産業用ヒートポンプの社会実装強化に向けた考察
―技術開発から技術展開へ―

　産業部門の熱需要を温度帯別に見ると、200°C未満の熱需要が産業部門全体の熱需要の27%を占めるとの報告がある（三菱総合研究所，2018）。この温度帯ではガスや重油等を燃料に用いたボイラから供給する蒸気によって加熱していることが多く、その脱炭素化が求められている。

　2022年5月に発表されたクリーンエネルギー戦略の中間整理（経済産業省，2022）において、この200°C以下の温度域については、ヒートポンプへの転換が有力な選択肢として、また足元から取り組むべき事項として挙げられており、産業用ヒートポンプへの期待は大きい。一方、同資料の中で、①適用温度域が限定的であること、②事例の横展開が進んでいないこと、③設備費用が高額であることなどが課題として挙げられており、これらの課題を整理した上で、適用温度域拡大に向けた高温ヒートポンプの開発実証や導入拡大に向けた設備投資支援を行うことが示されている。

　本稿では、産業用ヒートポンプの現状を概観し課題を明らかにするとともに、近年産業用ヒートポンプの技術開発・実証が活発化している欧州の取り組みと比較しながら、今後の普及拡大に向けた方策について考察する。

　産業用ヒートポンプの普及拡大に向けて、まずはその現状を認識することが重要である。ここでは、産業用ヒートポンプの導入状況と技術動向の概要を述べ、普及拡大に向けた課題を明らかにする。

2.1 導入状況

　産業用ヒートポンプの導入状況については、日本冷凍空調工業会（JRAIA）と日本エレクトロヒートセンター（JEHC）がそれぞれ調査している情報が公開されている。JEHC調べ（日本エレクトロヒートセンター，2021）の方が調査対象とするメーカ数が多く、より実態に即した数値であると考えられるが、ここでは地球温暖化対策計画の対策評価指標に使用されているJRAIA調べ（環境省，2022）を参照する。

　図1に示すように、産業用ヒートポンプの導入状況は、一定の進捗は認められる一方で、現在の導入速度では2030年度における普及見込みを下回る。この普及見込みは、パリ協定への対応として2030年度における日本の温室効果ガス排出量を2013年度比で26%削減することを目指し、その削減量の根拠として、2016年5月に閣議決定された値である。その後、2021年4月に日本政府は、2030年度における日本の温室効果ガス排出量を2013年度比で46%削減することを目指すこと、さらに50%の高みに向けて挑戦を続けることを表明し、2021年10月に地球温暖化対策計画が改訂された。しかし、産業用ヒートポンプの普及見込みについては修正されていない。2030年度までのこの普及見込みに達するためには、2020年代の10年間で毎年の導入設備容量を現在の5倍程度に上昇させる必要があり、普及拡大に向けた取組強化が喫緊の課題となっている。

2.2. 経済的制約

　ヒートポンプは熱回収技術としての側面があり、熱をくみ上げる温度差（温度リフト＝熱供給温度－熱源温度）が小さいほど高い効率（COP＝供給熱量／消費電力量）で運用できるが、逆に温度リフトが大きいほど適用先は広がる。COPは省エネ効果やCO₂排出削減効果、エネルギーコスト削減効果に影響する。導入検討の際には、特に経済性の観点から要求COPが決定されるのが現状である。

　経済性が成立するかは、それぞれの工場でのエネルギー利用状況やエネルギー契約形態、要求する投資回収期間などにも依るが、現在の日本のエネルギー価格の状況では、概して少なくとも3以上のCOPが要求される。一方、電気料金が安価な国では日本よりも要求COPが低く、例えばノルウェーのようにCOPが2～2.5程度でも経済的に成立する国もある。

2.3. 技術動向

　産業用ヒートポンプの開発・製品化に際して、その技術仕様（特に温度リフト）は、上述の経済的制約を受けながら設定される。例えば、外気を熱源として、120°Cの蒸気を供給するヒートポンプを造ることは可能だが、大きな温度リフトとなり、現状では燃焼機器と比べて市場競争力に劣るため、開発・製品化されていない。

　国内で製品化されている産業用ヒートポンプのリストは、JEHCが取りまとめている（日本エレクトロヒートセンター，2022）。供給温度に着目すると、100°C未満の製品ラインアップは充実してきている。また、100°C以上の熱供給が可能な高温ヒートポンプも複数製品化されている。これらは、欧州でも同様の状況である（甲斐田，2021）。

