空気の熱で発電？

Question

ヒートポンプはCOPが4倍とか5倍とかあると聞きました。という事は、火力発電では燃料をそのまま燃やさずに、それでヒートポンプで熱をくみ上げて発電すればいいように思いますが、というのはだめなんでしょうか？

熱を電気に変えてくれるので温暖化防止にとてもよいように思いますが。

水を沸騰させるのに100度まで上げることでヒートポンプの効率が悪くなるというのなら、もっと沸点の低い液体を使えばいいことですよね。

MEDAK · Accepted Answer

ご質問の回答になるような、発電システムの理論が、エネルギー資源学会・電子ジャーナル2012年11月号に発表されています。

物質熱エネルギーから有効仕事を取り出す新規熱サイクル
ー新規熱サイクルを用いた複合発電システムについてー
http://www.jser.gr.jp/journal/journal_pdf/2012/journal201211_2.pdf

http://www.jser.gr.jp/journal/201211.html

ご参照の上、実用化の検討をされてはいかがでしょうか。

参考URL：http://www.jser.gr.jp/journal/201211.html

t_ohta · Answer

その考えに基づいたのが地熱発電なのではないでしょうか。

ariseru · Answer

>ヒートポンプはCOPが4倍とか5倍とかあると聞きました。

何と比較して4倍5倍なんでしょう？

>ヒートポンプで熱をくみ上げて発電すればいいように思いますが、というのはだめなんでしょうか？

ヒートポンプで取り出せる熱量じゃ発電に使うには全然足りません。
ヒートポンプを動かすために電力を使ってることを考えると大幅なマイナスになります。

そもそも、ヒートポンプを動かすためにヒートポンプを使い、それで得た熱で発電して使った以上の電力が得られるんだとしたら、それは現時点では実現不可能といわれている永久機関の完成ですよ。

>水を沸騰させるのに100度まで上げることでヒートポンプの効率が悪くなるというのなら、もっと沸点の低い液体を使えばいいことですよね。

火力発電というのは、単に液体を沸騰させればいいというものではありません。
水を沸騰させて水蒸気にして、その水蒸気をさらに加熱した過熱水蒸気(※)を使うことで発電を行っています。
過熱水蒸気を使う理由は、水蒸気が高温なほど発電効率が高くなるということと、上記が途中で水に戻らないようにするため、などがあります。
沸点が低い液体を使えば簡単に液体を気化させることが可能ですが、沸点が低い液体というのは大抵は石油溶剤系なので高温にすると発火してしまうという可能性があります。
しかも、あまり温度が上がっていないので配管内で冷えて液体に戻ってしまったり、過熱部で一気に気化して圧力が高くなりすぎて破損させる可能性等もあります。
その辺を考えると、沸点の低い液体というのは使えませんよ。

t_ohta · Answer

太陽光発電パネルとの比較と言う事であれば、太陽光パネルの方が現時点で効率がいいのではないでしょうか。

太陽光発電は太陽光から直接電気にエネルギー変換します。
ヒートポンプを使った場合、回収した熱エネルギーで蒸気を作り、蒸気でタービンを回し、タービンの回転力で発電機を回すといった多段階を経て電気に変わるのでトータルでのロスが大きいです。
また、ヒートポンプ動かすためにはエネルギーが必要ですし、空気中の熱自体のエネルギー量が少ないので、消費するエネルギーと得られるエネルギーを比較すると消費する方が多くなるのではないでしょうか。

あと、沸点の低い液体を沸騰させても、その蒸気が持っているエネルギーも小さいので発電量が小さいという事になってしまいます。（エネルギー保存の法則ですね）

mekuriya · Answer

ヒートポンプは電力によって熱を移動させる機関です。温度が高いところから低いところに熱を移動させれば冷房になり、低いところから高いところに移動させれば暖房になるというだけ。
電力を消費するヒートポンプで発熱できる道理は無い。熱を電気に変えてくれる訳じゃないのです。その逆で電気で熱を移動させているだけなのです。
もし熱を電気に変える仕組みがあるならアフリカなどは電力不足で苦しみません。

水よりも沸点の低い液体が大量にあるなら、わざわざ海の近くに火力発電所や原子力発電所を建設したりしません。

火力発電所は蒸気エネルギーを回転エネルギーに変換して発電しています。その為に火力、原子力で発熱させているのです。

電気を使っても発電することは可能ですが、その場合消費した電力より大きい電力を発電することはできません。それができるなら永久機関、打ち出の小槌であって世界の２００を超える国と地域はどこも電力で苦労することはない。しかしそれは妄想の世界に過ぎないことです。

COPが4倍とか5倍という論は、１００で１０を生み出すより１００で５０を生み出すほうが効率的だという話に過ぎません。１００が４００や５００に変わるワケじゃないんです。そこに質問者さんの大きな勘違いがあるといえます。

ariseru · Answer

回答後に誤字を見付けたので訂正を。

>誤
>そもそも、ヒートポンプを動かすためにヒートポンプを使い、それで得た熱で発電して使った以上の
>電力が得られるんだとしたら、それは現時点では実現不可能といわれている永久機関の完成ですよ。

