エネルギー
熱エネルギーの再利用：家庭の空調、駐車場、そしてコンピューティング
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世界の熱エネルギー貯蔵市場は、2022年のUS$4.4 billionから2023年にUS$8 billionに達する可能性があり、年間平均成長率（CAGR）は約7.7%です。貯蔵需要の拡大は、熱エネルギーの利用が継続的に増加していることを示しています。
しかし、熱エネルギーとは正確には何か、そしてどのように貯蔵するのか？ 次のセクションでこれらの疑問を掘り下げ、熱エネルギーが現代の世界のニーズに対してどのように効率的なエネルギー使用のパラダイムを創出しているかを見ていきます。
熱エネルギーの簡潔な歴史
熱エネルギーとその可能性が認識され始めたのは1847年に遡ります。その功績は、世界的に尊敬されるイギリスの物理学者・数学者であるジェームズ・プレスコット・ジュールに帰されます。
簡単に言えば、ジュールは熱と機械エネルギーの関係を解明し、最終的にエネルギー保存の法則（熱力学第一法則）にたどり着きました。この法則は、エネルギーは形態を変えることはできても、創造も破壊もできないと述べています。
ジュールがこの画期的な結論に至った実験は、今日私たちが熱エネルギーとして知っているものの本質を理解する手助けとなります。
実験では、電動モーターが一定量の水の温度を1度上昇させるために必要な仕事量を測定しました。また、穿孔シリンダーを通過する水の温度上昇や、ガスを圧縮した際に発生する熱も測定しました。
研究の過程で、流体に加えられた機械エネルギーの量は常に生成された熱エネルギーと等しいことが判明し、エネルギーはある形態から別の形態へと再利用できることが示されました。
広い視点で見ると、この実験は宇宙とそのエネルギーシステムについて多くを語っています。特に重要なのは、宇宙全体のエネルギーは一定であり、一つの形態が別の形態へと変換され続けるという点です。
ジュールの発見は熱力学という本格的な学問分野の誕生につながりました。私たちはすでに第一法則を見ましたが、他に三つの法則があります。この四つの基本法則が、熱、仕事、温度、そしてそれらの相互作用がエネルギー、放射、物質の物理的性質に与える影響を取り扱う熱力学の輪郭を形作ります。
熱エネルギーの可能性とそれが私たちのプロセスにどのように役立つかを完全に理解するには、熱力学を把握することが不可欠です。熱力学は、熱エネルギーが他の形態へ、またはその逆に変換される仕組みを説明します。熱エネルギーは、物体内部の粒子運動によって生じる熱から来ています。粒子の運動が速いほど、生成される熱は大きくなります。
熱エネルギー生成の科学：伝導、対流、放射
粒子や分子の動きが熱を生み出しますが、これらの動きが熱を生成する方法は少なくとも三つあります。
伝導プロセスでは、物体が動かずに構成粒子の動きだけで熱が生成されます。伝導による熱生成の実生活の例は、ステンレス製のスプーンを鍋の中に入れ、鍋が下から加熱されている間にスプーンの温度が上がる現象です。
対流プロセスは、固体表面と移動する液体または気体との間でエネルギーが転送される現象です。鍋に水を入れ、直接鍋に熱を加えて加熱することは、エネルギー転送の対流プロセスの例です。
最後に放射プロセスでは、熱または熱エネルギーが交換されるために二つの物体や物質が接触する必要はありません。このプロセスの典型例は、白熱灯を氷の近くに置くことで氷が溶ける現象です。灯と氷は決して接触しませんが、氷は溶けます。
これらの熱エネルギー生成方法は肉眼では見えませんが、外部や物理的な現れを見ることで実感できます。私たちが日常的に関わる多くの例は、比較的認識しやすいです。
例えば、太陽放射が大気を暖め、私たちはその結果として暑さを感じます。同様に、地熱エネルギーもあります。これは地球内部の深部から絶え間なく流れ出す強烈な熱で、岩石中の放射性元素の崩壊が主な熱源です。また、海面は太陽光に長時間直接さらされるため、膨大な熱エネルギー貯蔵の可能性を持っています。燃料電池も熱エネルギーから生み出されるエネルギーを活用します。
