太陽エネルギー貯蔵ソリューションの効率が変換ブレークスルーで『1桁以上』向上

「世界の再生可能電力の発電能力は過去30年で最も速いペースで拡大している」と、国際エネルギー機関は今年初めに公表された報告書で述べた。

パリ拠点の独立した政府間組織によれば、この成長は「実現の真のチャンス」を提供し、COP28気候変動会議で設定された2030年までに世界の容量を3倍にする目標の達成を可能にする。

再生可能容量は過去10年間で大幅に増加しており、太陽エネルギーが主要な役割を果たしている。2023年には、再生可能エネルギーが世界の電力の30％を生産し、太陽光PVは世界の新規再生可能容量追加の4分の3を占めた。

太陽エネルギーのコストが引き続き低下し、石炭よりも安価になっていることから、これは理にかなっている。長期的なコスト確実性といった経済的利点に加え、太陽エネルギーはレジリエンスを高め、炭素排出量を削減する。

しかし、これらの利点や、世界の最終エネルギー消費の50％が暖房に利用されている事実にもかかわらず、太陽光発電の利用は化石エネルギー源に比べて依然として低い。

これは、太陽光が夜間に利用できないという独自の制約があり、エネルギー需要のピークが夕方に集中するためである。また、気候変動が需要と供給の両方に影響を与えている。

「気候変動がエネルギーシステム全体にどのように影響するかを考える必要がある。残念ながら、電力生成システムは気候変動の影響から免れることはできない。」

– ロマニー・ウェブ、コロンビア・クライメート・スクールのサビン気候変動法センター副所長

気候への影響に関しては、熱波の頻度増加が太陽パネルの効率を低下させ、冷房需要の増大が電力網に負荷をかけ、システムに悪影響を与える。ハリケーンは実際に光伏発電を18％から60％減少させることが判明しており、熱帯低気圧は太陽放射を80％低下させることがある。風害などの極端な天候は太陽エネルギーインフラをさらに損傷させる可能性がある。

これらすべての制約から、効率的な太陽エネルギー貯蔵が多くの可能性を切り開くことになる。

効果的な貯蔵ソリューションは、太陽が沈んだときにピーク需要に備えて余剰電力を蓄えることを可能にする。これにより、電力負荷は需要と供給に基づいてバランスを取れ、安定したエネルギーフローが実現できる。

太陽光発電の貯蔵は、エネルギーグリッドが停電しやすくなる山火事などの破壊的な事象に対しても保護を提供する。

では、これらの貯蔵ソリューションとは何か？ 主にバッテリー、機械式、熱式の3つのカテゴリーに分類される。その中でも、特にリチウムイオンバッテリーは最も一般的でコスト効果の高い太陽エネルギー貯蔵手段である。

しかし研究者は常に新しいイノベーションを生み出している。太陽エネルギーをより効率的に収集・貯蔵する全く新しいアプローチは、未踏の感作戦略を利用することを含む。

より効率的な太陽エネルギーの収集と貯蔵

太陽エネルギーの利用が世界的に限られている主な問題、すなわち直接利用可能性の間欠性に対処するため、ヨハネス・グーテンベルク大学マインツ（JGU）とジーゲン大学の研究者は、太陽エネルギーを貯蔵する分子システムを開発した。

従来の熱エネルギー貯蔵システムが短期間のみエネルギーを貯めるのに対し、分子太陽エネルギー貯蔵システムは数週間から数か月という長期間にわたりエネルギーを保持できる。これは、太陽エネルギーが化学結合の形で保存されるためである。

分子太陽エネルギー貯蔵システムの仕組みは、特殊な分子またはフォトスイッチがまず太陽エネルギーを吸収し、必要に応じて熱として放出するというものだ。

しかしこのシステムにも課題がある。フォトスイッチを励起させる際の主要な問題は、太陽光の効率的な吸収とエネルギー貯蔵容量の間のトレードオフである。このため、分子太陽エネルギー貯蔵システム全体の性能が制限される。

