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Oct 27, 2023

極夜のエネルギーが砂をデザインする

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自然を客観的に研究しようとすると、自然の力が私たちにどのような影響を与えるかをよく思い出します。 私たちは机に座ってさまざまな形の熱について考えることができますが、足先が冷たいと気が散ってしまう可能性があります。 家や職場の暖房を強めるときは、暖かさへの個人的なニーズと、石油、ガス、石炭、バイオマスなどの化石燃料の燃焼による地球規模への影響のバランスを取る必要があります。 人為的気候変動は人類に、将来の世界の過熱を防ぐために、今どうやって暖かさを保つことができるのかという課題を突きつけています。

これは、フィンランドという小さくて寒い国にある Polar Night Energy という新興企業 (図 1) が答えようとしている、気の遠くなるような質問です。 冬の夜が長くて暗いことで知られるこの地域で、Polar Night Energy は、蓄えた太陽エネルギーで建物を昼も夜も冬の間ずっと暖房できるシステムをタンペレ市に構築しています。 明らかな矛盾はそれだけではありません。 希少で高価な材料で作られることが多い複雑なクリーンテクノロジー ソリューションの時代において、Polar Night Energy の蓄熱および分配システムは、単純なダクト、ポンプ、バルブ、砂で構成されています。 この新しいシステムは、忍耐強く、思慮深く、人間規模の方法で地球規模の問題に取り組む可能性を示しています。

図 1. フィンランド国家。その一部は北極圏の上にあります。 Polar Night Energy の蓄熱システムは現在、タンペレ市とカンカーンパー市に設置されています。

大きな問題には大きな解決策が必要であり、おそらく気候変動ほど大きな 21 世紀の問題はないでしょう。 この課題に対処するために、多くの政府や組織は化石燃料の使用を減らすための新しいテクノロジーに投資しています。 これらの取り組みは主に、再生可能電力の発電、配電、貯蔵に焦点を当ててきました。

「クリーン エネルギーについて人々に尋ねると、人々は電気のことを思い浮かべます」と、Polar Night Energy の CEO、トミ・エロネン氏は言います。 「しかし、暖房による排出も削減する必要があります。」 フィンランドのエネルギー関連排出量のうち、82% は国内の建物の暖房によるものです (参考文献 1)。 「地球規模の気候目標を達成する希望があるなら、それらをすべて置き換えたいと考えています」とエロネン氏は言う。

1960 年代のマントラである「地球規模で考え、地域で行動する」の精神は、Polar Night Energy の革新者チームに今も受け継がれています。 彼らの旅は、創設者のトミ・エロネンとマルク・イロネンが大学の同級生だったときに投げかけた質問から始まった。「太陽光発電だけを使って、エネルギーを自給自足し、費用対効果の高いエンジニア向けのヒッピー・コミューンを構築することは可能だろうか？」 卒業後、彼らがコードネーム「ヒッピー・コミューン」と名付けたプロジェクトはPolar Night Energyとなり、エロネンがCEO、イロネンがCTOとなった。

気軽な (しかし真剣な) 学生プロジェクトとして始まったものが、フィンランドのタンペレ市での 3 MWh/100 kW のパイロット プラントにつながり、2020 年から 2021 年の冬に運転が開始されました。 このシステムは電気を使って空気を加熱し、その空気が熱交換器を通って循環して水を加熱し、市内のヒエダンランタ地区にある複数の建物に供給します (図 2)。

図 2. Polar Night Energy システムのコンポーネントと動作サイクルの概略図。

システム内部では、電気で駆動される抵抗発熱体が空気を 600°C 以上に加熱します。 熱風は、砂が入った蓄熱容器内のパイプ網を通って循環します。 熱風は容器から熱交換器に戻り、そこで水を加熱し、その水が建物の暖房システムを循環します。 砂の蓄熱能力により、抵抗体が冷えていても、循環する空気は水 (および建物) を暖かく保つのに十分な熱を保ちます。

