熱エネルギー貯蔵

蒸気蓄熱器は、断熱された鋼製圧力タンクに加圧された温水と蒸気を貯蔵する装置です。蓄熱装置として、変動する熱需要から変動する熱源または定常熱源による熱生成を調整するために使用されます。蒸気蓄熱器は、太陽熱エネルギープロジェクトにおけるエネルギー貯蔵において重要な役割を果たす可能性があります。

蓄熱タンクは世界中で使用されており、主に地域暖房ネットワークが確立されている地域や、集光型太陽熱発電を利用する日照量の多い地域で使用されています。これらのタンクは、季節暖房から再生可能エネルギーグリッドのバランス調整まで、住宅、商業、産業用途に使用されています。これは、利点と欠点の両方がある顕熱蓄熱装置の一例です。^{[ 10 ]}

水は4.2 kJ/(kg⋅K)と最も高い熱容量を持つ物質の一つです。北欧諸国では、数日分の熱を蓄え、熱と電力の生産を分離し、ピーク需要に対応するために、主に温水貯蔵タンクなどの大型貯蔵施設が広く利用されています。一部の都市では、地域暖房ポンプの熱源として、太陽光発電で加熱された断熱池を使用しています。 ^{[ 11 ]}洞窟でのセッション間貯蔵も調査されており、経済的であると考えられています^{[ 12 ]} 。フィンランドでは暖房において重要な役割を果たしています。エネルギー生産会社Helen Oyは、11.6 GWhの容量と120 MWの熱出力を推定しています。 ムスティッカマーの下にある260,000 m ^3の貯水槽（満水または最大容量で4日間で排出）は、2021年から稼働し、生産/需要のピーク日を相殺します。^{[ 13 ]}30万 平方メートル^の岩窟 クルーヌヴオレンランタ（ラーヤサロ近郊）の海面下50mの地点は、夏に暖かい海水から熱を蓄え、冬に地域暖房のために放出するために2018年に指定された。^{[ 14 ]} 2024年には、ヴァンター市のエネルギー供給会社が、110万立方メートル（3900万立方フィート）を超える規模と90GWhの容量を持つ地下蓄熱施設の建設を委託し、2028年に稼働開始予定であることが発表された。 ^{[ 15 ]}  

溶融塩の顕熱は、高温での太陽エネルギーの貯蔵にも利用され、^{[ 16 ]}溶融塩技術または溶融塩エネルギー貯蔵 (MSES) と呼ばれています。溶融塩は、熱エネルギーを保持するための熱エネルギー貯蔵方法として使用できます。現在、これは集光型太陽光発電(例えば、ソーラーパワータワーやソーラートラフ) で収集した熱を貯蔵するための商業的に使用されている技術です。この熱は、後で過熱蒸気に変換して従来の蒸気タービンを駆動し、後で発電することができます。これは、 1995 年から 1999 年にかけてのSolar Twoプロジェクトで実証されました。2006 年の推定では、年間効率が 99% と予測されました。これは、熱を直接電気に変換する場合と比較して、熱を電気に変換する前に貯蔵することによって保持されるエネルギーを指します。^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}さまざまな塩のさまざまな共晶混合物が使用されます (例えば、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、硝酸カルシウム)。このようなシステムは、化学産業や金属産業における非太陽光発電用途において、熱輸送流体として利用された実績がある。

塩は131 °C (268 °F)で溶けます。断熱された「低温」貯蔵タンク内で288 °C (550 °F)で液体に保たれます。液体の塩は太陽集熱器のパネルにポンプで送られ、集光された太陽光によって566 °C (1,051 °F)まで加熱されます。その後、高温貯蔵タンクに送られます。タンクを適切に断熱すれば、熱エネルギーを最大 1 週間有効に貯蔵できます。^{[ 20 ]}電力が必要な場合は、高温の溶融塩を従来の蒸気発生器にポンプで送り、石炭、石油、または原子力発電所で使用される従来のタービン/発電機セットを駆動するための過熱蒸気を生成します。この設計で 100 メガワットのタービンを4 時間駆動するには、高さ約9.1 メートル (30フィート) 、直径24 メートル (79フィート)のタンクが必要になります。        

