逃げ出すのは、企業が高値で購入し、環境に放出する膨大な量のエネルギーです。中国の研究者たちは現在、可動部品なしで動作し、音を利用可能な高温の熱に変換するヒートポンプを使って、この忘れ去られた資源を利用しようとしている。
中国は産業の静かな熱気をどのように狙っているのか
この業界は、世界最大のエネルギー消費者の 1 つと考えられています。中国では、総最終エネルギー需要のおよそ 40% が工業プロセスから来ており、その多くは熱の形です。中国の研究機関による研究では、このプロセス熱の 10 ～ 27% が廃熱として失われると想定されており、多くの場合、その温度は技術的には魅力的ですが、経済的に使用するのが困難です。
まさにここで、中国科学院の新しいプロジェクトが登場します。物理化学技術研究所の物理学者ルオ・エルカン氏率いるチームは、古典的なヒートポンプのように機能するが、コンプレッサー、タービン、ピストンを必要としないコンセプトを発表した。代わりに、システムは共振器内の定在音波で動作します。
目標: 追加の燃料を使用せずに、「ぬるい」廃熱から高品質のプロセス熱を工場で直接生成します。
研究者らは、スターリング原理に基づいた熱音響ヒートポンプについて話しています。温度、圧力、音の間の密接な物理的関係を利用します。
騒音から輝きへ：熱音響ヒートポンプの原理
「回転しない」装置で実際に何が起こっているのか
従来のヒートポンプでは、冷媒が循環し、圧縮され、再び膨張します。これらの圧力変化により、エネルギーが低温レベルから高温レベルに移動します。中国の開発では、この圧縮システムを音響に置き換えています。
適度な温度の廃熱 (たとえば、工業用オーブンからの 120 ～ 160 °C) がシステムの一部を加熱します。これにより、閉じた管である共鳴器内に非常に強力な音波が生成されます。これらの定在波は、内部の圧力と温度に周期的な変化を引き起こします。
セラミックまたは金属スタックなどの多孔質構造が、高温セクションと低温セクションの間に配置されます。そこでは、音とガスの動きの相互作用によって、熱が温度勾配に沿って徐々に移動します。このシステムは、機械的駆動装置を使用せずに「熱コンベア ベルト」のように動作します。
ここでは音はノイズとしてではなく、密閉されたガスシステムに組み込まれたエネルギーを輸送する正確な手段として機能します。
利点は明らかです。潤滑剤やベアリングが不要で、磨耗もほとんどありません。したがって、この設計は、従来の高温ヒートポンプがすぐに限界に達してしまう過酷な産業環境に適しています。
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145 °C から 270 °C: このブランドが業界に注目を集める理由
実験室では、145 °C の熱源からプロトタイプの温度が最大 270 °C に達しました。この違いは、プロセス熱の世界では顕著です。現在入手可能な多くの高温ヒートポンプは通常、100 ～ 180 °C の間の流れ温度のみを管理し、それを超えると効率が低下し、材料の劣化が早くなります。
これらの制限は、熱音響原理を使用して部分的に回避できます。作動流体はガスであり、通常はヘリウムまたは他の不活性ガスです。オイルや高温で不安定になる有機冷媒は使用していません。
- 試験時の廃熱投入温度：約10℃ 145℃
- 到達開始温度: 最大 270 °C
- 可動部品: 回転部品なし
- 作動媒体: ガス状、ほとんど不活性
紙、繊維、食品加工、製薬などの業界では、このような温度がすでにプロセスステップのかなりの部分をカバーしています。しかし、脱炭素化が難しい業界にとっては特にエキサイティングな状況となるだろう。
高温プロセス: ガスバーナーから音響機械まで?
現在でもほとんどすべてのものが化石エネルギーを燃やしている場所
セメント、鉄鋼、セラミック、ガラス、製油所は、多くの場合 400 °C をはるかに超え、場合によっては 4 桁の範囲で動作します。これらの熱レベルは主にガス、石炭、または石油から発生します。電気ヒーターは技術的には可能ですが、高価であり、大規模システムでの連続負荷に十分に安定しているとは限りません。
中国チームは、熱音響の概念を拡張できると想定しています。より優れた高温材料と最適化された形状を使用すれば、400 °C をはるかに超える温度を達成できる可能性があります。専門文献の一部の推定では、このようなシステムの長期的な見通しとして、単一モジュールではなく、多段構成または特別に設計された構成で、最大 1,300 °C まで温度が上昇すると述べています。
将来、廃熱が 800 ～ 1,000 °C の温度まで汲み上げられると、多くのシステムの化石バーナーは存在理由の一部を失うことになります。
この技術はガスバーナーを置き換えるだけでなく、工場全体の設計も変えます。熱を一度だけ使用するのではなく、複数の段階にわたって循環させるためには、パイプシステム、熱交換器、エネルギー貯蔵、制御を再考する必要があります。
なぜ中国が特に圧力をかけているのか
中国は二重の圧力にさらされている。一方で、工業生産は増加しており、他方では、CO₂ ニュートラルのための国家戦略の一環として、気候変動目標が増加しています。廃熱の利用は、完全に新しいプラントを建設することなく効率を向上させることができるため、政府の計画でますます取り上げられるようになってきています。
熱音響ヒートポンプはこのアプローチによく適合します。原則として、これらは既存の排気ガス流に結合できます。たとえば、次のとおりです。
- セメントまたは石灰窯からの高温ガス
- 石油化学産業におけるクラッカーからの廃熱
- ガラスまたはセラミックオーブンからの排ガス
- 製油所やケミカルパークからのプロセス熱
これにより、廃熱ボイラーや従来の熱回収システムなどの使い慣れた機器に加えて、追加のオプションが作成されます。
エネルギー源: 太陽、原子炉、それとも単なる熱風?