熱エネルギーの再利用：世界各地の取り組み
原理的に、エネルギーは一つの形態から別の形態へと変換されます。したがって、エネルギーの再利用は自然科学の原則に合致しています。これは、エネルギーの即時的な用途を超えて真の可能性を引き出す効率的な方法です。ここでは、再利用された熱エネルギーのいくつかの事例を見ていきます。
地下駐車場で生成された熱エネルギーを地下水の加熱に利用
マルティン・ルーサー大学ハレ＝ヴィッテンベルク（MLU）、カールスルーエ工科大学、そしてバーゼル大学の研究チームが詳細な調査を実施し、ドイツ、オーストリア、スイスの都市にある31の地下駐車場を対象としました。
そのうち6か所では、近隣の地下水温度も測定しました。作成した熱プロファイルから、地下駐車場は年間を通じて地下水を継続的に加熱していると結論付けました。重要なのは、この熱が主に駐車中の車両エンジンから発生していることです。
MLUの地球科学者マクシミリアン・ノーセンは、「公共の地下駐車場は、私有駐車場よりも地下が深く、車が短時間しか駐車されないため、地下水の加熱に対する貢献度が高い」と説明しました。
研究者らは、この熱エネルギーの再利用可能性も指摘しています。例えば、ベルリンの地下駐車場から年間に放出されるエネルギーは約0.65ペタジュールで、理論的には約14,660世帯に熱供給できるとされています。
電子機器の熱の再利用
この研究はマルティン・ルーサー大学ハレ＝ヴィッテンベルク（MLU）と中国の中南大学の物理学者によって行われました。研究は、技術機器で発生する熱を計算に利用できる可能性を提案しています。必要なのは特定の材料を組み合わせることだけです。
電子機器は電流が流れることで熱くなります。この熱は放散し、プロセス中に失われます。MLUの物理学教授ジャマル・ベラクダー博士によれば、「何十年もの間、人々は電子機器で失われたエネルギーを再利用する方法を探し続けてきました」と語ります。
新しい熱再利用手法は、従来の電子回路の代わりに絶縁性磁気ストリップを使用し、通常の金属スペーサーと組み合わせることを提案しています。「我々の技術は、余剰熱を有効活用することで情報技術分野のエネルギー節約に貢献できます」とベラクダーは説明しています。
熱を蓄える塩バッテリー
この研究は、ラドブード大学の博士課程研究者リャン・ブリジェルヴェンスが、熱貯蔵に塩を利用する研究を防御しようとしている最近の開発です。対象となる塩は一般的な食塩ではなく、ストロンチウム塩化物などの種類です。
ブリジェルヴェンスの研究の核心は、塩水和物や水分を含む塩を結晶形で保存できる塩バッテリーです。このバッテリーの再充電は、塩を加熱して結晶から水分を放出させることで行われます。
「熱が必要なときは、水蒸気を結晶に加えると熱が再び放出されます」とブリジェルヴェンスは結論付けました。
これらの研究論文が示すように、この分野では活発なイノベーションが進んでおり、企業規模で熱エネルギーを再利用するいくつかのソリューションプロバイダーが存在します。以下のセクションでそれらを紹介します。
エネルギー再利用ソリューションプロバイダー：企業規模
#1. Calefa
Calefaはフィンランド拠点の熱リサイクル向けターンキーソリューションプロバイダーです。提供内容にはモジュラー式AmbiHeatヒートポンププラントが含まれ、環境エネルギー源とレトロフィットシステムを活用して廃熱をリサイクルします。ヒートポンプがソリューションとして取り上げられたので、なぜそれらが家庭の空調制御に最適な選択肢とされるのかを簡単に説明します。
ヒートポンプは、ある場所から別の場所へ熱を転送する多機能空調装置です。熱を生成するのではなく、熱を移動させるだけで、住宅の暖房や冷房にエネルギー効率の高い選択肢となります。冬季には外部から熱を取り込み室内へ移動させ、夏季には逆に熱を室外へ排出します。
