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磁石を利用した新しいヒートポンプ設計は冷媒を不要にする

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熱生成の改善

エネルギー需要の中で、熱は最も大きな最終使用形態です（例えば、電力を熱に変換する場合など）。したがって、脱炭素は熱生成が可能な限り環境に優しく、かつ非常に効率的に行われる場合にのみ実現すると考えられます。

しかし、これはまだ遠い道のりです。化石燃料は建物の暖房における世界のエネルギー使用の63％を占めており、2010年からわずか4ポイントしか減少していません。

出典: IEA

これは、ネットゼロシナリオに対する大きな障害であり、個々の交通手段を電気自動車に切り替えるのと同等以上の努力が必要です。

現在の主な手段はヒートポンプに転換することであり、燃焼して熱を生成するのではなく、熱をある地点から別の地点へ移動させます。

たとえ効率が高くても、ヒートポンプはさらに改善の余地があります。これは、米国エイムズ国立研究所とアイオワ州立大学の研究者が取り組んでいる、“磁熱ヒートポンプ”と呼ばれる新タイプのヒートポンプです。

彼らは最近、Applied Energy誌に最新の結果を発表し、タイトルは「Scalable and compact magnetocaloric heat pump technology1」です。

従来のヒートポンプはどのように機能するのか

ヒートポンプの基本概念は、エネルギーをある場所で「捕らえ」て別の場所へ運ぶことです。

通常、住宅やその他の建物の周囲環境から熱を抽出し、内部に供給します。

熱が実際に生成されるのではなく移動させるだけなので、消費した電力量（Wh）で測定した場合、効率が100％を超えることがあります。

このシステムは従来の暖房システムよりも多用途で、逆転して動作させることも可能です。そのため、ほとんどの場合、夏季には冷房としても機能します。

一般的なヒートポンプは、ガス圧縮システムを用いて熱を移動させます。ガスは圧縮・減圧されると熱を吸収または放出します。

ガス圧縮は最も一般的に使用される方法で、バルブ、配管、コンプレッサーなど、数十年前と大きく変わらない技術に基づいています。

しかしながら、磁石が有力な候補となることで、必ずしも最適なヒートポンプ設計とは言えないかもしれません。

ヒートポンプの種類

異なるヒートポンプ設計は、エネルギーの抽出場所、送出先、寒冷地に適応しているかどうかなど、いくつかの点で異なります。エネルギーの抽出場所、送出先、寒冷地への適応性

エネルギー源

  • Ground Source: 地熱ヒートポンプとも呼ばれ、地中の熱を利用し、高効率で知られています。
  • Air Source: 最も一般的なタイプで、空気から熱を抽出し、地熱ポンプより設置が容易です。
  • Water Source: 湖や井戸などの近隣水源を熱交換に利用します。

設置

  • Ducted: ダクト式： 家屋のダクトに統合され、集中暖房・冷房を提供します。
  • Mini-Split: ミニスプリット： ダクトのない住宅に最適で、部屋ごとの温度を個別に制御できます。

気候

  • Cold Climate: 寒冷気候： 厳しい冬の地域向けに設計され、可変速コンプレッサーなどの高度な機能により極低温でも効率を維持します。
  • Normal Climate: 普通気候： 中程度の気候に適し、標準的な暖房・冷房ニーズに対応する一般的なヒートポンプです。

熱移動方式

  • Gas compression: 比較的うまく機能し、シンプルで既知の技術です。
  • Magnets: 磁石： より大きな「固体状態」カロリックヒートポンプのサブセットで、冷媒を必要としません。
(ATLO )

磁熱ヒートポンプ（MCHP）技術

MCHPは磁熱効果の原理を利用します。これは、外部磁場の変化により磁性材料が冷却または加熱される現象です。

出典: DST

理論的には、これははるかに優れたシステムとなり得ます。なぜなら、一般に有毒または環境に有害な冷媒材料が不要になるからです。従来のヒートポンプでは、特に機器が古くなると冷媒が漏れやすくなります。

長年にわたり、さまざまな設定を用いた磁熱ヒートポンプの設計が多数提案されてきました:

  • 異なる磁場の強さ。
  • 純粋なガドリニウム、ガドリニウム合金、LaFeSi合金（ランタン-鉄-シリコン）など、さまざまな磁熱材料。
  • 磁熱材料の形状の違い。

これらのシステムは、最高の蒸気圧縮システムを上回る効率を示しました。温度範囲と熱出力も良好でした。

しかし、これらのシステムがコスト、質量、サイズの面で従来のヒートポンプに匹敵できるかは、商業的成功のための重要な要素であり、まだ実証されていませんでした。

可変性能

研究者は、提案されたさまざまなMCHP設計のシステムパワー密度（SPD）を測定しました。これは、ワット単位の熱出力を装置の質量（kg）で割ったものです。

既存の学術文献は、SPDが約1〜40 W/kgと幅広いことを示しています。

興味深いことに、SPDが最も高い2つの設計は全く異なるアプローチを取っていました: 1つは高周波で高磁場を使用し、もう1つは低周波で低磁場を使用しました。したがって、技術的に実行可能な複数のアプローチが存在すると考えられます。