そこで、マインツとジーゲンの研究チームはこの問題を克服すべく、研究を実施した。

ジーゲンで最初に導入された新しいクラスのフォトスイッチは、従来のリチウムイオンバッテリーと比較して驚異的なエネルギー貯蔵ポテンシャルを示した。

最も広く使用されているバッテリー化学は、複数のリチウムイオンセルと回路基板から構成される。リチウムイオンセルは電極、アノード、カソード、電解質、電流集積体、セパレーターを備える。一方、フォトスイッチは電磁放射に曝されると構造ジオメトリと化学特性が変化する分子である。

新規フォトスイッチは卓越したエネルギー貯蔵ポテンシャルを持つが、その機能は紫外線（UV）光による活性化に限定されていた。UV光は10〜400ナノメートルの波長を持ち、太陽スペクトルのごく一部にすぎない。

そこで、最新の研究では間接光収集技術が提案された。この手法は光合成における光収集と類似している。ここでは、第二の化合物として感作剤が組み込まれ、可視光の吸収特性が優れている。JGU化学部のクリストフ・ケルジグ教授（本研究のリーダー）と博士課程のティル・ツェーリンガーが述べたように：

「このアプローチでは、感作剤が光を吸収し、続いて直接励起できないフォトスイッチにエネルギーを転送する。」

この新しいアプローチにより、研究チームは太陽エネルギー貯蔵効率を1桁以上向上させた。このエネルギー変換の大きな前進は、家庭用暖房ソリューションや大規模エネルギー貯蔵への応用可能性を開く。

マインツ拠点の研究チームは、複雑なシステムを探求するために詳細な分光分析も実施し、基礎メカニズムの理解に努めた。

システムの動作を詳細に理解することで、「光収集限界を大幅に押し上げる」ことができると、第一著者のツェーリンガーは述べ、光の変換効率を化学エネルギーに向上させる可能性があると付け加えた。

運転条件下では、吸収された各光子が化学結合形成プロセスを引き起こすことができる。これは、エネルギー損失チャネルが多数存在する光化学反応ではめったに観測されない。

研究者は、太陽光を用いてエネルギー貯蔵と放出状態を何度もサイクルさせることで、システムの実用性と堅牢性を実証し、実世界での応用可能性を強調した。

太陽エネルギー収集と貯蔵の最新動向

太陽エネルギーが再生可能エネルギーミックスで果たす大きな役割を考えると、研究者、企業、政府のイニシアチブはその仕組みを深く理解し、エネルギーとその貯蔵をより効果的に収集するソリューションの開発に注力している。

ノースカロライナ州立大学の新たな研究は、太陽光が電気に変換される際の有機セル内で起こる現象の理解を深めることに焦点を当てた。光エネルギーが電荷に変換されるインターフェースを可視化するため、研究者は新しい手法である走査プローブ顕微鏡法を開発し、太陽電池の効率向上に活用した。

炭素系ポリマー材料で作られた有機太陽電池は、柔軟で軽量な太陽エネルギー応用や半透明・全透明ウィンドウへの応用可能性を持つが、光を電気に変換する効率はペロブスカイトやシリコン太陽技術ほど高くない。

これは、これらのセルが2つの材料の混合物で構成されており、1つは電子（ドナー）を収集し、もう1つ（アクセプター）と相互作用して電子を渡す必要があるため、両者の界面で電圧ロスが生じ、有機太陽電池の効率を制限しているからである。

最新の研究では、ドナーとアクセプター材料間のエネルギー差と、界面に沿ったエネルギー無秩序が電圧ロスを引き起こすことが判明した。

共同著者でNC州立大学材料科学・工学教授のアラム・アマシアンによれば、エネルギーオフセットが最小の材料を選択することで電圧ロスが減少する。界面無秩序を低減する溶媒やプロセス条件は、エネルギーロスをさらに削減できる。