冷たい溶融塩と熱い溶融塩を分離する仕切り板を備えた単一タンクが開発中である。^{[ 21 ]}溶融塩貯蔵タンクは構造が複雑なため高価であり、二重タンクシステムに比べて単位体積あたりの蓄熱量が100%増加するため、より経済的である。相変化材料（PCM）も溶融塩エネルギー貯蔵に使用されており、^{[ 22 ]}高多孔性マトリックスを使用して形状安定化PCMを得るための研究が進行中である。^{[ 23 ]}

ほとんどの太陽熱発電所はこの熱エネルギー貯蔵の概念を採用しています。米国のソラナ発電所は、溶融塩に6時間分の発電容量を貯蔵できます。2013年の夏、スペインのヘマソラール太陽熱発電所（タワー型/溶融塩型）は、36日間連続で24時間発電するという初の快挙を達成しました。^{[ 24 ]} 2021年6月に開設されたセロ・ドミナドール太陽熱発電所は、17.5時間の熱貯蔵能力を備えています。^{[ 25 ]}

固体または溶融シリコンは、塩よりもはるかに高い貯蔵温度を提供し、その結果、容量と効率が大きくなります。よりエネルギー効率の高い貯蔵技術として研究されています。シリコンは、1400  °C で 1 立方メートルあたり 1 MWh を超えるエネルギーを貯蔵できます。さらに、同じ目的で使用される塩と比較して、シリコンは相対的に豊富であるという利点もあります。^{[ 26 ] [ 27 ]}

高温シリコン蓄熱技術は、極めて高い温度（約1400～2000  ℃）で大量の熱エネルギーを蓄えることができる。これは、白熱した溶融シリコンを利用して、太陽エネルギーや風力発電などの周辺の再生可能エネルギー源から生成された余剰電力を蓄えることによって利用される。このシステムは、他の顕熱蓄熱オプションと比較して、効率的で低コストかつ長期間のエネルギー貯蔵を可能にする。^{[ 28 ]}

熱エネルギーを蓄えることができるもう一つの媒体は、溶融（リサイクル）アルミニウムです。この技術はスウェーデンの企業Azelioによって開発されました。材料は600℃まで加熱されます。必要なときに、熱伝達流体を用いてスターリングエンジン にエネルギーが供給されます。

溶融アルミニウムは、まだ克服されていないいくつかの欠点があるため、エネルギー貯蔵に広く使用されていません。これには、溶融アルミニウムの反応性や、アルミニウムの凝固の取り扱いに伴う課題が含まれます。しかし、アルミニウムの熱貯蔵はエネルギー密度が高いため、その利用方法についての研究が続けられています。これらのアルミニウムベースの貯蔵技術は、成長し、太陽光や風力などの再生可能エネルギー源をグリッドに統合する可能性を秘めています。これらのエネルギー貯蔵技術は、損失を最小限に抑えた長期貯蔵の有望な候補です。^{[ 28 ]}

岩石、砂、コンクリートの熱容量は水の約3分の1です。一方、コンクリートは 電気加熱などによってはるかに高い温度（1200℃）まで加熱できるため、体積容量ははるかに大きくなります。したがって、以下の例では、約2.8  m ^{3 は}、1 軒の住宅の暖房需要の 50% を満たすのに十分な蓄熱容量を提供するように思われる。電気暖房は高温に達することができるため、原理的には、余剰の風力または太陽熱を蓄えるために使用できる。近隣レベルでは、ドイツ南部フリードリヒスハーフェンのヴィッゲンハウゼン南太陽光発電開発が国際的な注目を集めている。これは、12,000  m ³ (420,000  ft ³ ) 鉄筋コンクリート製蓄熱庫4,300  m ² (46,000  ft ² ) の太陽熱集熱器は、570 戸の住宅に暖房と温水の約 50% を供給する予定です。シーメンス・ガメサは、ハンブルク近郊に玄武岩で750 °C 、1.5 MW の電力出力を持つ 130  MWh の蓄熱システムを建設しました。 ^{[ 29 ] [ 30 ]}デンマークのソローにも同様のシステムが計画されており、蓄えられた 18 MWh の熱の 41〜58% が町の地域暖房に、30〜41% が電力として返送される予定でしたが、保持されませんでした。^{[ 31 ]}   

