省エネ効果抜群の「ヒートポンプ」は再生可能エネルギー! 世界をリードする日本の技術とヨーロッパでの普及

省エネ効果抜群の「ヒートポンプ」は再生可能エネルギー! 世界をリードする日本の技術とヨーロッパでの普及

エアコンや給湯器をはじめとして、冷蔵・冷凍庫など様々な製品に使用されているヒートポンプ。
省エネ効果が高く、CO2削減に貢献するヒートポンプは、ヨーロッパでは再生可能エネルギーとして扱われ、普及が進んでいます。
その普及に大きな役割を果たしたのは、日本の優れた技術です。
その仕組みとメリット、普及状況とその背景、今後の見通しについてみていきましょう。

ヒートポンプの仕組み

まず、ヒートポンプの仕組みとはどのようなものでしょうか。

「ヒートポンプ」とは、水を低い所から高い所に汲み上げるポンプのように、「熱を低温から高温に汲み上げる(移動させる)機器」のことです *1:p.15。

図1 ヒートポンプに利用されている原理
出典:*2 経済産業省(2019)「ヒートポンプ・蓄熱システムの至近の動向と省エネ取組事例」 p.19
https://www.chugoku.meti.go.jp/latestnews/pdf/enetai/190228_2.pdf

図1の「ポイントⅠ」のように、「圧力と温度は比例する」という法則があります。
つまり、圧力をかけて圧縮すれば温度が上昇し、圧力を下げて減圧すれば温度が低下します。
また、「ポイントⅡ」のように、異なる温度の物体を接触させると、高温から低温へと熱が移動しま
す。

エアコンや冷蔵庫などの中では、熱を温度の低い所から高い所へ移動させるために「冷媒」と呼ばれるガス(CO2やフロンなど)が使われています。
その冷媒を、電気エネルギーによって圧縮、あるいは減圧すれば、温度変化が生じ、熱を低いところから高いところに移動させることができます。
これが、ヒートポンプの仕組みです(図2)。

図2 ヒートポンプの仕組み
出典:*1 産業競争力懇談会(COCN)(2010)「低炭素化社会づくりに向けた ヒートポンプの革新的技術開発と普及促進【産業部門より発信するヒートポンプによるCO2排出量大幅削減実現のための提案】」 p.15
http://www.cocn.jp/report/thema19-L.pdf

ヒートポンプ導入のメリット

ヒートポンプにはさまざまなメリットがあります。
まず、そのメリットを概観しましょう(図3)。

図3 ヒートポンプ導入のメリット
出典:*1 産業競争力懇談会(COCN)(2010)「低炭素化社会づくりに向けた ヒートポンプの革新的技術開発と普及促進【産業部門より発信するヒートポンプによるCO2排出量大幅削減実現のための提案】」 p.16
http://www.cocn.jp/report/thema19-L.pdf

次に、図3のメリットをひとつずつ見ていきます。

~再生可能性:ヒートポンプに利用する熱源~

ヒートポンプに利用する熱源は私たちの身近にある再生可能なものです(図4)。

図4 ヒートポンプに利用する熱
出典:*2 経済産業省(2019)「ヒートポンプ・蓄熱システムの至近の動向と省エネ取組事例」 p.21
https://www.chugoku.meti.go.jp/latestnews/pdf/enetai/190228_2.pdf

この図のように、ヒートポンプには、空気熱、河川水や工場排水の熱、地中熱など、私たちの身近にあって、あまり利用されてこなかったさまざまな熱エネルギーが利用されています。

これらの熱エネルギーは利用しても再生されるため、ほぼ永続的に利用可能という優れた特徴があります *2:p.21。

~省エネルギー性と低コスト化~

次に、ヒートポンプの最大の特徴、省エネルギー性も大きなメリットです。
ヒートポンプの効率は、次のような式で表されます *1:p.15。

このCOPの値が大きいほど効率が高いことを示しますが、ヒートポンプは先ほどみたように、「既にある熱」を利用するため、投入したエネルギーの何倍もの熱エネルギーを得ることができます。
例えば、最新のエアコン用ヒートポンプのCOPは7以上です。
したがって、消費エネルギーは、必要なエネルギーの 1/7 以下という ことになります。

図5 ヒートポンプの効率の推移
出典:*2 経済産業省(2019)「ヒートポンプ・蓄熱システムの至近の動向と省エネ取組事例」 p.27
https://www.chugoku.meti.go.jp/latestnews/pdf/enetai/190228_2.pdf