柔軟な入力、均一な出力
中国の概念の興味深い点は、そのソースの独立性です。ヒートポンプには特定の入力温度のみが必要です。原点は技術的な役割をほとんど果たしません。たとえば、次のようなことが可能です。
産業排気ガス 100 ～ 300 °C を乾燥または予熱プロセスに再循環
太陽熱システム 後のプロセス熱のために毎日 150 ～ 400 °C で保管
低温反応器 200 ～ 350 °C を化学または石油化学プラントに供給
特に、太陽熱エネルギーの集中との組み合わせは、日中に太陽熱が蓄熱施設に移動し、必要に応じて熱音響ヒートポンプを使用して必要な温度レベルにもたらされる可能性があるという展望を提供します。これにより、化石燃料のピーク負荷ボイラーへの依存が軽減されます。
日常生活におけるテクノロジーの速度を遅らせる可能性があるもの
コンセプトは魅力的に聞こえますが、産業での実用化への道のりはまだ長いです。いくつかのハードルが浮上しています。
- 高温勾配における材料の長期安定性
- エネルギー価格が変動する既存のガスバーナーと比較した経済効率
- 長いダウンタイムを発生させずに既存のプロセスチェーンに統合
- 激しい音波が干渉を引き起こさないように音響シールドを施しています。
これらの点の多くは純粋な物理学に関するものではなく、絶縁、メンテナンスの概念、制御技術、規格、安全規制などの古典的なエンジニアリング作業に関係しています。特に大企業は、安定した状況と償却された投資サイクルがある場合にのみ投資します。
この発展がヨーロッパとドイツにとって何を意味するか
中国の研究は、ドイツとヨーロッパの産業企業に新たな技術分野を切り開きます。熱音響機械は、極低温などの分野で数十年にわたって研究されてきました。しかし、大規模システムの高温ヒートポンプとしての一貫した使用は、これまでほとんど注目されていません。
今日、鉄鋼、化学物質、またはセラミックスの脱炭素化を考える人は、水素、電化、または CO₂ 回収に重点を置いています。熱音響システムは、特に既存のプラントの効率を高めるために、追加の柱としての地位を確立する可能性があります。
エネルギーコストが高く、競争圧力が高い場所では、キロワット時の節約量がプラント全体の将来を決定する可能性があります。
このような開発を初期段階でパイロットプロジェクトと組み合わせるのは価値があります。最初のステップは、ライン川沿いのセメント工場や大規模な化学クラスターなど、これまで未利用だった廃熱流量が大きい場所に実証プラントを設置することです。
深化: 条件、機会、リスク領域
熱音響スターリングサイクル – 簡単に説明
「スターリング」という用語は、ガスが交互に加熱および冷却される閉じた熱力学的サイクルを指します。古典的なスターリング エンジンでは、ピストンがガスを動かします。熱音響の変形では、音がこの役割を果たします。
音の周期性が機械的なピストンの動きを置き換えます。ガスは圧力が最大になると膨張し、温度が上昇し、圧力が最小になると再び収縮します。巧みな空間配置により、これらの変動を指向性熱流として利用できます。
産業利用におけるリスクと副作用
音響ベースの高温システムには特有のリスクが伴います。超音波または低周波数範囲での音圧レベルが高いと、材料の疲労が促進されたり、測定技術が混乱したりする可能性があります。したがって、設計者は工場の熱環境だけでなく、振動音響環境も考慮する必要があります。
2つ目のポイントはガスの充填に関するものです。ヘリウムのような不活性ガスは技術的には魅力的ですが、世界的なサプライチェーンと価格変動の影響を受けます。より安価なガスを使用した代替品は長期的にはより重要になる可能性がありますが、さらなる研究が必要です。
一方で、このようなシステムは、新しいビジネスモデルを可能にする可能性があります。ガスの代わりに熱を供給するサービス契約、蓄電池との組み合わせ、あるいは、以前は単に屋根から廃熱を放散していた中小企業向けのモジュール式コンテナソリューションなどです。
#音を熱に変えて産業廃熱の27を回収