米国 エネルギー省の報告書によると、産業に投入されるエネルギーの20〜50％は、電力に変換できる熱として浪費されています。これは、各国や産業が再生可能エネルギーの革新を支える新たな柱として活用できる巨大な資源なのでしょうか。それとも、まだ夢物語なのでしょうか。
産業界と学術界の双方で、10年以上にわたり廃熱回収の革新に取り組んできた私には、2014年は、この重要で、なお黎明期にある分野にとって転換点となる年に見えます。
2014年12月、世界経済フォーラムは 「Global Energy Architecture Performance Index Report 2015（EAPI）」を発表しました。同報告書は各国のエネルギーシステムの現状を評価し、最も成果を上げている国々が「エネルギーの三角形」（エネルギー安全保障、エネルギーの手頃さ、環境の持続可能性）をどのように管理し、エネルギーの多様性を通じて均衡を実現しているかを考察しています。各国がエネルギーの多様性を実現するには継続的な政策が不可欠ですが、エネルギー革新への取り組みも同様に重要です。
各国のエネルギーシステムと同様に、石油・ガス、鉱業、素材製造（鉄鋼、ガラス、セメントなど）、自動車を含むエネルギー集約型産業も、事業における「エネルギーの三角形」の均衡を目指し、燃料消費、運転コスト、炭素排出量を減らす方法を常に模索しています。エネルギー集約型産業がエネルギー構成を多様化するための革新を探るなか、2014年には廃熱回収が現実的な解決策として浮上しました。
廃熱をめぐる課題への解決策のなかで、熱電材料は、捨てられる熱を電力に変換するシンプルで有望な基盤を提供します。
1821年にさかのぼる熱電技術には、簡便で信頼性の高い発電を実現してきた長い歴史がありますが、コストの高さから広く知られず、普及も進みませんでした。過去10年間におけるナノテクノロジーの進歩が、熱電材料の急速な発展をもたらす新時代のきっかけとなりました。私は米国エネルギー省で研究開発に携わるなかで、これを目の当たりにしました。また、コストが大幅に低下する見通しであること、そして熱電技術はソリッドステートで非常にシンプルなため、顧客に独自の価値をもたらすことも明らかでした。現在、用途に応じて投資回収期間が1〜5年となるなか、市販の熱電式廃熱回収ソリューションは、最もエネルギー集約度の高い産業で初期導入が進んでいます。
たとえば、熱電発電機をディーゼルまたは天然ガスを動力源とする発電機（発電セット）の排気口に取り付ければ、排気の廃熱を直接電力に変換できます。石油・ガスや鉱業では、遠隔地での発電を担うオフグリッド発電所として、こうした発電セットが数万台設置されています。ディーゼル燃料式発電セットに取り付けた熱電発電機1基は、現在、出力1,000 kWeの発電セットあたり最大25 kWeを発電し、発電セット1台につき年間52,500リットルのディーゼル燃料を節約できます。この発電量は今後数年で100 kWeに達する可能性があります。典型的な石油、ガス、鉱業の現場にある数百または数千の設備に展開すれば、熱電式廃熱回収は燃料消費、運転コスト、炭素排出量の大幅な削減につながります。
素材製造というエネルギー集約型の事業では、数十万基の炉が年間数千兆BTUのエネルギーを消費し、数十億メートルトンの二酸化炭素を排出しています。熱電式廃熱回収モジュールを産業用炉の設計に組み込めば、廃熱のかなりの部分を回収し、エネルギー効率を10〜50％改善できる可能性があります（米国エネルギー省の報告書）。
Frost & Sullivanによる最近の報告書 「Innovations in Industrial Waste Heat Management（産業廃熱管理の革新）」 も、熱電発電機が「将来、最も求められる廃熱回収技術になる」と予測しています。
自動車産業について、 ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）によると、運輸部門は米国で最大のエネルギー消費部門であり、消費エネルギーの実に75％を浪費しています。これは発展途上国でも急速に課題となりつつあります。自動車やトラックで使われるエネルギーの約3分の2は熱として失われます。車やトラックのテールパイプに小型の熱電式廃熱回収モジュールを取り付ければ、廃熱を回収して電力に変換し、車両の燃費を向上できます。燃費向上は、自動車産業における熱電式廃熱回収が解決する課題の一つにすぎません。この技術には、コネクテッドカーへの給電を支える大きな可能性もあります。McKinsey Quarterlyの報告書によれば、将来のコネクテッドカーは「金属製の箱というより、複数の技術を統合する、生産性の高いデータセンターに近いものになる」といいます。また同報告書は、「現在の平均的な高級車は、ボーイング787.8の約7倍のコードを搭載している」と述べています。コネクテッドカーの電力需要を満たすには、今後も初期段階の革新に頼ることになり、熱電式廃熱回収モジュールは有効な解決策です。
石油掘削施設や遠隔地の鉱山プラントにある発電機から、製鉄所の炉、自動車のテールパイプまで、廃熱は豊富に存在します。「エネルギーの三角形」の均衡を保つ万能薬はありませんが、2014年、熱電式廃熱回収は、あらゆるエネルギー多様化戦略にとって価値ある要素であることを示しました。
この記事は、 Mediumとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味するものではありません。
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著者：マシュー・L・スカリン博士は、廃熱回収用熱電技術の世界的リーダーであるAlphabet Energyの創業者兼CEOであり、2014年の世界経済フォーラム・テクノロジー・パイオニアです。
画像：技術者が電線の作業にあたる。2014年4月29日、アーカンソー州。REUTERS/Carlo Allegri