最先端技術により、空調に使用されるエネルギー量を大幅に削減できる可能性がある

中国のバス会社は原因を突き止めることができませんでした。上海の街をゆっくりと走るだけの日でも、電力消費量が急上昇することがありました。その理由は謎でした。そこで、米国企業モンタナ・テクノロジーズのチームが調査に赴きました。彼らはバスの各部に電力メーターを取り付け始め、問題の中国企業である宇通バスが見落としていた点をすぐに突き止めました。

「バスにはエアコンの計器類がありませんでした」とモンタナ・テクノロジーズのCEO、マット・ジョア氏は語り、上海の高温多湿な気候に対処するためにバスに搭載されていたエアコンが電力消費に大きな影響を与えていたことを説明する。「運転手がエアコンをオンにすると、ただちに温度が急上昇するだけだったのです。」

誰もが、どこでも、エアコンのスイッチを入れたり、部屋の温度を1～2度下げたりすると、エネルギー消費量は大幅に増加します。湿度の高い環境では、エアコンは特に大きな負荷がかかります。消費エネルギーの半分以上が、空気を冷やすのではなく、除湿するために使用される可能性があるのです。中国の蒸し暑い気候でバスが苦戦しているのを見て、ジョレと彼の同僚たちはあるアイデアを思いつきました。除湿の効率を何とか高めることができれば、エアコン全体の効率も大幅に向上させることができるはずだと。彼らは、どうすれば実現できるのかを模索しながら、アメリカに戻りました。

冷房は世界のエネルギーの10分の1、つまり建物で使用される全エネルギーの20%を消費しています。国際エネルギー機関（IEA）は、今後25年間で冷房の需要が急増すると予測しており、2050年までに世界の世帯の3分の2が何らかのエアコンを所有するようになる見込みです。気候危機が深刻化するにつれ、冷房の賢明な利用はますます重要になります。一つには、多くの命を救う可能性を秘めているからです。しかし、エアコンはどれほど便利であっても、持続可能とは程遠いものです。冷房技術は、原理的にははるかに効率化できる可能性があります。

「ここに50ガロン入りの樽がいくつかある。特殊な粉末状なんだ」とジョレ氏は言う。これは、彼の会社が開発した革新的な除湿システム「エアジュール」の内部部品をコーティングする、湿気を好む素材のことだ。これは、彼のチームが中国を訪れた後に何年もかけて研究開発してきた成果だ。このコーティングは、金属有機構造体と呼ばれる高多孔質材料の一種で、その細孔は水分子に非常によくフィットするサイズになっている。強力な乾燥剤、つまり乾燥装置として役立つ。

「たった1キログラムでも、その重量の半分か半分以上、つまり私たちの場合は55パーセントを水蒸気として吸収する可能性があります」とジョレ氏は言う。

AirJouleシステムは2つのチャンバーで構成されており、それぞれのチャンバーにはこの特殊素材でコーティングされた表面があります。これらのチャンバーは交互に空気の流れを除湿します。一方のチャンバーは常にシステムを通過する空気を乾燥させ、もう一方のチャンバーは以前に集めた水分を徐々に放出します。乾燥チャンバーからのわずかな熱が、もう一方のチャンバーの水分を含んだコーティングに伝わり、水分が滴り落ちて除去されるのを促します。ジョア氏によると、この2つのチャンバーは約10分ごとに役割を交代します。

このプロセスは空気を冷却するわけではありませんが、乾燥した空気を従来型のエアコンに供給することを可能にし、二次機器の消費電力を大幅に削減します。また、ジョア氏によると、AirJouleは除去する水蒸気1リットルあたり100ワット時未満の電力を消費するため、従来の除湿機と比較して除湿に必要なエネルギーを最大90%削減できる可能性があります。

モンタナ・テクノロジーズは、消費者向け製品を自社開発して既存のHVAC企業と直接競合するのではなく、AirJouleシステムの部品を既存のHVAC企業に販売したいと考えています。同社はこのアプローチを「AirJoule Inside」と呼んでいます。同社はまた、同じ技術をベースに、空気から飲料水を採取できる米軍向けシステムの開発にも取り組んでいます。砂漠に駐留する部隊にとって便利なシステムとなるでしょう。しかし、AirJouleはまだ試作段階と試験段階にあります。

