熱エネルギーとは？
仕組みや産業分野での利用事例、今後の活用まで解説

熱エネルギーとは、物質を構成する分子や原子の運動によって生じるエネルギーです。物質内部では分子や原子が常に運動しており、その運動エネルギーの総和が熱エネルギーとして表されます。

なお、熱エネルギーと温度は似た言葉として扱われることがありますが、厳密には異なります。熱エネルギーは物質を構成する粒子の運動に由来するエネルギーをさし、温度はそのエネルギーの平均量を示す指標です。

熱エネルギーの脱炭素化は、産業・業務分野における重要な課題のひとつです。製造業やビル、工場ではエネルギー消費の約6割を「熱」が占めています。そのため、電力だけではカーボンニュートラルの実現は難しいとされています。

産業分野の脱炭素においては、電力について再生可能エネルギーや原子力発電などの脱炭素電源への切り替えが進められている状況です。熱エネルギーについても、ヒートポンプの導入や誘導加熱、赤外線加熱など電気式熱エネルギー利用、すなわち電化による脱炭素が進められています。

一方で、高温熱エネルギーは、石炭、天然ガス、石油などの化石燃料の燃焼によって供給されるため、燃焼時にCO2（二酸化炭素）の排出が避けられません。そのため、脱炭素の向けては、省エネルギーや熱の高効率利用に加え、廃熱利用などの取り組みが不可欠です。

さらに、これらの対策たけではCO2を十分に削減できない場合には、水素やアンモニアといった脱炭素燃料やバイオ燃料、合成メタン（e-methane）などのカーボンリサイクル燃料への転換も検討されています。

熱エネルギーは、温度差によって物体から物体へと移動します。熱が伝わる方法は、主に「伝導」「対流」「放射（輻射）」の3つです。

伝導は、物質によって熱の伝わりやすさが異なり、特に金属は熱を伝えやすい性質を持っています。

対流では、温められた流体は密度が小さくなって上昇し、冷えた流体は下降するため、流体の循環が生じます。

放射（輻射）は電磁波によって熱が伝わるため、真空中でもエネルギーが移動する点が特徴です。
 

熱エネルギーは、エネルギーの変換や保存の法則を扱う「熱力学」と深く関係しています。

熱力学は、熱や温度といった現象とエネルギーやエントロピーなどの物理的な特性との関係を扱う分野であり、エネルギーの振る舞いを体系的に理解するための基礎となる考え方です。

熱力学では、エネルギーの振る舞いを説明するために「熱力学の法則」が定められており、第0法則から第3法則までの4つの基本法則で構成されています。

第0法則では、2つの物体が同じ温度になることで、それらの間で熱エネルギーの移動がなく、別の物体ともエネルギー交換をしなくなる状態を「熱平衡」と呼びます。これが温度の概念の基礎となります。

第1法則では、エネルギー保存の法則と呼ばれます。外部から加えられた熱エネルギーは内部エネルギーや仕事に変換されますが、エネルギーは消えたり新たに生まれたりすることなく、全体として一定に保たれるというものです。

第2法則は、熱エネルギーが自然に高温から低温へ移動する点や、全ての熱エネルギーを仕事に変換できない点を示す法則です。例えば、熱いお湯をコップに入れると外気に触れて冷めて、外気温と同じ温度になります。また、熱エネルギーを全て仕事に変換できない例として、エンジンでは熱エネルギーの一部しか運動エネルギーに変換されません。

第3法則は、絶対零度に近づくほど物質のエントロピーが0に近づくとされる法則です。絶対零度は、-273.15℃が最も低い温度であるとされています。原子や分子が完全に静止することはないため、絶対零度は理論上の温度であり、実際に到達することはできないと考えられています。
 

熱エネルギーは、発電や機械の駆動に加え、産業分野における熱利用など、様々な分野で活用されています。

さらに、地熱や太陽熱などの自然由来の熱エネルギーも、重要なエネルギー資源として利用されています。以下では、熱エネルギーの主な利用事例を紹介します。
 

自動車のエンジンは、燃料の燃焼によって発生する熱エネルギーを運動エネルギーに変換する「熱機関」の一種です。

燃焼によって生じたエネルギーでピストンが上下に動き、その運動が動力となり自動車が走行します。最近では、ハイブリッド車のように、電気と熱を併用するシステムや、電気自動車や燃料電池自動車などのように熱源を利用しないパワートレインも普及しはじめています。

燃料電池自動車についてより詳しく知りたい方は、以下の記事もあわせてご覧ください。

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火力発電では、燃料を燃焼させて得た熱エネルギーを電気エネルギーに変換します。

燃焼によって発生した熱で水を加熱し、高温・高圧の蒸気を発生させ、蒸気の力で蒸気タービンを回転させます。蒸気タービンと連動した発電機を動かすことで、電気エネルギーを生み出す仕組みです。