熱岩やコンクリートの使用における欠点は、どちらも水の約3分の1の熱容量しか持たないため、同じ量のエネルギーを蓄えるにははるかに大きな体積の固体材料が必要となり、限られたスペースしかない貯蔵エリアには適さないことです。また、これらの材料の課題は、実装とメンテナンスにも関係しています。これらの材料では、時間の経過とともに熱損失が避けられず、材料の劣化や初期費用の高さなどから、使用を検討する必要が生じます。統合の難しさに関連して、貯蔵と熱源を分配システムに接続するための複雑な設計が必要となります。^{[ 10 ]}

2022年に発表された「ブリックトースター」は、最高1,500  ℃（2,732  °F）で動作する革新的な蓄熱器です。^{[ 32 ]}

ポーラーナイトエナジーはフィンランドに砂の塊に熱を蓄える蓄熱電池を設置しました。これにより、地域の暖房ネットワークからの二酸化炭素排出量を最大70%削減できると見込まれています。 高さは約42フィート（13メートル）、 幅は約50フィート（15メートル）です。100 MWhを蓄えることができ、往復効率は90%です。温度は1,112  °F（600  °C）に達します。熱伝達媒体は空気で、752  °F（400 °C）まで温度を上げることができ、工業プロセス用の蒸気を生成したり、熱交換器 を使用して地域暖房に供給したりできます。

研究では、焼結ボーキサイトプロパントを蓄熱材として評価し、1000  ℃まで加熱している。この材料は、プラズマ溶射アルミナおよびムライト、アルミナ繊維強化/アルミナマトリックス、ムライト繊維強化/ムライトセラミックマトリックス複合材と比較試験された。これら4つの材料は、太陽熱受光器、輸送管、貯蔵タンクとしての有用性から検討された。^{[ 33 ]}

混和性ギャップ合金^{[ 35 ]}は、金属材料の相変化（潜熱を参照）を利用して熱エネルギーを蓄える。^{[ 36 ]}

溶融塩システムのように液体金属をタンク間でポンプで送るのではなく、金属は合金化できない（混和しない ）別の金属材料でカプセル化される。選択される2つの材料（相変化材料とカプセル化材料）に応じて、貯蔵密度は0.2～2 MJ/Lとなる。

作動流体（通常は水または蒸気）は、システムへの熱の出入りに使用されます。混和ギャップ合金の熱伝導率は、競合技術^{[ 37 ]} よりも高い場合が多く（最大400 W/(m⋅K)）、これは蓄熱の「充電」と「放電」がより迅速に行えることを意味します。この技術はまだ大規模には実装されていません。

しかし、混和性ギャップ合金技術は主にオーストラリアで導入されている。これはニューカッスル大学の研究者によって開発され、MGA Thermal社によって市場に投入されている。^{[ 38 ]}この技術の応用は世界の他の地域でも徐々に現れ始めており、例えばスイスの商業パートナーと共同で計画されているヨーロッパの実証プラントでは、再生可能エネルギーを貯蔵し、クリーンな電力を供給する予定である。^{[ 39 ]}

オフピーク時に氷を生成し、後で冷却に使用するいくつかのアプリケーションが開発されています。^{[ 40 ] [ 41 ]}例えば、夜間に低コストの電力を使用して水を凍らせて氷にし、午後に氷の冷却能力を使用して空調需要に対応するために必要な電力を削減することで、より経済的に空調を提供できます。氷を使用した熱エネルギー貯蔵は、水の大きな融解熱を利用します。歴史的に、氷は冷却剤として使用するために山から都市に運ばれていました。1メトリックトンの水（=1立方メートル）は、3億3400万ジュール（MJ）または31万7000 BTU（93 kWh）を貯蔵できます。比較的小さな貯蔵施設は、大きな建物を1日または1週間冷却するのに十分な氷を貯蔵できます。  