>正
>そもそも、ヒートポンプを動かすために電力を使い、それで得た熱で発電して使った以上の
>電力が得られるんだとしたら、それは現時点では実現不可能といわれている永久機関の完成ですよ。

CC_T · Answer

ヒートポンプは、「エネルギー」を移動する手段です。
周囲の熱を集める給湯装置などは、『皆の元気をオラに分けてくれ』って感じですから、駆動エネルギー（1）＋周囲から集める熱エネルギー（3）＝4でCOPが４なんて数字になるわけですが、高温側の温度が高くなるほどCOPは落ちていくはずです。
火力発電所では効率よく発電するため、500℃以上の「臨界状態」にある過熱蒸気を使ってタービン回しています。給湯器のお湯レベルとは桁が違いますね。

ちなみに火力発電や原子力発電で水ー水蒸気のサイクルを使っているのは、もちろん水が常温常圧で安定していて無害であるとかいう理由もあるのでしょうが、も一つ大きな理由があります。蒸発時の体積変化です。
水は蒸発すると体積1700倍。これがアルコール類なら500倍程度、ヒートポンプに使ってるような冷媒ガスだと100倍にも満たない。タービンを回すのは状態変化で生み出されたガスが生み出す圧力ですから、状態変化時の体積変化が大きいものを使った方が効率よく発電できるわけです。そして水以上に体積変化の大きい物質は・・・少なくとも私は知りませんね。

～～～
も少し現実的なのとして、太陽光を反射鏡で集めてお湯を沸かしたり、太陽熱で空気を暖めて煙突に導いて、上昇気流で風車を回すって太陽「熱」発電が実証試験していたはずです。もうずいぶん前の話だったと思いますが、それから聞かないところを見ると太陽光発電より効率が悪かったのかな？

参考URL：http://www.env01.net/ss02/ss022/ss0225/ss02259.htm

sailor · Answer

火力発電などでは熱源の発生する温度が高いため、ヒートポンプで直接利用するのは難しいでしょう。確かに低沸点の流体を使うなどの方法はあるでしょうけれど、燃料を燃焼させるという方法を取る限り燃焼自体の温度を下げるのは難しいので、温度の低い状態で同じ熱量を流体に与えるには、非常に大量の流体を移動させる必要が出てきますね。そうすると装置自体が大型化することは簡単に想像がつくでしょうし、また、大量の流体を移動させるためのエネルギーも必要になりますよね。また、燃料を普通に燃やすのではなく触媒などを使用して比較的ゆっくりと反応させることで温度を抑えることはできますが、この場合でも同じ熱量を得ようとすると装置が巨大化することは避けられないでしょうし、燃料の種類がかなり限定されてしまい、反応時にホルムアルデヒドなど有害な物質が発生する危険性もありますので、それらの除去装置も必要になりさらに巨大化しますね。

実際の発電所などでもタービンを回した後の蒸気を冷却する覆水器の冷却にヒートポンプを用いてボイラーにまわす給水を加熱する装置は当たり前に使われています。まぁ、燃料の燃焼で発生する高い温度を利用するのであればスチームタービンでもかなり効率が良いので、スチームタービンを使える温度ではスチームタービンを使い、タービンが使えなくなってしまう低温の廃熱をヒートポンプを使って給水の加熱のために再利用するほうが、総合的に見て優れているということですね。

また、小規模のシステムでの運用を考えるのであれば、機器自体が大型化してしまう低温で大容量の熱交換というのはそれだけでデメリットになりますね。また、実際の小規模システムではできるだけ小型化するためにガスタービンなどの利用が進んでいますね。ガスタービンは発電などのように一定の負荷状態で使う場合はかなり高効率ですし、ガスタービンの廃熱を利用してスターリングエンジンなどを使ったコージェネレーションも研究されています。スターリングエンジンは小さな温度差でも動作する上に効率がかなり良い（ただしサイズが大きくなりがちな欠点もある）外燃機関です。模型などの小型のものなら１０℃程度の温度差があれば動作するエンジンです。一度発電した電力でヒートポンプを動かすよりも、廃熱を利用して低温度差でも動作するスターリングエンジンなどを使って発電機を回してしまったほうが効率がいいでしょう。

まぁ、単純に言ってしまえば燃料などによって与えられた熱量のうちどれだけの分を捨てなければならないかが問題なので、できるだけ低い温度まで利用するという点ではヒートポンプも有効なのですが、利用できる温度が高い状態ではヒートポンプで熱を回収するよりも効率の良い方法があるということです。

