「熱のGX」が日本の脱炭素を加速する〜カーボンニュートラルを左右する熱の脱炭素〜

●日本のエネルギー消費に占める熱需要の大きさ
日本では、エネルギーというと電気を思い浮かべがちですが、実際には最終エネルギー消費の約半分は「熱」として利用されています。そのため、2050年カーボンニュートラルの実現には、電力の脱炭素だけでなく、熱利用の脱炭素化が不可欠となります。

●産業部門で依然として化石燃料依存が高い現実
産業部門では、現在も都市ガス、LNG、石炭、重油などの化石燃料を燃焼させて熱をつくる工程が中心です。特に鉄鋼、化学、セメント、食品、製紙などでは、蒸気や数百〜1000℃を超える高温熱を24時間安定して供給する必要があり、化石燃料への依存が続いています。一方で、産業分野では電気に置き換えにくい高温熱も多く、電力の脱炭素だけでは十分ではありません。熱そのものの脱炭素化が今後の重要なテーマとなっています。

●「高温」「大量」「連続稼働」のエネルギーが必要
熱の脱炭素が難しい理由は、産業部門で必要とされる熱の多くが「高温」「大量」「連続稼働」を前提としているためです。鉄鋼や化学、セメント、食品などの現場では、数百〜1000℃級の熱や蒸気を24時間安定的に供給する必要があるため化石燃料に頼るケースが多く、電化だけでは対応が難しいケースが少なくありません。

●「脱炭素＝電化」とは限らない
産業で必要とされる熱は、電気に置き換えられるものだけではありません。低温熱はヒートポンプや電気ボイラーで対応できる一方、1000℃級の高温熱や連続操業が求められる工程では、燃料そのものの脱炭素化も必要になります。熱の脱炭素は用途や温度帯に応じて最適な技術を組み合わせることが重要です。

（1）主要産業の化石燃料依存度

製造業別のCO₂排出量では、鉄鋼の35％をはじめ、化学、セメントなどが全体の約7割を占めており、同時にこれらの産業では高温熱や蒸気の利用が不可欠です。

最も化石燃料への依存が大きい産業です。高炉では鉄鉱石を還元するためにコークス（石炭）が不可欠であり、石炭は熱源であると同時に還元剤でもあります。このため、単純な燃料転換では脱炭素化できず、水素還元製鉄や電炉化が必要とされています。

1450℃前後の高温焼成が必要で、石炭や石油コークスが主燃料です。さらに、石灰石を焼成する化学反応そのものからCO₂が発生するため、燃料転換だけでは脱炭素化できません。近年は、製造工程から回収したCO₂を鉱物化してコンクリートや建材に固定化する技術や、回収したCO₂を化学原料として利用するCCU（Carbon Capture and Utilization）の開発も進んでいます。

LNGや都市ガスによる蒸気供給に加え、ナフサは熱源だけでなくプラスチックなどの原料としても使われています。そのため、熱利用と原料利用の両面で化石資源への依存が高い産業です。化学産業では、原油価格やナフサ価格の高騰を背景に、燃料転換と共に、ケミカルリサイクル*の導入などによる炭素循環への転換も進められています。

＊ケミカルリサイクル：廃プラスチックを化学的に分解し、化学的に分解して再利用可能な物質にするリサイクル技術のこと

（2）最大のCO₂排出源である鉄鋼業界でも進む脱炭素化

製造業の中で最大のCO₂排出源である鉄鋼業界では、日本だけでなく世界的にも、「鉄鋼業は脱炭素化を実現するための大きなカギである」という意識が強まっています。そのため、製造時のCO₂排出量を従来の鉄鋼より大幅に削減した「グリーンスチール」への転換が大手各社で始まっています。

●高炉から電炉への転換
従来の高炉製鉄は、鉄鉱石を石炭由来のコークスで還元するため、大量のCO₂を排出します。一方で、電炉は主に鉄スクラップを電気で溶解して再利用する方式であり、CO₂排出量を大幅に削減できます。欧米では、建設用鋼材などを中心に電炉化が加速しており、日本でも日本製鉄や神戸製鋼所などが電炉投資を進めています。
しかし、電炉は大量の電力を必要とするため、電力価格の高騰や再エネの出力変動が大きな課題となります。