現在、氷蓄熱式空調は世界中で使用されており、米国では主にホテル、商業ビル、大学などで広く利用されています。その他の使用場所は中国で、特に深センの公共施設で使用されています。その他、日本、トルコ、マレーシアでも使用されていますが、あまり目立ちません（Song et al.）。この技術は、冷房需要が高い地域や、電気​​料金が安い時間帯が明確に区別できる地域で効果的であり、低価格はこの点に依存しています。これにより、主に低価格の時間帯に冷熱エネルギーを蓄え、需要の高い時間帯に使用することができます。^{[ 42 ]}

この冷熱エネルギー貯蔵技術の欠点としては、初期費用が高いことや、大型貯蔵タンクのために広い設置スペースが必要となることが挙げられる。また、製氷のためにチラーが低温で稼働するため、エネルギー効率が低下する可能性もある。^{[ 42 ]}

氷は直接冷却用途だけでなく、ヒートポンプ式暖房システムにも利用されています。これらの用途では、相変化エネルギーによって、水源ヒートポンプが動作可能な温度範囲の下限付近で非常に大きな熱容量層が提供されます。これにより、システムは最も高い暖房負荷条件下でも安定して稼働でき、熱源要素がシステムに熱を供給できる期間を延長することができます。

極低温エネルギー貯蔵は、空気または窒素の液化をエネルギー貯蔵手段として利用する。

液体空気をエネルギー貯蔵庫として使用し、低品位廃熱を空気の熱膨張の駆動に利用する極低温エネルギーシステムの試験運用が、 2010年に英国スラウの発電所で行われた。 ^{[ 43 ]}

極低温エネルギー貯蔵は、場所を選ばずに利用できるため、エネルギー利用の良い選択肢です。これらの容器を保管するために必要なスペースさえあれば、構築は可能です。このエネルギー貯蔵は、長期間の貯蔵が可能であることも知られていますが、スタンドアロンシステムの場合はコストが高くなります。これは、無毒物質の液化プロセスには不可欠な高エネルギー入力が必要であることを考えると理にかなっています。^{[ 44 ]}

吸着プロセスもこのカテゴリーに分類されます。これは熱エネルギーの貯蔵だけでなく、空気中の湿度制御にも利用できます。ゼオライト（微細多孔質結晶性アルミナケイ酸塩）やシリカゲルは、この目的に最適です。高温多湿の環境では、この技術は塩化リチウムと組み合わせて水を冷却するためによく用いられます。

リンデ13Xなどの合成ゼオライトは、低コスト（200ドル/トン）かつ高サイクルレート（2,000回）で、水吸着性を持つため、近年、熱エネルギー貯蔵（TES）、特​​に低品位太陽熱や廃熱の貯蔵に利用されることから、学術界および商業界で大きな注目を集めている。EUでは、2000年から現在（2020年）にかけて、いくつかのパイロットプロジェクトが資金提供を受けている。基本的な概念は、太陽熱エネルギーを化学潜熱としてゼオライトに貯蔵することである。通常、平板型太陽熱集熱器からの高温乾燥空気をゼオライト層に通し、存在する水吸着性物質を蒸発させる。貯蔵は、ゼオライトの体積と太陽熱パネルの面積に応じて、日単位、週単位、月単位、あるいは季節単位で行うことができる。夜間、日照のない時間帯、または冬季に熱が必要な場合は、加湿された空気をゼオライトに通す。ゼオライトが湿度を吸着すると、熱が空気中に放出され、その後、建物空間に放出される。ゼオライトを特に使用したこの形式のTESは、1978年にゲラによって初めて教えられました。^{[ 45 ]}溶融塩やその他の高温TESに対する利点としては、(1)必要な温度は太陽熱平板集熱器に典型的な停滞温度のみであること、(2)ゼオライトが乾燥状態に保たれている限り、エネルギーは無期限に貯蔵されることが挙げられます。低温であること、およびエネルギーが吸着潜熱として貯蔵されるため、溶融塩貯蔵システムの断熱要件が不要になることから、コストは大幅に低くなります。

