エネルギー
金属採掘不要で急速に成熟する熱バッテリー
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大規模エネルギー貯蔵が必要
数時間から数日間にわたって大量の電力を保持できるバッテリーシステムへの需要が高まっています。これは、太陽光と風力が間欠的で、日中や日々で変動するためです。
もう一つの要因は、冶金などの産業プロセスにおけるエネルギー需要です。これらの工場は24時間365日電力を必要とし、通常は1,000〜1,500℃の高熱を生成します。
EV向けのリチウムイオンバッテリーを大規模に使用することは現実的ではありません。コストが高すぎる上、耐久性が不足し、原材料の消費も多すぎます。
そのため、ユーティリティ規模のエネルギー貯蔵に向けてさまざまな代替バッテリー化学が検討されています。これらの選択肢の多くは、当社の記事「エネルギー貯蔵の未来 – ユーティリティ規模バッテリー技術」で取り上げました。リチウム鉄リン酸、ナトリウムイオン、レドックスフロー、鉄空気、溶融金属、ニッケル水素、ナトリウム硫黄などが含まれます。
これらのバッテリーはすべて、何らかの形で電気としてエネルギーを蓄えます。通常は金属の酸化還元反応を利用しています。
問題は、鉄やアルミニウムといった非常に一般的な金属でさえ、多くの採掘が必要になることです。では、エネルギーを別の形で蓄えるとしたらどうでしょうか？
熱の蓄積
電気を貯蔵手段としないエネルギー蓄積の選択肢は意外に多く存在します。これらは「バッテリー以外のエネルギー転換のための非化学的代替手段」で詳しく検討しました。
- 圧縮空気。
- 重力バッテリー（岩、揚水発電）。
- 熱バッテリー。
- フライホイール。
- 熱太陽エネルギー。
これらの選択肢（バッテリー・非バッテリー）はそれぞれ利点と欠点があります。理想的なエネルギー貯蔵ソリューションは以下の特性を満たすべきです：
- 金属や希少資源を必要としない。
- 長時間のエネルギー貯蔵が可能。
- 低コスト。
- 利用可能な場所や資源に制限されずに容易にスケールできる。
- 最小限のロスで電力として利用できる。
最初の4〜5項目に関しては、熱貯蔵が条件を満たします。フィンランド企業Polar Night Energyのサンドバッテリーは、夏の余剰エネルギーを冬に蓄えることができ、北部の寒くて日照の少ない冬に暖房システムを再生可能エネルギーで動かすために必須です。また、使用材料は低品質の砂とフレームや配管用の少量の金属だけです。
同様の熱バッテリーがRondo Energyによって構想されており、1500℃まで加熱可能なレンガを使用し、セメントや鋼鉄製造などの産業プロセスに熱を供給します。
これらの熱バッテリーは、まず対象製品を加熱する必要がある場合に有効です。住宅の地区暖房でも産業用熱でも同様です。
出典: Rondo Energy
しかし、熱バッテリーは電力網への供給には適さないと考えられてきました。熱を電気に再変換する効率は通常20〜30％程度と低いため、蓄えたエネルギーの4〜5割が実質的に失われることになります。言い換えれば、蓄えたエネルギーは生成時の5倍のコストがかかることになります。
太陽エネルギーが化石燃料と同等のコストになった現在でも、まだ5倍安いとは言えません。しかし、この課題は熱光起電力（thermophotovoltaics）という技術の革新により、一時的なものになる可能性があります。
熱光起電力セル – 太陽光発電だが熱で動く
熱光起電力は、従来の太陽光発電と同様の方法で電力を生成しますが、光ではなく熱、つまり加熱された物質が放射する赤外線光を利用するという概念です。
従来の太陽光パネルでは、一定の閾値以下の光の周波数は電流を生成するエネルギーが不足しており、無駄になります。赤外線光はすべてこのケースに該当し、エネルギーが低すぎます。
この技術自体は新しいものではありませんが、効率が低すぎて広く採用されてきませんでした。ミシガン大学の研究者が最近達成した成果が出るまでそうでした。その結果は「高効率エアブリッジ熱光起電力セル」という科学論文で公表されました。
彼らは、1,500℃以下の温度で記録的な44％の効率を達成したと主張しています。これは、従来の最高記録である37％を大きく上回ります。
研究者は、遠くない将来に50％に達する方法があると考えています。
出典: Cell
熱光起電力セルはどのように機能するか
まず、石、砂、炭素、レンガ、セラミックなどの貯蔵材料を、再生可能エネルギーからの余剰電力または直接的な太陽熱で加熱する必要があります。
1435℃で放射される赤外線光子の約20〜30％が、研究チームの熱光起電力セルで電力を生成できるエネルギーを持っています。
出典: Design Boom
熱光起電力パネルで使用される半導体では、他の赤外線周波数は電気に変換できませんでした。
では、どのようにして44％に到達したのでしょうか？巧妙な“トリック”は、半導体のすぐ外側に薄い空気層を追加し、その空気層の向こう側に金の反射体を設置することでした。
これにより、適切なエネルギーレベルの光子が閉じ込められ、電力生成の準備が整います。その他の光子は加熱材料へ戻され再加熱され、再び適切な光周波数で熱光起電力セルへ送られる機会が得られます。
