廃熱

熱酸化装置は、産業システムからの廃熱を再生するプロセスを使用できます。
エアコンは、冷媒を用いて室内の熱を取り出し、それを廃棄物として屋外に放出します。冷媒との間で熱をやり取りする機器に電力を供給する際に、さらに熱を排出します。

廃熱は、機械やエネルギーを使用する他のプロセスによって、仕事の副産物として生成される熱です。このようなプロセスはすべて、熱力学の法則の基本的な結果として、ある程度の廃熱を放出します。廃熱は、元のエネルギー源よりも効用が低くなります（熱力学の用語では、エクセルギーが低く、エントロピーが高くなります）。廃熱の発生源には、あらゆる種類の人間の活動、自然システム、およびすべての生物が含まれます。たとえば、白熱電球は熱くなりますし、冷蔵庫は室内の空気を暖めますし、建物はピーク時に熱くなりますし、内燃機関は高温の排気ガスを発生し、電子部品は動作中に熱くなります。

廃熱（または冷気）は、周囲の環境に放出されて「無駄」になるのではなく、別のプロセスで使用したり（熱いエンジン冷却剤を使用して車両を加熱するなど）、システムに補充熱を追加すれば、無駄になるはずだった熱の一部を同じプロセスで再利用したりすることもできます（建物の 熱回収換気など）。

熱エネルギー貯蔵は、熱または冷気を短期および長期に保持する技術を含み、廃熱（または冷気）の利用を創出または改善することができる。一例は、夜間の暖房を補助するためにバッファタンクに貯蔵される空調機器からの廃熱である。もう1つは、スウェーデンの鋳造所における季節熱エネルギー貯蔵（STES）である。熱は、熱交換器を備えたボーリング孔のクラスターを囲む岩盤に貯蔵され、数か月後でも必要に応じて隣接する工場の空間暖房に使用される。[ 1 ] STESを使用して自然の廃熱を使用する例としては、カナダのアルバータ州にあるドレイクランディングソーラーコミュニティが挙げられる。同コミュニティでは、季節間の熱貯蔵のために岩盤のボーリング孔のクラスターを使用することで、年間の熱の97％をガレージの屋根の太陽熱集熱器から得ている。 [ 2 ] [ 3 ] STESのもう1つの用途は、夏の空調のために冬の冷気を地中に貯蔵することである。[ 4 ]

生物学的なレベルでは、すべての生物は代謝プロセスの一環として廃熱を排出しますが、周囲の温度が高すぎてこれが許容されない場合は死んでしまいます。

人為的廃熱は都市ヒートアイランド現象の一因となる可能性があります。[ 5 ]廃熱の最大の発生源は、機械（発電機など）や鉄鋼・ガラス生産などの産業プロセス、そして建物外壁からの熱損失です。輸送燃料の燃焼も廃熱の大きな要因となっています。

エネルギーの変換

燃料に含まれるエネルギーを機械的仕事または電気エネルギーに変換する機械は、副産物として熱を生成します。

出典

ほとんどの用途において、エネルギーは複数の形態で必要とされます。これらのエネルギー形態には、通常、暖房、換気、空調、機械エネルギー、電力の組み合わせが含まれます。多くの場合、これらの追加のエネルギー形態は、高温熱源で稼働する熱機関によって生成されます。熱力学第二法則によれば、熱機関は完全な効率を達成することは不可能であるため、熱機関は常に余剰の低温熱を生成します。これは一般に廃熱、二次熱、または「低品位熱」と呼ばれます。この熱はほとんどの暖房用途に役立ちますが、電気や燃料エネルギーとは異なり、熱エネルギーを長距離輸送することが現実的でない場合があります。廃熱全体の最大の割合は、発電所と車両エンジンから発生します。最大の単一発生源は、発電所と、製油所や製鉄所などの工場です。

空調

従来の空調システムは、屋内を冷却する際に廃熱を屋外の大気中に放出するため、廃熱源となります。空調からの廃熱の排出は、都市のヒートアイランド現象を悪化させる可能性があります。[ 5 ]空調からの廃熱は、パッシブ冷却の建物設計や、蒸発冷却やパッシブ昼間放射冷却などのゼロエネルギー方式を用いることで削減できます。パッシブ昼間放射冷却は、赤外線窓を通して廃熱を直接宇宙空間に放出します。[ 6 ] [ 7 ]

発電

火力発電所の電気効率は、入力エネルギーと出力エネルギーの比として定義されます。建物暖房への熱出力の有用性を無視すると、通常はわずか33%です。[ 8 ]画像は冷却塔を示しています。冷却塔は、発電所が熱を他の形態のエネルギーに変換するために不可欠な温度差の低い側を維持するのに役立ちます。環境に放出される廃棄熱、つまり「廃熱」は、代わ​​りに有効活用される可能性があります。

石炭火力発電所。化学エネルギーを36～48%の電力に変換し、残りの52～64%を廃熱として利用します。

産業プロセス

石油精製、製鉄、ガラス製造などの工業プロセスは廃熱の主な発生源である。[ 9 ]

エレクトロニクス

電力的には小さいものの、マイクロチップやその他の電子部品から発生する廃熱の処理は、大きな技術的課題です。そのため、ファンやヒートシンクなどを用いて熱を放出する必要があります。

例えば、データセンターは、コンピューティング、ストレージ、ネットワークのために電力を消費する電子部品を使用しています。フランスのCNRSは、データセンターは抵抗器のようなもので、消費するエネルギーの大部分は熱に変換されるため、冷却システムが必要であると説明しています。[ 10 ]