発電効率の向上のために、蒸気をさらに高温・高圧の超臨界や超超臨界状態※にして利用する技術も実用化されています。

また、火力発電のひとつであるガスタービン発電は、ガス燃料を燃焼させて発生した高温高圧のガスでタービンを回し、その回転エネルギーを発電機で電力に変換する発電方式です。

大型のガスタービン発電では、ガスタービンを駆動した後の排ガスを排熱回収ボイラーに導き、その熱回収によって蒸気を発生させます。さらに、この上記で蒸気タービンを駆動することで、より高効率な発電を可能にしています。

火力発電についてより詳しく知りたい方は、以下の記事もあわせてご覧ください。

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※超臨界状態：物質が液体と気体の状態を区別できる限界の温度・圧力を超えた状態のこと。

地熱発電では、地球内部の熱によって生じる地熱エネルギーが利用されています。地下に存在する地熱貯留層から高温の蒸気や熱水を取り出し、そのエネルギーで蒸気タービンを回転させて電気エネルギーに変換します。

地熱貯留層よりもさらに深い、非常に高温高圧な条件下では、流体は超臨界状態にあるとされます。この熱を利用することで、従来の地熱発電に比べて効率よくエネルギーを取り出すことが可能です。

このように、地熱発電は火力発電と同様に蒸気の力で発電する仕組みですが、燃料を燃焼させる必要がなく、自然由来のエネルギーを活用する点が特徴です。

地熱発電についてより詳しく知りたい方は、以下の記事もあわせてご覧ください。

▶関連記事：地熱発電とは？仕組みやメリット・デメリット、今後期待される技術など解説

太陽から地球に届くエネルギーは、光だけでなく熱エネルギーとしても活用できます。太陽熱利用には、太陽熱発電や太陽熱温水器があり、集めた熱を利用して発電や給湯に活用します。

太陽光発電が「光」を電気に変換するのに対し、太陽熱利用は「熱」をそのまま使う仕組みです。太陽熱利用は変換効率が約50％と高く、太陽光発電の約15％と比較して効率よくエネルギーを得ることができます。

また、太陽熱は暖房や給湯だけでなく、吸収式冷凍機・デシカント空調などを利用することで冷房にも利用もでき、冷暖房システムの構築も可能です。

太陽光発電についてより詳しく知りたい方は、以下の記事もあわせてご覧ください。

▶関連記事：太陽光発電のメリットとデメリットをわかりやすく解説！具体的な導入事例も紹介

産業用ヒートポンプは、空気や水、工場で発生する排熱などの未利用熱を利用して、加熱や冷却に活用できる設備です。加熱や洗浄、乾燥などの工程で活用されており、これまで捨てていた熱の再利用に役立てられています。

具体的には、食品工場で加熱殺菌や冷却を行う工程への導入や、化学工場の処理装置からの排熱を乾燥工程に活用する事例が報告されています。燃焼設備からの転換によって、省エネやCO2排出量の削減につながる点も注目される理由です。

ヒートポンプについてより詳しく知りたい方は、以下の記事もあわせてご覧ください。

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誘導加熱（IH：Induction Heating）は、導電性材料（主に金属）を対象とした非接触型の加熱方式です。

加熱用コイルに交流電流を流すことで磁界が発生し、その磁界によって金属（被加熱物）に電流（過電流）が誘起されます。発生した渦電流が金属の電気抵抗によって熱に変換されることで、対象物自身が発熱します。

誘導加熱は火を用いないため安全性が高く、加熱の制御が容易であることから、CO2排出の抑制や、環境負荷の低減に貢献する技術です。さらに、作業環境への影響が少ない効率的な加熱方式として、産業分野で広く利用されています。

赤外線加熱は、赤外線が物質に吸収されることで原子や分子の動きが活発になり、その結果として物質の温度が上がる仕組みを利用したものです。

例えば電気ストーブは、放射された赤外線が皮膚に吸収され、皮膚を構成している分子の動きが活発になることで体が温まります。

暖房器のみならず、産業分野では水分を含む製品の加熱や乾燥などの用途に活用されています。
 

工場では、製造工程で多くの熱エネルギーが排ガスや排温水として外部へ放出されています。この未利用の熱を再び活用する取り組みが排熱回収であり、カーボンニュートラルの実現に向けた対策として注目される手法です。

例えば、食品製造ラインで排出されるドレン水や高温の排気、洗浄後の温水はそのまま排出されることが多いものの、ヒートポンプや廃熱回収ボイラーなどの熱交換器を利用すれば、加熱や乾燥に再利用できます。

また、産業分野では200℃以下の低温域の熱需要も多く、未利用熱の温度帯と重なるため、活用価値が大きいとされています※。

※出典：国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構「ここまで来た熱利用 ～脱炭素社会を切り拓く熱の3R」