太陽熱暖房および蓄熱システムの欠点としては、他の熱エネルギーシステムと比較してエネルギー密度が低いこと、また吸収床と呼ばれるシステム内でのエネルギー伝達プロセスが比較的遅いことが挙げられます。さらに、最高の性能を維持するためには、システムの制御を頻繁にメンテナンスする必要があります。これらの制御は、運転条件を変化させる可能性のある湿度、温度、気流などの要素を管理します。^{[ 10 ]}

化学反応エネルギーに基づく実験的な蓄熱システムの一例として、塩水和技術が挙げられます。このシステムは、塩が水和または脱水される際に発生する反応エネルギーを利用します。50%水酸化ナトリウム（NaOH）溶液を含む容器に熱を蓄えることで機能します。熱（例えば、太陽熱集熱器の使用によるもの）は、吸熱反応で水を蒸発させることによって蓄えられます。再び水を加えると、50  ℃（120  °F）で発熱反応により熱が放出されます。現在のシステムの効率は60%です。このシステムは、乾燥した塩を室温で長期間保管でき、エネルギー損失がないため、季節的な熱エネルギー貯蔵に特に有利です。脱水された塩が入った容器は、別の場所に輸送することもできます。このシステムは、水に蓄えられた熱よりもエネルギー密度が高く、システムの容量は数ヶ月から数年にわたってエネルギーを貯蔵するように設計できます。^{[ 46 ]}

2013年、オランダの技術開発企業TNOは、塩容器に熱を蓄えるMERITSプロジェクトの成果を発表した。屋上の太陽熱集熱器から得られる熱は、塩に含まれる水を押し出す。水が再び加えられると、熱が放出され、エネルギー損失はほとんどない。数立方メートルの塩が入った容器には、冬の間ずっと家を暖めるのに十分な熱化学エネルギーを蓄えることができる。オランダのような温暖な気候では、平均的な低エネルギー世帯は冬に約6.7 GJを必要とする。このエネルギーを水に蓄えるには（70  ℃の温度差で）、23  m ^3の 断熱された貯水タンクが必要となり、ほとんどの世帯の貯蔵能力を超えてしまう。貯蔵密度が約1 GJ/m ³の塩水和物技術を使用すれば、4～8  m ³で十分かもしれない。^{[ 47 ]}

2016年現在、複数の国の研究者が最適な塩の種類、または塩の混合物を決定するための実験を行っています。容器内の低圧はエネルギー輸送に有利であるようです。^{[ 48 ]}特に有望なのは、いわゆるイオン液体と呼ばれる有機塩です。リチウムハロゲン化物ベースの吸着剤と比較すると、限られた地球資源の観点から問題が少なく、他のほとんどのハロゲン化物や水酸化ナトリウム（NaOH）と比較すると腐食性が低く、 _CO2汚染による悪影響もありません。^{[ 49 ]}

塩には多くの利点がある一方で、塩水和技術には多くの欠点もあります。これは、有機塩やイオン液体の使用は、大規模用途における長期安定性と費用対効果の面で有望であるものの、塩化カリウムなどの塩の腐食性のため、特殊で高価な耐腐食性材料の使用が必要となるためです。また、塩は水和および脱水段階で結晶化し、反応性を低下させ、最終的にはシステム全体を劣化させるため、これもまた塩の欠点の一つです。この技術は、より広く使用されるようになるために、現在もさらなる評価を受けています。^{[ 50 ]}

分子結合にエネルギーを蓄える研究が進められている。リチウムイオン電池と同等のエネルギー密度が達成されている。^{[ 51 ]}これはDSPEC（無感作光電気合成セル）によって実現された。これは、日中にソーラーパネルで得られたエネルギーを夜間（あるいはそれ以降）に使用できるように蓄えることができるセルである。これは、よく知られている自然界の光合成からヒントを得て設計されている。

DSPECは、取得した太陽エネルギーを利用して水分子を構成要素に分解することで水素燃料を生成します。この分解の結果、水素が分離され、酸素が空気中に放出されます。これは実際よりも簡単そうに聞こえます。水分子の4つの電子を分離して別の場所に輸送する必要があるからです。もう一つ難しいのは、分離された2つの水素分子を結合させるプロセスです。