別の最近の研究は、家庭用エネルギー貯蔵システムの容量を信頼性高く推定し、将来の実効的な住宅用PVシステムの導入状況を把握しようとした。

そのために、研究者はスケーラブルな容量推定手法を導入した。これは、3つの主要ステップ:（1）貯蔵システムが満容量か空状態かを判定し、（2）これら2状態間の容量を計算する、というものだ。

この手法は、ドイツの民間住宅で8年間にわたり21件のリチウムイオンバッテリーシステムを測定するために使用された。分析の結果、システムは平均で年間2〜3％の容量を失っていることが明らかになった。

特筆すべきは、この手法がメーカーや太陽エネルギー企業に自社のエネルギー貯蔵システムの容量を推定するために利用できる点だ。さらに、研究者は100年以上にわたる14億件のデータポイントを含む大規模データセットを公開し、追加研究や計算モデルの訓練に活用できる。

今年6月、研究者は開発した革新的な光収集システムは、自然の光収集システムと同様に「比較的薄い層で大量の光エネルギーを吸収できる」ことを示した。

無機半導体に類似したバンド構造を持つことで、可視光全域にわたって光を全色域的に吸収でき、有機染料の高い吸収係数を利用して大量のエネルギーを吸収できる。

このシステムは4種のメロシアニン染料を折りたたみ、密に積層させており、超高速かつ効率的なエネルギー輸送を実現している。実験では、照射された光エネルギーの38％を変換できることが確認された。

太陽エネルギーの効率的な貯蔵と変換ロス削減のため、世界中の研究者が今年初めに研究</aし、光化学および電気化学変換のダイナミクスを調査し、目的に適した分子設計を目指した。

研究者はこの目的のためにノルボルナジエンに注目している。ノルボルナジエンは2つの環を持つ炭化水素異性体で、UV光に曝されるとよりひずみの大きいクアドリシクレンへ変換される。

ノルボルナジエン‑クアドリシクレン系の純エネルギー密度はリチウムイオンバッテリーに匹敵し、逆変換が信頼性高く制御できれば、電力貯蔵にも適した効率的な太陽モジュールを実現できる。

炭化水素分子に焦点を当てることで、希少金属を必要とせず、リサイクルや廃棄が容易なコスト効果の高い手法が得られる。これらの最新の進展は、世界的に太陽エネルギー導入を拡大しようとする関心の高まりを示す証拠である。

この進展から恩恵を受けると見込まれる企業

次に、このような分子太陽エネルギー貯蔵システムから恩恵を受ける、または提供できると見込まれる最も有力な2社を見ていく。これらはNextEra Energy, Inc. (NEE ) とEnphase Energy, Inc. (ENPH ) で、いずれも米国拠点の再生可能エネルギーに積極的に関与している企業である。

1. NextEra Energy (NEE )

再生可能エネルギー技術への投資で知られるNextEra Energyは、貯蔵効率の面でこの技術から恩恵を受ける可能性がある。

時価総額は1,610億ドルで、NextEra の株価は現在78.37ドルで取引されており、今年はすでに29％以上上昇している。EPS（TTM）は3.37、P/E（TTM）は23.24で、配当利回りは2.63％である。

エネルギーインフラ企業は最近報告し、2024年第3四半期の財務結果を公表した。その結果、純利益は2023年第3四半期の12.9億ドルから18.5億ドルへと跳ね上がった。調整後1株当たり利益は前年同期比で10％増加した。これらの結果は、CEOのジョン・ケッチャムによれば「継続的な堅実な財務・運用実績」を示すという。

一方、NextEra Energyが所有するフロリダ・パワー＆ライト・カンパニー（FPL）は、純利益12.9億ドル、資本支出20億ドル、規制資本支出は前年同期比9.5％増加した。ハリケーン・ヘレーネとミルトンの影響を受けたフロリダの顧客について、ケッチャムはFPLの「ハードニングとスマートグリッド技術への投資により、数十万件の停電を防止した」と述べた。

現在、NextEra Energy Resourcesは、2四半期連続で約3ギガワットの新規再生可能エネルギーおよび貯蔵プロジェクトを受注バックログに追加した。また、2025年までに合計10.5ギガワットに達する再生可能エネルギーと貯蔵プロジェクト開発のため、フォーチュン50の顧客2社と契約を締結した。

