サステナビリティ
土壌熱貯蔵が再生可能エネルギー貯蔵課題を解決できるかもしれない
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大規模エネルギー貯蔵が必要
太陽光や風力は間欠的で、日中や日々で変動するため、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の需要が高まっています。
特に寒冷地域では、気温が極端に低いときに建物の暖房のためエネルギー消費が増加します。したがって、空が曇っていたり太陽光パネルが雪で覆われているときが、エネルギー需要が最も高くなる瞬間です。
電気自動車に使用されるリチウムイオンバッテリーは、規模での解決策としては現実的ではありません。コストが高すぎる上、耐久性が不十分で、原材料の消費も多すぎます。
このため、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。私たちは記事「The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech」で、リチウム鉄リン酸塩、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のオプションを取り上げました。
これらのバッテリーはすべて、金属の酸化還元反応を通じて電気エネルギーを蓄えます。
しかし、鉄やアルミニウムといった非常に一般的な金属でさえ、大量の採掘が必要です。では、エネルギーを別の形で蓄えることはできないでしょうか？
熱の蓄積
電気を使用しないエネルギー貯蔵の選択肢は意外に多く存在します。これらは「Non-Chemical Alternatives To Batteries For The Energy Transition」で詳しく検討しました。主な選択肢は次のとおりです：
- 圧縮空気。
- 重力バッテリー（岩石、揚水発電）。
- 熱バッテリー。
- フライホイール。
- 熱太陽光。
これらのバッテリー・非バッテリーそれぞれに長所と短所があります。理想的なエネルギー貯蔵ソリューションは、以下の特徴を満たすべきです：
- 金属や希少資源を必要としない。
- 数週間から数か月規模の長期蓄電が可能。
- 低コスト。
- 利用可能なサイトや資源の制約なく容易にスケールできる。
- 最小限のロスで電気に再変換できる。
最初の4〜5項目に関しては、熱の蓄積が要件を満たします。私たちは専用記事「Heat Batteries Rapidly Maturing Without the Need for Mining Metals」で、いくつかの「熱バッテリー」技術を検討しました。
しかし、これらのソリューションでも、巨大な断熱サイロに砂を詰める、あるいは1500°Cに加熱した純炭素ブロックを使用するなど、貯蔵容量の製造が必要です。
リトアニア・カウナス工科大学（Kaunas University of Technology）の研究者らは、建物の下の土壌に直接エネルギーを蓄えるという新たな可能性を探求しています。余分な製造工程は不要です。
彼らはこの成果を、ジャーナル Sustainability1 の特別号に「Research on Increasing the Building’s Energy Efficiency by Using the Ground Beneath It for Thermo-Accumulation」というタイトルで掲載しました。
土壌の熱容量
土壌は鉱物と水分の混合物であるため、体積や質量あたりに保持できる熱エネルギー量（熱容量）が非常に大きくなります。土壌の構造、有機物含有量、テクスチャ、鉱物組成などが熱的性質を決定します。
このため、一定の深さ（一般に2〜3メートル／6.5〜10フィート）以下では、年間平均気温に近い比較的一定の温度が保たれます。
出典: MDPI
この原理を利用したのが地熱ヒートポンプです。夏に土壌が蓄えた熱を冬に住宅暖房に利用し、表面の寒い空気から熱を汲み上げる必要がありません。逆に、暑い気候では昼間の地表よりも地下が涼しいため、冷却にも利用できます。同様の原理は地熱温室でも活用されています。
熱拡散の測定
実験設定
土壌の複数層における熱拡散を年間通じて測定し、実用的な熱バッテリーとしての潜在性を正しく理解する研究はほとんど行われていませんでした。
そこで、研究チームは異なる深さで複数の測定点を設けた実験装置を構築し、熱拡散を測定するために電気抵抗体を追加しました。熱拡散に関する実験は12月に開始し、7月に完了しました。
出典: MDPI
実験測定結果は、土壌中の熱拡散をデジタルシミュレーションした結果と比較され、両者は類似した結果を示したため、シミュレーションの妥当性が確認されました。
出典: MDPI
「1 年にわたる測定により、土壌温度の自然な季節変動パターンが明らかになり、建物下の孤立した土壌体積を受動的に利用するだけでも熱損失を削減し、エネルギー効率を向上させられることが分かりました。」
水分によるエネルギー貯蔵
研究者は、土壌中の水分量と空隙が熱拡散速度と熱容量に大きく影響することを既に認識していました。深さが増すにつれて蓄熱時間も長くなり、土壌はよりゆっくりと、長期間にわたって熱を蓄えることが可能になります。
水の活動は、土壌層間および横方向に熱を伝達する重要な要因であることが判明しました。
ある実験では、土壌を加熱して水分が蒸発し始める点まで温め、液体水が蒸気に相変化する現象を引き起こしました。この「相変化」により大量の熱が吸収され、土壌の総熱保持容量が大幅に増加すると同時に、熱の分布パターンも変化しました。
「相変化は熱を蓄える効率的な方法となり得ます。はるかに多くのエネルギーを土壌に充填できるのです。
蒸気が地下を通過することで熱が広範囲に分散します。『蒸気流が到達した場所では急激な温度上昇が観測されました。これはエネルギーが移動し、制御可能であることを示しています。』