DSPECは分子とナノ粒子の2つの構成要素から成ります。分子は発色団触媒複合体と呼ばれ、太陽光を吸収して触媒を活性化させます。この触媒は電子と水分子を分離します。ナノ粒子は薄い層状に集合しており、1つのナノ粒子には多数の発色団触媒が付着しています。このナノ粒子の薄層の役割は、水から分離された電子を移動させることです。このナノ粒子の薄層は二酸化チタンの層でコーティングされています。このコーティングにより、遊離した電子がより速やかに移動し、水素を生成できるようになります。さらに、このコーティングは保護コーティングで覆われており、発色団触媒とナノ粒子間の結合を強化しています。

この方法を用いると、太陽光パネルから得られた太陽エネルギーは、いわゆる温室効果ガスを放出することなく燃料（水素）に変換されます。この燃料は燃料電池に貯蔵され、後で発電に使用できます。^{[ 52 ]}

電力や熱の生成に太陽エネルギーを貯蔵するもう一つの有望な方法は、分子太陽熱（MOST）です。この手法では、光異性化によって分子を高エネルギー異性体に変換します。光（太陽光）によって一方の異性体が他方の異性体に変換され、この第二の異性体が太陽エネルギーを蓄え、熱トリガーまたは触媒によってエネルギーが放出されるまで（異性体が元の異性体に変換されるまで）そのエネルギーが保持されます。

MOSTの有望な候補の一つはノルボルナジエン（NBD）です。これは、NBDが典型的な形態とクアドリシクラン（QC）光異性体との間に約96  kJ/molという大きなエネルギー差を示すためです。このような系では、ドナー・アクセプター置換によって最長波長吸収を赤方偏移させる効果的な手段が得られます。これにより、太陽光スペクトルとの適合性が向上します。

実用的なMOSTシステムにとっての課題の1つは、十分なエネルギー貯蔵密度（300 kJ/kg以上）を得ることです。もう1つの課題は、可視光領域で光を収集できることです。ドナーおよびアクセプターユニットによるNBDの機能化は、この吸収極大を調整するために使用されます。しかし、この吸収に対するプラスの効果は、分子量の増加によって相殺され、エネルギー密度が低下します。この太陽光吸収に対するプラスの効果は、吸収が赤方偏移するとエネルギー貯蔵時間を短縮します。考えられる解決策は、1つの発色団ユニットを複数のフォトスイッチに結合することです。この場合、二量体または三量体を形成することが有利です。NBDは共通のドナーまたはアクセプターを共有します。

ある研究では、熱変換用の別々の障壁を備えた 2 つの電子的に結合された光スイッチを使用することで、高エネルギー光異性体の安定性を向上させようと試みました。^{[ 53 ]}これにより、最初の異性化 (NBD-NBD から QC-NBD) 後にブルーシフトが発生しました。これにより、2 番目のスイッチングイベント (QC-NBD から QC-QC) の異性化エネルギーが高くなりました。ドナーを共有するもう 1 つの利点は、NBD ユニットあたりの分子量が減少し、エネルギー密度が増加することです。

最終的に、このシステムは光変換の量子収率を最大94%まで達成できる可能性があります。量子収率は光子放出の効率の尺度です。このシステムでは、エネルギー密度が最大559  kJ/kgに達しました。^{[ 53 ]}

2022年、研究者らはMOSTをチップサイズの熱電発電機と組み合わせて発電したと報告した。このシステムは太陽エネルギーを最大18年間貯蔵できると報告されており、再生可能エネルギー貯蔵の選択肢となる可能性がある。^{[ 54 ] [ 55 ]}

2026年に研究者らは、デュワーピリミドンを使用したピリミドンベースのMOSTシステムが、1.6 MJ/kg (444 Wh/kg) のエネルギー密度で複数年の貯蔵を提供できると報告した。^{[ 56 ] [ 57 ]}

