熱は世界の総エネルギー消費量の半分を占めており、気候変動に取り組むうえで、その脱炭素化は不可欠である。
産業用熱は、すべての熱利用の半分を占めており、この分野が脱炭素化を進めるためには新たな技術革新が必要である。
熱の脱炭素化は、炭素排出量の削減と、場合によっては全く新しい産業の創出の両方につながる機会をもたらす。
熱は世界の総エネルギー消費量の半分を占めており、これは電力（20%）や運輸（30%）をはるかに上回る。当然ながら、熱は世界のエネルギー関連の二酸化炭素（CO2）排出量の40%超を占めている。
しかし、これまでの気候対策の多くは、電力と自動車の脱炭素化に重点が置かれてきた。熱の脱炭素化に対する関心と取り組みが本格的に加速したのは、ウラジーミル・プーチンによるウクライナ侵攻と、それに続くエネルギー危機の後、つまり昨年になってからである。
これは気候変動との闘いにおいて、最も困難な戦いであると同時に、最大の未開拓の機会でもあるかもしれない。
熱はどこで使われているのか。
平均すると、米国では家庭のエネルギー需要の約60%が暖房に使われており、欧州ではその割合が約80%に達している。
幸いなことに、ここで必要とされる熱は低温であるため、電気ヒートポンプや再生可能電力によって排出量削減への進展が見られている。
商業および業務用途では、熱の利用範囲はさらに広い。オフィスで温風や温水を供給するだけでなく、暖房も極めて重要な役割を果たす。たとえば、食べたファストフードのハンバーガー、ラテ用に焙煎されたコーヒー豆、ホテルでのシーツやタオルの洗濯、そして病院で皿から メスに至るまであらゆるものを消毒する高温の蒸気や湯を考えてみてほしい。
熱の最大の利用者は産業界
しかし、最大の利用者は産業界であり、その割合は熱利用全体の50%に及ぶ。産業界では、原材料の精製、金属の製錬、化学製品の製造など、製造工程に欠かせない要素となっている。
熱は、紙からゴムに至るまで、さらにパンの焼成、ビールの醸造、牛乳の殺菌といった多種多様な食品・飲料製品の生産にも使われている。実際、人類文明を支える4つの基礎素材（アンモニア、セメント、鉄鋼、プラスチック）は、いずれも生産において大量の熱を使用している。
商業および産業用の熱の脱炭素化がもたらす課題を明確にするため、環境配慮型製品がどのように製造されているかを見てみよう。
完成した太陽光パネルは、屋根に設置されるまでの生産ライフサイクルのほぼあらゆる段階で熱を使用している。中核となる部品はシリコンウェハーであり、その形成と精製は1,400～1,700°Cで行われ、シリコンインゴットが作られる。その後、導電性を高めるためにこのシリコンにドーピングを行う必要があり、通常は拡散炉で800～1,000°C超の温度で行われる。
この太陽電池を保護するため、ガラスと樹脂の保護層で挟み込まれ、樹脂を硬化させるために熱が加えられる。また、ガラス自体も、砂やその他の材料を1,700°Cを超える炉で溶融させて製造されている。
パネルの電気部品は400°C超ではんだ付けされ、接合される。また、セラミック絶縁体がある場合は、1,000°C超での焼成および焼結によって製造されている。出荷される完成品の太陽光製品に使用されるプラスチックおよび段ボールの梱包材も、約200°Cの熱を用いて製造されている。プラスチックはしばしば熱を用いて押出成形、成形、さらには熱硬化され、紙パルプも熱によって分解・乾燥される。
太陽光だけの話ではない。風力タービンのセメントは、1,400～1,500°Cのキルンでの焼成工程を経ている。電気自動車の電線に使われる銅も、焼きなまし、成形、焼き戻しの工程で加熱されている可能性が高く、車体を構成するすべての金属やプラスチックについても同様である。
問題はここにある。これらの温度は高い。実際、産業用熱の70%は100°C超であり、ほぼ半分は400°C超である。
残念ながら、熱力学の法則により、電気ヒートポンプが高温の熱を効率的に生成することはできない。化石燃料の価格は、送電網の末端で供給される電力よりも3倍から5倍安いことが多いため、企業は経済的に切り替えることができない。