　供給温度が100°C以上の高温ヒートポンプについては、近年新たに高温供給に適した冷媒が開発され、技術的ポテンシャルが拡大しつつある（甲斐田，2020）。国際エネルギー機関（IEA）ヒートポンプ技術協力プログラム（HPT）Annex 58で調査したところ、現在国内外で約30の高温ヒートポンプ技術が開発・実証中であり、150～200°C供給のものが多い（IEA，2022）。このうち、日本においても、150°C蒸気供給が可能で蒸気ボイラの代替として適用が期待されるものや、200°Cまでの顕熱加熱が可能で乾燥工程等での適用が期待されるものなど、新たに5つの高温ヒートポンプ技術が開発中である。これらの技術は2020年代半ばから後半にかけて製品化される計画である。

　このように、産業用ヒートポンプの技術面では、適用温度域が拡大中の状況にある。

2.4. 課題整理

　2.3節で述べたように、産業用ヒートポンプの技術成熟度（TRL）は向上してきており、IEAのエネルギー技術展望では産業用ヒートポンプ全般としてTRL 9（商用化初期段階）に位置づけられている（IEA，2020）。開発が進行中である、供給温度が100°C以上の高温ヒートポンプについては現時点でTRL 5～8の段階のものが多いが（IEA，2022）、2020年代半ば頃からTRL 9に達する見込みである。

　産業用ヒートポンプに関する取り組みとしては、今後はTRL 9から11（安定的なシェア拡大）へ進めていくことが肝要である。その場合、導入を阻害している要因を明確にし、適切に対応することが求められる。

　向井による事業所へのアンケート調査によると、導入に至らない理由として、「設備費用が高い」、「投資回収期間が長い」といった経済性の面での課題や、「追加導入場所がない」、「エンジニアリング人材の不足」、「既存生産設備の変更に対する不安」といった生産プロセスへの統合（プロセス統合）に関する課題が大きいことが示されている（向井，2023）。一方、ヒートポンプ技術の省エネ性やCO₂排出削減効果については満足している事業所が多い様子である。

　この結果を参考としながら、想定される課題とその解決策について整理したものを表1に示す。導入にあたっては、技術の適合性、経済性、信頼性（生産プロセスへの影響など）が事前に精査される。表1の(a)～(c)に、この順にそれぞれの検討段階で有効だと考えられる方策を列記している。また、これら3点は適切に事前検討を進めることができた場合の課題であるが、そもそもこのような事前検討を担う人材が不足していることも課題として挙げられる。表1の(d)にこの点を整理している。

　これまでの日本政府による産業用ヒートポンプへの助成事業は、表1の(a)や(b)に対応した、技術開発支援と設備導入支援が主であった。冒頭で述べたように、クリーンエネルギー戦略の中間整理においても、この2つが今後の支援策として示されている。

　しかし、このような取り組みの延長では、2.1節で述べたように一定の進捗はあっても大幅な導入速度の向上は期待できない。今後は、(c)や(d)に対応した、技術実証事業や技術展開事業の強化が必要になると考えられる。

3.1. プロジェクトのあり方

　表2に国内外における産業用ヒートポンプに関する代表的なプロジェクトを示す。ここで、技術段階に応じた取り組みとして、研究（Research）・開発（Development）・実証（Demonstration）・展開（Deployment）・発信（Dissemination）の5つを設定し、それぞれのプロジェクトが対象とする技術段階を識別している。

3.1.1. 技術実証事業の必要性

　日本では、新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）による未利用熱エネルギーの革新的活用技術研究開発（2015～2022年度）の枠組みの中で高温ヒートポンプの研究開発が進められてきた（TherMAT，2022）。メーカと大学・研究機関が参画し、技術の「開発」に焦点が当てられている。このように、これまでの日本のプロジェクトはR&D（Research and Development）に留まるものが多かった。

　一方、欧州ではこのようなR&Dプロジェクトもあるが、開発の段階から参画機関にエンドユーザ候補（以降、単にエンドユーザと記述）やエンジニアリング会社等も加わり、技術の「実証」までを含んだRD&D（Research, Development and Demonstration）プロジェクトが多く見られる（甲斐田，2021）。代表的なものとして、欧州連合（EU）Horizon 2020のBAMBOOプロジェクトの中で2018～2023年に実施の蒸気供給ヒートポンプの開発・実証が挙げられる（BAMBOO，2022）。エンドユーザとして鉄鋼大手のArcelorMittal社が参画している。オーストリア技術研究所（AIT）が蒸気生成を含めたヒートポンプシステムを概念設計し、エンジニアリング会社であるAMT社がヒートポンプシステムを構築する。フランス電力（EDF）の研究所にてラボ評価後、ArcelorMittal社の製鉄所にて実証試験を実施する。