蓄熱に用いられる相変化材料は、相変化する温度において、大きな熱容量を蓄え、放出することができる。これらの材料は、用途に応じて選択される。なぜなら、用途によって有用な温度範囲が広く、相変化する温度も多岐にわたるからである。これらの材料には、用途に合わせて特別に設計された塩やワックスなどが含まれる。人工材料に加えて、水も相変化材料である。水の潜熱は334ジュール/グラムである。水の相変化は0  ℃（32  °F）で起こる。

水や氷の熱容量を冷蓄に利用する用途もあれば、蓄熱に利用する用途もあります。どちらの用途にも適しており、氷を溶かして熱を蓄え、再び凍らせて周囲を温めることができます。このように相変化を利用する利点は、一定量の物質が温度変化を起こさずに大量のエネルギーを吸収できることです。したがって、相変化を利用した蓄熱電池は軽量化が可能になり、内部温度を許容範囲を超えて上昇させることなく、より多くのエネルギーを蓄えることができます。

相変化電池に共通する制約は、熱伝導率が低いため、熱の充放電速度が制限されることです。しかし、この技術の最新の進歩は、エネルギー密度とサイクル安定性を向上させることに重点を置いて電池を改良し、用途を拡大することです。これは、相変化材料を電池システムの支持構造に組み込むことによって実現されています。相変化熱電池は、さまざまな用途で効率的な熱エネルギー管理を行うための有望で適応性の高い技術です。^{[ 59 ]}

カプセル化された熱電池は、熱的に加熱または冷却してエネルギーを蓄積または取り出すという点で、相変化熱電池と物理的に類似しています。ただし、非相変化カプセル化熱電池では、相変化を誘発することなく物質の温度が変化します。相変化が不要なため、カプセル化された熱電池に使用できる材料ははるかに多くなります。カプセル化された熱電池の重要な特性の 1 つは、体積比熱容量(VHC)です。これらの熱電池には、水、コンクリート、湿った砂または乾いた砂など、いくつかの物質が使用されます。^{[ 60 ] [ 61 ]}

カプセル化された蓄熱バッテリーの一例として、貯湯タンク付きの家庭用給湯器が挙げられます。^{[ 62 ] [ 63 ]}この蓄熱バッテリーは通常、必要なときにすぐに使用できるよう、約30～60分かけてゆっくりと充電されます（例：10～15分）。多くの電力会社は、給湯器の「蓄熱バッテリー」としての性質を理解し、余剰の再生可能エネルギーを吸収して、後で住宅所有者が使用できるようにするために、給湯器の使用を開始しています。上記の記事^{[ 62 ]}によると、 「電力システム全体では、給湯器1台あたり年間200ドルの純節約が可能であり、その一部は所有者に還元される可能性があります」。

フィンランドのポルナイネンでは、砂や石を使った地域暖房蓄熱システムが稼働しており、1 MW / 100 MWh の蓄熱装置（2,000 トンの石鹸石廃棄物を使用）が余剰電力で充電され、地域の暖房需要を 1 週間賄うことができる。^{[ 64 ]}これは、再生可能な太陽光と風力発電を熱として蓄え、後で地域暖房や将来の発電に利用するために 2022 年に建設されたプロトタイプ 0.1 MW / 8 MWh の砂蓄電池の研究に続くものである。 ^{[ 65 ] [ 66 ]}カナダでは、単一の建物の熱貯蔵も再生可能な太陽光と風力発電を熱として蓄え、後で設置された建物の暖房や給湯に利用する。フィンランドのシステムとは異なり、コンパクトで、低圧ポンプ流体を使用し、複数の建物ではなく 1 つの建物しか暖房できない。コンピュータ サーバー室や堆肥の山などの代替源からの廃熱を取り込んで、後で分配するために蓄えることができる。^{[ 67 ]}

地中熱交換器（GHEX）とは、季節や年間を通して熱エネルギーを蓄えるための蓄熱槽として利用される地中の領域です。これらの蓄熱槽は、熱エネルギーを伝達するためにパイプが敷設された地中の領域です。GHEXにエネルギーを供給するには、パイプ内に高温の流体を流し、地中の温度を上昇させます。同様に、同じパイプ内に低温の流体を流すことで、GHEXからエネルギーを取り出すこともできます。

