＜身近な電気の話＞ 省エネルギー。熱エネルギーの使い方

私たちが日常生活の中で使うエネルギーは主に次の３つです。
①照明に使う光エネルギー
②暖房や給湯に使う熱エネルギー
③ものを動かす機械エネルギー
ごく大雑把に言うと、その６割強が熱関連エネルギー、残りは冷蔵庫やエアコン、扇風機などのモーターに使われる機械エネルギーや室内、街路の照明に使う光エネルギーなどですね。
今回は、省エネルギーという視点から熱エネルギーの使い方を考えてみましょう。

熱エネルギーを得る方法

まず基礎的なことからです。私たちが熱エネルギーを得る方法をいくつか挙げてみましょう。
①太陽熱、空気熱から直接得る
②樹木、木炭などバイオマス燃料を燃やす
③石油、天然ガス、石炭など化石燃料を燃やす
④電気ストーブやエアコンを使う
等の方法があります。

＜自然エネルギー＞
自然エネルギーである太陽熱（光）、風（空気）、雨水（海水）には、それぞれ「温かさ」や「冷たさ」の熱エネルギーがあり、私たちは日々その恩恵を受けて暮らしています。例えば、無尽蔵に降り注ぐ太陽熱。温水器を使うと７０％以上の高率で、仕事をする熱エネルギーに変換でき、風呂のお湯や生活用温水して活用しています。
しかし残念ながら１００％使いきることはないですね。時間が経つと冷えて拡散し環境温度（温帯地域だと１７～２０℃）に達すると仕事をする力を失ってしまいます。環境エネルギーに溶け込んでしまい、存在するが仕事するが仕事をしないエネルギーになってしまいます。
熱エネルギーは、高温域から環境温度（温帯地域では１７～２０℃）までの温度落差の範囲で仕事をします。これを「有効エネルギー」（エクセルギー）と呼び、環境に拡散して存在するが仕事をしないエネルギーを無効エネルギーと呼んでいます。したがって熱効率が１００％に達することはありません。
太陽熱は熱エネルギーとして利用すれば７０％以上の高率で利用できますが、太陽電池を使って電気エネルギーに変換すると２０％程度しか利用できません。電気に変換するより、できれば熱のまま使った方が効率は良いのです。

＜化石燃料エネルギー＞
③の化石燃料も熱エネルギーに変換すると有効に利用できるエネルギーの率は少なくなってしまいます。ガス湯沸かし器で天然ガスを燃焼させると炎は１０００℃以上で燃えますが、実際に得られるお湯の温度は１００℃以下です。ガス湯沸かし器やガスコンロは便利ですが、効率的な利用法とは言えませんね。半分ほどの熱を失っています。
天然ガスが燃料の火力発電所で電気を作る場合はどうでしょう。変換プロセスは少し複雑です。天然ガスをボイラーで１５００℃～１７００℃で燃焼させ、３５０～５００℃の高温高圧の蒸気を作り、その蒸気でタービン・発電機を回転させ電気エネルギーに変換します。化学エネルギー・熱エネルギー・機械エネルギー・電気エネルギーの順に変換されていき、変換プロセスでロスが生じます。仕上がりの熱効率は４０％程度です。化学エネルギーの半分以上をロスしているのですね。高温の有効エネルギーを最大限に使いきることこそが最大の省エネルギーです。それを可能にする技術開発が必要ですね。

＜化学エネルギーも機械エネルギー＞
化学エネルギーも機械エネルギーも熱エネルギーも、エネルギー変換の際にロスは避けられないと言いましたが、一つだけ例外があります。「電気エネルギー」です。エクセルギー１００％のエネルギーで、熱エネルギーに変換しても機械エネルギーに変換してもロスが出ません。温度エネルギーは環境温度に達すると有効エネルギーを失いますが、電気は電圧が下がっても、ゼロになるまで仕事をします。電圧を上げても下げてもロスが出ません。
電気は１００％有効エネルギーですが、ただ、電気を作る過程でエネルギーロスが生じています。多くの火力発電の熱効率は４０％程度です。最近の技術進歩は目覚ましく、熱効率は５５％程度にまで向上してきています。熱効率が向上した分、燃料使用量が減少し環境改善にも貢献しています。エクセルギー的にはまだ効率化の余地は残されています。

ヒートポンプシステムを上手に使って「熱循環社会」を

＜家庭のエアコンや冷蔵庫など、広く使われている＞
ご存知ですか。電気の熱効率の壁を超える不思議な技術があります。化石燃料も行ったん電気に変換し、この技術を使えば熱効率が１００％を超えてしまうのです。「ヒートポンプ」システムです。あまり聞きなれないかも知れませんが、すでに身近な技術とおして活用されています。家庭のエアコンや冷蔵庫、業務用の保冷庫や冷凍庫、電気温水器「エコキュート」やビル空調などに広く使われています。
「ヒートポンプ」はコンプレッサーの働きにより、環境中の大気や水から（温・冷）熱をくみ上げる技術です。「取り出せるエネルギー量」を「投入したエネルギー量」で割って得られた数字を、ヒートポンプのエネルギー成績係数と言い、「ＣＯＰ」で表します。例えばＣＯＰ＝２とあれば、投入した電気エネルギーの２倍の熱エネルギー量を環境中から取り出してくることを意味します。家電量販店ではエアコンにこの成績係数を表示していますから、ぜひチェックしてみてください。

＜最新のエアコン６倍の熱エネルギーを取り出す＞
最新のエアコンはＣＯＰ＝６以上になっています。つまり、投入電気エネルギー量の６倍の熱エネルギーを取り出してくれます。電気を作る過程でエネルギー損失があることを考慮しても、火力発電所の熱効率が４０％の電気の場合、ヒートポンプ性能がＣＯＰ＝３であれば、化石燃料を１００％使い切る以上のエネルギーが手に入ります。ＣＯＰ＝６だと熱効率換算では２００％超ということになりますね。不思議な技術です。

＜無尽蔵に存在する環境熱から取り出す＞
ヒートポンプは、正確に表現すると環境中に拡散している無効熱エネルギーの中から、ポンプで熱をかき集めてくるシステムで、熱を作り出すシステムではありません。暖房で使えば使った電気エネルギーの６倍の冷熱を部屋の外から運んでくれます。冷房の場合は逆に温熱を集めて室内に送ってくれます。
冷蔵庫の仕組みも同じです。成績係数ＣＯＰの数値が大きくなればそれだけ省エネルギーが進みます。そして低炭素化効果も大きくなるのです。無尽蔵に存在する環境熱から取り出してくるのですから、使わずに放っておく手はありませんね。モッタイナイです。

ヒートポンプシステムを上手に使って「熱循環社会」を創り上げていくことが、低炭素化社会の実現につながるのかもしれません。