生物学的

人間は他の動物と同様に、代謝によって熱を産生します。温暖な環境では、この熱は温血動物の恒常性維持に必要なレベルを超え、発汗や呼吸といった様々な体温調節手段によって放出されます。[ 11 ]

イギリスのラトクリフ・オン・ソア発電所で水を蒸発させる冷却塔

廃棄

低温の熱は仕事量（エクセルギー）が非常に小さいため、廃熱として環境に放出されます。経済的に最も便利なのは、海、湖、または河川の水に熱を放出することです。十分な冷却水が確保できない場合は、プラントに冷却塔または空気冷却器を設置し、廃熱を大気中に放出することができます。地域暖房システムなど、廃熱を利用するケースもあります。

用途

電気への変換

熱エネルギーを電気に変換するにはさまざまな方法があり、そのための技術は数十年前から存在しています。

確立されたアプローチは熱電素子を使用するもので、[ 12 ]半導体材料の温度変化がゼーベック効果と呼ばれる現象を通じて電圧を生成する。

関連するアプローチとして、熱ガルバニ電池の使用があり、温度差によって電気化学セルに電流が発生します。[ 13 ]

Ormatなどの企業が提供する有機ランキンサイクルは、水の代わりに有機物を作動流体として使用する、非常によく知られたアプローチです。このプロセスの利点は、通常の水蒸気サイクルよりも低い温度で熱を放出して発電できることです。[ 14 ]蒸気ランキンサイクルの使用例としては、サイクロン廃熱エンジンが挙げられます。

コージェネレーションとトリジェネレーション

コージェネレーションシステム（熱電併給システムとも呼ばれる）を使用すれば、副産物熱の無駄を削減できます。副産物熱の利用における制約は、主に、わずかな温度差を効果的に利用して他の形態のエネルギーを生成する際のエンジニアリングコストと効率の課題に起因します。廃熱を利用する用途としては、プールの暖房や製紙工場などが挙げられます。場合によっては、吸収式冷凍機を用いて冷却を行うことも可能で、この場合はトリジェネレーション（冷熱電併給）またはCCHP（冷熱電併給）と呼ばれます。

地域暖房

廃熱は地域暖房に利用できます。廃熱の温度と地域暖房システムによっては、十分な温度に達するためにヒートポンプを使用する必要があります。ヒートポンプは、冷房地域暖房システムにおいて廃熱を利用するための簡単で安価な方法です。なぜなら、これらのシステムは常温で稼働するため、低品位の廃熱であっても生産側でヒートポンプを必要とせずに利用できるからです。[ 15 ]

予熱

廃熱は、高温になる前に、流入する流体や物体を強制的に加熱することができます。例えば、排出される水は、家庭や発電所で加熱する前に、熱交換器を通して流入する水に廃熱を与えることができます。

人為的熱

人為起源熱とは、人間および人間の活動によって発生する熱です。アメリカ気象学会はこれを「人間の活動の結果として大気中に放出される熱であり、多くの場合、燃料の燃焼を伴います。発生源としては、工場、暖房・冷房、人間の代謝、自動車の排気ガスなどが挙げられます。都市部では、この発生源は通常、地域の熱収支に15～50 W/m 2 、寒冷地や工業地帯の大都市中心部では数百 W/m 2を寄与します。」と定義しています。 [ 16 ] 2020年の人為起源年間エネルギー放出量は168,000テラワット時でした。地球の表面積が5.1×10 14 m 2であることを考えると、これは地球全体の平均人為起源熱放出率0.04 W/m 2に相当します。[ 17 ] [ 18 ]

環境への影響

人為起源熱は農村部の気温への影響は小さいが、人口密度の高い都市部ではより顕著になる。[ 19 ]人為起源熱は都市ヒートアイランドの一因である。都市ヒートアイランドに寄与する可能性のある他の人為的影響（アルベドの変化や蒸発冷却の喪失など）は、この定義では人為起源熱とはみなされない。

人為的排熱は、温室効果ガスに比べて地球温暖化への寄与ははるかに小さい。[ 20 ] 2005年、人為的排熱フラックスは、人為的温室効果ガスによって生み出されるエネルギーフラックスのわずか1%を占めた。排熱フラックスは均一に分布しておらず、地域によって熱フラックスが高く、特に都市部では顕著に高い。例えば、2005年の排熱による地球全体の強制力は0.028 W/m 2であったが、米国本土では+0.39 W/m 2、西ヨーロッパでは+0.68 W/m 2であった。 [ 21 ]

廃熱が地域の気候に影響を及ぼすことが示されているものの[ 22 ] 、最先端の全球気候シミュレーションでは、廃熱による気候強制力は通常計算されていません。平衡気候実験では、2100 年の AHF シナリオの 1 つで統計的に有意な大陸規模の地表温暖化 (0.4～0.9 °C) が生じることが示されていますが、現在の推定値や 2040 年の推定値ではそのような変化は見られません。 [ 21 ]最近実現された、人為的熱の増加率が異なる単純な全球規模の推定値[ 23 ]では、今後数世紀にわたって地球温暖化に顕著な寄与があることが示されています。たとえば、廃熱の年平均増加率 2%の場合、 2300 年の下限値として 3 度の上昇がもたらされます。一方、このことはより精密なモデル計算によって確認されています。[ 25 ]

2008年の科学論文によると、人為的な熱排出量が現在のペースで増加し続けると、 21世紀の温室効果ガス排出量と同じくらい強力な温暖化の原因となるだろうと示唆されている。[ 26 ]

参照

参考文献

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