GHEXは通常、2つの形態で実装されます。上の図は「水平型」GHEXと呼ばれるもので、溝を掘ってパイプを地面に閉じたループ状に配置します。また、地面に垂直または水平にボーリング孔を掘り、そのループの端にU字型の継手を付けてパイプを閉じたループ状に挿入する方法もあります。

GHEXにはいつでも熱エネルギーを追加したり、GHEXから熱エネルギーを取り除いたりすることができます。ただし、GHEXは年間サイクルで動作する季節的な熱エネルギー貯蔵として最もよく使用されます。このサイクルでは、夏季に建物からエネルギーが抽出され、建物を冷やすためにGHEXに追加されます。その後、同じエネルギーが冬季にGHEXから抽出され、建物を暖めます。このエネルギーの追加と除去の年間サイクルは、対象となる建物のエネルギーモデリングに基づいて非常に予測可能です。このモードで使用される熱電池は、冬に抽出されたエネルギーが次の夏にGHEXに復元され、継続的に繰り返されるサイクルとなるため、再生可能エネルギー源です。このタイプは、夏季に太陽からの熱が建物から取り除かれ、次の冬季の暖房に使用するために地中に蓄えられるため、太陽光発電です。GHEX熱電池の熱伝導率と熱容量/拡散率を特徴付けるために使用される熱応答テストの主な方法は2つあります。対数時間1次元曲線フィッティング^{[ 68 ]}と、新しくリリースされた高度な熱応答テストです。^{[ 69 ] [ 70 ]}

GHEX 蓄熱バッテリーの年間サイクル特性の良い例は、ASHRAE の建物研究で見ることができます。^{[ 71 ]}「日付ごとの地中ループと外気温度」のグラフ (図 2-7) で示されているように、冬には季節的に地中から熱が抽出され、夏には地中に放出されるため、地中温度の年間サイクルの正弦波形状が容易にわかります。これにより、ある季節に地中の「熱電荷」が生成され、それが次の季節まで中性から反対方向に駆動されることなく電荷が除去されません。意図的に井戸の熱パターンを利用するその他の高度な地中蓄熱バッテリーの例は、現在研究および初期使用段階にあります。GHEXは、熱エネルギーネットワークおよびネットワーク化された地熱で一般的に使用されています。

垂直地中蓄熱電池は、特に岩盤上の表土層において、地中に垂直に伸びる完全に埋設されたタンクと組み合わせた、大口径の地中熱交換器（GHEX）の新しい形態です。垂直蓄熱電池の形態は、オークリッジ国立研究所の熱エネルギー貯蔵研究グループによって最初に開発されました。^{[ 72 ]}この形態のTESは、地下水位が高い地域で特に価値があり、TESタンクをタンク周辺のより広い領域に効果的に結合することで、蓄熱効率が向上します。この形態の蓄熱電池は、熱エネルギーネットワークに役立つと期待されています。

防衛産業では、溶融塩一次 電池は「熱電池」と呼ばれています。これらは、イオン性金属塩（塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化リチウム、臭化物など）の低融点共晶混合物を電解質として使用する非充電式電気電池で、塩は固体の状態で製造されます。塩が固体のままである限り、電池は最大50年の長い保存寿命を持ちます。^{[ 73 ]}一度活性化（通常は火工品熱源による）して電解質が溶融すると、高いエネルギー密度と出力密度で非常に信頼性が高くなります。これらは、小型から大型の誘導ミサイルや核兵器などの軍事用途に広く使用されています。

歴史的に「熱電池」と呼ばれてきたものには、スキーヤーが手足を温めるために使用する蓄熱式カイロ（ハンドウォーマー参照）などがあります。これらは、酸素を含まない塩水で湿らせた鉄粉を含んでおり、空気に触れると数時間かけて急速に腐食し、熱を放出します。瞬間冷却パックは、特定の化合物の溶解熱を吸収するなど、非化学的な相変化によって熱を吸収します。

これらの他の熱電池に共通する原理は、関与する反応が可逆的ではないということである。したがって、これらの電池は熱エネルギーの貯蔵や取り出しには使用されない。