エグゼクティブサマリー
- 熱エネルギー貯蔵は、溶融塩、相変化材料（PCM）、加熱された岩石などの材料を使用して余剰エネルギーを熱や冷熱として回収し、必要な時に放出します。複数の技術経済分析およびライフサイクル分析によると、この技術は広く普及している多くの再生可能エネルギー貯蔵技術と比較してコストが低く、環境負荷も小さいうえ、機械的または化学的な代替手段よりもエネルギー効率とエネルギー密度に優れていることが示されています。
- 貯蔵媒体は大きく3つのカテゴリーに分類されます。水、岩石、コンクリート、レンガ、セラミックス、グラファイト、溶融塩などの顕熱材料は、その比熱容量を利用して熱を蓄えます。パラフィンワックス、塩水和物、脂肪酸、ポリエチレングリコールなどの相変化材料は、固体から液体への相転移を利用して熱を蓄えます。ゼオライト、金属水素化物、水酸化物などの熱化学材料は、可逆的な化学反応を利用して熱を蓄えます。
- 学術誌および特許の出版数は過去20年間で着実に増加しており、2019年以降は特に加速しています。CAS Content Collectionのコンセプト分析によると、PCM、集熱器、ヒートポンプ、マイクロカプセル化、アルカン、パラフィン、ポリオキシアルキレンの分野で最も急速な成長が見られ、複合材料の熱伝導率を高めるためのグラファイト、銅、グラフェン、アルミニウムの利用も注目されています。
- 熱エネルギー貯蔵は現在、空調のピークシフト、最大1,800℃に達する産業用熱バッテリー、集光型太陽光発電による発電、建設材料へのPCM導入による建物の冷暖房など、複数の用途で商用展開が進んでいます。その他の新たな応用分野としては、持続可能な淡水化、スマートテキスタイル、光熱療法や薬物送達といった生物医学的用途などが挙げられます。
風力や太陽光などの再生可能エネルギー源は、排出量削減に不可欠です。しかし、これらのエネルギー源を最大限に活用するには、風が吹かない時や太陽が照っていない時のために余剰エネルギーを貯蔵しておく必要があります。このニーズを満たすためにバッテリーエネルギー貯蔵が普及してきましたが、他にも費用対効果が高くエネルギー効率の良い方法があるのではないでしょうか。
熱エネルギー貯蔵はそのような方法の一つであり、技術経済分析やライフサイクル分析を含む複数の分析が、熱エネルギー貯蔵は広く普及している多くの再生可能エネルギー貯蔵技術と比較してコストが低く、環境負荷も小さいことを示しています。さらに、熱エネルギー貯蔵システムのエネルギー効率とエネルギー密度は、機械的貯蔵や化学的貯蔵といった他の一般的なエネルギー貯蔵技術よりも高いことがわかっています。
{{microelectronics="/ads"}}
熱エネルギー貯蔵は、建物内の温度管理という明確な利点をもたらします。気温の上昇や熱波の深刻化に伴い、このプロセスの重要性は年々高まっています。これらのシステムは日中に熱を回収し、夜間の気温低下に合わせて受動的に放出します。本質的に、再生可能エネルギー源からの熱エネルギー貯蔵は、大気への排出量を増やすことなく建物を冷却できるため、化石燃料を動力源とするエアコンの使用による負のフィードバックループを断ち切ることができます。
こうした利点と、2015年のパリ協定で定められた2050年までのネットゼロ排出達成という緊急性を踏まえ、私たちは科学情報の最大の人間によるキュレーションリポジトリであるCAS Content CollectionTMを分析し、この技術がどのように発展しているかを調査しました。その結果、文献内で重要なコンセプトが繰り返し現れていることが判明し、これらのアイデアが交差する領域でさらなるブレイクスルーが起こる可能性が示唆されました。
熱エネルギー貯蔵の仕組み
熱エネルギー貯蔵は、溶融塩、相変化材料（PCM）、加熱された岩石などの材料を使用してエネルギーを熱として回収・貯蔵し、後で電気に変換します。熱バッテリーとも呼ばれる熱エネルギー貯蔵システムは、将来の使用のために余剰の熱エネルギー（熱または冷熱）を回収・貯蔵する革新的な技術です。
