エンジニアリング・チームが塩を使って熱エネルギーを貯蔵
Engineering Team Uses Salt for Thermal Energy Storage
By Georgia Institute of Technology
https://techxplore.com/ より 2024.07.24
冬の保温から洗濯まで、熱は日常生活に不可欠である。しかし、世界が気候変動に取り組む中、建物のエネルギー消費量の増加は重要な問題である。現在、熱は石炭、石油、ガスなどの化石燃料を燃焼させることで生成されているが、世界がクリーン･エネルギーに移行するにつれて、この状況も変化する必要がある。
ジョージア工科大学のGeorge W. Woodruff機械工学部の研究者達は、化石燃料に頼らない、より効率的な暖房システムを開発している。彼等は、一般的に見られる2次のように述べている。塩を組み合わせることで、クリーン･エネルギーを熱として蓄えることができることを実証した。これは、建物の暖房に使用したり、ヒートポンプと競合して建物を冷やしたりすることができる。
研究者達はエネルギー貯蔵ジャーナルに掲載された「水和反応速度とサイクル安定性が向上した塩混合物を使用した熱化学エネルギー貯蔵」というタイトルの記事で研究を発表した。
反応の再考
蓄熱の基本的な仕組みは単純で、さまざまな方法で実現できる。基本的な可逆化学反応が、彼等のアプローチの基盤となっている。順反応は熱を吸収して蓄え、逆反応は熱を放出して建物で利用できるようにする。
機械工学部准教授のAkanksha Menonは、博士号取得に向けて研究を始めた頃から熱エネルギー貯蔵に興味を持っていた。ジョージア工科大学に着任し、水エネルギー研究ラボを立ち上げたとき、貯蔵技術と材料の開発だけでなく、建物内にそれらを統合する方法の考案にも携わった。彼女は、基本的な材料の課題を理解することが、より優れた貯蔵を生み出すことにつながると考えた。「これらの熱化学材料が順反応と逆反応の間でどのように機能するかについて、科学的レベルでは理解していないことが沢山あることに気付いた。」と彼女は言った。
優れた塩
Menonが研究している反応には塩が使われている。各塩分子は、その構造内に一定数の水分子を保持できる。化学反応を誘発するために、研究者達は熱で塩を脱水し、水蒸気をガスとして放出する。反応を逆転させるために、塩を水で水和させ、塩の構造を膨張させて水分子を収容する。
単純なプロセスのように聞こえるが、この膨張/収縮プロセスが起こると、塩はストレスを受け、最終的には機械的に故障する。これは、リチウム・イオン電池の充放電サイクルが限られているのと同じである。
「最初はきれいな球状の粒子から初めても、脱水と加水を繰り返した後、小さな粒子に砕けて完全に粉砕されるか、過剰に加水して塊に凝集する。」とMenonは説明した。これらの変化は必ずしも破壊的ではないが、時間の経過と共に蓄熱容量が減少するため、塩は長期的な蓄熱には効果がない。
Menonと機械工学部の博士課程の学生である彼女の学生Erik Barbosaは、水と異なる方法で反応する塩を組み合わせ始めた。2年間にわたって6種類の塩をテストした後、互いによく補完し合う2種類の塩を見つけた。塩化マグネシウムは水を吸収しすぎるため失敗することが多く、塩化ストロンチウムは水和が非常に遅い。それぞれの制限を組み合わせると、相互に利益をもたらし、熱貯蔵の改善につながる。
「塩を混ぜるつもりはなかった。これは試した実験の1つに過ぎなかった。」とMenonは言う。「その後、この相乗作用的な挙動を見て、なぜこのような効果的に取り組むために、が起こるのか、そしてこれを一般化して熱エネルギー貯蔵に使用できるかどうかを理解するために1年を費やした。」
未来のエネルギー貯蔵
Menonはこの研究を始めたばかりである。彼女の次のステップは、これらの塩を蓄熱用に収容できる構造を開発することである。これは通常Energy Earthshotsプロジェクトの焦点である。
システム・レベルのデモンストレーションも計画されており、解決策の1つは、充填床反応器でドラムに塩を充填することである。次に、熱風が塩を横切って流れ、塩を脱水し、ドラムを電池のように効果的に充電する。蓄積されたエネルギーを放出するには、湿った空気を塩に吹き付けて結晶を再水和させる。
その後放出された熱は、化石燃料の代わりに建物に使用できる。反応を開始するには電力が必要であるが、これはオフピーク(余剰の再生可能電力)から供給でき、蓄えられた熱エネルギーはピーク時に使用できる。これは、ラボで進行中の別のプロジェクトの焦点である。
最終的には、この技術は気候に優しいエネルギー解決策につながる可能性がある。さらに、リチウム電池などの多くの代替品とは異なり、塩は広く入手可能で費用対効果の高い材料であるため、実装は迅速である。塩ベースの熱エネルギー貯蔵は、気候変動との戦いにおける重要な戦略である炭素排出量の削減に役立つ。
