熱エネルギー貯蔵

熱エネルギー貯蔵（TES）は、熱エネルギーを貯蔵して後で再利用するものである。多種多様な技術を採用し、余剰熱エネルギーを数時間、数日、または数か月間貯蔵することができる。貯蔵と使用の規模は、小規模から大規模まで、個々のプロセスから地区、町、または地域までさまざまである。使用例としては、昼間と夜間のエネルギー需要のバランスをとること、夏の熱を冬の暖房用に貯蔵すること、または冬の冷気を夏の冷房用に貯蔵すること（季節熱エネルギー貯蔵）などがある。貯蔵媒体には、水または氷スラッシュタンク、ボーリング孔を介して熱交換器でアクセスする天然の土塊または岩盤、不浸透性地層に挟まれた深層帯水層、上部が断熱された砂利と水で満たされた浅いライニングピット、ならびに共晶溶液および相変化材料がある。^[4]

蓄熱用のその他の熱エネルギー源としては、ピーク時以外の低コストの電力からヒートポンプで生成される熱や冷気（ピークシェービングと呼ばれる方法）、熱電併給（CHP）発電所からの熱、電力網の需要を超える再生可能電力によって生成される熱、産業プロセスからの廃熱などがあります。季節的および短期的な熱貯蔵は、変動する再生可能電力生産の高い割合を安価に調整し、再生可能エネルギーでほぼまたは完全に供給されるエネルギーシステムにおける電力および暖房部門を統合するための重要な手段と考えられています。^{[5] [6] [7] [8]}

さまざまな種類の熱エネルギー貯蔵は、顕熱、潜熱、熱化学蓄熱の 3 つのカテゴリに分類できます。それぞれに異なる利点と欠点があり、それによって用途が決まります。

顕熱蓄熱 (SHS) は最も簡単な方法です。これは単に、ある媒体の温度を上げるか下げるかすることを意味します。このタイプの蓄熱は 3 つの方法の中で最も商業的に普及していますが、他の技術はあまり開発されていません。

材料は一般的に安価で安全です。最も安価で一般的に使用されているオプションの 1 つは水タンクですが、溶融塩や金属などの材料はより高温に加熱できるため、より高い貯蔵容量を提供します。エネルギーは地下 (UTES) に貯蔵することもできます。地下タンクまたはパイプ システムを流れる何らかの熱伝達流体 (HTF) に貯蔵し、パイプ システムは U 字型 (ボーリング ホール) に垂直に配置するか、溝に水平に配置します。さらに別のシステムは、充填床 (またはペブル ベッド) 貯蔵ユニットとして知られており、このシステムでは、通常は空気である流体が緩く詰められた材料 (通常は岩、小石、またはセラミック レンガ) の層を流れ、熱を加えたり取り出したりします。

SHSの欠点は、貯蔵媒体の特性に依存することである。貯蔵容量は貯蔵材料の比熱容量によって制限され、一定温度でエネルギー抽出を確実に行うにはシステムを適切に設計する必要がある。^[9]

溶融塩の顕熱は、太陽エネルギーを高温で貯蔵するためにも使用され、^[10]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、集光型太陽熱発電（ソーラータワーまたはソーラートラフなど）によって収集され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。熱は後で過熱蒸気に変換され、従来の蒸気タービンを駆動し、後で電気を生成することができます。これは、 1995年から1999年にかけて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％と予測されていました。これは、熱を電気に変換する前に蓄えることによって保持されるエネルギーと、熱を直接電気に変換することとを比較したものです。^{[11] [12] [13]}さまざまな塩の共晶混合物が使用されています（例：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の経験は、化学および金属産業における熱輸送流体としての非太陽光用途で存在します。

塩は131℃（268℉）で溶ける。断熱された「冷たい」貯蔵タンクで288℃（550℉）で液体に保たれる。液体の塩は太陽熱集熱器のパネルを通してポンプで送られ、そこで集光された太陽光によって566℃（1,051℉）まで加熱される。その後、高温貯蔵タンクに送られる。タンクを適切に断熱すれば、熱エネルギーは最大1週間有効に貯蔵できる。^[14]電力が必要な場合、高温の溶融塩は従来の蒸気発生器にポンプで送られ、石炭、石油、原子力発電所で使用されている従来のタービン/発電機セットを駆動するための過熱蒸気を生成する。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る。

