著者の所属・活動拠点の国は、アメリカです。

掲載誌：Zenodo (CERN European Organization for Nuclear Research)

ライセンス: CC BY 4.0　対象: 公開論文　確認元: DataCite

研究の目的

食品加工では、洗浄、湯通し、殺菌、濃縮、乾燥など、多くの工程でおおむね150℃以下の熱が使われます。著者らは、この温度帯なら地熱の熱水で十分にまかなえると考えています。工程に必要なのは決まった温度と流量の熱であり、燃料そのものではないためです。論文によると、ニュージーランドの乳製品の乾燥や、米国西部のいくつかの州での食品乾燥・果物加工では、地熱の熱が数十年にわたって使われてきました。

研究チームはこの考え方をもとに、食品工場の二つの大きな熱需要を地熱でボイラー蒸気の代わりにまかなう場合を検討しました。一つは製品の液体を温めること、もう一つは液体から水分を蒸発させて濃縮することです。目的は、両方をまかなうのに地熱の熱水がどれだけ必要か、熱交換器（熱水の熱を製品側へ移す装置）の面積がどれだけ要るかを示すことです。なお、この研究は前提条件から計算した設計上の試算で、実際の測定結果ではありません。

何を、どのように調べたか

想定した工場では、毎秒6.5キログラムの製品の液体を12℃から88℃まで温めます。濃縮工程では毎秒0.85キログラムの水を蒸発させます。熱源は130℃の地熱水で、熱を使った後は62℃で地下へ戻す（還元する）と仮定しました。

計算では二つの熱需要を分けて扱いました。温めるのに要る熱は、流量、液体の比熱（1キログラムを1℃上げるのに要る熱量）、温度上昇幅を掛けて求めます。蒸発に要る熱は、取り除く水の量に、水を蒸気に変えるのに要る熱（蒸発潜熱）を掛けて求めます。合計には、配管や熱交換器での損失を見込む係数1.08を掛けました。必要な地熱水の流量は、地熱水が130℃から62℃へ冷える間に出せる熱量から算出しています。熱交換器の面積は、二つの流れの平均的な温度差から算出しています。あわせて、年330日の稼働での年間処理量と年間の供給熱量も試算しました。

主な報告結果

試算によると、二つの熱需要をまかなうには毎秒14.6キログラムの地熱水が必要でした。供給する熱は4.15メガワット、熱交換器の面積は60.3平方メートルです。この設備で支えられる製品の年間処理量は18万5328トン、年間の供給熱量は31.3ギガワット時と報告されています。

熱需要の内訳は、損失係数を掛ける前で、加熱が1.9メガワット、蒸発が1.94メガワットでした。蒸発させる水の量は製品の液体の流量の13.1パーセントにすぎません。それでも、蒸発に要する熱は二つを合わせた熱需要の50.5パーセントを占めました。地熱水1キログラムあたりが冷える間に供給する熱は285キロジュール、熱交換器での平均的な温度差は45.9ケルビンでした。

設備の総質量は約29万2007キログラムと見積もられました。このうち27万5400キログラムは井戸の鋼製ケーシング（井戸の内壁を支える管）、1万6607キログラムは地上設備です。

この報告が示すこと

著者らは、食品工場の熱需要では濃縮のための蒸発が中心になると述べています。そのため、蒸気の再圧縮や凝縮水の回収といった工場内での熱回収は、地熱の井戸と競合する関係になります。著者らは、まず工場内で熱を回収し、残った需要に合わせて井戸の規模を決めるのが妥当な順序だとしています。この試算は熱回収をしない場合を前提にしているので、求めた地熱水の流量は上限にあたります。

主なリスクとして挙げられているのは、需要の季節変動です。食品工場は季節ごとに稼働することが多い一方、井戸は一定の流量を出し続ける設備です。稼働期間が短いと、別の用途で閑散期の熱を使わない限り、資源が一部の期間に遊んでしまいます。

限界として、試算は代数的な計算にとどまります。地下の貯留層の時間変化や井戸内の流れのシミュレーションは行っていません。費用、商業的な掘削リスク、許認可も検討の対象外です。著者らは、この結果を調達の判断にそのまま使わないよう注意を促しています。そのうえで結論として、地熱の熱水は熱交換器を通すだけで、タービンなどの変換なしにボイラーを置き換えられると述べています。燃料費が熱水をくみ上げるポンプの費用に置き換わることを、著者らは食品加工での地熱利用の大きな可能性として示しています。

原著論文の著者・所属：Aldred, William Alexander

※本記事は原著論文をもとに、日本語で要約・説明を加えた研究紹介です。 出典（原著論文）：Aldred, William Alexander. Geothermal Industrial Process Heat for Food Processing: Product Heating, Evaporation and Heat-Exchanger Budgets. Zenodo (CERN European Organization for Nuclear Research) 2026-11-15. DOI: 10.5281/zenodo.24235088. 原著ライセンス：CC BY.