上の図5は、ヒートポンプの効率の推移を表していますが、縦軸は先ほどみたCOPです。
このように、ヒートポンプの効率は年々、高くなっています。

こうした省エネはコスト低減につながり、給湯機のランニングコストは燃焼式に比べてわずか35%です(図6)。

図6 ヒートポンプ給湯機の経済性(ランニングコスト比較)
出典:*1 産業競争力懇談会(COCN)(2010)「低炭素化社会づくりに向けた ヒートポンプの革新的技術開発と普及促進【産業部門より発信するヒートポンプによるCO2排出量大幅削減実現のための提案】」 p.17
http://www.cocn.jp/report/thema19-L.pdf

~環境保護:CO2排出量の削減~

次に、CO2排出量の削減についてみましょう。

図7 ヒートポンプの省エネ性とCO2削減効果
出典:*2 経済産業省(2019)「ヒートポンプ・蓄熱システムの至近の動向と省エネ取組事例」 p.28
https://www.chugoku.meti.go.jp/latestnews/pdf/enetai/190228_2.pdf

上の図7は、燃焼式のボイラを100とした場合の、ヒートポンプの一次エネルギー消費率とCO2排出量の例です。

一次エネルギーとは、他のエネルギーに変換していない、つまり加工されていないエネルギーのことで、図7の場合には、都市ガスの原料である天然ガスや火力発電に利用されている化石燃料などを指します。

この図から、ヒートポンプは燃焼式のボイラに比べて、一次エネルギーは39%の省エネ、CO2排出量は32%の削減効果があることがわかります。

次に、 ヒートポンプによるCO2排出量の削減ポテンシャルをみてみましょう。

 

図8 ヒートポンプによるCO2排出削減ポテンシャル
出典:*1 産業競争力懇談会(COCN)(2010)「低炭素化社会づくりに向けた ヒートポンプの革新的技術開発と普及促進【産業部門より発信するヒートポンプによるCO2排出量大幅削減実現のための提案】」 p.18
http://www.cocn.jp/report/thema19-L.pdf

図8は、現在日本で使われている業務用、家庭用のエアコンと給湯で使用されている燃焼式システム全てをヒートポンプシステムに置き換えた場合のCO2排出量を試算したものです *1:p.18。

試算の結果、すべてヒートポンプに置き換えた場合、約1億トンのCO2排出量が削減可能だということがわかりました。
また、産業部門のボイラによる工場空調、加湿、100℃未満の乾燥分野の燃焼式システムを全てヒートポンプシステムに置き換えると、さらに約3,000万トンの削減が可能だと試算されています。

したがって、これらを合わせた年間のCO2排出削減量は、約1.3億トンということになります。
これは、日本の温室効果ガス年間総排出量の約10%に当たります。

また、ヒートポンプは燃焼を伴わないため、利用場所で熱やガスを排出しません。その点でも環境にやさしい機器だといえます *1:p.16。

ヨーロッパにおける普及:「ヒートポンプは再生可能エネルギー」
~CO2削減目標と再生可能エネルギーの推進~

ここでは、ヨーロッパでの普及状況をみますが、その前に、各国のCO2削減目標を押さえておきましょう(表1)。

表1 各国のCO2削減目標(国連枠組み条約に提出された約束草案による)

出典:*2 経済産業省(2019)「ヒートポンプ・蓄熱システムの至近の動向と省エネ取組事例」 p.15
https://www.chugoku.meti.go.jp/latestnews/pdf/enetai/190228_2.pdf

この表にあるように、EUは2030年までに1990年比で40%という大幅な削減目標を掲げています。

ヨーロッパは1990年代後半から再生可能エネルギーを推進してきました *3。
先ほどみたように、ヒートポンプは再生可能エネルギーであるさまざまな熱エネルギーを活用し、省エネ・CO2削減効果が非常に高い器機です。
そのためヨーロッパでは、「一定効率以上のヒートポンプにより利用する空気熱、地中熱、河川水熱、海水熱」を再生可能エネルギーと定義して、ヒートポンプの普及を促進しています *1:p.22。

図9 EUの再生可能エネルギーに占めるヒートポンプ熱利用の割合
出典:*2 経済産業省(2019)「ヒートポンプ・蓄熱システムの至近の動向と省エネ取組事例」 p..21
https://www.chugoku.meti.go.jp/latestnews/pdf/enetai/190228_2.pdf