本質的に、セルは最初に捕捉できなかった光子を再利用できるようになり、全体の変換効率が向上します。
将来の熱バッテリー
44％や50％の効率は、揚水発電（70〜85％）やリチウムイオンバッテリー（85〜95％）と比較すると、あまり印象的ではないかもしれません。
出典: EESI
しかし、ユーティリティ規模のエネルギー貯蔵の大規模導入は、技術だけでなく経済性にも大きく依存していることを無視しています。
バッテリーは数年の寿命でリサイクルが必要です。また、リチウムはもちろん、銅、ニッケル、コバルトは規模での導入に十分ではなく、特にこれらの金属はすでにEV向けに大量に使用されています。
対照的に、熱バッテリーは数十年持続し、ほとんどメンテナンスが不要です。岩、砂、粘土以外の材料はほとんど必要ありません。場所や規模を問わず建設でき、巨大な規模でも生態系への影響はほとんどありません。
最後に、エネルギーを数週間から数か月保存する場合、熱は最も効率的な方法の一つです。ほとんどのバッテリーは時間とともに電力を漏らしますが、適切に絶熱された熱貯蔵システムははるかに低いロスで済みます。
それはバッテリーの一形態ですが、非常に受動的です。電気化学セルのようにリチウムを採掘する必要がないため、電気自動車市場と競合する必要もありません。
水力発電のための揚水と違い、どこにでも設置でき、近くに水源を必要としません、
Stephen Forrest, University Professor of Electrical Engineering at U-M
総合すると、熱バッテリーは再生可能エネルギーの変動を平滑化する理想的なエネルギー貯蔵ソリューションです。風や太陽が豊富な季節の余剰エネルギーを、温帯地域では冬に、熱帯地域では雨季に蓄えることも可能です。
熱貯蔵 / 熱光起電力企業
1. II-VI Marlow / Coherent
COHR 価格チャート
II-VI (COHR ) MarlowはII-VI Inc.の部門で、（現在はまだ小規模ですが）製造分野熱光起電力セルの業界リーダーです。2022年にII-VI Inc.はレーザー製造会社Coherent Inc.を買収し、社名を変更しました。
同社はインジウムリン化物、エピタキシャルウェハ、ガリウムヒ素など、レーザー、光学、フォトニクスで使用される先端材料の専門家です。過去10年間にわたる複数の買収により大きく成長しました。
出典: Coherent
同社の熱光起電力事業は全体収益のごく一部で、光ファイバーやレーザーなどが収益の大部分を占めています。しかし、これは投資家にとって朗報かもしれません。というのも、技術革新が新市場を開く場合、産業規模で新技術を迅速に導入できる資本があることを意味するからです。
出典: Coherent
例えば、余剰再生可能エネルギーのユーティリティ規模貯蔵という巨大市場…
ミシガン大学が「特許保護を申請し（…）技術を市場に導入するパートナーを探している」と述べているように、Coherentのような企業が新しい熱光起電力セルを市場に投入するのは驚くべきことではありません。特に、熱光起電力や類似の先端材料の産業生産に既に専門知識を持っていることを考えるとそうです。
2. Sumitomo Electric Industries (SMTOY)
ミシガン大学の研究者が使用した熱光起電力セルは、InGaAsP（インジウムガリウムヒ素リン化物）で作られました。
そこで、エアブリッジ構造を三元系から四元系のIII-V吸収体（InP基板に格子合わせされたInGaAsP）に変換することで、エミッタ温度の目標範囲内で効率を向上させられるか調査しました。
この技術がユーティリティ規模エネルギー貯蔵の標準フォーマットになると、InGaAsPが大量に必要になります。
したがって、このシナリオでは、30年間InGaAsP製造のリーダーである日本の総合商社、住友に注目するのが理にかなっています。
30年以上にわたり、住友電工の半導体部門は、ガリウムヒ素（GaAs）とインジウムリン化物（InP）の世界最大手メーカーとしてリーダーシップを維持しています。住友という名前はIII-V材料の品質の代名詞となっています。住友電工は、世界の顧客に高品質な基板を提供し、収率向上と電気特性の一貫性を実現することでこの評価を得ました。
住友電工とその複合半導体部門は、世界最大級の総合商社である住友グループの一部門です。
InGaAsPに加えて、住友電工の主な事業は以下の製造です：
- 通信機器（光ファイバー、5G）
- 自動車配線および高電力ケーブル
- エレクトロニクス（フレキシブルプリント回路、データ配線、フィルタ膜）
- 高品質材料（炭化物、切削工具、プレストレッシング鋼線）
出典: Sumitomo
大量生産の高品質材料に関する専門知識、InGaAsP製造でのリーダーシップ、そして総合商社としてのビジネスネットワークにより、住友電工は熱光起電力の大規模採用の主要な受益者の一つになると期待されます。
この成長は、通信（デジタル化、AI）やEV関連製品（ケーブル、配線）にも好影響を与えるでしょう。これらはともに急成長しているセクターです。
