エネルギー
電気熱量効果による冷暖房技術の進歩と課題
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冷暖房のエネルギー需要と電気熱量効果
産業社会では大量のエネルギーを使っています。中でも、建物や産業プロセスの加熱・冷却は大きな需要を占めます。 IRENAの説明では、加熱・冷却は世界の最終エネルギー消費のおよそ半分を占めます。これは家庭の空調だけを指す数字ではありません。
冷暖房の効率化と電化は、エネルギー消費や排出の削減に重要です。人口や所得の増加に伴う冷房需要の拡大も課題ですが、その見通しは地域や政策、機器の効率によって変わります。
出典： Daikin
現在のヒートポンプでは、冷媒の圧縮・膨張や相変化を利用する蒸気圧縮方式が広く使われています。
これに対する新しい候補の一つが、電場による温度変化を利用する電気熱量効果、エレクトロカロリック効果です。
ヒートポンプの仕組み
ヒートポンプは、圧縮式でも研究段階の電気熱量方式でも、投入したエネルギーで熱を移動させることを基本とします。
燃焼式暖房や電気抵抗式暖房が、燃料や電力を主に熱へ変えるのとは仕組みが異なります。
暖房時には外気や地中などから熱を取り込み、室内へ運びます。可逆式の機器では冷房時に熱の流れを切り替え、室内の熱を外へ排出します。
運転条件によっては、1 Wの電力に対して2〜4 W程度の熱を移動できます。これは熱を無から生み出すという意味ではなく、性能係数は外気温や機器、運転条件で変わります。
出典： RMI
熱源・放熱先には外気、地中、水などがあり、設備に応じて利用します。
ヒートポンプは住宅や業務用建物だけでなく産業にも使われます。排熱を回収して別の工程で利用することも可能です。
出典： Sintef
蒸気圧縮式に代わる電気熱量方式
電気熱量効果の研究
蒸気圧縮式では冷媒を循環させて熱を運びます。一部のフロン系冷媒は漏えい時の温暖化影響が大きい一方、アンモニアは直接の地球温暖化係数が高い冷媒ではありません。安全性と運転エネルギーも含めて評価する必要があります。
電気熱量材料では電場が分極状態やエントロピーを変えます。適切な条件で電場を加えると温度が上がり、取り除くと下がるため、この変化を熱交換と組み合わせて冷却に使います。単にすべての原子が同じ方向を向くという説明では不十分です。
出典： Fraunhofer IPM
電気熱量効果は以前から研究されていましたが、材料の温度変化を実用的な冷却装置へつなげることが課題でした。
2006年には チタン酸ジルコン酸鉛、PZTの薄膜で約12 ℃の電気熱量温度変化が報告されました。
ルクセンブルク科学技術研究所、LISTなどの研究チームは、2023年に約21 Kの温度差を実現する試作装置を報告しました。温度差の実現だけで商用化の準備が整ったことにはなりません。
電気熱量冷却の試作装置
研究には鉛・スカンジウム・タンタル酸化物、PSTを用いた多層コンデンサー、MLCが使われました。PSTはセラミックスであり、高分子ではありません。
出典： UPCommons
報告された最大温度差は20.9 K、最大冷却出力は4.2 Wです。印加電場は10 V/μmで、これは電力ではなく電場の強さを示します。最大温度差と最大出力は同じ運転点の値とは限りません。
出典： Techspot
研究チームは、それまでの電気熱量装置と比較して温度差と冷却出力の改善を報告しました。比較は研究で採用した条件と対象に基づきます。
この進展は有望ですが、市販の圧縮式機器をあらゆる条件で上回ったという結果ではありません。
出典： UPCommons
出典： UPCommons
繰り返し試験でも安定性が調べられました。試験中に劣化が観察されなかったことは、商用機器の長期寿命が確立したこととは異なります。
電気熱量方式は小型化に適する可能性があり、将来のヒートポンプに加えて 電子機器や電池の冷却への応用も研究対象になります。
高効率化には、電気エネルギーの回収や流体の循環損失などが重要です。材料単体の効果だけで装置全体の効率や圧縮式に対する優位性を判断できません。
さらなる改善
Science誌の研究 は試作装置についての報告で、さらなる改善の余地もあります。