ボイラー更新による燃料転換は、重油や灯油などの液体燃料を使用していた設備を、都市ガスやLPガスなどの気体燃料へ切り替える取り組みです。燃料の変更と設備の効率化により、エネルギー使用量やCO2排出量の削減につながります。

例えば、重油を使用していたボイラーを都市ガス式へ更新した事例では、CO2排出量が2割以上削減されるとともに、エネルギーコストの削減も確認されています※。

今後は水素やアンモニアなどの低炭素燃料の活用も見込まれており、ボイラーの脱炭素化に向けた選択肢は広がりつつあります。

※出典：環境省「4.1 工場・事業場における先導的な脱炭素化取組推進事業〈設備更新補助事業〉」
 

蓄熱（TES）とは、熱エネルギーを一時的に蓄え、必要なタイミングで利用する技術です。

蓄熱技術には、温度変化を利用して熱を蓄える「顕熱蓄熱」や物質の状態変化に伴う熱を利用する「潜熱蓄熱」などがあり、用途や温度帯に応じて使い分けられています。

蓄熱技術は、特に再生可能エネルギーのような供給量が変動するエネルギーの有効活用に役立つ技術です。熱制御技術との組み合わせにより、蓄えた熱の供給量やタイミングを調整し、効率的にエネルギーを利用する取り組みも進められています。
 

近年は、カーボンニュートラルの実現に向けて、熱エネルギーの利用方法に加えて、供給に用いるエネルギー源やインフラのあり方にも変化が求められています。以下では、熱エネルギーを取り巻く環境の変化や、脱炭素に向けた新たな取り組みを解説します。
 

都市ガス分野では、カーボンニュートラルの実現に向けて、合成メタンやバイオガスなどの低炭素ガスの活用が注目されています。

合成メタンやバイオガスは、燃焼時にCO2を排出するものの、原料には回収したCO2やバイオマス由来の炭素を利用するため、カーボンリサイクル燃料やカーボンニュートラル燃料と呼ばれています。排出と吸収のバランスが保たれ、実質的なCO2排出量の抑制につながります。

また、既存の都市ガスインフラを活用できる点も特徴です。大規模な設備更新を伴わずに脱炭素化を進められる手段として期待されています。

都市ガスのカーボンニュートラル化についてより詳しく知りたい方は、以下の記事もあわせてご覧ください。

▶関連記事：都市ガスのカーボンニュートラル化とは？3つの視点から手法を解説

合成メタンは、水素とCO2を原料として合成されるメタンであり、脱炭素化に貢献する次世代エネルギーとして注目されています。

一方で、合成メタンは製造コストの高さが課題です。CO2回収装置などの投資が必要であり、さらに水素製造コストが大きな割合を占めるため、生産効率の向上を目的とした革新的なメタネーション技術の開発が進められています。

合成メタンの市場創出や利用拡大に向けては、量産化と供給体制の整備が重要です。政府は、2050年までに液化天然ガス（LNG）と同程度の価格水準（40～50円/㎥）の実現を目標としており、低コスト供給の実現に向けた取り組みを進めています。

メタネーションについてより詳しく知りたい方は、以下の記事もあわせてご覧ください。

▶関連記事：メタネーションとは？カーボンニュートラルとの関係やメリット、実用化の例を解説

脱炭素社会の実現に向けて、産業分野での熱エネルギーの効率的な利用や関連技術の開発が進められています。

熱エネルギー分野の最新技術やビジネス動向を知りたい方は、「【国際】熱エネルギー展」をご活用ください。

【国際】熱エネルギー展は、熱エネルギーの活用や省エネルギー技術に関する製品・サービスが集まる展示会です。

会場では、熱エネルギーの「創出」「回収」「貯蔵」「利用」などに関する様々な技術が紹介されており、来場者は最新の製品やサービスを直接見て体験しながら、業界の最新動向や取り組みへの理解を深められます。

また、【国際】熱エネルギー展では、ご出展いただく企業様も募集しています。対面での説明や情報交換を通じて、新たなビジネス機会につながる場として活用いただけます。関連する製品やサービスをお持ちの方は、ぜひ出展をご検討ください。

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熱エネルギーは、物質を構成する原子や分子の運動によって生じるエネルギーであり、発電や機械の駆動など、幅広く活用されています。目に見えにくい一方で、私たちの暮らしや産業を支える重要なエネルギーです。

近年は、脱炭素社会の実現に向けて、産業用ヒートポンプの導入や電磁誘導、排熱の回収など、熱エネルギーを効率的に活用する取り組みが進んでいます。都市ガスのカーボンニュートラル化や合成メタンの活用など、熱エネルギーの供給方法にも変化が見られます。

熱エネルギーの効率的な活用や脱炭素化を進める上で、新たな技術やソリューションの導入は有効な選択肢です。最新情報の収集には、【国際】熱エネルギー展をぜひご活用ください。

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