カーボン熱電池、米国産業向け24時間365日の低コストエネルギーを目指す

カーボンおよび黒鉛製品の主要メーカーであるGrafTech Internationalは、熱エネルギー貯蔵開発企業と提携し、米国産業に24時間365日の低コストエネルギーを供給することを目的としたカーボンベースの熱電池に取り組んでいる。Interesting Engineeringが報じたこの取り組みは、黒鉛製造の確立された名門企業の一つを、重工業負荷向けの従来型電池の代替として注目が高まっている貯蔵カテゴリーの中心に位置づけるものである。

その前提は、エンジニアリングはともかくとして、明快である。リチウムイオンセルのように化学反応でエネルギーを貯蔵するのではなく、熱電池は固体媒体——この場合はカーボン——の内部に熱として貯蔵し、工場が必要とするときにその熱を放出する。電力だけでなく高温熱で稼働する多くの産業プロセスにとって、このアプローチはプラントが実際にエネルギーを消費する方法に直接対応している。

なぜ産業用熱が難題なのか

重工業は脱炭素化が最も困難なセクターの一つである。その活動の多くが機械的または電気的仕事ではなく熱に依存しているからだ。製錬、焼成、乾燥、硬化、精製、化学処理はいずれも持続的な高温を必要とし、それらの温度を実現する設備は歴史的に燃焼を前提に設計されてきた。

これにより同時に二つの問題が生じる。第一は排出量である。化石燃料からのプロセス熱は産業用エネルギー使用の大きな割合を占め、ひいては産業炭素排出量の大きな割合を占める。第二は経済性である。ガス焚き炉を、変動の激しい卸電力価格で稼働するシステムに置き換えることは、新たな種類の財務リスクをもたらす。プラントのコスト構造が、いつ電力を引き出すかの選択に依存するようになるからだ。

熱電池は、そのつながりを断ち切る方法として位置づけられている。施設が電力が安く豊富なとき——再生可能エネルギーの出力が高い期間を含む——に電力を吸収し、必要に応じて貯蔵した熱を放出できれば、電力に割高な価格を支払うことなく連続稼働を続けられる。これがGrafTechとそのパートナーが追求している24時間365日の価値提案である。

カーボンベースの熱電池が果たすこと

この設計の熱電池は、電気入力を受け取り、それを貯蔵媒体の内部で熱に変換する。熱はプロセスが必要とするまで断熱された塊の中に保持され、その時点で高温熱エネルギーとして供給される。この順序のどこにも、燃料供給スケジュールの断続的な可用性に依存する部分はない。制約となるのは、貯蔵ブロックがどれだけのエネルギーを保持できるか、そしてそれをどれだけ効率的に回収できるかである。

その役割にとってカーボンを魅力的な材料にするいくつかの特性がある：

• 高温耐性。カーボンおよび黒鉛材料が産業環境で使われるのは、まさに構造的完全性を失うことなく極端な熱に耐えるからである。
• 熱性能。黒鉛は熱を効果的に伝導し、これは貯蔵媒体の充電と、制御された速度での熱の取り出しの両方にとって重要である。
• 確立されたサプライチェーン。カーボンと黒鉛は、電極、炉内張り、その他の要求の厳しい用途向けにすでに産業規模で生産されている。
• コスト特性。貯蔵媒体の経済性は、原材料が少量の精密設計された量ではなく、大量に展開できるほど安価であるかに大きく依存する。

これらの特性が、カーボンベースの貯蔵を、電池化学だけでは産業規模で経済的に解決するのに苦労してきた問題に対するもっともらしい答えにしている。

GrafTechとAntoraの組み合わせ

この協業におけるGrafTechの役割は製造に根ざしている。同社はカーボンおよび黒鉛製品を規模をもって製造しており、貯蔵ソフトウェアやパワーエレクトロニクスの専門性ではなく、材料生産と産業プロセスの専門知識をもたらすことを意味する。そのパートナーである熱エネルギー貯蔵企業Antoraは、電気を貯蔵熱に変換し、それを産業顧客に戻すことに取り組んでいる。

この分業は示唆に富む。重工業向けの熱貯蔵は、エネルギー技術の課題であると同時に、材料と製造の課題でもある。稼働中のプラント内に設置でき、多年にわたる熱サイクルに耐え、意味を持つほどの量で生産できる貯蔵を構築するには、GrafTechがすでに運営しているような重工業の供給基盤が必要である。

この組み合わせは、開発者たちが市場が向かうと考えている方向も示している。すなわち、家電や乗用車ではなく、エネルギー需要が大きく、連続的で、脱炭素化にコストがかかる産業顧客に向かっているということだ。

セールスポイントとしての24時間365日エネルギー

「24時間365日」という言葉は、この文脈では特定の意味を持つ。産業施設は日が沈んだり風力発電が落ち込んだりしても停止しない。数時間にわたってエネルギーを移すだけの貯蔵システムでは、彼らの問題は解決しない。産業が必要としているのは、最も安いときにエネルギーを買い、それでも連続して操業できる方法である。

熱電池は、購入の瞬間と使用の瞬間を切り離すことでこれに対処する。電力は低価格の時間帯に引き出され、熱に変換され、プロセスが必要とするまで保持できる。プラント運営者にとって、その結果はより予測可能なコスト基盤と、生産ライン全体を再設計することなく低炭素電力を使用する道である。

グリッドレベルの議論もある。電力を柔軟に吸収できる大規模な産業負荷は、変動性再生可能エネルギー発電が増加するシステムにとって有用である。供給が豊富なときに電力を消費し、ピーク時間に負荷を加えるのを避けられるからだ。熱貯蔵は事実上、工場を硬直した資産ではなく柔軟な資産に変える。

注目すべき点

この協業は、完成した導入事例というよりも、追うべき開発である。技術がどのように機能するかは、プロジェクトが進むにつれて明らかになるいくつかの要因に依存する：

• 貯蔵熱の単位あたりコスト。熱貯蔵は、供給コストが競争力を持つ場合にのみ、化石燃料によるプロセス熱を置き換える。
• 既存プラントとの統合。稼働中の産業サイトへの貯蔵の後付けは、実験室で構築するのとは別のエンジニアリング問題である。
• 材料の耐久性。繰り返される高温サイクル下での長い使用寿命が、経済性が数十年にわたって成り立つかどうかを決める。
• 製造規模。カーボンと黒鉛の生産能力が、技術をどれだけ早く展開できるかを形作る。

GrafTechにとって、この取り組みは材料ビジネスをエネルギー転換へと拡張するものであり、黒鉛とカーボンの専門知識が従来の産業顧客を超えて価値を持つ。米国産業にとっては、安価で連続的、低炭素の熱を長期的な願望ではなく実用的な選択肢にするための、もう一つの試みである。根底にある賭けは単純だ。熱を生成するのと同じくらい安く貯蔵できれば、電力価格のタイミングが米国の工場がいつ稼働できるかを決めることはなくなる。

この記事はInteresting Engineeringの報道に基づいています。元の記事を読む。