再生可能エネルギーの発電コストは下がりつつあるが、送電網自体がコストの大きな要素であるため、最終需要者にとっての価格差が縮まる見込みは低い。米国では、送電・配電のコストがすでに供給される電力の総コストの44% を占めている。商業および産業用の熱については、すべてを電化しても通常は効率面や経済面での節約は見込めない。
そのため、現在この熱の大部分は化石燃料の燃焼によって生み出されている。ネットゼロを達成するために、私たちに何ができるだろうか。
開発中の熱対策ソリューション
選択肢の一つは、24時間365日、安定して安価なゼロカーボン電力が供給される地域へ、事業や工場を移転することである。これが、アイスランドの最大の輸出品がアルミニウムである理由であり、火山国であるアイスランドは豊富で手頃な地熱発電に恵まれている。
電気アーク炉は再生可能電力を用いて高温に到達できるが、金属などの導電性材料しか加熱できないといった制約がある。
クリーンエネルギーへの移行に向けて、世界経済フォーラムは何に取り組んでいるのか。
バイオ燃料も別の選択肢である。木材チップ、おがくず、農業廃棄物などの有機燃料源は、ボイラーや炉で燃焼させることができる。これは、バイオマスに依存する産業との間で良い相乗効果をもたらしうる。
例えば、多くの製紙・パルプ工場は、未利用の木材廃棄物を燃焼させてクリーンな熱を生み出しており、食品加工企業も再生可能な熱への脱炭素化戦略の一環として、バイオマスやバイオガスを活用することが多い。
水素は約2,000°Cで燃焼させることができるため、商業および産業用の加熱設備に対して、改修コストの低い解決策を提供することもできる。しかし、従来の水素製造は大量のCO2を排出する。
そのため、ゼロカーボン電力を用いた水の電気分解によって水素を製造する必要がある（グリーン水素と呼ばれる）か、燃焼前もしくは燃焼後に二酸化炭素回収を組み合わせて、天然ガスやバイオガスから水素を製造する必要がある（ターコイズ水素またはブルー水素と呼ばれる）。
しかし、クリーン水素はまだ手頃な価格ではなく、水素は輸送や流通が極めて難しい燃料である。水素が広く利用されるようになる前に、これらの課題を解決する必要がある。
二酸化炭素回収・貯留（CCS）は、排気筒から二酸化炭素を回収し、地下に貯留する技術である。CCSは、大規模工場などの大規模な炭素排出源に適用することができる。
しかし、炭素の回収と圧縮にはエネルギーが必要であり、全体的なエネルギー効率を低下させる。さらに、CO2を漏出なく確実に隔離できる地質層は、事業所や工場から非常に遠い場所にあることが多く、また、CO2は気体であるため、輸送と貯留にもコストがかかる。
最後に、熱エネルギー貯蔵は、正午の太陽光発電など発電量が多い時間帯に生じる余剰の再生可能電力を蓄えるための手段として研究されている。課題は、数時間から数日にわたって熱を十分な温度に保つことができる、優れた断熱性を備えた低コストの蓄熱材を見つけることにある。
貯蔵された熱の回収と、加熱を必要とする工場や対象材料への輸送も困難であり、特に蒸気を使用できない高温用途では顕著である。さらに、熱貯蔵ソリューションを既存設備に後付けする際の複雑さによるコストも、もう一つの課題である。
産業用熱を脱炭素化する簡単な方法はない
したがって、商業および産業用の熱を脱炭素化するための特効薬は、現時点ではない。しかし、最後に激励の言葉を述べたい。
熱の脱炭素化がもたらす市場規模とCO2削減効果は、太陽光、風力、電気自動車の革命ですでに見られたものに十分匹敵する。
熱利用は膨大で、重要かつ多様なエネルギーサービスであり、あらゆるものに対応できる単一の脱炭素化ソリューションは存在しない。
熱の多様な等級と用途をそれぞれ脱炭素化するためには、さまざまな技術革新が必要となる。それぞれが新たな産業へと発展する可能性を秘めている。ここでは多くの勝者が現れるだろう。さあ、始めよう。