必要に応じて熱エネルギーを吸収、貯蔵、放出できる特殊な材料やプロセスを活用することで、これらのシステムはエネルギー効率と信頼性の最適化において重要な役割を果たします。これは、貯蔵された熱を産業用の高温プロセスに直接利用したり、そのプロセスを動かすための蒸気を生成したりできるため、産業部門の排出量削減に貢献します。
表1に示すように、熱エネルギーを貯蔵できる材料には数多くの種類があります。
表1：熱エネルギー貯蔵材料の種類と例。
出版動向は広範な機会を示しています
蓄熱技術はどのように進化しており、商用化の普及は近いのでしょうか。CAS Content Collectionの分析から、蓄熱に関連する出版物の急激な増加だけでなく、ブレークスルーが起こる可能性のある分野を示す多数の関連コンセプトが明らかになりました。
過去20年間、学術誌と特許の両方の出版物において、着実かつ一貫した成長が見られました（図1参照）。
2019年以降、成長は顕著であり、特許の継続的な増加は、これらの技術が商用化の段階に達しつつあることを示しています。
CAS Content Collectionの特定のトピックセクションに出版物数をマッピングすることで分析を深めた結果、蓄熱技術が多岐にわたる分野に応用可能であることが示されました（図2参照）。
予想通り、出版物の大半はCASの「電気化学、放射線、熱エネルギー技術」のトピックセクションに関連しており、次いで「単位操作およびプロセス」、「装置」、「熱力学」といった関連性の高いセクションが続きます。「コンクリートおよびその他の建設材料」のトピックセクションにも多くの出版物があり、そのほとんどが建物のエネルギー効率を向上させるためのPCM（相変化材料）の組み込みに関するものです。PCMを含むコンクリートは、外気温が高い日中に熱を吸収して室内への熱流入を遮断し、外気温が下がるとその熱を放出します。
エネルギー関連のトピックセクションでも、風力や太陽光エネルギーの需給調整への応用など、注目すべき数の出版物が見られました。蓄熱は、従来のベースロード電源としての原子力エネルギーを、変動する電力需要に適応可能なものへと移行させる一助にもなり得ます。
水に関連する出版物の数は、蓄熱が持続可能で全天候型の海水淡水化においても機会をもたらすことを示しています。太陽エネルギーから生成された熱エネルギーを蓄え、安定的に供給することで、これらのシステムは塩水の蒸発を促進できます。
蓄熱に関する出版物の中でよりユニークなトピックには、さまざまな材料が関わっています。「非鉄金属および合金」のトピックセクションには、これらの材料が蓄熱システムの構築に使用されるため、かなりの数の出版物があり、PCMとしての利用を報告する研究もいくつか見られます。
プラスチックの製造および加工に関連するトピックも多数の出版物に登場しており、これは蓄熱用途で効果的であることが判明したPCM組成物を含むポリマーが多様であるためと考えられます。テキスタイルや繊維も、蓄熱材料がスマートテキスタイルや感温変色性ファブリックの製造に使用される分野として注目されています。
PCMの蓄熱能力は、光熱療法、標的薬物送達、医薬品など、さまざまな生物医学用途にも役立ちます。
コンセプトの共起が材料と用途を結びつける
アイデアの交差点を評価し、イノベーションがどこで起こり得るかを確認するもう一つの方法は、コンセプトペアの共起を調べることです。2022年から2024年にかけてのこれらのペアとその成長を分析しました（図3参照）。
図3Aは、成長率が最も高い上位10のコンセプトペアを示しています。PCM、太陽エネルギーコレクター、ヒートポンプなどが、大幅に成長したコンセプトの一部です。熱伝導率を高め、周囲の材料とのPCMの反応性を防ぐために使用される技術であるマイクロカプセル化は、出版物数と成長率の高さから際立っています。この技術は、蓄熱プロセス全体の効率を向上させるために使用されてきました。