組織が公表したデータによると、Calefaは過去10年間で廃熱または環境エネルギーを利用した約200件のエネルギーシステムを提供し、金銭的に3,400万米ドル以上、エネルギーで65万MWh以上、二酸化炭素排出削減で1億4,200万キログラム以上の削減に貢献しています。
#2. Heata
Heataは英国拠点の革新的スタートアップで、コンピュータが生成する熱を利用して無料の温水を提供するというアイデアを考案しました。このスタートアップは、英国ガスと協力したイノベーションプロジェクトとして立ち上がり、燃料不足や燃料貧困に苦しむ人々を支援しています。
彼らはブロックチェーン領域を調査し、ビットコインマイナーが大量のエネルギーを消費し、同時に大量の廃熱を発生させていることを把握しました。この熱を再利用するため、Heataチームはビットマイナーを鉱物油に浸し、ラジエーターに接続して実験を行いました。
アイデアが実行可能であることが確認された後、需要が年間を通じて比較的一定である給湯タンクに熱を供給するシステムを導入しました。また、ビットコインマイニングから一般的なコンピューティングへとシフトし、この産業の脱炭素化努力を支援しています。
2017年に設立され、イギリス・サリー州ゴーダルミングに本拠を置くHeataは、企業が炭素フットプリントを削減し、家庭のエネルギー料金を年間最大£450節約できるよう支援します。同社は今年10月にシード資金として100万ポンドを調達しました。
データセンター熱の再利用
世界経済フォーラムは、データセンター（サーバーを収容する施設）を活用して住宅を暖め、二酸化炭素排出を削減する技術企業に注目しています。複数のイニシアチブがこのプロセスを支援しており、International Data Corporationによれば、データセンター暖房市場は2025年までにUS$2.5 billionになる可能性があります。
スウェーデンのイニシアチブ「Stockholm Data Parks」は、ストックホルムのデータセンターが生成する廃熱を利用して住宅を暖める取り組みです。このプロジェクトは2035年までにストックホルム全体の暖房需要の10%をこの方法で賄うことを目指しています。エナジー・イノベーションというシンクタンクは、最大規模のデータセンターが100メガワット以上のエネルギーを生成でき、80,000世帯に電力を供給できると指摘しています。
オランダ拠点の企業「Switch Datacenters」も、天然ガスへの依存を減らし、ガス発電機ユニットをデータセンター暖房に置き換えました。同社のCEOによれば、このシステムを通じてサーバー熱の最大97%を住宅やオフィスに供給できると述べています。
将来展望：グローバルテックジャイアントMicrosoftの挑戦
Microsoft (MSFT ) はフィンランド企業Fortumと提携し、ヘルシンキの何千もの住宅を暖房するプロジェクトを進めています。この協業が成功すれば、Fortumはヘルシンキの住宅の40%を暖房できると見込んでいます。
持続可能性への取り組みをさらに進め、Microsoftはヘルシンキに新設する2つのデータセンターを再生可能エネルギーで稼働させることを決定しました。この決定により、年間で400,000トンの二酸化炭素排出削減が見込まれます。
MSFT 価格チャート
しかし、この環境イニシアチブはMicrosoftのグローバルな影響力の一側面に過ぎません。同社は世界的に知られ、2023会計年度の売上高はUS$211 billion、営業利益はUS$88 billionを超えました。Microsoftの熱エネルギー再利用への関与は、持続可能性へのコミットメントを際立たせるだけでなく、これらの取り組みに大きな可視性と適応性をもたらしています。
さて、再び熱力学第一法則に立ち返ります。エネルギーは、形態を変える努力が行われるときに最も有効に活用されます。熱エネルギーの再利用はそのための効率的なステップです。今後数年で採用が大幅に拡大しない理由はありません。