冷たい溶融塩と熱い溶融塩を分ける仕切り板を備えた単一のタンクが開発中である。^[15]溶融塩貯蔵タンクは構造が複雑なためコストがかかるため、二重タンクシステムよりも単位容積あたりの蓄熱量が100%増加し、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、^[16]高多孔性マトリックスを使用して形状を安定化したPCMを得るための研究が進行中である。^[17]

ほとんどの太陽熱発電所は、この熱エネルギー貯蔵のコンセプトを採用しています。米国のソラナ発電所は、 6時間分の発電能力を溶融塩に貯蔵できます。2013年の夏、スペインのジェマソラー・サーモソラー太陽光発電タワー/溶融塩発電所は、36日間、1日24時間連続で発電するという初の成果を達成しました。^[18] 2021年6月に開設されたセロ・ドミナードル太陽熱発電所は、17.5時間の熱貯蔵が可能です。^[19]

蒸気アキュムレータは、圧力がかかった温水と蒸気を含む断熱鋼製圧力タンクで構成されています。蓄熱装置として、可変熱需要から可変または定常熱源による熱生成を仲介するために使用されます。蒸気アキュムレータは、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重要な役割を果たす可能性があります。

北欧諸国では、主に温水貯蔵タンクである大型貯蔵庫が、数日分の熱を貯蔵し、熱と電力の生産を切り離し、ピーク需要に対応するために広く使用されている。一部の町では、地域暖房ポンプの熱源として、太陽熱で温められた断熱池を 使用している。^[20]洞窟でのインターセッション貯蔵は調査されており、経済的であるようで^{[21] 、}フィンランドでは暖房に重要な役割を果たしている。エネルギー生産者のヘレン・オイは、その発電所の容量を11.6 GWh、熱出力を120 MWと見積もっている。ムスティカマー地下の26万立方メートル^の貯水槽（満水または満水時は4日で排出）は、2021年から稼働し、ピーク時の生産/需要を相殺する。[ ^22]300,000 m ^{3 の}岩の洞窟2018年には、クルヌヴオレンランタ（ラヤサロ近郊）の海面下50メートルに、夏に暖かい海水の熱を蓄え、冬に地域暖房用に放出する地下熱貯蔵施設が指定されました。^{[23] 2024年には、}ヴァンター市のエネルギー供給業者が、110万立方メートル（3900万立方フィート）を超える規模、90GWhの容量の地下熱貯蔵施設の建設を委託し、2028年に稼働する予定であることが発表されました。^[24]

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、より大きな容量と効率を提供します。これは、よりエネルギー効率の高い貯蔵技術の可能性として研究されています。シリコンは、1400℃で1立方メートルあたり1MWh以上の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、シリコンが比較的豊富であるという利点もあります。^{[25] [26]}

熱エネルギーを蓄えることができるもう 1 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 Azelio 社によって開発されました。材料は 600 °C に加熱されます。必要なときに、エネルギーは熱伝達流体を使用して スターリング エンジンに送られます。

顕熱蓄熱材として油を使用することは、特に中温から高温の​​用途において、熱エネルギーを蓄える効果的な方法です。温度範囲と熱エネルギー貯蔵システムの特定の要件に基づいて、さまざまな種類の油が使用されます。鉱油、合成油は最近では、再生可能で生分解性であるため、植物油が注目を集めています。^{[27] [28]}特定の用途の油を選択するには、多くの基準が使用されます。高いエネルギー貯蔵容量と比熱容量、高い熱伝導率、高い化学的および物理的安定性、低い膨張係数、低コスト、入手しやすさ、低腐食性、複合材料との適合性、環境問題が少ないなどです。^[29]低コストまたは費用対効果の高い熱油の選択に関しては、取得または購入コストだけでなく、運用コストと交換コスト、さらには最終処分コストも考慮することが重要です。最初は高価だった油でも、熱安定性が高く、交換頻度が減れば、長期的には費用対効果が高くなる可能性があります。^[29]