“当社の事業の継続的な強力なパフォーマンスと、規模、経験、技術により、電力需要の増加が当セクターにもたらす機会を活かすことができる。”

– ケッチャム、NextEra Energy CEO

先週、同社は主要金融機関（ゴールドマン・サックス、J.P.モルガン、みずほ）に対し、15億ドル相当の株式ユニットを売却する契約を締結した。調達資金はAI関連エネルギー・電力プロジェクトへの投資と、未払いのコマーシャルペーパー債務の返済に使用される。

AI熱がAIデータセンターの電力需要を高め、同社が再生可能エネルギー事業の拡大に注力する中、NextEra Energyはアイオワ州のデュエン・アーノルド原子力発電所の再稼働について、連邦規制当局と研究・協議を進めている。

2. Enphase Energy, Inc. (ENPH )

太陽光インバータと貯蔵に特化するEnphase Energyは、商業的に実現可能であれば、エネルギーレジリエンスと効率を向上させる革新的な分子貯蔵へ拡大する可能性もある。

時価総額は118億ドルで、Enphase の株価は現在87.46ドルで取引されており、今年は33.87％下落している。同社のEPS（TTM）は0.44、P/E（TTM）は198.82である。2024年第3四半期の売上高は3億8090万ドル、非GAAP粗利益率は48.1％と報告された。この期間にEnphaseは173万台以上のマイクロインバータと172.9 MWhのバッテリーを出荷した。

マイクロインバータベースの太陽光・バッテリーシステムの世界最大手は、同四半期のフリーキャッシュフローが1億6160万ドルで、現金・現金同等物・有価証券は17億7000万ドルであった。

この期間中、EnphaseはAIベースのソフトウェアを導入し、太陽光と消費予測を電力料金と統合してエネルギー使用を最適化し、消費者の節約を最大化することを目指した。

10月には、同社は選択された国で新しい高出力太陽光パネルをサポートするIQ8™マイクロインバータの出荷を開始し、米国の特定州でグリッドサービスプログラム（バーチャルパワープラント）へのサポートを拡大し、オーストラリアで標準住宅保証が25年と最長のIQ8Xマイクロインバータを発売した。

その2か月前には、同社は史上最も強力なEnphase Energy Systemを発表し、カリフォルニア州で既存のネットエネルギーメータリング（NEM）太陽エネルギーシステムをペナルティなしで拡張するソリューションを公表し、IQ EV充電器向けのNACSコネクタを導入し、欧州の選択国で新しい高出力太陽光モジュールをサポートするIQ8マイクロインバータを出荷した。また、オランダで動的電力料金とサードパーティのEV充電器・ヒートポンプ統合を可能にするIQエネルギーマネジメントを導入した。

同社は現在、欧州市場向けに第2世代IQ® EV充電器、バックアップ機能付き3相IQバッテリー、IQ®バルコニーソーラーキットの発売準備を進めており、米国では第4世代エネルギーシステム（IQ®メーターカラー、10kWh IQバッテリー、強化版IQ®コンバイナー搭載）が来年初頭にデビューする予定である。

全体として、Enphaseの欧州での売上は第2四半期から15％減少したが、これは「欧州需要のさらなる軟化」に起因している。一方、在庫が正常水準に戻ったことで米国の売上は前期比43％増加した。

結論

再生可能エネルギーへの世界的な推進の中で、太陽光発電はクリーンで豊富なソリューションを提供する主要なプレーヤーとして浮上している。しかし、コストやより効率的なソリューションの欠如、インフラ不足などが、世界的な導入を阻んでいる。

分子太陽貯蔵から有機太陽電池のイノベーションに至る最近の進展は、太陽エネルギーの効率を大幅に向上させ、厳しい条件下でも世界の電力需要を満たす可能性を提供し、持続可能な未来への道を切り開く大きな可能性を秘めている。

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