こうした取組みにより、EUの再生可能エネルギーに占めるヒートポンプの割合は、2014年、5%でした(図9)。

~省エネ・CO2削減効果~

では、ヒートポンプの利用は、どのくらいの省エネ・CO2削減につながるのでしょうか(表2)。

表2 EU環境目標に対するヒートポンプの寄与度(ポテンシャル)

出典:*1 産業競争力懇談会(COCN)(2010)「低炭素化社会づくりに向けた ヒートポンプの革新的技術開発と普及促進【産業部門より発信するヒートポンプによるCO2排出量大幅削減実現のための提案】」 p.24
http://www.cocn.jp/report/thema19-L.pdf

欧州ヒートポンプ協会は、新築・改築住宅にヒートポンプを導入した場合、一次エネルギー消費量、温室効果ガス排出量などの削減ポテンシャルは、EU環境目標の20%強に相当すると推計しています。

~普及状況~

次に、ヨーロッパにおけるヒートポンプの普及状況をみます。
まず、住宅向けヒートポンプの世界市場をみてみましょう(図10)。

図10 住宅向けヒートポンプ式給湯機/温水暖房機の世界市場
出典:*4 日本経済新聞(2019)「プレリリース 富士経済、ヒートポンプ器機の世界市場調査結果を発表」(2019年11月14日)
https://www.nikkei.com/article/DGXLRSP523460_U9A111C1000000/

図10のように、今後、住宅向けヒートポンプ式給湯機・温水暖房機は世界的に普及が進んでいき、業務用、産業用も含めた空調・給湯機器の世界市場は、2025年には18兆6,494億円にまで成長すると予測されています。これは2018年に比べて17.8%の増加です *4。

次にヨーロッパをみてみましょう。

ヨーロッパでは、地球温暖化防止のために化石燃料の使用を禁止する動きがあります。
オランダでは、2018年から住宅へのガス供給が禁止がされ、ノルウェーでも2020年から石油燃料の使用が禁止されています *4。

また、ドイツでは、ヒートポンプ導入促進のためのさまざまな施策がとられています。
まず、新築建物に再生可能エネルギーを導入することが義務づけられていますが、導入の際、ヒートポンプを再生可能エネルギーとして選択することができます。
さらに、ヒートポンプ専用の電気料金割引や新規にヒートポン プを設置した消費者への初年度割引もあります *1:p.24。

以上のような施策によって、ヨーロッパではヒートポンプ機器の普及がさらに進むとみられています *4。

~ヨーロッパでの普及を支えた日本の技術~

日本は、世界トップレベルの高効率ヒートポンプ技術を実現し、世界をリードしています。
ヨーロッパでの普及を支えたのは、そうした日本の技術です。
2008年頃、日本のメーカーが次々とヨーロッパに進出しました *5:p.72。

ヨーロッパでは、従来、ボイラの暖房のみが一般的でしたが、最近の猛暑のため、冷・暖房の両方の機能をもつヒートポンプ式エアコンの需要が高まっています。
また、ヨーロッパで一般的なセントラルヒーティング方式ではなく、部屋ごとに電源があり、部屋単位で温度の調整ができる日本方式のエアコンは効率性が優れていると評価され、ヒートポンプの導入が進んだのです。

日本の普及状況

ここでは日本の状況をみていきます。

~日本の省エネ・CO2削減目標~

まず、日本の省エネ目標はどのようなものでしょうか(図11)。

図11 日本の省エネ目標(国連枠組み条約に提出された約束草案による)
出典:*2 経済産業省(2019)「ヒートポンプ・蓄熱システムの至近の動向と省エネ取組事例」 p.13
https://www.chugoku.meti.go.jp/latestnews/pdf/enetai/190228_2.pdf

図11のように、日本は2030年までに徹底した省エネによって、5,030万KL削減することを目指しています。

次に、CO2削減目標をみましょう(図12)。

図12 日本のエネルギー起源CO2排出量削減目標
出典:*2 経済産業省(2019)「ヒートポンプ・蓄熱システムの至近の動向と省エネ取組事例」 p.15
https://www.chugoku.meti.go.jp/latestnews/pdf/enetai/190228_2.pdf