水は4.2 kJ/(kg⋅K)と最も高い熱容量を持つ一方、コンクリートはその3分の1程度です。一方、コンクリートは電気加熱などによりはるかに高い温度(1200 °C)まで加熱できるため、全体の容積容量がはるかに高くなります。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貯蔵容量であると思われます。これは、電気暖房が高温に達する能力があるため、原理的には余剰の風熱や太陽熱を貯蔵するために使用できます。近隣レベルでは、ドイツ南部のフリードリヒスハーフェンにあるヴィッゲンハウゼン・ズードの太陽光発電開発が国際的な注目を集めています。これは、12,000 m ³（420,000立方フィート）の鉄筋コンクリート蓄熱施設と4,300 m ²（46,000平方フィートの太陽熱集熱器を設置し、570戸の住宅に暖房と温水の約50％を供給する。シーメンス・ガメサはハンブルク近郊に750℃の玄武岩と1.5MWの電力出力を持つ130MWhの熱貯蔵庫を建設した。 ^{[30] [31]}同様のシステムがデンマークのソロでも計画されており、貯蔵された18MWhの熱の41～58％が町の地域暖房に返され、30～41％が電力として返される。^[32]

「ブリックトースター」は、最近（2022年8月）発表された、最高1,500℃（2,732℉）で稼働する革​​新的な熱貯蔵庫で、製造元のTitan Cement/Rondo社は、これにより世界のCO
₂15年間で生産量を15％増加させる。^[33]

潜熱蓄熱 (LHS) は相転移と関連しているため、関連する媒体の一般的な用語は相変化材料 (PCM) です。これらの転移中は、材料の温度に影響を与えることなく熱を加えたり抽出したりできるため、SHS 技術よりも優れています。蓄熱容量も高くなることがよくあります。

塩、ポリマー、ゲル、パラフィンワックス、金属合金、半導体金属合金など、さまざまなPCMが利用可能であり、^[34]それぞれが異なる特性を持っています。これにより、よりターゲット指向のシステム設計が可能になります。プロセスはPCMの融点で等温であるため、材料を選択して必要な温度範囲にすることができます。望ましい品質には、高い潜熱と熱伝導率が含まれます。さらに、相転移中の体積変化が小さければ、ストレージユニットをよりコンパクトにすることができます。

PCM はさらに有機、無機、共晶材料に細分されます。有機 PCM と比較すると、無機材料は燃えにくく、安価で、入手しやすいです。また、貯蔵容量と熱伝導率も高くなります。一方、有機 PCM は腐食性が低く、相分離しにくいです。共晶材料は混合物であるため、特定の特性を得るための調整が容易ですが、潜熱容量と比熱容量は低くなります。

LHSにおけるもう一つの重要な要素はPCMのカプセル化です。材料によっては、他の材料よりも侵食や漏れが発生しやすいものがあります。不必要な熱損失を避けるために、システムを慎重に設計する必要があります。^[9]

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

溶融塩システムのようにタンク間で液体金属を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）別の金属材料に封入されます。選択した 2 つの材料（相変化材料と封入材料）に応じて、貯蔵密度は 0.2 ～ 2 MJ/L になります。

作動流体（通常は水または蒸気）は、熱をシステム内外に伝達するために使用されます。 ミシビリティギャップ合金の熱伝導率は、競合技術^[37]よりも高い（最大400 W /（m⋅K））ことが多く、これは蓄熱の「充電」と「放電」がより迅速に可能であることを意味します。この技術はまだ大規模に実装されていません。

オフピーク時に氷を製造し、後で冷却に使用するアプリケーションがいくつか開発されています。^{[38] [39]}たとえば、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を処理するために必要な電力を削減することで、エアコンをより経済的に提供できます。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輸送されました。1メートルトンの水（= 1立方メートル）は、3億3400万ジュール（MJ）または317,000  BTU （93 kWh）を貯蔵できます。比較的小さな貯蔵施設でも、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保管できます。

氷は直接冷却用途で使用されるだけでなく、ヒートポンプベースの暖房システムでも使用されています。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できる温度の下限に近い非常に大きな熱容量層が提供されます。これにより、システムは最も重い暖房負荷条件を乗り切ることができ、エネルギー源要素がシステムに熱を戻すことができる時間枠が延長されます。

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として 利用します。

液体空気をエネルギー貯蔵庫として使用し、低品位の廃熱を利用して空気の熱再膨張を促進するパイロット極低温エネルギーシステムが、 2010年に英国スラウの発電所で稼働しました。 ^[40]