●水素還元製鉄
石炭の代わりに水素を使って鉄鉱石を還元する技術で、CO₂排出を大幅に削減できます。
しかし、水素還元製鉄には膨大な再エネ電力と低コスト水素の安定供給が不可欠です。現在の水素価格では製造コストが高く、インフラ整備も含めて実用化・普及にはなお時間を要するとみられています。また、「高炉水素還元＋CCUS*（Carbon Capture, Utilization and Storage）」や「水素直接還元＋電炉」などいくつかの技術を組み合わせたアプローチも考えられています。

＊CCUS：CCSとCCUを組み合わせた技術で、排出したCO₂を回収し、貯留または利用する技術のこと

●多くの熱が捨てられている
産業部門で供給される熱の2割以上は蒸気であり、このほとんどが170℃以上200℃未満で、化石燃料を使用したボイラーで供給されています（資源エネルギー庁）。
この温度帯が多いのは、産業で最も広く使われている「飽和蒸気」の温度帯だからです。蒸気は「熱を運ぶ媒体」として非常に効率が良く、多くの製造工程で標準的に利用されています。
また、NEDOの調査では、工場から排出される200℃未満の未利用熱は大きな割合を占め、その多くが利用されないまま大気中へ放出されています。
つまり、未利用熱の活用は、燃料消費の削減とCO₂排出量の削減を同時に実現できる有効な手法といえます。

●化石燃料による熱供給はCO₂の大きな排出源
化石燃料を用いた熱供給によって排出されるCO₂は約4.5億トンと推計され、多くのCO₂が化石燃料による熱供給から排出されていることがわかります。

政府は、未利用熱の削減や回収・再利用を進める「熱の3R（Reduce・Reuse・Recycle）」を掲げています。2030年までに原油換算約600万kL以上の省エネルギー効果を目標とし、産業分野を中心に熱利用の高度化を進めています。こうした考え方を踏まえ、熱のGXを実現する5つのアプローチを紹介します。

（1）熱需要そのものを減らす ― 省エネ・排熱利用

そもそも必要な熱量を減らす手法です。工場では利用可能な排熱が十分に活用されていません。この熱を回収して給湯や蒸気、生産工程へ再利用することで燃料消費を大幅に削減できます。

排熱回収（熱交換器）、高効率ボイラー、蒸気配管の断熱、インバーター、AIによる燃焼最適化、工程改善、デジタル制御　など

Daigasエナジーでは、工業炉やコージェネレーション、空調、ボイラ、電気設備などのお客さま設備のエネルギー診断を実施しています。省エネを実現するためにはエネルギーの使用状況を定量的に把握して、課題を見える化することが大切です。お客さまの施設全体のエネルギー負荷を徹底的に調査し、改善ポイントを的確に診断します。
また、工場向けのIoTサービス「D-Fire」では、稼働状況や製造実績をデータ化して可視化することにより、業務フローの見直しや落とし込み、省エネ・省人化・品質均一化・操業安定が可能になります。

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豊富な実績で培った経験と技術力により、お客さまに最適な省エネ対策をご提案しますので是非ご相談ください。

（2）熱を効率よくつくる

食品や化学、製紙など比較的低〜中温熱を使う分野では、高効率ヒートポンプを活用した電化が進み始めています。特に欧州では産業用高温ヒートポンプ市場が急拡大しており、日本でも導入が広がりつつあります。

ダイキン工業
90〜120℃級の高温ヒートポンプを食品・化学・製薬工場へ導入。工場排熱を回収し、90〜120℃程度の蒸気や温水として再利用しています。

（参照） ダイキン工業株式会社（環境省）

データセンター排熱＋ヒートポンプ利用
海外ではデータセンターの排熱は産業や農業、地域暖房などに利用されています。マイクロソフト、アマゾンなどが、データセンター排熱を地域熱ネットワークに供給するプロジェクトを進めています。データセンターから発生する30〜40℃程度の排熱は、高温ヒートポンプで80〜120℃まで昇温することで、地域熱供給や工場の予熱などへの利用が期待されています。