先ほど表1でみたように、日本のCO2排出量削減目標は2030年度に2013年度比26.0%減ですが、日本の温室効果ガス排出量の90%を占めるのが、エネルギー起源のCO2排出です。

図12はこのエネルギー起源のCO2排出量の削減目標を表しています。
その目標は、2030年度に2013年度比25.0%減ですが、「家庭部門・業務その他」は40%削減という高い目標を掲げています。

~CO2削減のためのヒートポンプ普及促進~

以上のようなCO2削減目標を達成するために、ヒートポンプの普及拡大に関する目標が立てられています(表3)。

表3 CO2排出削減のためのヒートポンプ普及目標

出典:*2 経済産業省(2019)「ヒートポンプ・蓄熱システムの至近の動向と省エネ取組事例」 p.16
https://www.chugoku.meti.go.jp/latestnews/pdf/enetai/190228_2.pdf

この目標は2016年に設定された暫定的なものですが、進捗状況をみて改定される予定です *2:p.16。

~現在の活用状況~

では、現在、ヒートポンプはどのような分野で活用されているのでしょうか(図13)。

図13 ヒートポンプの利用分野
出典:*2 経済産業省(2019)「ヒートポンプ・蓄熱システムの至近の動向と省エネ取組事例」 p.22
https://www.chugoku.meti.go.jp/latestnews/pdf/enetai/190228_2.pdf

上の図13はヒートポンプの利用分野を表していますが、縦軸は冷凍・加熱容量を、横軸は温度を、図中の小さい四角形の白抜きの漢字はヒートポンプのシェアを表しています。

現在は、ヒートポンプの大容量化・高温化が進み、産業・業務・家庭の広い分野にわたって活用されていますが、技術開発とともに利用分野がさらに広がりつつあります *2:p.22。
特に、図中の小さい四角形のうち、ブルーに白抜きの「微」や濃いピンクに白抜きの「小」が表示してある分野は、表3も考え合わせると、これからの伸びしろが大きいといえそうです。

具体的には、家庭部門でのエアコンに多く導入されていますが、給湯機器や冷蔵・冷凍庫など様々な製品に使用されています *2:p.18。
また、ヒートポンプは高効率で大規模施設にも対応できるため、オフィスビルの空調や病院・ホテルの給湯などにも利用されています。
今後はさらに、工場や農場などでの普及が期待されます。

課題解決に向けたさらなる技術革新へ
~これまでの課題と対策~

省エネ効果が高いヒートポンプですが、課題もあります。

まず、これまで寒冷地での普及が進まなかったことが挙げられます。
寒冷地では、氷点下を超える日も珍しくありません。そのような状況では、ヒートポンプ機器も空気中の熱エネルギーをうまく汲み上げることができないため、本来の効率・能力を発揮しにくくなってしまいます。

しかし、暖房や給湯で多くのエネルギー消費をしている寒冷地こそ省エネ効果が高いヒートポンプの普及が望まれます。
そこで、各メーカーは、寒冷地で利用するための機能的な問題を克服する新技術を開発しました。その結果、現在では、寒冷地においても活用できるヒートポンプ機器が誕生しています *6。

次に、冷媒の問題が挙げられます。
これまでヒートポンプの冷媒には、「環境配慮型」と称されてきた代替フロンであるHFCが用いられることが多かったのですが、いまでは代替フロンの地球環境への悪影響が懸念されています。
また、他のフロンガスの製造が国際的に禁止されたため、今後、HFCの排出量が急増する見込みです *7:p.6:。

そこで、自然に存在しているアンモニア、二酸化炭素、水などを使用した自然冷媒に切り替える取り組みが進んでいますが、現在でも、スーパーや電気容量の少ない学校用・農業用のエアコンとして利用されることが多いガスヒートポンプにはHFCが使用されており、改善が望まれます *8:p.18。

一方、ヒートポンプの冷媒として、自然冷媒の一つであるCO2を利用する動きも加速化しています *9:p.1。
その代表的なものが2001年に発売されたCO2冷媒のヒートポンプ給湯機「エコキュート」です。
エコキュートはオール電化住宅などに設置されて普及し、2018年7月末までに602万台、出荷されています *2:p.18。

~次世代型ヒートポンプの開発~

先ほどもふれたように、日本は世界トップレベルのヒートポンプ技術を実現していますが、さらなる効率アップを目指して、次世代型ヒートアップの開発に挑んでいます。

ここでは、そうした取組みのうち、NEDO(国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構)が2010年から2013年にわたって行ったプロジェクトをご紹介します。