熱化学蓄熱 (TCS) には、熱化学材料 (TCM) によるある種の可逆的な発熱/吸熱化学反応が伴います。反応物によっては、この方法では LHS よりもさらに高い蓄熱容量を実現できます。

TCS の 1 つのタイプでは、特定の分子を分解するために熱が加えられます。その後、反応生成物は分離され、必要に応じて再び混合され、エネルギーが放出されます。例としては、酸化カリウム(300～800 °C の範囲で、熱分解は 2.1 MJ/kg)、酸化鉛(300～350 °C、0.26 MJ/kg)、水酸化カルシウム(450 °C 以上で、亜鉛またはアルミニウムを加えることで反応速度を上げることができます) などがあります。塩化ニトロシルの光化学分解も使用でき、光子を必要とするため、太陽エネルギーと組み合わせると特に効果的です。^[9]

吸着プロセスもこのカテゴリに分類されます。吸着プロセスは、熱エネルギーを蓄えるだけでなく、空気の湿度を制御するためにも使用できます。ゼオライト(微孔質結晶性アルミナケイ酸塩) とシリカゲルは、この目的に適しています。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使用されることがよくあります。

水吸着剤を含む Linde 13X などの合成ゼオライトは、低コスト (200 ドル/トン) かつサイクル率が高い (2,000 倍) ため、最近、特に低品位の太陽熱や廃熱の熱エネルギー貯蔵 (TES) に使用するのに学術的および商業的に大きな関心を集めています。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 プロジェクトに資金提供が行われています。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す。通常、平板型ソーラー コレクターからの高温の乾燥空気がゼオライト層を通過させ、存在する水吸着剤を追い出します。貯蔵は、ゼオライトの容量と太陽熱パネルの面積に応じて、日中、週ごと、月ごと、さらには季節ごとに行うことができます。夜間、日照時間のない時間、または冬に熱が必要な場合は、加湿した空気がゼオライトを通ります。湿気がゼオライトに吸着されると、熱が空気中に放出され、続いて建物空間に放出されます。ゼオライトを特に使用したこの形式のTESは、1978年にGuerraによって初めて提案されました。^[41]溶融塩やその他の高温TESに対する利点は、(1)必要な温度が太陽熱平板集熱器の典型的なよどみ点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、エネルギーが無期限に貯蔵されることなどです。温度が低いこと、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なくなり、コストが大幅に削減されます。

化学反応エネルギーに基づく実験的貯蔵システムの一例は、塩水和物技術である。^{[42] [43]}このシステムは、塩が水和または脱水されるときに生じる反応エネルギーを使用する。このシステムは、50%水酸化ナトリウム（NaOH）溶液を含む容器に熱を貯蔵することによって機能する。熱（例えば、ソーラーコレクターの使用による）は、吸熱反応で水を蒸発させることによって貯蔵される。再び水を加えると、50°C（120°F）で発熱反応により熱が放出される。現在のシステムは60%の効率で稼働している。このシステムは、乾燥した塩をエネルギー損失なしに室温で長期間貯蔵できるため、季節的な熱エネルギー貯蔵に特に有利である。脱水塩の入った容器は、別の場所に輸送することもできる。このシステムは、水に貯蔵される熱よりもエネルギー密度が高く、システムの容量は数か月から数年間のエネルギーを貯蔵するように設計することができる。^[44]

2013年、オランダの技術開発会社TNOは、塩容器に熱を蓄えるMERITSプロジェクトの結果を発表しました。屋上の太陽熱集熱器から得られる熱は、塩に含まれる水を排出します。再び水を加えると、熱が放出され、エネルギー損失はほとんどありません。数立方メートルの塩が入った容器には、冬の間中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ます。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家庭では、冬に約6.7 GJが必要です。このエネルギーを水に蓄えるには（温度差70℃）、23 m ^{3の断熱貯水タンクが必要となり、ほとんどの家庭の貯水能力を超えています。貯水密度が約1 GJ/m 3}の塩水和物技術を使用すると、4～8 m ³で十分です。^[45]