物質クラスのコンセプトと用途/使用/プロセスのコンセプトの組み合わせを調べることで、成長率の高いコンセプトペアをさらに絞り込みました。その上位10ペアを図3Bに示します。
アルカン、パラフィン、ポリオキシアルキレンは、近年最も成長している物質クラスの一部です。これに続くのが、マイクロカプセルや複合材料といったコンセプトです。パラフィンワックスは安定性とサイクル性を向上させるためにマイクロカプセル化されることが多いため、これらのコンセプトが高い成長を示したと考えられます。もう一つの関心の高いトピックであるアルカンは、熱伝導率の向上、漏れの防止、化学的安定性の確保のために、ポリマー、さまざまな形態の炭素、無機材料などの材料と組み合わされることがよくあります。
図3Cは、物質クラスのコンセプトと特性のコンセプトからなる成長率の高いコンセプトペアを示しています。溶融塩を除き、成長率の高い物質クラスは図3Bで見られたものと類似しています。それらに関連付けられることが多い特性は、赤外（IR）スペクトル、表面構造、エンタルピー、凝固、太陽エネルギーです。
ポリオキシアルキレンなどのPCMの応力-ひずみ関係は、構造的完全性を特定し、性能を最適化するために頻繁に研究されています。赤外スペクトルは、PCMの化学構造、相転移、熱安定性を研究するために使用されるため、PCMと共起することがよくあります。
また、物質の共起関係とその用途についても調査しました（図4参照）。
グラファイトは、相変化材料（PCM）において最も広く使用されている物質の一つです。グラファイトとPCMを含む複合材料は、グラファイトの高い熱伝導率と多孔質構造により、優れた熱エネルギー貯蔵性能を発揮します。
グラファイトと同様に、銅、グラフェン、アルミニウムもPCMと組み合わされ、熱伝導率の向上が図られています。ポリエチレングリコールを含む複合材料も、最も広く報告されている相変化材料の一つです。これらの共起関係は、熱エネルギー貯蔵においてすでに重要な役割を果たしている材料と、今後さらなる探求が期待される材料を示唆しています。
市場に投入される熱エネルギー貯蔵ソリューション
多くの企業が、すでにさまざまな用途で熱エネルギーソリューションを市場に投入しています。特許の増加に見られるように、これは当該技術が実用段階にあることを示しています。注目すべき例をいくつか挙げます。
- ピークシフト： Ice Energy社は、電力料金が高い時間帯の消費を避けるため、熱エネルギーを利用した空調ソリューションを提供しています。一方、Sunamp社は、太陽エネルギーやオフピーク時の系統電力を使用して給湯ソリューションを稼働させています。
- 産業用エネルギー：Electrified Thermal Solutions社は、再生可能エネルギーによる電力を熱として貯蔵し、産業用途向けに最大1800°Cの安定した熱供給を行う熱バッテリーを製造しています。
- 発電：複数の企業が、集光型太陽熱発電の熱を利用して蒸気を発生させ、発電を行っています。余剰熱は溶融塩を用いて貯蔵され、日照がない時間帯の発電に利用されます。
- 建物の冷暖房： Microtek社は、建材にPCMを使用することで室内での蓄熱・放熱を行い、エネルギー消費を削減しています。
新たな選択肢
経済活動と快適な生活を維持しながら排出量を削減し、ネットゼロを達成するには、数多くの革新的なソリューションが必要です。熱エネルギー貯蔵は、再生可能エネルギーやエネルギー効率化と組み合わせることで、極めて有効な選択肢となります。CAS Content Collectionの分析から、この技術への関心が高まっており、重要な材料、物質、用途を中心に研究概念が収束しつつあることがわかります。今後、さらなるイノベーションが市場に投入されることで、熱エネルギー貯蔵は気候変動の影響を緩和するための取り組みにおいて、不可欠な要素となることは間違いありません。
