熱を安定的に供給する必要がありました。 ロシアがヨーロッパへのガス輸出を削減した後、エネルギー集約型のヨーロッパのほとんどの建設業界にとって同様、このプロセスは同社にとって高価な提案となっただろう。 しかし、4 年前、世界最大のレンガ生産会社であるウィナーベルガー社は、将来への投資を行い、その成果が現れています。ウッテンドルフのガス焚きボイラーを産業規模のヒートポンプに置き換え、工場の光熱費を約 45 万 6,000 ドル削減しました。一年。

電気ヒートポンプは何十年もの間、ヨーロッパの住宅やその他の建物で暖房と冷房のために使用されてきましたが、熱水と蒸気の生成にはるかに高いエネルギー需要がある製造業ではあまり普及していませんでした。 また、化石燃料は長い間比較的安価であったため、産業界はガスや石油を動力とするシステムをより環境に優しい機器に置き換える動機がほとんどありませんでした。 現在、ガスボイラーの数分の1の価格で最高320°Fの温度を供給できるヒートポンプの開発と、ウクライナ戦争によるガス価格の高騰により、その計算はひっくり返りつつある。 欧州の多くの企業はエネルギー源を再考すると同時に、EUの要求である温室効果ガス排出量を削減している。 欧州の産業は、域内の温室効果ガスの 4 分の 1 以上を占めています。

高いエネルギー目標を達成し、ロシアのガスへの依存を打破するために、EU が頼りにしているのはヒートポンプ革命に他なりません。 多くの国で、主に住宅用のヒートポンプの売上高が2022年上半期に倍増した。欧州最大のロシア産ガス消費国であるドイツでは、需要が昨年52％急増し、2021年のEU全体の成長率は35％だった。 その一方で、あまり知られていなかった製造業向けヒートポンプへの移行が加速しています。 たとえば、Wienerberger は、オランダ、英国、ポーランド、ルーマニア、およびオーストリアの他の場所にあるレンガ鋳造工場に同様のポンプを設置しています。

「5 年前、ほとんどの企業はヒートポンプについてほとんど何も知りませんでした」とオーストリア工科大学の上級研究エンジニア、ベロニカ ウィルクは言います。 「今では企業もそのことを認識しており、業界ではますます多くのヒートポンプが設置されています。」

圧縮ヒートポンプは空気を暖めることも冷やすこともできます。 冬には、水、地中深く、または屋外の空気から熱を奪うことによって室内の温度を上げ、その後、少量の電気を使用して温度を徐々に上げて、その空気を室内に移動します。 10°F ほどの冷たい空気でも、ヒートポンプが抽出して温度を上げるのに十分なエネルギーが含まれています。 夏には、電気ヒートポンプが室内空気から熱を取り除き、外部に分流することで室内温度を下げます。 吸収式ヒートポンプは電気ではなく熱源で動作します。熱源は天然ガスだけでなく、太陽熱で温められた水やデータセンターや下水道からの廃熱なども考えられます。 この熱を「有用な」温度まで上げて、温風または熱水として送ります。

ヒートポンプは電気を使って冷媒を圧縮し、その温度を上げます。

熱の移動方向 (屋内または屋外) に応じて、ヒート ポンプのピストンは流体を圧縮または膨張させ、それぞれ流体を加熱または冷却します。 ヒートポンプは流体を移動させるだけなので、燃料を燃やすヒーターに比べてエネルギー効率が 2 倍以上になります。

国際エネルギー機関 (IEA) によると、ヒートポンプはガスよりも 3 ～ 5 倍効率的です。 また、太陽光、風力、水力、廃熱などを利用して稼働している場合は、排出物はまったくありません。

屋外コンポーネントが洗濯機ほどの大きさの家庭用ヒートポンプとは異なり、住宅と同じくらいの大きさの産業用ヒートポンプは、工場からの無駄な「プロセスエネルギー」を利用して、水温を374°F以上まで上昇させることができます。 たとえば、ウィーンベルガーの工場では、レンガ乾燥機が膨大な量のエネルギーを消費し、乾燥室から主に水蒸気が放出されます。 これが熱水に凝縮されます。 次に、ヒートポンプがその温度を約 104°F から約 194°F まで上げ、乾燥プロセスに戻します。 ヒートポンプの動力源は廃熱そのものであるため、このシーケンスでは、プラントがガスで稼働していた場合よりも消費エネルギーが 80% 近く少なくなります。

「このシステムは閉ループです」と Wienerberger の最高技術責任者である Johannes Rath 氏は言います。 「高い温度から始めるため、家庭用ポンプで生成される温度よりも高い温度が得られます」。

ノルウェー製のプロトタイプのヒートポンプはすでに約356°Fで動作しており、専門家らはエンジニアが10年以内に392°Fを超える温度に達する技術を設計すると予想している。 この進歩により、エネルギー集約型の化学、製紙、食品、製油所の分野で、これまで以上に多くのプロセスでヒートポンプ技術が利用できるようになるでしょう。

この種の頑丈なヒートポンプは、ホテル、レストラン、菓子屋、倉庫、プール、温室、化学製造、紙やでんぷんなどの材料の乾燥に使用されています。 吸収式ヒートポンプは、暖房と冷房の両方を使用する施設に特に適しています。