2016年現在、数か国の研究者が最適な塩や塩混合物を決定するための実験を行っています。容器内の圧力が低いと、エネルギー輸送に有利になるようです。^[46]特に有望なのは、有機塩、いわゆるイオン液体です。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点で問題が少なく、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汚染による悪影響がありません。^[47]

しかし、熱化学蓄熱の研究に関する最近のメタアナリシス^[48]では、塩水和物は熱化学蓄熱の可能性が非常に低く、吸収プロセスは長期蓄熱には適さず、熱化学蓄熱は建物内の長期太陽熱蓄熱には適さない可能性があることが示唆されています。

分子結合にエネルギーを蓄える研究が進められており、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。^[49]これはDSPEC（異感光性光電気合成セル）によって実現された。これは日中に太陽電池パネルで得たエネルギーを夜間（またはそれ以降）に使用するため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光合成を参考にして設計されている。

DSPEC は、獲得した太陽エネルギーを利用して水分子をその要素に分解し、水素燃料を生成します。この分解の結果、水素は分離され、酸素は空気中に放出されます。これは実際よりも簡単に聞こえます。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ります。もう 1 つの難しい部分は、2 つの別々の水素分子を結合するプロセスです。

DSPEC は、分子とナノ粒子の 2 つの要素で構成されています。分子は、太陽光を吸収して触媒を始動させる発色団触媒アセンブリと呼ばれます。この触媒は、電子と水分子を分離します。ナノ粒子は薄い層に組み立てられ、1 つのナノ粒子には多くの発色団触媒があります。このナノ粒子の薄い層の機能は、水から分離された電子を移動させることです。このナノ粒子の薄い層は、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、自由になった電子をより迅速に移動できるため、水素を生成できます。このコーティングは、発色団触媒とナノ粒子間の接続を強化する保護コーティングで再びコーティングされています。

この方法を使用すると、太陽電池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、後で発電に使用されます。^[50]

電気と熱の生産のために太陽エネルギーを貯蔵するもう一つの有望な方法は、いわゆる分子太陽熱システム(MOST) です。このアプローチでは、分子は光異性化によって高エネルギー異性体に変換されます。光異性化は、1 つの (シス トランス) 異性体が光 (太陽エネルギー) によって別の異性体に変換されるプロセスです。この異性体は、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太陽エネルギーを貯蔵できます (その後、異性体は元の異性体に変換されます)。このような MOST の有望な候補は、ノルボルナジエン (NBD) です。これは、NBD とクアドリシクラン (QC) 光異性体の間に大きなエネルギー差があるためです。このエネルギー差は約 96 kJ/mol です。このようなシステムでは、ドナー アクセプター置換が最長波長吸収を赤方偏移させる効果的な手段になることも知られています。これにより、太陽スペクトルの一致が向上します。

有用な MOST システムにとっての重要な課題は、満足のいく高いエネルギー貯蔵密度 (可能であれば 300 kJ/kg 以上) を獲得することです。MOST システムのもう 1 つの課題は、可視領域で光が収集される可能性があることです。NBD をドナー ユニットとアクセプター ユニットで機能化することで、この吸収極大を調整します。ただし、太陽光吸収に対するこのプラス効果は、分子量が高くなると相殺されます。これは、エネルギー密度が低下することを意味します。太陽光吸収に対するこのプラス効果には、別の欠点があります。つまり、吸収が赤方偏移すると、エネルギー貯蔵時間が短くなることです。エネルギー密度と赤方偏移のこの反相関を克服する可能性のある解決策は、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、いわゆる二量体または三量体を形成すると有利です。NBD は共通のドナーおよび/またはアクセプターを共有します。

カスパー・モス・ポールセンと彼のチームは、熱変換用の別々の障壁を備えた2つの電子的に結合し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設計しようとしました。^[51]そうすることで、最初の異性化（NBD-NBDからQC-NBD）後に青方偏移が発生しました。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まりました。このシステムのもう1つの利点は、ドナーを共有することでノルボルナジエン単位あたりの分子量が減少することです。これにより、エネルギー密度が増加します。

最終的に、このシステムはNBDユニットあたり94%の光変換量子収率を達成できる可能性がある。量子収率は光子放出の効率の尺度である。このシステムでは、測定されたエネルギー密度は最大559kJ/kg（目標の300kJ/kgを超える）に達した。したがって、分子光スイッチの可能性は太陽熱エネルギー貯蔵だけでなく、他の用途にも非常に大きい。^[51]