このプロジェクトの目標は、ヒートポンプをそれまでの1.5倍、効率アップすることでした。
しかし、個別の機器開発は既に限界に達しています。
さらに効率を向上させるには、未利用熱や建物との融合などを含めたシステムを構築し、業界が一体となって、長期的な開発に取り組むことが必要です(図14) *10:p.1。

図14 次世代型ヒートポンプシステムのイメージ
出典:*10 NEDO(独)新エネルギー・産業技術総合開発機構「次世代型ヒートポンプシステム研究開発」
https://www.nedo.go.jp/activities/FK_00207.html

プロジェクト・チームは7つで、参加者は、ゼネコン・ハウスメーカー、機器メーカー、電力会社、設計会社、コンサルト会社、総合研究所、大学など多岐にわたりました *11:p.3。

プロジェクトの成果として、各チームがそれぞれ革新的なシステムや技術を開発しました *11。
例えば、寒冷地でのヒートポンプ普及のための技術開発、地中熱を利用した空調システムの開発、都市での下水熱利用システムの開発などで、中には海外展開が見込まれるものもあります。
ヒートポンプシステムの性能を評価するためのガイドライン策定を行ったチームもありました。

各チームは、こうして開発した技術やシステムの実用化に向けた取組みを行っています。

~おわりに~

これまでみてきたように、圧倒的な省エネ効果を誇るヒートポンプは、CO2削減に貢献する優れた器機です。
その技術で世界をリードする日本は、次世代型ヒートポンプを開発し、さらにそのポテンシャルを高めています。
CO2削減目標を達成するためにも、今後、さらなるヒートポンプの普及が期待されます。
そのためには、消費者としての私たちの意識も大切です。
ヒートポンプを活用した給湯器やエアコン、冷蔵・冷凍庫などは価格的にも頻繁に買い換えることが難しい製品ですが、それだけに、次の買い替えに備えてヒートポンプについて正しく理解し、適切な消費行動につながる製品を選択することが望まれます。

 

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参照・引用を見る

*1
産業競争力懇談会(COCN)(2010)「低炭素化社会づくりに向けた ヒートポンプの革新的技術開発と普及促進【産業部門より発信するヒートポンプによるCO2排出量大幅削減実現のための提案】」
http://www.cocn.jp/report/thema19-L.pdf

*2
経済産業省(2019)「ヒートポンプ・蓄熱システムの至近の動向と省エネ取組事例」
https://www.chugoku.meti.go.jp/latestnews/pdf/enetai/190228_2.pdf

*3
一般社団法人 ヒートポンプ・蓄熱センター「海外編>欧州の再生可能エネルギー事情」
https://www.hptcj.or.jp/study/tabid/148/Default.aspx

*4
日本経済新聞(2019)「プレリリース 富士経済、ヒートポンプ器機の世界市場調査結果を発表」
(2019年11月14日)
https://www.nikkei.com/article/DGXLRSP523460_U9A111C1000000/

*5
JETRO(2012)「欧州 日本式ヒートポンプの商機と課題」
https://www.jetro.go.jp/ext_images/jfile/report/07001133/europe_heat_pump.pdf

*6
一般社団法人 ヒートポンプ・蓄熱センター「寒冷地向けヒートポンプ」
https://www.hptcj.or.jp/tabid/1219/Default.aspx#anchor03

*7
環境省「フロン類対策の現状について」
https://www.env.go.jp/press/cfc_conf01/mat03.pdf

*8
前川製作所グローバルセンター「CO2 冷媒によるヒートポンプ最新技術」
https://www.kinki-shasej.org/upload/pdf/279kuei.pdf

*9
環境省(2020)「改正フロン排出抑制法パンフレット」
http://www.env.go.jp/earth/earth/pamphlet_furon.pdf

*10
NEDO(独)新エネルギー・産業技術総合開発機構「次世代型ヒートポンプシステム研究開発」
https://www.nedo.go.jp/activities/FK_00207.html

*11
NEDO(独)新エネルギー・産業技術総合開発機構「多様な熱の活用とシステム化で 高効率を実現 次世代型ヒートポンプシステムの研究開発 全体概要」
https://www.nedo.go.jp/content/100552004.pdf