コンプレッサーとの競争

研究者は、絶対効率と材料科学研究者の関心が高まる中、SPDを向上させる複数の方法を調査しましたが、これまであまり注目されていませんでした。

しかしながら、SPDはこのようなヒートポンプの大量採用において最も重要になる可能性があります。消費者や建設業者は、部屋全体の大きさや取り扱いが困難なほど重いヒートポンプを受け入れません。

彼らはさまざまな方法を使用しました:

  • 使用した磁性合金のバリエーション:
    • ガドリニウム単体では質量あたり374 W/kg。
    • LaFeSi系材料単体では854 W/kg。
  • 磁性材料の設計を板状からビーズ状までさまざまに変更。
  • 周波数と強度が異なる磁気インパルス。

この体系的なテストにより、研究者は技術的ベースラインの5.9 W/kgから、MCHPシステムを最大81.3 W/kgまで向上させることができ、システムパワー密度は約14倍に増加することが分かりました。

これらの結果から、MCHPは現在使用されているコンプレッサー式ヒートポンプのSPDにほぼ匹敵できることが示唆されます。特に低〜中程度の冷却出力（< 200 W）の場合です。

磁熱ヒートポンプ企業

次に挙げる企業はまだ上場しておらず、現在MCHPを販売しているわけではありませんが、トップ大学での最先端研究から派生したスタートアップが多数存在する非常に活発な分野です。例として:

したがって、アクセスは容易ではありませんが、認定投資家でこのような投資にアクセスできる人にとっては興味深い選択肢となり得ます。

ガドリニウム企業

ガドリニウムは希土類元素で、世界生産量（酸化ガドリニウム）の97％は中国で生産されています。

興味深いことに、この金属は現在、いくつかの原子炉での中性子吸収やMRI用磁気造影剤などのニッチな用途以外にはほとんど利用されておらず、したがってヒートポンプで使用される汚染性冷媒の代替資源として最適です。

米国と中国の貿易摩擦がトランプ政権初期から継続的に高まっているため、ガドリニウムを含む希土類に投資しようとする西側投資家は代替供給源を好む可能性が高いです。

そのような潜在的企業としてNeo Materialsがあります。

NEO.TO 価格チャート

Neo Materialsは希土類および重要材料の生産を専門としています。これにはガドリニウムだけでなく、現在重要視されている他の希土類やハフニウム、ニオブ、ガリウム、希土類磁石などが含まれます。

これらの製品は、半導体、風力タービンの磁石、電気自動車などの製造に不可欠であり、ほとんどの場合、中国から90〜99％供給されています。

同社の収益の大部分は「Magnequench」: ネオジム-鉄-ホウ素（NdFeB）磁性粉末と電動モーター（EVを含む）に使用される磁石から得ています。

第2位は、石油・化学触媒、ハイブリッド車・EV、浄水、高効率ディスプレイ、光学レンズ、家電製品などに使用される化学品・酸化物からの収益です。

Neoの収益は地理的にも非常に多様化しており、この分野の多くの企業よりも地政学的リスクに対して安全です。中国で一部製品を製造しており、2019年に取得したAsiaMagを売上高を5倍に拡大させ、中国の上位5大結合磁石メーカーに成長させました。

しかし、地理的リスクの分散も進めています。例えば、同社はEU（エストニア）に中国以外で初めてのEV用焼結磁石工場を建設する計画で、2025年に最初の生産が開始される見込みです。

全体として、Neo Materialsは中国において永久磁石と希土類のバリューチェーンで最も統合された存在であり、原鉱石の採掘のみが垂直統合されていません。

同社は中国や日本以外の企業の中で、希土類磁気製品に関する高度な学位と技術専門家が最も多く、さらに日本国内でもホンダや大同鋼鉄などの企業と契約を結ぶ点で国内競合を上回ります。

半導体製造から特殊合金・触媒に至るまでの多くのハイテク応用に加え、グリーン・トランジションに不可欠な材料での強固なプレゼンスは、貿易戦争が悪化した場合の潜在的な上昇余地を持つセクターへのエクスポージャーを求める投資家にとって、Neoを有望な株式選択肢としています。

研究参考文献:

1. Zhang, Y., Li, X., Wang, Z., & Chen, H. (2024). A comprehensive review of machine learning applications in renewable energy systems. Applied Energy, 350, 120798. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.120798

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ジョナサンは元生化学研究者で、遺伝子解析と臨床試験に従事していました。現在は株式アナリスト兼ファイナンスライターとして、イノベーション、市場サイクル、地政学に焦点を当て、彼の出版物『The Eurasian Century』で執筆しています。