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電気を生成することを報告した。このシステムは最大18年間太陽エネルギーを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。^{[52] [53]}

熱エネルギー電池は、熱エネルギーを貯蔵および放出するために使用される物理的構造です。このような熱電池 (別名 TBat) を使用すると、ある時点で利用可能なエネルギーを一時的に貯蔵し、別の時点で放出することができます。熱電池の基本原理は物質の原子レベルで発生し、固体の塊または液体の塊にエネルギーが加えられたり、そこからエネルギーが奪われたりすることで、物質の温度が変化します。一部の熱電池では、相転移によって物質が熱的に遷移し、デルタ融解エンタルピーまたはデルタ蒸発エンタルピーによってさらに多くのエネルギーが貯蔵および放出されます。

蓄熱電池は非常に一般的で、湯たんぽなどの身近なアイテムも含まれます。蓄熱電池の初期の例としては、石や泥でできた調理用ストーブ、火の中に入れた岩、窯などがあります。ストーブや窯はオーブンですが、長時間熱を保持する蓄熱システムでもあります。蓄熱システムは家庭にも設置でき、蓄熱電池と蓄熱貯蔵庫は英国の家庭に設置されている最も一般的なタイプの蓄熱システムです。^[54]

熱電池は、基本的にはすべて熱エネルギーの貯蔵と回収を目的としていますが、一般的には形状と用途が異なる 4 つのカテゴリに分類されます。蓄熱方法と蓄熱密度も異なります。^[要出典]

蓄熱に使用される相変化材料は、相が変化する温度で大きな熱容量を蓄え、放出することができます。これらの材料は、さまざまな用途で役立つ温度範囲が広く、さまざまな温度で相が変化する材料も広範囲にわたるため、特定の用途に基づいて選択されます。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が含まれます。製造された材料に加えて、水も相変化材料です。水の潜熱は 334 ジュール/グラムです。水の相変化は 0 °C (32 °F) で発生します。

水や氷の熱容量を冷蔵保存に利用するアプリケーションもあれば、熱保存に利用するアプリケーションもあります。どちらのアプリケーションにも使用できます。氷を溶かして熱を蓄え、再び凍らせて周囲を暖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、一定の質量の物質が温度変化なしで大量のエネルギーを吸収できることです。したがって、相変化を利用する熱電池は軽量化でき、内部温度を許容できないほど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。^[要出典]

カプセル化熱電池は、閉じ込められた量の物理的物質を熱で加熱または冷却してエネルギーを貯蔵または抽出するという点で、相変化熱電池と物理的に類似している。しかし、非相変化カプセル化熱電池では、物質の温度は相変化を誘発することなく変化する。相変化は必要ないため、カプセル化熱電池にはさらに多くの材料を使用できる。カプセル化熱電池の重要な特性の1つは、体積熱容量（VHC）であり、体積比熱容量とも呼ばれる。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る。^{[55] [56]}

カプセル化された熱電池の例としては、貯蔵タンクを備えた住宅用給湯器があります。^{[57] [58]} この熱電池は通常、約 30～60 分かけてゆっくりと充電され、必要なときにすぐに使用できます (例: 10～15 分)。多くの電力会社は、給湯器の「熱電池」の性質を理解し、住宅所有者が後で使用できるように余剰の再生可能エネルギー電力を吸収するために給湯器を使用し始めています。上記の記事によると、^[57]「電力システム全体での純節約額は、給湯器 1 台あたり年間 200 ドルになる可能性があり、その一部は所有者に還元される可能性があります」。

砂を蓄熱媒体として使用する研究はフィンランドで行われており、2022年に8MWhの砂バッテリーのプロトタイプが建設され、再生可能な太陽光と風力の電力を熱として蓄え、後に地域暖房や将来の発電に使用できるようになりました。^{[59] [60]}カナダでは、単一の建物の蓄熱も再生可能な太陽光と風力を熱として蓄え、後日、設置された建物の空間暖房や給湯に使用します。これは、コンパクトで、低圧のポンプ流体を使用し、複数の建物ではなく1つの建物しか暖められないという点で、フィンランドのシステムと異なります。コンピューターのサーバールームや堆肥の山などの代替ソースから廃熱を取り込み、後で分配するために蓄えることができます。^[61]

