食品の製造プロセスにおける廃熱回収システムの導入と効果

廃熱回収システムとは

廃熱回収システムは、製造ラインやボイラ、冷凍機などの設備から排出される未利用熱を再利用し、エネルギー効率を高める仕組みです。
食品製造業では加熱、殺菌、乾燥、冷却など熱を多用する工程が多く、同時に大量の廃熱が発生します。
この廃熱を再利用すれば、一次エネルギー使用量を削減でき、CO2排出量の低減や燃料コストの削減につながります。

食品製造プロセスで発生する廃熱の種類

ボイラ・蒸気系の排気熱

ボイラの排ガス温度は150〜250℃に達することがあり、高温であるほど回収ポテンシャルが大きいです。
蒸気配管からの放散熱やブロー排出の熱も無視できません。

加熱・殺菌装置からの排気

レトルト釜や殺菌トンネルでは100℃前後の蒸気や温水が排気されます。
排気からの顕熱と潜熱を合わせると相当量の回収余地があります。

冷凍・冷却設備の排熱

アンモニアやフロン系冷媒を用いる冷凍機の凝縮器からは30〜40℃程度の温水が得られます。
低温ですが給湯や予熱用途にマッチします。

乾燥・焼成炉の排ガス

スナック菓子やパンのオーブン、乾燥炉では200℃以上の高温排ガスが継続的に出ます。
適切な熱交換器を設置することで高率の熱回収が可能です。

廃熱回収システムの主な方式

熱交換器による直接回収

排ガス―空気熱交換器や排ガス―水熱交換器を用い、排ガスの熱をプロセス空気や温水へ移します。
構造がシンプルでイニシャルコストが比較的低い点が利点です。

ヒートポンプシステム

40〜90℃程度の低品位熱をポンプアップし、60〜95℃の温水として給湯ラインに供給します。
冷媒循環に電力を要しますが、COP3〜5と高効率で、省エネ法の定量評価でも高い削減率を示します。

有機ランキンサイクル（ORC）発電

120〜200℃の排熱でタービンを回し発電を行います。
電力に変換するためプロセス側に熱需要が少ない時間帯でも利用価値が高まります。

導入による経済的メリット

燃料費・電力費の削減

蒸気ボイラで発生する廃熱の15％を回収し給水予熱に使うと、年間の重油使用量を約10％削減できます。
ヒートポンプで冷凍機の排熱を再利用した場合、従来のボイラ給湯と比べてランニングコストを40〜60％削減できた事例もあります。

設備能力の最適化

熱回収により既設ボイラの負荷が下がり、設備更新時に小容量機へリプレースできる可能性があります。
結果としてスペースやメンテナンスコストも圧縮できます。

投資回収期間

直接熱交換器方式では2〜4年、ヒートポンプ併用方式でも3〜6年で投資回収が完了するケースが多いです。
エネルギー価格の高騰によって回収期間はさらに短縮傾向にあります。

環境面での効果とSDGsへの貢献

廃熱回収によって化石燃料の使用量が減少し、CO2排出量が削減されます。
例えば年間1000kLの重油を使用する工場で10％の熱回収を行うと、約260t-CO2の削減効果が得られます。
SDGs目標7「エネルギーをみんなに そしてクリーンに」、目標13「気候変動に具体的な対策を」への貢献が明確になるため、ESG投資や取引先のサステナビリティ調達基準にも好影響を与えます。

食品工場での導入事例

飲料工場：ボイラ排ガス熱で瓶洗浄用温水を供給

排ガス熱交換器で95℃の温水を生成し、年間で都市ガス600万Nm³を削減。
投資額1.2億円に対し3年で回収しました。

乳業工場：冷凍機排熱をヒートポンプでリフトアップ

凝縮器温度35℃の熱を80℃まで昇温しCIP洗浄水へ供給。
ボイラ燃料削減に加え、CIP時間が短縮し生産性も向上しました。

菓子工場：オーブン排熱を空気予熱に利用

オーブンの排ガス約180℃を新鮮空気の予熱に利用し、ヒーター負荷を30％低減。
年間電力20万kWh相当を削減し、CO2排出を100t以上抑制しました。

導入時に検討すべきポイント

熱源と熱需要のマッチング

回収可能な熱量と温度レベル、利用側の必要温度を確認し、年間の需要曲線を重ね合わせます。
需要が無い時間帯の熱をどう処理するかを事前に検討することが重要です。

腐食・汚れ対策

食品工場の排ガスは水分や有機酸を多く含む場合があり、露点腐食が発生しやすいです。
耐酸性材質の選定や熱交換器洗浄周期の設定が不可欠です。

衛生管理とHACCP対応

回収した熱を製品と直接接触させない二次側配管設計、バルブのデッドスペース排除など衛生設計ガイドラインに沿ったレイアウトが求められます。

運転管理とメンテナンス

熱交換器のスケーリング、ヒートポンプの冷媒漏えい検査など定期点検体制を構築します。
エネルギーマネジメントシステム（EnMS）と連携し、回収性能を常時モニタリングすると効果の見える化が進みます。

国や自治体の補助制度

経済産業省の省エネルギー投資促進支援事業や環境省のCO2排出削減推進事業では、廃熱回収設備が補助対象となっています。
補助率は1/3〜1/2が一般的で、地方自治体によっては独自に上乗せ制度を設けています。
さらに税制優遇として、中小企業経営強化税制の即時償却やエネルギー対策特別措置法に基づく特別償却も活用できます。

まとめ

食品製造プロセスでは大量の廃熱が日々排出されており、廃熱回収システムの導入はエネルギー効率向上とコスト削減、環境負荷低減を同時に実現する有効な手段です。
熱交換器、ヒートポンプ、ORC発電など多様な技術があり、工場の熱源と需要に合わせて最適な組み合わせを選定できます。
投資回収期間は短く、国や自治体の補助金を利用すれば初期負担をさらに抑えられます。
SDGs対応やサプライチェーンからの脱炭素要求が強まるなか、廃熱回収は競争力を維持するための必須施策となるでしょう。
今後はAIやIoTを活用したリアルタイム最適制御が進み、さらなる省エネと運用負荷低減が期待されます。
食品工場の経営者やエンジニアは、現状の熱収支を可視化し、導入効果を定量評価することで、持続可能でコスト競争力の高い製造体制を実現していくことが重要です。