　また、同じHorizon 2020の枠組みで2016～2021年に、DryFという乾燥工程用ヒートポンプの開発・実証プロジェクトが実施され、13団体が参画した。ここでも、研究機関とメーカに加え、エンジニアリング会社やエンドユーザが当初から参画していた。実証先として、Wienerberger社（レンガ）、Agrana社（デンプン）、Scanship社（排水処理）が参画し、それぞれの乾燥工程で実証試験が実施された。さらに、欧州ヒートポンプ協会（EHPA）も参画し、得られた成果や産業用ヒートポンプの活用に関する情報「発信」も積極的に行われた。

　このような研究開発・実証事業はEUレベルだけでなく、オーストリアやデンマーク、フランス、オランダ、ノルウェーなど、国レベルのプロジェクトでも見られる。実工場での実証を当初から組み込むことで、ヒートポンプ技術の信頼性向上だけでなく、ニーズの把握やエンジニアリングの担い手の育成にも貢献する。

3.1.2. 技術展開事業の必要性

　近年、産業用ヒートポンプの生産プロセスへの統合（プロセス統合）手法の構築やその担い手の育成、さらに新しいビジネスモデルの創出を目的とした、「展開」事業も見られるようになった。ここでは、デンマークのSuPrHeatプロジェクト（SuPrHeat，2022）とオーストリアのLEAPプロジェクト（LEAP，2022）を紹介する。

　SuPrHeatプロジェクトは、2020～2024年の期間で16団体が参画し、自然冷媒を用いた高温ヒートポンプの研究開発から実証・展開までを含んだRDD&D（Research, Development, Demonstration and Deployment）プロジェクトである。デンマーク技術研究所（DTI）がリーダーを務め、ヒートポンプ機器メーカに加え、エンドユーザとして食品・飲料を製造・販売する企業が4社（Arla Foods社、Danish Crown社、Chr. Hansen社、Royal Unibrew社）、食品分野に強いエンジニアリング会社（GEA Process Engineering）、工場のエネルギー分析やプロセス統合手法の構築を担うコンサルティング会社（Viegand Maagoe社）が参画している。食品産業に対象を絞り、複数の工場のプロセスとユーティリティのデータを分析し、産業用ヒートポンプのプロセス統合手法を構築していく。

　LEAPプロジェクトは、2021～2024年の期間で4団体が参画し、低圧蒸気供給ヒートポンプの実証・展開プロジェクトである。このプロジェクトの中でヒートポンプを新たに開発せず、開発済みの技術を用いる。AITがリーダーを務め、Austrotherm社（断熱材）とLenzing社（繊維）の2社がデモンストレータとして参画している。このプロジェクトは、ユーティリティ（低圧蒸気）ラインへの蒸気供給ヒートポンプの統合手法を構築することを目的とし、排熱を最大限に有効活用するために必要な情報をデモンストレータが提供するように設計されている。低圧蒸気は様々な産業で使用されているため、この2つのデモンストレータをロールモデルとし、蒸気供給ヒートポンプを展開していく狙いである。

3.1.3. 今後のプロジェクトへの示唆

　産業用ヒートポンプは、機器を開発するだけでは不十分であり、生産プロセスに統合されるような技術にしなければ、社会への実装は進みにくい。そのため、今後新たにプロジェクトを立ち上げる際には、従来の研究開発をメインとしたR&Dプロジェクト（主にTRL 6までが目標）から、実証も含んだRD&Dプロジェクト（TRL 8までが目標）、さらには展開と発信も含めたRDDD&Dプロジェクト（TRL 11までが目標）に移行していくことが重要である。あるいは、日本ではすでに多くの産業用ヒートポンプ技術が開発されているため、LEAPプロジェクトのように実証と展開に重点を置いたプロジェクト（TRLを9から11に向上させることが目標）も有効であると考えられる。プロジェクトの参画団体については、大学や研究機関、メーカだけでなく、エンドユーザ、エンジニアリング会社、コンサルティング会社、エネルギーサービス会社（小売電気事業者など）、情報発信団体（日本エレクトロヒートセンターやヒートポンプ・蓄熱センター）なども当初から加え、これらの幅広い団体が協力して取り組んでいくことが求められる。