地中熱交換器 (GHEX) は、季節/年間サイクルの熱バッテリーとして利用される地球の領域です。これらの熱バッテリーは、熱エネルギーを転送するためにパイプが設置された地球の領域です。高温の流体をパイプに流して、その地域の地温を上げることで、GHEX にエネルギーが追加されます。同じパイプ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 つの形式で実装されます。上の写真は、溝掘りを使用して一定量のパイプを地中に閉じたループ状に配置する「水平」GHEX を示しています。また、地中に垂直または水平にボーリング穴を掘削して形成し、ループの遠端に「U 字型」継手を備えた閉じたループ状にパイプを挿入します。

熱エネルギーは、いつでも GHEX に追加したり、GHEX から取り除くことができます。ただし、GHEX は、年間サイクルで動作する季節ごとの熱エネルギー貯蔵として最もよく使用されます。年間サイクルでは、夏季に建物からエネルギーを抽出して建物を冷やし、GHEX に追加します。その後、同じエネルギーが冬季に GHEX から抽出されて建物を暖房します。この年間のエネルギー追加と削減のサイクルは、サービス対象の建物のエネルギー モデル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バッテリーは、冬季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であるため、再生可能エネルギー源です。このタイプは、夏の太陽からの熱が建物から取り除かれ、地中に蓄えられ、次の冬季の暖房に使用されるため、太陽光発電です。GHEX 熱バッテリー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には、ログ時間 1 次元曲線適合^[62]と新しくリリースされた高度な熱応答テストの 2 つの主な方法があります。^{[63] [64]}

GHEX 熱電池の年間サイクル特性の良い例は、ASHRAE 建物研究で見ることができます。^[65] 「日付別の地上ループと周囲空気温度」のグラフ (図 2–7) に示されているように、冬には季節的に熱が地面から抽出され、夏には地面に排出されるため、年間サイクルの地表温度の正弦波形状が簡単にわかります。これにより、ある季節に地面の「熱チャージ」が作成され、それがチャージされずに中性から反対方向に駆動され、後の季節まで続きます。意図的な井戸の熱パターンを利用する地上ベースの熱電池のその他のより高度な例は、現在研究中であり、初期使用中です。^{[引用が必要]}

防衛産業では、一次 溶融塩電池は「熱電池」と呼ばれています。これは、電解質としてイオン性金属塩（ナトリウム、カリウム、リチウムの塩化物、臭化物など）の低融点共晶混合物を使用した非充電式電気電池で、塩は固体の形で製造されます。塩が固体である限り、電池の保管寿命は最長 50年^[66]です。いったん活性化され（通常は火工熱源によって）、電解質が溶けると、エネルギー密度と電力密度が高く、信頼性が非常に高くなります。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。^[要出典]

歴史的に「熱電池」と呼ばれてきた他のアイテムもあります。たとえば、スキーヤーが手足を温めるために使用するエネルギー貯蔵ヒートパック (ハンドウォーマーを参照) などです。これには酸素を含まない塩水で湿らせた鉄粉が含まれており、空気にさらされると数時間で急速に腐食し、熱を放出します。 瞬間冷却パックは、特定の化合物の 溶解時の吸熱を吸収するなど、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ことです。したがって、これらの電池は熱エネルギーの蓄積や回収には使用されません。

蓄熱式ヒーターは、時間帯別電力使用量計量（伝統的に夜間に安価な電力を使用）を採用したヨーロッパの家庭では一般的です。高密度のセラミックレンガまたはフェオライトブロックを電気で高温に加熱したもので、断熱性や熱を数時間にわたって放出する制御が優れている場合とそうでない場合があります。高温になるため、小さな子供がいる場所や、家事の不備により火災の危険性が高い場所では使用しないようアドバイスする人もいます。^{[67] [68]}

