更新日: 2019.01.08 暮らし

<身近な電気の話> 省エネルギー。熱エネルギーの使い方

執筆者 : 藤森禮一郎

<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。
 
藤森禮一郎

Text:藤森禮一郎(ふじもり れいいちろう)

フリージャーナリスト

中央大学法学部卒。電気新聞入社、電力・原子力・電力自由化など、主としてエネルギー行政を担当。編集局長、論説主幹、特別編集委員を経て2010年より現職。電力問題のコメンテーターとしてテレビ、雑誌などでも活躍中。主な著書に『電力系統をやさしく科学する』、『知ってナットク原子力』、『データ通信をやさしく科学する』、『身近な電気のクエスション』、『火力発電、温暖化を防ぐカギのカギ』、『電気の未来、スマートグリッド』(いずれも電気新聞刊)など多数。

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。

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