試作装置では短絡を避けるため絶縁性の流体が使われました。流体の熱特性は熱交換性能に影響します。
コンデンサーの防水性などを改善し、熱特性の良い流体を利用できれば性能向上につながる可能性があります。
MLCの数や配置密度を増やす方法も考えられますが、熱交換、圧力損失や装置規模との兼ね合いがあります。
モジュールを薄く平らにすることも改善案です。より強い電場を使う場合は絶縁破壊や耐久性を含む安全性の評価が必要です。
先進的なヒートポンプ企業
2024年の記事で扱う電気熱量冷却は、主として研究開発段階の技術です。家庭用ヒートポンプの広範な商用実績が確立したわけではありません。
研究成果が製品につながるには、耐久性、効率、製造費用や熱交換システムを検証する必要があります。特許の存在だけで採算性は決まりません。
既存のヒートポンプメーカーは関連技術を検討し得ますが、以下の企業がこの研究のライセンスを取得したと示されているわけではありません。
製品化と販売には資本や製造・保守能力が必要です。一方で、大企業が必ず市場を主導するとは限りません。
1. Carrier Global
CARR 価格チャート
Carrierは、当時の事業構成ではHVAC、住宅・業務用空調、コールドチェーン、および防火・セキュリティなどを展開する大手企業でした。記事中の従業員数や事業区分は当時の情報で、現在の組織や規模を示すものではありません。
当時の資料では米州が主要市場で、HVACが売上の大きな割合を占めていました。
出典： Carrier Global
掲載された導入台数は会社資料による歴史的な累計・稼働機器の指標であり、新規の年間販売台数と同じではありません。
Carrierは温室効果ガス排出の削減目標を掲げています。
冷却の排出には使用電力、冷媒漏えい、材料製造などが関係します。アンモニアを主な直接温暖化原因とする説明は適切ではありません。電気熱量方式も、採用する材料や電源を含むライフサイクルで評価する必要があります。
出典： Carrier Global
2. ダイキン工業
1924年創業のダイキン工業は、日本に本社を置く大手空調メーカーです。
同社はヒートポンプ関連事業を展開し、2008年には中国の Gree Electric Applianceとの事業提携を発表しました。
米州、欧州、アジアなどで事業を展開しています。記事のインド売上約23倍という比較は2009〜2022年の歴史的な会社資料に基づき、将来の成長率ではありません。
出典： Daikin
同社が普及を進めるR32冷媒はR410Aなどより地球温暖化係数が低い一方、すべての代替冷媒より低いわけではなく、温暖化影響がゼロでもありません。
電気熱量方式が商用化すれば競争環境が変わる可能性があります。ただし、試作段階の技術が直ちに既存事業を脅かすとは限りません。
出典： Daikin
ダイキンは環境性能や研究開発にも取り組み、2015年には技術開発拠点を開設しました。こうした能力は新技術の検討に役立ち得ますが、電気熱量機器の商用化を保証するものではありません。
同社は2015年からR32関連の基本特許へのアクセスを広げ、2019年には関連特許の不行使方針を拡大しました。すべての事業分野の全特許を無償開放したという意味ではありません。
3. NIBE Group
ヒートポンプ関連企業を比較する際は、専業性だけでなく事業構成や財務状況も確認する必要があります。
スウェーデンのNIBEは、 ヒートポンプに加えて 薪ストーブ なども扱っています。薪の燃焼はCO₂を排出し、気候への影響は森林管理や燃料調達、時間軸によって異なるため、自動的にカーボンニュートラルとは言えません。
NIBEは北欧や欧州などで事業を展開しています。記事の従業員21,333人という数字は2022年の情報です。
出典： Nibe
会社は過去の報告でヒートポンプによる 年間約36万トンのCO₂排出回避という推計を示しました。これは特定の年度・前提に基づく会社の推計で、毎年の確定削減量ではありません。
NIBEはヒートポンプ市場の大手の一つですが、比較対象と期間を定めずに他社と同じ規模だと断定することはできません。
欧州の研究機関との連携は選択肢になり得ます。ただし、地理的な近さだけで優先的な関係や最初の製品化が決まるわけではありません。
