プロセス熱

プロセス熱とは、工業プロセス中に熱を加えることを指します。^{[1]コンクリートから}ガラス、鉄鋼、紙まで、多くの一般的な製品の製造中に、何らかの形のプロセス熱が使用されています。工業プロセス全体の副産物や廃棄物が利用可能な場合、それらはプロセス熱を供給するためによく使用されます。例としては、製紙における黒液やサトウキビ加工における バガスなどがあります。

プロセスに必要な温度は大きく異なり、工業プロセス熱の約半分は動作温度が 400 °C (752 °F) を超えています。これらの高温プロセスは、通常、天然ガスや石炭などの専用供給源によってのみ供給できますが、燃料使用量を削減するために他の供給源からの予熱も一般的です。中央値以下で動作するプロセスは、同じ工業プロセス内の他のプロセスからの廃熱など、はるかに幅広い供給源を利用できます。抵抗加熱は理論上はプロセス熱の供給源になる可能性がありますが、供給される電気のほぼ 100% を熱に変換するとしても、火力発電所で燃料を燃焼させて電気を生産し、その電気をプロセス熱に使用するのは、燃料を直接使用するよりも明らかに効率が悪くなります。したがって、この熱源は、非熱源 (水力発電など) からの電力が安価で豊富にある場合にのみ使用されます。家庭暖房、温水、および 100 °C (212 °F) 未満のその他の熱用途に一般的に使用されているヒート ポンプは、「高温」端と「低温」端の間の温度差が大きい場合のカルノー効率が低すぎて、価値がありません。溶融塩電気分解などの一部のプロセスでは、吸熱反応を継続するために必要な同じ電力で、必要なプロセス熱が提供されます。熱は通常、「グレード」で表され、温度が高いほど「グレード」が高くなります。これは、熱が自然に高温から低温に流れるため、高温の熱源を低温の用途に使用することは常に可能ですが、その逆はできないためです。グレードの高い熱は生成が面倒で高価であり、材料の耐熱性が限られているため、触媒とフラックスを使用して、可能な限り動作温度を下げる努力が行われています。温度が平衡に影響を与える要因の 1 つである平衡反応では、連続プロセスで目的の生成物を除去することで温度要件を下げることができます。たとえば、AB と CD の平衡反応で AC と BD が生成され、温度を上昇させることで平衡を右方向にシフトできる場合、反応から AC または BD を継続的に除去すると、温度要件を下げることができます (ルシャトリエの原理を参照)。ただし、反応速度も温度に依存するため、これには限界があります。触媒は、任意の温度で反応速度を上げるのに役立ちますが、定義上、平衡をシフトさせることはありません。

米国エネルギー省によると、2018年にはプロセス熱が製造業のエネルギー使用量の約50％を占め、温室効果ガス排出量の30％を占めました。^{[1]したがって、}カーボンニュートラルまたは少なくとも炭素排出量の少ないプロセス熱供給の新しい形態を導入することが重要な取り組みの対象となっています。

廃タイヤなどの廃棄物は、代替燃料として一般的に使用されているか、適切な割合で従来の燃料に混合されています。 ^[2]その他の潜在的な低炭素源には、すでに産業界で広く使用されているバイオマスがありますが、地熱、集光型太陽光発電、原子力発電は2024年時点で実験段階にあります。

原子力をプロセス熱に使用する場合の問題点は、発電に一般的に使用される加圧水型原子炉の動作温度が400℃（752℉）を大きく下回る点である^[3] 。一方、沸騰水型原子炉はさらに低い285℃（545℉）程度で動作する。^[4]他の原子炉設計、特に高温ガス冷却炉（HTGR）は、プロセス熱生成に適している可能性がある。英国で建設された先進ガス冷却炉は、熱効率を高めるための明確な設計目標として、高い冷却材出口温度（610℃）を持っていた。^[5]特に興味深いのは、プロセス熱生成用に現場で建設できる小型モジュール型原子炉設計である。中国のHTR-PMは、250MW t_の第4世代HTGRであり、出口温度は750℃（1,380℉）である。^[6] 2024年現在、稼働中の唯一の高温小型モジュール炉である。

同様に、地熱熱源は比較的低温であることが多く、発電にはバイナリサイクルが必要になることもあります。 ^{[7] [8]}

コストの増加（炭素価格設定を無視）と往復効率の低下を犠牲にして脱炭素化を図る暫定的な解決策は、現在使用されている化石燃料をPower to X由来の燃料に置き換えることです。 ^[要出典]このアプローチには、最小限の修正または変更なしで既存の技術で使用できるという利点がありますが、電気エネルギーを人工燃料に変換するために必要な化学プロセスは抵抗加熱よりも効率が悪いため、抵抗加熱よりも効率が低くなります。ただし、燃料が熱と化学的機能の両方を提供するプロセス（製鉄における還元剤としてのコークスなど）では、Power to X 燃料が今後しばらくの間、唯一の実現可能な低炭素代替手段となる可能性があります。水の電気分解などのプロセスで生成される水素は、現在のプロセス熱源の代替として提案されることがよくあります。^[要出典]水素は今日すでに産業界で広く使用されていますが、2022年現在、そのほとんどは水蒸気改質などのプロセスを介して化石燃料から生成されています。硫黄ヨウ素サイクルなどの水素製造のために提案されているプロセス自体が高温を必要とするため、プロセスに必要な熱を直接使用するのではなく、プロセス熱の燃料として水素を生成することの実現可能性は疑わしいようです。^[要出典]

• Toledano, Ilan (2016 年 5 月 16 日)。「製造のためのプロセス加熱 101」。処理。
• 「再生可能な産業プロセス熱」。環境保護庁。2014 年 10 月 28 日。