（参照） データセンターの排熱の利用例（London Research International Ltd.）

通常の火力発電では排熱が捨てられますが、コージェネレーションでは、発電の際に発生する排熱を、蒸気や温水の用途に利用することができます。
総合効率は70〜90％に達します。また、バイオマス資源などを燃料としてコージェネで発電と排熱利用をするといった利用法は資源循環の視点からも重要です。

Daigasエナジー
病院・ホテル・工場などへガスコージェネレーションを展開しています。停電時のBCPにも活用しています。

「コージェネレーション」に関するお客さま導入事例（Daigasエナジー株式会社）

（3）熱の燃料を脱炭素化する

石炭や重油を燃料とするボイラーや工業炉を都市ガスへ転換することで、CO₂排出量を削減できます。
都市ガスは化石燃料ですが、燃焼時のCO₂排出量は石炭や重油より少なく、大気汚染物質の排出も抑えられます。
また、将来的にe-methane（合成メタン）の導入が進めば、既存のガス設備や配管を活用しながら、さらに脱炭素化を進められる可能性があります。

地域資源を活用する熱の脱炭素化の手法として、バイオガスやバイオマスがあります。国内には未利用のバイオマス資源も多く、産業廃棄物として費用をかけて処分しているケースも多々あります。これらを熱エネルギーとして有効利用することで廃棄物を減らし、地域内でエネルギー循環を構築できます。食品残渣や家畜ふん尿、下水汚泥などから発生するメタンを燃料化するバイオガスや木質チップや未利用材を活用する木質バイオマスボイラーがその代表例です。

北海道鹿追町
酪農家の家畜ふん尿をメタン発酵させてバイオガスを製造。発電に加え、コージェネレーションの排熱を発酵槽の加温や施設内の暖房・給湯に利用しています。消化液は液肥として農地へ還元され、地域循環型エネルギーシステムを構築しています。

（参照） 鹿追町環境保全センターバイオガスプラント（鹿追町）

日本製紙
パルプ製造時に発生する黒液や木質残渣をボイラー燃料として利用。
蒸気を製紙工程へ供給するとともに、発電も行っています。

（参照）
気候変動問題への対応（日本製紙株式会社）
CO₂削減へ　日本製紙石巻工場、ボイラーを高効率設備に　2029年稼働（株式会社 河北新報社）

Daigasグループ
ごみ処理場や下水処理場で発生する消化ガス（バイオガス）を利用して、コージェネレーションにより発電、排熱利用を提案しています。

（参照） 都市環境分野におけるガス利用、バイオガス製造(ごみ処理・下水処理) （Daigasグループ）

化石燃料を燃焼させる代わりに、電気から直接熱を生み出す方法です。代表例として電気炉・電気ボイラー・誘導加熱（IH）があります。電気ボイラーは、食品工場や医薬品工場など、比較的温度帯の低い蒸気需要で導入が進みます。欧州では余剰再エネを熱へ変換し、蓄熱槽へ貯める「Power to Heat」も注目されています。

東京製鉄
鉄スクラップを電炉で電気を用いて約1600℃の高温で溶解して鋼片を製造し、新たな鉄鋼製品を製造しています。

（参照） 事業・製品紹介（東京製鐵株式会社）

富士電機（誘導加熱 IH）
電磁誘導の原理を用いて金属を効率的に加熱・溶解する装置「高周波誘導炉」を提供。金属加工などで利用があります。

（参照） るつぼ形誘導炉（中／高周波）（富士電機株式会社）

デンマーク・コペンハーゲン
大型電気ボイラーを地域熱供給に導入し、風力発電の余剰電力を温水へ変換。蓄熱槽と組み合わせて電力需給の調整にも活用デンマークでは「Power to Heat」が国家戦略として進められています。

（参照） デンマークの脱炭素化戦略〜地域熱供給とセクターカップリング（特定非営利活動法人　環境エネルギー政策研究所）

水素と回収したCO₂を合成してつくるe-methaneもCO₂を削減した熱源として注目されています。

大阪ガス
新潟県長岡市で大規模メタネーション実証実験を進めています。実際に都市ガス製造設備から供給されるCO₂を使用して検証しています。既存の都市ガスインフラを活用できるため、産業用熱や都市ガス需要の脱炭素化に現実的な移行策として期待されています。

