高温ヒートポンプ技術、320華氏度での試験に成功 工場の化石燃料依存度低減に貢献

研究者たちが320華氏度（約160℃）で高温ヒートポンプを試験し、同技術が産業用蒸気と温水を供給しながら、化石燃料への依存を減らせることを示した。この研究はドイツのフラウンホーファー太陽エネルギーシステム研究所（Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE）の科学者たちによって行われた。研究チームは、高温でプロセス蒸気と加圧温水を供給できるヒートポンプを検証するため、新たな実験室試験装置を開発した。

産業脱炭素化の課題への対応

この取り組みは産業脱炭素化の問題に対処することを目的としており、依然として化石燃料に頼って大量の熱エネルギーを供給している工場にとって主要な課題となっている。同研究所のシニアエンジニア兼FernWPプロジェクトマネージャーであるウルズラ・ヴィットシュタット（Ursula Wittstadt）博士は、高温ヒートポンプが代替案となり得ると指摘する。彼女は同技術の可能性を強調した。「我々の試験装置を通じて、これらの相互作用を測定できるため、コンポーネントおよびシステム全体の更なる開発の基盤を築くことができる。」

新たな試験装置は、FernWP研究プロジェクトの下で設計され、ヒートポンプがいかに石炭を地域および産業用熱供給で置き換えられるかを探ることを狙っている。研究者たちはこの設備を用いて、最大320華氏度（約160℃）でのヒートポンプ性能を測定し、熱源、負荷、運転モードの変化に対するシステムの反応を調べることができる。ヴィットシュタットはさらに説明する。「産業応用において、単に到達可能な最高温度だけが決定的な要因ではない。」同研究所の試験拠点は、320華氏度で蒸気を生成できるヒートポンプの調査に焦点を当てている。

ヴィットシュタットによれば、高温ヒートポンプは運転条件が変化しても、プロセス蒸気や加圧温水を信頼性高く効率的に生産しなければならない。

本プロジェクトでは、チームは冷媒としてブタンを使用するヒートポンプを試験した。ブタンは可燃性であるため、安全性および設置要件についても調査した。試験装置から得られたデータにより、メーカーは高温、高負荷、変動条件に適したヒートポンプと熱交換器を設計できるようになる。同時に、フラウンホーファーISEは安全性試験設備をさらに発展させ、大型および高温ヒートポンプにおける冷媒の安全コンセプトを確立する計画だ。

大型ヒートポンプの運転監視

実験室試験に加え、フラウンホーファーISEは2023年以降、地域熱供給ネットワークにおける5基の大型ヒートポンプの運転を監視してきた。研究者たちは、これらのヒートポンプのコンポーネント、制御システム、水力統合、運転戦略が適切に設計されていれば、信頼性高く運転し、目標性能を達成できることを発見した。フラウンホーファーISEのReallabor GroßWPプロジェクトマネージャーであるアクセル・オリバ（Axel Oliva）は、監視結果が大型ヒートポンプの実環境下での良好な性能と目標性能の達成を示していることを明らかにした。

しかし、この性能は周囲の条件に大きく依存する。同氏によれば、水温が低下したり部分負荷運転時には、流動水から熱を抽出するシステムの発熱量が減少し、熱源温度が約43華氏度（約6℃）を下回ると出力も減少する。

マンハイムにある発電所は、大型ヒートポンプのリビングラボ研究の一部となっている。オリバはプレスリリースで、「ヒートポンプを統合された発電所システム内で運転するには、既存の発電所設備、地域熱供給ネットワーク、顧客設備をよく理解している必要があることも分かった」と強調する。研究チームによれば、運営事業者は現在、日々の熱需要とエネルギー価格に基づいてヒートポンプを運転することが増えている。つまり、これらのシステムはより頻繁に起動と停止を繰り返す必要があるが、依然として信頼性を維持しなければならない。チームはこれらのデータを用いて、大型ヒートポンプと電力・熱供給システムの相互作用をモデル化し、ヒートポンプをより効率的に運転し化石燃料使用を削減する方法を明らかにする可能性がある。

項目	仕様
最大運転温度	320°F (160°C)
使用冷媒	ブタン

高温ヒートポンプ技術の将来性

高温ヒートポンプ技術の発展は産業脱炭素化において重要な意義を持つ。世界的に化石燃料依存からの脱却の需要が高まる中、この技術は実行可能な代替案を提供する。研究は、これらのヒートポンプの高温下での性能安定性と安全性が鍵となる要因であり、特に変動する運転条件下で重要であることを示している。実験室試験と実運転データの蓄積に伴い、将来のヒートポンプ設計はより的を絞ったものとなり、様々な工場のニーズを満たし、産業の持続可能な発展をさらに推進するだろう。