たとえば、フィンランドの会社 Kiilto は、建設部門向けに接着剤などの化学薬品を製造しています。 同社のレンパーラ工場では、ハイブリッド産業用ヒートポンプを使用して、敷地内の電気冷却プロセスおよび近くの地熱源から熱を回収し、温度を 167°F まで上昇させます。

世界最大のチョコレート工場であるオランダのマース リグレー コンフェクショナリーでは、ヒート ポンプによって冷凍ユニットから使用不可能な排熱を抽出して昇温し、145°F もの高温の水を生成しています。 水は工場の配管ネットワークを通って送られ、チョコレートとシロップを保温します。 この技術により工場の光熱費は 6% 削減され、工場では約 26 テラジュールのガスが節約されました。これはヨーロッパの 625 世帯が消費するエネルギー量に相当します。 2 番目のヒートポンプは洗浄用の水を 176F まで加熱し、さらに 12.25 テラジュールの節約を実現します。

水もまた、実行可能な熱源です。 ドイツのバイエルン州にある Inntal Nursery (ドイツ語) では、イン川近くの井戸からの地下水と、シャーマン タンクとほぼ同じ大きさの水対空ヒート ポンプ 1 台を使用して、年間を通じて 30,000 平方メートルの温室を加熱しています。 水はヒートポンプに引き込まれ、95°Fまで昇温され、床暖房システムに送られ、その後冷却されて川に戻ります。

最近の転換社はドイツの化学大手BASFで、トラックやバスで知られるドイツのエンジニアリング会社MANを雇い、ドイツ西部にあるBASFのルートヴィヒスハーフェン工場で世界最大のヒートポンプを建設した。 このシステムは従来の発電所と同じ規模で、冷却プロセスの廃熱を利用して1時間あたり150トンの蒸気を生成し、推定で年間39万トンの二酸化炭素が大気中に到達するのを防ぐ。

より効率的な運用の利点に加えて、低炭素プロセスを採用する企業は、欧州連合の排出量取引システムを通じてトンごとに請求される CO2 排出コストも削減できます。 二酸化炭素 1 トンあたり約 92 ドル（12 月の価格）とすると、大幅な節約になります。

EU は、2030 年までに温室効果ガス排出量を少なくとも 55% 削減するという目標にとって、工業用建物と非工業用建物の両方でヒートポンプの増設が重要であると考えています。EU の REPowerEU イニシアチブは、最大 3 分の 1 の交換を促進することを目的としています。ヒートポンプとともに使用されている 1 億 5,000 万台の熱ボイラーのうち。 ノルウェー、スウェーデン、デンマーク全土で行われているように、大規模ヒートポンプの数が増加し、地域熱ネットワークに蒸気または温水を供給することになります。 気候に優しい建築基準を作成し、建物の建設にリサイクル材料を使用し、最先端の断熱材を設置し、エネルギー節約を強化することで、エネルギー節約がさらに促進される可能性があります。

ドイツのシンクタンク、アゴラ・エネルギーヴェンデは、家庭用および産業用ヒートポンプへの広範な転換と効率化策を組み合わせることで、EUの天然ガス使用量を5年間で32パーセント削減できると推定している。 液体天然ガスの供給量の増加と合わせて、これにより欧州のロシア産ガスの必要性が完全になくなる可能性がある。 そして、産業規模の技術の進歩により、近い将来ヒートポンプの温度が932°Fに達するようになり、電気がさらに広範囲でガスに取って代わる可能性があるとシンクタンクは予測している。

いくつかの国における 2020 年から 2021 年のヒートポンプ売上高成長率。

最近発表された論文の中で、国際エネルギー機関は、EU全体が家庭用、商業用、産業用のヒートポンプに切り替えた場合、EUはガス輸入を650億ドル削減できると推定している。 同団体は、2050年までにヒートポンプが世界の冷暖房ニーズのほとんどを満たせるようになるだろうと主張している。

EU および各国のインセンティブと補助金により、欧州産業の移行が加速すると予想されます。 例えばレンガメーカーのウィーナーベルガー社は、ヨーロッパ全土の新しい圧縮ポンプシステムに1台当たり272万ドルから326万ドルを支払う予定で、そのうち補助金は費用の20％から40％をカバーする予定である。 ソーラーパネルで発電した電力で走行します。

米国に関しては、暖房に主に化石燃料に依存しているが、ある報告書によると、一戸建て住宅における家庭用ヒートポンプの増設により、排出量が年間1億4,200万トン削減され、エネルギー部門の排出量が14パーセント削減される可能性があるという。 米国の住宅所有者の場合、標準的な空気熱源ヒートポンプは約 3,500 ドルから 7,500 ドルで稼働します。 ジョー・バイデン大統領のインフレ抑制法は、家庭用ヒートポンプの価格の最大 30 パーセント（低所得および中所得世帯の場合はそれ以上）の補助金と税額控除を提供します。 同法は産業施設に対する奨励金も認めている。 しかし、米国の多くの人にとって、補助金があっても投資コストは依然として大きな障害となっている。

しかし、ヨーロッパでは、家庭、商業ビル、産業などでこのテクノロジーに対する熱意が際立っています。 ほとんどの場所では、ヒートポンプが設置されるまでに 1 年かかります。

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