最後に、ヒートポンプ自体はエネルギーを得る手段ではなく熱エネルギーの移動手段であり、ヒートポンプ自体はまったくエネルギーを生み出してはいません。従ってコージェネレーションなどでヒートポンプを使用する場合でもエネルギーを生み出すのではなく、利用しにくい大量の低温熱源の熱エネルギーを少量の高温熱原にエネルギーを使って変換する目的で使われています。ヒートポンプ自体が熱エネルギーを運動エネルギーに変えて取り出すなどの動作はしていませんので、ヒートポンプ自体での発電はできません。

まぁ、この種のもので唯一可逆的な動作をするのが、先にあげたスターリングエンジンで、温度差を与えると運動エネルギーとして出力し、運動エネルギーを与えると温度差として出力します。実際にこれを使ったものでスターリングクーラーというものがありますので、この一点に関してはヒートポンプで直接の発電ができるといってもいいかもしれませんが、質問者さんが言われるヒートポンプとは異なるかと思いますので・・・

poohhoop · Answer

ヒートポンプで熱を作って作った熱で発電をするイメージですよね。
そもそもそれが勘違いです。

ヒートポンプは熱を作るのではなく、温度差を作るのです。
もうひとつ、熱機関は温度差を動力に変えています。

質問者様のイメージですと

ヒートポンプでＡの動力（電力）を使って、30℃の空気を20℃に冷やして、同時に30℃の空気を40℃にします。
では発電機は40℃の空気と10℃の空気の温度差を利用してＢの動力（電力）を得る。

ということになります。

Ａ＞Ｂなら　徒労です。（ロス製造装置）
Ａ＜Ｂなら　永久機関

ちなみに理論効率で計算しますと
・発電効率（カルノーサイクル）
η1＝１－ＴＨ／ＴL＝１－（273+20）／（273＋40）=6.3%
・ヒートポンプサイクルは
η2＝ＴＨ／（ＴＨ－ＴＬ）＝313／（313－293）＝15.65

これを組み合わせると
η1×η2＝１

したがってこのシステムを使えば1の電力を投入して1の電力が出てきます。
ただし理想的な場合ですから現実には

Ａ＞Ｂとなります。

CC_T · Answer

No.5です。

ミニ発電設備を作るのは良い事ですが、基本的に維持の手間が増えるだけなのでこれまで俎上に乗る事が無かったのでしょう。その手間や設備償却費用はそのまま発電コストになるわけで、それを考えると電気を買って使った方が安いというわけです。
浄水場から水道で配水するのではなく、各家庭で排水や雨水等の一部を再生する浄水器を設置しておけば支払い水道料金は安くなるってのと似たような話ですね。

ヒートポンプの成績係数が5であっても、その熱を利用する小型発電機の効率はいいとこ20％。トータルで見ればヒートポンプの投入電力分の元すら取れないでしょう。家庭レベルの排熱ならお風呂の排水熱まで集めたとしても、一日装置を動かして車のバッテリー１本充電できるかどうかって程度ではないでしょうかね。
ある程度のサイズまで大きくすれば効率は改善されていきますので、おっしゃるように大規模なビルディングや工場の規模で集約すれば、温液と冷液の配管を使って全館冷暖房に使い、その排熱をヒートポンプで集約して外気との温度差を使って発電することで電気代を軽減するってことが可能なレベルにはなるかもしれません。ヒートポンプを使った発電の副産物として、冷暖房熱源が利用できるという感じですね。
ただエアコンを必要としない季節や時間帯はどうするのかなんて考えると、軽減コスト以上の維持コストが発生する可能性は高いです。また、外気温が５度以下になると熱収集器の霜付きによる効率低下が大きいので、冬季の暖房使用については絶望的でしょう。24時間稼働の工場排熱なんかは魅力的ですね。

ちなみに熱を電気に変換するのではなく、捨てていた熱を再利用して中間で発電するわけですから、装置のロスの分だけエントロピーは増すことになって「排熱」は増えます。つまり熱エネルギーの観点からは温暖化防止には全く繋がっていません。
「発電電力-動作電力」の差分だけ火力発電所のCO2排出削減ができるととらえれば、温室効果ガスの削減によって温暖化防止には僅かでも貢献できると言えるでしょうね。

空気の熱で発電？

その考えに基づいたのが地熱発電なのではないでしょうか。

>ヒートポンプはCOPが4倍とか5倍とかあると聞きました。

太陽光発電パネルとの比較と言う事であれば、太陽光パネルの方が現時点で効率がいいのではないでしょうか。

ヒートポンプは電力によって熱を移動させる機関です。

回答後に誤字を見付けたので訂正を。

ヒートポンプは、「エネルギー」を移動する手段です。

火力発電などでは熱源の発生する温度が高いため、ヒートポンプで直接利用するのは難しいでしょう。

ヒートポンプで熱を作って作った熱で発電をするイメージですよね。

No.5です。

ご質問の回答になるような、発電システムの理論が、エネルギー資源学会・電子ジャーナル2012年11月号に発表されています。

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