（参照） 世界最大級のメタネーション試験設備における実証運転の開始について（大阪ガス株式会社）

1000℃以上の高温熱が必要な鉄鋼や化学分野では、水素が次世代燃料として期待されています。
また、風力などの再エネの余剰電力を使って水を電気分解し、水素を製造する「Power to Hydrogen」は「Power to X（P2X）」の重要手法として欧州を中心に進んでいます。P2Xは再エネの変動性と熱需要をつなぐ役割を持ちます。

日本製鉄
高炉水素還元技術「Super COURSE50」を開発。石炭の代わりに水素を活用しCO₂削減を目指しています。実証試験では高炉本体からのCO₂排出量を22％削減したと報告しています。

（参照） 高炉水素還元技術Super COURSE50の試験炉において 加熱水素吹込みにより世界最高水準となるCO₂排出量削減効果22％を確認（日本製鉄株式会社）

スウェーデンHYBRITプロジェクト
大手鉄鋼企業SSAB・LKAB・Vattenfallが共同で、世界初の化石燃料フリー鉄鋼を実証。グリーン水素を利用した水素還元製鉄を実現しています。恵まれた再エネと鉄鉱石資源から世界初の商業規模での水素還元設備の稼働を予定しています。

（参照） Pilot scale direct reduction with hydrogen（Hybrit）

（4）熱から出たCO₂を回収・資源化する ― CCUS

熱需要の削減や燃料転換を進めてもどうしても排出されるCO₂については、CO₂そのものを回収し、地下貯留（CCS）あるいは燃料・化学原料として再利用（CCU）することが可能です。セメントや石灰は燃料ではなく化学反応でもCO₂が発生するため、CCUSが不可欠になります。

UBE三菱セメント・大阪ガス
九州工場で排出するCO₂を回収し、CCSによる貯留やe-methaneの原料として利用する共同検討を開始しています。

（参照） UBE三菱セメントが大阪ガス、三井物産などと共同でカーボンニュートラルへ向け、新たな一歩を踏み出す（三菱グループサイト）

太平洋セメント
石灰石などの焼成工程で排出する原料由来のCO₂の回収技術として大船渡工場などでCCUS実証を推進しています。

（参照） CO₂回収型セメント製造プロセスの開発　製造プロセスにおけるCO₂回収技術の設計・実証（経済産業省）

熱の脱炭素は、必要とする熱の温度に応じて最適な技術を選ぶことが基本となります。工場で使われる熱は、給湯や洗浄に使う100℃以下の低温熱から、鉄鋼やセメント製造で必要となる1000℃を超える高温熱まで幅広く、一つの技術だけですべての熱需要に対応することは困難です。
例えば、100℃前後の低温熱であれば、高効率ヒートポンプや電気ボイラーによる電化が有効です。一方、500℃を超える高温熱になると、現時点では電化だけでは対応が難しい工程も多く、水素やe-methane、バイオマスなど脱炭素燃料の活用が有力な選択肢となります。さらに、セメントのように製造プロセス自体からCO₂が発生する産業では、CCUS（CO₂回収・貯留・利用）も欠かせません。
つまり、熱のGXは、温度帯や用途に応じて最適な技術を組み合わせることが重要です。

熱の脱炭素は、必要とされる温度帯や稼働条件、既存設備、地域資源などによって最適な手法が異なるため、単一の技術だけでなく、課題に応じて複数の手法を組み合わせることで低・脱炭素化を進めることができます。たとえば、まずは省エネルギーや排熱利用によって熱需要そのものを減らし、次に、ヒートポンプやコージェネレーションなどによって熱供給の効率を高めます。また、トランジション期には、石炭や重油から都市ガスへの燃料転換を進めることでCO₂排出量を抑えながら、将来的にはe-methaneへの移行につなげていくことも現実的な選択肢となります。さらに、バイオガス・バイオマスなどの活用やPower to Heatによる電化、水素などの脱炭素燃料へ転換を進め、どうしても排出されるCO₂はCCUSで回収・利用するという段階的なアプローチが考えられます。「電力のGX」だけでなく、「熱のGX」という視点を持つことが、日本のGXを次の段階へ進める重要な鍵となるでしょう。