実用的な応用例
すべての敷地をバッテリーに変える
すべての建物は広いフットプリントを持つため、土壌を構造安定性と熱貯蔵の両方に利用すれば、特に新築時に基礎工事と同時に熱交換装置を設置するだけで大きな手間はかかりません。
同様の手法は、コンクリートやアスファルトで覆われた大規模な敷地にも適用可能です。
「このようなシステムは地区暖房ネットワークのバランス調整や、電力網が過負荷になる際の緩和に役立ちます。また、住宅建物や道路、駐車場の下に個別の熱蓄熱装置を設置することも可能です。」
アイデアは、晴天時や風が強い日などの余剰電力を利用して土壌を巨大な熱バッテリーのように温めることです。開始時に周囲の土壌を加熱するために最も多くのエネルギーが必要でした。
実験設定では、連続的な熱フラックスを約1週間与えることで安定した平衡状態に達し、これ以上熱を加えても土壌から漏れ出すだけになることが確認されました。
分散型グリッドと熱
この技術の大きな利点は、農村部でも都市部でも、分散型の太陽光発電を容易に活用できる点です。
しかし、電力網はもともと比較的安定した消費点を前提に設計されており、日中の大きく変動する負荷に対応できません。その点でバッテリーパークはあまり役立たず、電網自体のアップグレードが必要です。
代わりに、特定の建物で余剰となった太陽光発電を熱エネルギーとして土壌に局所的に供給し、夜間や数日後に再利用することが可能です。これにより、最も日照が強い時間帯に電網が過負荷になるのを防げます。
この仕組みは冷却にも応用でき、土壌は熱だけでなく冷気も蓄えることができます。
さらなる研究
システムの経済性を評価するためには、使用機器の価格、建設コスト、電網アップグレードによるコスト削減、そして土壌が熱を経済的に保持できる期間を統合した詳細な分析が必要です。
現時点では、昼夜サイクルや数日間のエネルギー需要バランスを取るには、このシステムが多月・季節単位のバランスよりも有望であるように思われます。
実用化に向けては、地熱産業で既に使用されている既製の地下熱交換技術（ボアホール、パイルなど）をどのように統合できるかの検証も必要です。
「我々の直近の目標は、ボアホールやパイルなど既存の地下熱交換技術を統合し、産業部門と住宅部門の双方に利益をもたらすシステムを構築することです。」
地熱エネルギーへの投資
この分野は他の再生可能エネルギーに比べてまだ規模は小さく、技術的にも急速に進化しています。詳細は記事「Geothermal Power: Green Energy That is Red-Hot」で取り上げました。
そのため、最先端のスタートアップは多くが未上場です。例として、クローズド・ループ地熱エネルギー企業 Eavor、超臨界地熱企業 Quaise、あるいは認定投資家限定のファンド Baseload Capital などがあります。
また、Iceland Drilling のように大手石油・ガス掘削会社（Archer Wells – ARCH.OL）の一部門として活動しているケースもあります。
それでも、上場している企業もあり、個人投資家は多くのブローカーを通じて地熱関連企業に投資できます。米国、カナダ、オーストラリア、英国、その他多数の国のベストブローカーに関する推奨は、当サイトの米国、カナダ、オーストラリア、英国、その他多数の国でご覧いただけます。
特定企業の選定に興味がない場合は、地熱エネルギー分野の成長に乗るために、以下のETFも検討できます：Shares Global Clean Energy ETF (ICLN)、First Trust NASDAQ Clean Edge Green Energy Index Fund (QCLN)、ALPS Clean Energy ETF (ACES)。
地熱企業
1. Ormat Technologies, Inc.
ORA 価格チャート
Ormat は世界最大の地熱所有・運転企業です。同社は米国、ケニア、インドネシア、中央アメリカ＋カリブ海地域に資産を持ち、総容量は 1.5 GW（世界の地熱発電容量の約10％）で、2024 年だけで 253 MW を追加しました。
出典: Ormat
同社はネバダ州、ユタ州、カリフォルニア州で多数の新規探査井戸を掘削し、発電容量の大幅な成長を目指しています。総計で 2028 年までに 2.6〜2.8 GW の発電容量に達する見込みです。
出典: Ormat
Ormat はエネルギー貯蔵市場にも参入しており、現在 290 MW が稼働中です。さらに 385 MW の追加貯蔵容量が開発中で、長期的には 2.9 GW の潜在容量があります。
出典: Ormat
同社は地熱技術のプロバイダーでもあり、バイナリプラントプロジェクトの 74％ に技術提供しています。バイナリプラントは地熱熱を別の液体に転送する方式で、世界の地熱エネルギー市場の 61％ を占め、Ormat はそのうち 45％ のシェアを保持しています。
出典: Ormat
地熱エネルギーは現在急速に成長している分野ですが、多くのユーティリティや産業企業にとってはまだ技術への理解が浅く、保守的な姿勢が残っています。
この点で、Ormat は成長する需要を取り込む好位置にあり、業界でも最も確立されたプレーヤーの一つとして、ベースロード型再生可能エネルギーを提供しています。他のグリーン技術がまだ達成に苦しむ領域でも、Ormat は安定した電力供給を実現しています。
Latest on Ormat Technologies
研究参照:
1. Tadas Zdankus , Sandeep Bandarwadkar, Juozas Vaiciunas, Gediminas Stelmokaitis, and Arnas Vaicaitis (2025). 建物のエネルギー効率を向上させるために、地下土壌を熱蓄積に利用する研究。 再生可能エネルギー統合と建物における炭素中立性のための応用 第2版 https://doi.org/10.3390/su17010262