一部の国では風力や太陽光発電（およびその他の再生可能エネルギー）の増加により電力網へのエネルギー入力の割合がますます増加しており、いくつかの民間企業により大規模な電気エネルギー貯蔵の使用が検討されています。理想的には、余剰の再生可能エネルギーの利用は、断熱性の高い蓄熱装置で高温の高品質の熱に変換され、後で必要に応じて放出されます。新しい技術は、真空断熱（VSI）蓄熱装置の使用です。^[69]太陽熱集熱器からの直接熱ではなく、電気を使用して熱を生成することは、非常に高い温度を実現できることを意味し、潜在的に季節間の熱伝達、つまり夏の余剰の太陽光発電からの高品質の熱を比較的最小限の損失で翌冬に蓄熱することを可能にします。

太陽エネルギーは、熱エネルギー貯蔵の応用である。実用的な太陽熱貯蔵システムのほとんどは、数時間から1日分のエネルギーを貯蔵する。しかし、季節熱エネルギー貯蔵（STES）を使用する施設が増えており、夏に太陽エネルギーを貯蔵して冬の間空間を暖めることができる。^{[70] [71] [72]} 2017年、カナダのアルバータ州にあるドレイクランディングソーラーコミュニティは、年間を通じて97％の太陽熱暖房率を達成した。これは、STESを組み込むことで可能になった世界記録である。^{[70] [73]}

高温太陽熱入力により、潜熱と顕熱の併用が可能となる。アルミニウムとシリコン（ AlSi
₁₂）は高融点を有し、効率的な蒸気発生に適している。^[74]一方、高アルミナセメント系材料は優れた貯蔵能力を有する。^[75]

揚水発電（PHES）では、可逆ヒートポンプシステムを使用して、2つの熱貯蔵庫間の温度差としてエネルギーを貯蔵します。^{[76] [77] [78]}

等エントロピーシステムには、例えば砕石や砂利が詰められた2つの断熱容器が含まれます。高温/高圧で熱エネルギーを蓄える高温容器と低温/高圧で熱エネルギーを蓄える低温容器です。容器は上部と下部がパイプで接続されており、システム全体にはアルゴンなどの不活性ガスが充填されています。^[79]

充電中、システムはオフピーク電力を使用してヒートポンプとして機能できます。 1 つのプロトタイプでは、常温のアルゴンが使用され、冷蔵倉庫の上部からの圧力が断熱的に圧縮され、たとえば 12 bar の圧力になり、約 500 °C (900 °F) に加熱されます。圧縮されたガスは高温の容器の上部に移され、砂利の中を浸透して下方に進み、岩に熱を伝えて常温まで冷却されます。容器の底から出てくる冷却されたがまだ加圧されたガスは、次に 1 bar まで断熱膨張し、温度が -150 °C まで下がります。次に、冷たいガスは冷たい容器を通過して上昇し、岩を冷却しながら初期状態まで温まります。

サイクルを逆にすることで、エネルギーは電気として回収されます。高温容器からの高温ガスは膨張して発電機を駆動し、その後冷蔵室に供給されます。冷蔵室の底から回収された冷却ガスは圧縮され、ガスは周囲温度まで加熱されます。その後、ガスは高温容器の底に移され、再加熱されます。

圧縮と膨張のプロセスは、スライドバルブを使用した特別に設計された往復運動機械によって行われます。プロセスの非効率性によって発生した余分な熱は、排出サイクル中に熱交換器を通じて環境に放出されます。 ^{[76] [79]}

開発者は、往復効率72～80%が達成可能であると主張した。^{[76] [79]}これは揚水発電では80%以上が達成可能であることと比較される。^[77]

もう一つの提案されたシステムはターボ機械を使用し、はるかに高い出力レベルで動作することができます。^[78]相変化材料を蓄熱材料として使用すると、性能が向上する可能性があります。 ^[16]

再生可能エネルギーポータル

• 負荷シフトの経済性に関するASHRAEホワイトペーパー
• MSN の氷蓄熱空調に関する記事 ( archive.today ) (2013 年 1 月 19 日アーカイブ)
• ICE TES 熱エネルギー貯蔵 — IDE-Tech
• ワイオミング州ララミー
• 「カリフォルニアエネルギー委員会の熱エネルギー貯蔵システム共同体のために作成」報告書「熱エネルギー貯蔵のエネルギー源と環境への影響」。Tabors Caramanis & Assoc energy.ca.gov 2014 年 8 月 23 日、Wayback Machineにアーカイブ
• ルツェルン工科大学建築学部の熱エネルギー貯蔵コンピテンスセンター