ドイツの研究チームが高効率熱ポンプを開発し、製紙工場の廃熱を工業用蒸気に転換

エンジニアは最近、紙の生産過程で発生する廃熱を約248華氏度（120摂氏度）の工業用蒸気に変換できる強力な1.2メガワット（MW）の熱ポンプを発表した。この熱ポンプはドイツのフラウンホーファーエネルギー基盤技術研究所（Fraunhofer IEG）の研究チームによって製造され、ヘッセン州にあるFelix Schoeller GmbH & Co. KG製紙工場でテストが行われた。この試験はEUが資金提供するPUSH2HEATプロジェクトの下で実施された。

このシステムは、本来無駄になる熱を利用して工業プロセスに必要な蒸気を生成する。研究所によれば、このシステムは年間最大600トンの二酸化炭素（CO2）排出を削減し、天然ガスへの依存を減らすのに寄与する。プロジェクトマネージャーのReuven Paitazoglouは、「産業企業は気候保護、エネルギー供給の安全性、競争力を同時に考慮した解決策を必要としている。高温熱ポンプは、従来使用されていなかったエネルギー源を経済的に利用することを可能にする。」と述べた。

熱ポンプの運作原理

廃熱から蒸気へ、工業プロセスは通常212華氏度（100摂氏度）を超える高圧で蒸気システムを運転する。ほとんどの場合、この蒸気を生産するには化石燃料、特に天然ガスを燃焼させる必要がある。一方、化石燃料の燃焼は二酸化炭素や他の温室効果ガスを放出し、気候変動や大気汚染を引き起こす。この課題を解決するために、チームは低温廃熱を有用な工業用蒸気にアップグレードできる二段階熱ポンプを開発した。このシステムは、紙の生産からの余剰熱を捕捉し、温度範囲は86華氏度（30摂氏度）から158華氏度（70摂氏度）の間で、これを約248華氏度に引き上げる。

2026年の約300時間の運転中、このポンプは平均蒸気出力約700キロワット（kW）を達成した。同時に、その蒸気生産量は毎時約1.2トン、圧力は約2.3バールであった。研究者が報告した性能係数は2.30であり、簡単に言えば、このシステムが提供する有用な熱量は、その運転に必要な電力の2倍を超えている。このシステムが4,000から5,000時間運転すれば、年間最大600トンの二酸化炭素排出を回避でき、これは毎メガワット時（MWh）の熱量あたり約220ポンド（100キログラム）の二酸化炭素排出削減に相当し、天然ガスによる蒸気生産と比較される。

技術の潜在的な応用

このデモはEUが資金提供するPUSH2HEATプロジェクトの一環であり、工業廃熱の再利用方法を探求している。このプロジェクトは主に製紙と化学製品の生産に焦点を当てているが、この技術は製薬や食品業界でも応用される可能性がある。フラウンホーファーIEGはテストの科学的側面を調整し、その性能を評価するための監視システムを提案した。チームはこのポンプが既存の生産プロセスや蒸気ネットワークにどのように統合されるかを検討した。Paitazoglouはこの技術の応用拡大の重要性を強調し、プレスリリースで「ヴァイセンボーンにあるデモ工場は、将来的に他の産業応用でこの技術を使用するための重要な基盤を築いている。」と述べた。

フルロードテストは2026年9月に開始され、チームは実際の工業条件下でこのシステムを1年間評価する計画であり、2027年のプロジェクト終了前にさらなる改善が期待される。

高効率熱ポンプ技術の未来展望

この高効率熱ポンプ技術の開発は、工業生産における二酸化炭素排出を効果的に削減するだけでなく、従来の化石燃料への依存を低減し、現在の世界的な持続可能な開発のニーズに応えるものである。気候変動の影響がますます深刻化する中、産業界は代替エネルギーの解決策を急いで探求する必要がある。この技術の成功した応用は製紙や化学業界にとどまらず、製薬や食品業界など他の分野でも重要な役割を果たし、さらなる産業のグリーントランスフォーメーションを推進する可能性がある。