Executive Summary
- 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または冷熱として捕捉し、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、多くの広く普及している再生可能エネルギー貯蔵技術と比較してコストが低く、環境負荷も小さく、機械的または化学的な代替技術よりもエネルギー効率とエネルギー密度が高い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、その比熱容量を通じて熱を貯蔵します。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、固体と液体の間の転移を通じて熱を貯蔵します。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通じて熱を貯蔵します。
- ジャーナル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 コンテンツのコレクションによる概念分析では、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周辺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、アルミニウムの使用も増加しています。
- 熱エネルギー貯蔵は現在、空調におけるピークシフト、最大1,800°Cを供給する産業用熱電池、集光型太陽光発電所からの発電、建築材料へのPCM導入による建物の冷暖房など、複数の用途で商業展開が進んでいます。その他の新たな応用分野には、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が含まれます。
風力や太陽光のような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でも利用できるよう、余剰エネルギーを貯蔵する必要があります。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成長してきましたが、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としたらどうでしょうか？
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、 示しています 熱エネルギー貯蔵は、広く使用され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、環境への影響も少ないことを。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、 より高い 機械的貯蔵や化学的貯蔵など、他の多くの一般的なエネルギー貯蔵技術よりも優れています。
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熱エネルギー貯蔵は、建物内の温度を管理するという明確な利点を提供します。これは、気温の上昇や熱波の深刻化に伴い、年々重要性を増しているプロセスです。これらのシステムは日中に熱を捕捉し、 受動的に 気温が下がる夜間に放出します。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、化石燃料を動力源とするエアコンの使用量を増やすという負のフィードバックループを断ち切り、大気への排出量を増やすことなく建物を涼しく保つことができます。
これらの利点と、2015年のパリ協定で規定された2050年までのネットゼロ排出達成という緊急性を考慮し、私たちは分析を行いました。 CAS Content CollectionTMは、科学情報において人間がキュレーションした最大のレポジトリであり、この技術がどのように発展しているかを理解するのに役立ちます。文献内で重要な概念が繰り返し現れていることから、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あることが示唆されました。
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の形で捕捉・貯蔵し、後で電気に変換して利用する技術です。熱エネルギー貯蔵システムとも呼ばれる熱電池は、熱や冷熱といった余剰の熱エネルギーを将来の使用のために捕捉・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を最適化する上で重要な役割を果たします。これは、 削減 において価値があります。産業排出量は、貯蔵された熱を 直接利用 することで、高温の産業プロセスや、それらのプロセスを駆動するための蒸気の生成に役立てることができるためです。
表1に見られるように、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。
出版物の傾向は広範な機会を示しています
熱エネルギー貯蔵技術はどのように進化しており、広範な商業化に近いのでしょうか？CAS Content Collectionの分析により、熱エネルギー貯蔵に関連する出版物の急激な増加だけでなく、ブレイクスルーが起こる可能性のある場所を示す多数の関連概念も明らかになりました。
過去20年間、ジャーナル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を参照）。
2019年以降、成長は顕著であり、特許の継続的な増加は、これらの技術が商業的実現可能性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さらに深めたところ、熱エネルギー貯蔵が数多くの分野に幅広く応用可能であることが示されました（図2を参照）。
予想通り、出版物の大半はCASのトピックセクションである電気化学、放射線、熱エネルギー技術に関連しており、次いでユニット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に関する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改善するためのPCM（相変化材料）の組み込みについて扱っています。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を高温から遮断し、外気温が下がると熱を放出します。
エネルギーに関連するトピックセクション、例えば需給バランスを調整するための風力や太陽エネルギーへの応用において、かなりの数の出版物が見られました。熱エネルギー貯蔵は、原子力エネルギーを従来のベースロード電源から、変動する電力需要に適応可能な電源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数は、熱エネルギー貯蔵が 機会 をもたらすことを示しています。それは、持続可能で、一日中、全天候型の淡水化です。太陽エネルギーから生成された熱エネルギーを貯蔵し、継続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することができます。
熱エネルギー貯蔵に関する出版物の中で、よりユニークなトピックには様々な材料が含まれます。非鉄金属および合金のトピックセクションには、これらの材料が熱エネルギー貯蔵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としての使用を報告する研究もいくつか見られました。
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ます。これは、PCM組成物を含む様々なポリマーが 効果的 であることが熱エネルギー貯蔵用途で判明したためと考えられます。テキスタイルおよび繊維も顕著であり、熱エネルギー貯蔵材料が スマートテキスタイル および感温変色性繊維。
PCMの蓄熱能力は、さまざまな 生物医学 分野（光熱療法、標的薬物送達、医薬品など）においても有用です。
概念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、 概念ペアの 共起を調べることです。私たちはこれらのペアと、2022年から2024年にかけての近年の成長を分析しました（図3を参照）。
図3Aは、成長率が最も高い概念ペアの上位10件を示しています。PCM、太陽エネルギーコレクター、ヒートポンプなどは、著しく成長した概念の一部です。マイクロカプセル化は、熱伝導率を高め、PCMと周囲の材料との反応を防ぐために使用される技術であり、文献数と成長率の高さから際立っています。この技術は、蓄熱プロセスの全体的な効率を向上させるために使用されてきました。
私たちは、物質クラスの概念と用途/使用/プロセスの概念の組み合わせを調べることで、高成長の概念ペアをさらに絞り込みました。その上位10件を図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に含まれます。これに続くのが、マイクロカプセルや複合材料といった概念です。パラフィンワックスは、安定性とサイクル特性を向上させるためにカプセル化されてマイクロカプセルを形成することが多いため、これらの概念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、物質クラスの概念と特性の概念からなる高成長の概念ペアを示しています。溶融塩を除けば、高成長の物質クラスは図3Bで見られる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、その構造的完全性を確認し、性能を最適化するために頻繁に研究されています。IR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、物質とその用途の共起についても調査しました（図4を参照）。
黒鉛は、相変化材料（PCM）において最も頻繁に使用される物質の一つです。黒鉛とPCMを含む複合材料は、黒鉛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。
黒鉛と同様に、銅、グラフェン、アルミニウムもPCMと組み合わされ、その熱伝導率を向上させています。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。これらの共起は、どの材料がすでに熱エネルギー貯蔵において重要な役割を果たしているか、また、どの材料がさらなる探求に値するかを示唆しています。
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販売しています。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 は、電力価格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は、太陽エネルギーやオフピーク時の系統電力を利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は、 熱バッテリー を製造しており、再生可能電力を熱の形で貯蔵し、産業用途向けに最大1800°Cの安定した熱供給を実現しています。
- 発電： 複数の企業が、集光型太陽熱発電による熱を利用して蒸気を生成し、それを用いて発電を行っています。余剰熱は溶融塩を用いて貯蔵され、日光が得られない時間帯の発電に利用されます。
- 建物の冷暖房： Microtek は、建材に相変化材料（PCM）を使用して室内の熱を蓄熱・放熱することで、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、価値ある選択肢となります。CAS コンテンツのコレクションを分析した結果、この技術への関心が高まっており、重要な材料、物質、用途に研究の焦点が絞られつつあることが分かりました。より多くのイノベーションが市場に投入されるにつれ、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。