「パイプ、バルブ、ファン、電熱体しかありません。特別なことは何もありません！」 エロネンは笑いながら言う。

著名な化学技術者のドナルド・サドウェイは、「非常に安価な電池を作りたければ、土から作らなければならない」と述べたと伝えられている。 Polar Night Energy のシステムは、他のエネルギー インフラストラクチャと同じ中心的な課題に直面しています。 人々が必要なときに、必要な場所で、管理可能な価格で電力を供給する必要があります。 これは、エネルギーの貯蔵と分配が生成と同じくらい重要であることを意味します。 既存のインフラストラクチャは、おなじみの方法でこれらの課題に対処します。 燃焼ベースの暖房の場合、石油やガスなどの燃料が保管され、燃焼できる場所に移動されます。 電力網は電力の効率的な分配もサポートし、風力や太陽光などの再生可能手段によって生成されたエネルギーを利用します。 しかし、昼光と強風が断続的に吹くという性質は、頑固な問題です。 エネルギー貯蔵は、再生可能エネルギーの投入量の山と谷を通じて安定した電力出力を維持するために必要です。 しかし、最近のバッテリー技術の進歩にもかかわらず、特に建物の暖房に必要な規模では、電力の貯蔵は依然として比較的高価です。 「バッテリー」が電気を蓄えるのではなく、代わりに熱を蓄えることができたらどうなるでしょうか?

図 3. Markku Ylönen と Polar Night Energy の非常に安価な蓄熱媒体の代表的なサンプル。

従来の暖房システムの多くは、すでに温水を保持および循環させることによって熱を蓄え、分散させています。 エロネンとイロネンは、水ベースの蓄熱の利点とその限界を認識していました。 「水が蒸気になる前に水に加えることができる熱量には限界があります」とエロネン氏は言う。 「蒸気は熱を効率的に分散させることができますが、大規模な貯蔵にはあまり費用対効果がありません。」 水に熱を蓄えるという欠点を避けるために、水は代わりに 42 トンの砂に変わりました。 (図 3) 太陽が沈んだ後、砂に蓄えられた熱は循環する空気流に徐々に放出されます。 これにより、顧客のラジエーターを流れる水の温度を安定に維持するのに十分な温度の空気が保たれます。 このようにして、フィンランドの最も暗くて寒い夜であっても、砂のおかげで太陽光発電が人々を暖かく保つことができます。 「砂は水の 4 倍のエネルギー貯蔵能力を備えています」とエロネン氏は言います。 「砂は効率的で、毒性がなく、持ち運び可能で、しかも安価です。」

「このすべての機器とすべての砂を組み立てる前に、できるだけ多くの質問に答える予測モデリングが必要です。」—Polar Night Energy の CEO、Tommi Ernen 氏

コスト効率は、Polar Night Energy の価値提案の基礎です。 「このアイデアを追求すると決めてすぐに、財政がどうなるかを把握しようとしました」とエロネン氏は言います。 より少ない労力でより多くのことを実現するという探求の中で、Polar Night Energy は長い間、数値シミュレーション ツールに依存してきました。 エロネンとイロネンは学生時代に COMSOL Multiphysics ソフトウェアを使い始め、今でも彼らの設計プロセスに不可欠なソフトウェアです。 たとえば、エロネン氏は、タンペレのより多くの建物にサービスを提供する拡張型蓄熱システムの仕様について言及しています。 研究チームは、人口 35,000 人の地区に熱を供給するには、高さ 25 メートル、直径 40 メートルの砂を詰めた貯蔵シリンダーが必要になると計算しました。 彼らはどのようにしてこのような次元に到達したのでしょうか? 「1立方メートルの砂にどれだけの熱を蓄えることができるかは分かっているので、必要な材料の大まかな量は計算するのが実は簡単です」とエロネン氏は説明する。 「砂と空気循環システムの間の効率的な熱伝達に必要なスペースも決定する必要がありました (図 4)。それを行うのははるかに困難です。私たちは COMSOL を使用してさまざまな設計オプションをモデル化し、評価しました。」

図 4. Polar Night Energy の蓄熱容器のダクトを検査するトミ・エロネン (前景) とイロネン。

マルチフィジックス シミュレーション ソフトウェアは、Polar Night Energy の熱交換器設計の形成に役立ちました (図 5 ～ 6)。 エロネン氏は、「設計アイデアを検討するために特定のモデルを構築しました。周囲を加熱ダクトで囲まれた超高温の砂のコアを作成したらどうなるでしょうか?」と述べています。 COMSOL Multiphysics ソフトウェアで流体の流れと熱伝達の効果をモデル化することで、Polar Night Energy チームは、その設計の比較上の利点と欠点を定量化することができました。 「シミュレーションにより、『ホットコア』設計が非常に長期間熱を蓄えるのに優れていることが確認されました」とエロネン氏は言う。 「しかし、私たちが意図した運用サイクルでは、砂貯蔵容器全体に熱風ダクトを均等に配置する方が合理的です」と彼は説明します。

図 5. 提案された砂空気蓄熱容器設計内の 100 時間にわたる温度変化を示すシミュレーション画像。

図6. 砂貯蔵容器内のダクトによる自然対流効果のシミュレーション画像。

Polar Night Energy の砂ベースの蓄熱システムは非常に規模が大きいため、シミュレーション ソフトウェアが不可欠です。 「私たちのすべてのアイデアをテストするためにフルサイズのプロトタイプを構築することは不可能です。このすべての機器とすべての砂を組み立てる前に、できるだけ多くの質問に答える予測モデリングが必要です。」 エロネン氏は言う。 「これらの非常に強力なツールを使用することが私たちにとって不可欠です。」

蓄熱のタスクを熱の生成と分配から分離することで、Polar Night Energy はそのシステムをより効率的で適応性のあるものにしました。 砂を充填した蓄熱システムと熱伝達システムを既存のインフラに改修できる大きな可能性があります (図 7)。 人口約 25 万人のフィンランド内陸部の工業都市タンペレは、この新しいテクノロジーの理想的な実験場です。 「タンペレには、多くのヨーロッパの都市と同様に、近隣全体に水を循環させる地域暖房システムがすでに導入されています」とエロネン氏は言います。 「これにより、多くの建物を再生可能な熱源に迅速に切り替えることができます」と彼は言います。 タンペレにあるPolar Night Energyのパイロットプラントでは、新しいソーラーパネルで生成された電力に加えて、既存の送電網からの電力も利用することができます。 信頼性の高い蓄熱により、都市は最も手頃な価格で電力を生成または購入し、最も必要なときに熱を供給することができます。

図 7. フィンランドのタンペレにある Polar Night Energy によって設置された熱伝達システムの一部。 左側の垂直パイプは熱交換器の一部であり、右側の抵抗ヒーター要素は白い断熱材で包まれています。 これらのコンポーネントの間には、空気を循環するラジアルブロワーがあります。

タンペレ システムが 2020 年から 2021 年の冬に運用を開始して以来、Polar Night Energy チームはモデルと比較するためのデータを収集してきました。 「私たちのシミュレーションは非常に正確であることが証明されており、心強いです」とエロネン氏は言います。 そして、Polar Night Energy チームはローカルでアイデアを開発し続けると同時に、グローバルに行動することも目指しています。 フィンランドの長く寒い夜を暖めるのと同じテクノロジーは、他の国々にもより良いエネルギー管理の選択肢を提供することができます。 手頃な価格の蓄熱は、産業や都市が現在無駄にされている熱を回収し、風力と太陽光発電の出力の不一致をバランスさせるのに役立つ可能性があります。 しかし、Polar Night Energy は潜在的な顧客と直接協力したいと考えていますが、今後の課題が自社だけで取り組むには大きすぎることを認識しています。

トミ・エロネン氏、ポーラー・ナイト・エナジーCEO。

「私たちはこの技術のライセンスを取得したいと考えています。発電所を運営している場合は、ぜひ私たちに連絡してください」とエロネン氏は笑いながら言います。 さらに深刻なこととして、彼はこう付け加えた。「私たちは、バイオマスも含め、あらゆる種類の燃焼から離れなければなりません。森林が空気中の炭素を除去し続けることができるように、森林を保護し、復元する必要があります。気候変動が非常に急速に起こっているため、私たちは森林を保護し、回復する必要があります。私たちのアイデアをできるだけ早く広めたいと思っています。」

フィンランド統計、「2020 年にはフィンランドの電力の半分以上が再生可能エネルギー源で生産されました」、2021 年 11 月。