「潜在的な顧客やパートナーのために、こうしたパイロット試作ユニットをいくつか建設中です」とジョレ氏は語る。「大型小売店の屋上をイメージしてみてください。」

ライバル企業のブルー・フロンティアも乾燥剤ベースの除湿システムを開発しているが、こちらは空気中の水分を吸着する塩水溶液である液体乾燥剤を使用している。CEOのダニエル・ベッツ氏によると、同社はオフィス、倉庫、レストランなど、米国内の複数の非公開の場所にこの技術を導入しているという。すでに3か所が稼働しており、年末までにさらに6か所が設置される予定だ。

AirJouleと同様に、Blue Frontierのアプローチは、乾燥した空気を冷却するための独立した二次空調プロセスと連携します。Blue Frontierも同様に、乾燥剤の再生の必要性を考慮する必要がありますが、このプロセスは除湿とは分離し、電力網の需要が少ない時間帯に稼働させることができます。「私たちは空調の負荷をピークからシフトさせています」とBetts氏は述べています。

大型の空調システムは、自宅やアパートにあるようなシステムとは仕組みが異なります。例えば、ホテルの集中型チラープラントを考えてみましょう。チラープラントは冷却液を客室に循環させ、そこで空気を冷やすために利用します。この液体の温度を下げるチラープラントは、すでに十分な効率性を備えています。しかし、日中の暑さから逃れたい人々がいる午後遅くなど、ピーク時には電力網から電力を引き出さなければならないと、エネルギー貯蔵を専門とするノストロモ・エナジーの創業者兼最高技術責任者であるヤロン・ベン・ヌン氏は指摘します。

この問題を回避するため、ノストロモ社はアイスブリックというシステムを開発し、昨年カリフォルニア州の隣接する2つのホテル、ビバリーヒルトンとウォルドルフ・アストリア・ビバリーヒルズに設置した。アイスブリックは長方形のモジュールで、建物の屋上に設置される。内部には約200個の断熱カプセルの水が入っており、オフピーク電力が利用できるときに凍結させることができる。そして、暑い日中にホテルの宿泊客がうだるような暑さになり始めたら、チラープラントはいわばその蓄えられた冷気を使用することで高額な電気料金を支払わないようにすることができる。これはエネルギー消費量の削減を意味するものではなく、実際には若干増加するが、ベン・ナン氏によると、このシステムにより年間の冷房コストを30パーセント、関連する排出量を最大80パーセント削減できるという。アイスブリックは、送電網上で再生可能電力が大量に利用できる時間帯（たとえば、夜中に風力タービンが忙しく回転しているとき）に電力供給を開始するのを待つことができるためだ。

このシステムは大規模な集中冷房設備でのみ機能するため、一戸建て住宅には適していません。しかし、ベン・ナン氏によると、様々なチラープラントにボルトで接続することが可能で、例えばどのような循環流体を使用しているかは問題ではないとのことです。

「本当に興奮しました」と、オックスフォード大学で持続可能な冷却の上級研究員を務めるニコール・ミランダ氏は語る。「既製品で、簡単に積み重ねられ、柔軟性の高いソリューションが見られるのは素晴らしいことです。」

すべてのシナリオに全く新しいアプローチが必要なわけではありません。従来の空調技術は、より優れた設計によって恩恵を受けることができると、特定の部屋に暖房または冷房を提供できる窓用ヒートポンプを製造するGradient社のCEO、ヴィンス・ロマニン氏は主張します。ユニットは窓枠の両側、内側と外側に吊り下げられ、パイプで接続されます。ユニットの外側部分は従来のエアコンよりも大きく、より大きく効率的な熱交換器を搭載できるとロマニン氏は言います。しかし、彼は、可能な限り最も効率的なエアコンを作ることが同社の主要目標ではないことを強調します。むしろ、それは「より多くの種類の建物に高効率システムを導入すること」でした。

こうしたメリットに加え、スマートコントロールなどの機能によって、ユーザーがエネルギーを無駄にしないよう配慮できると彼は指摘する。グラディエント社の典型的な窓用ヒートポンプは現在3,800ドルだが、ロマニン氏によると、同社はこのデバイスをできるだけ利用しやすくするために、最終的には1,000ドルまで値下げしたいと考えているという。

「エアコンなしの生活は想像できません。仕事もできません」と、スロベニアのリュブリャナ大学で機械工学の助教授を務めるヤカ・トゥシェク氏は語る。スロベニアの気温は最近35℃（華氏95度）前後で推移している。しかし、多くの非集中型エアコンは現在、理論上の最大効率の20%程度しか発揮していないとトゥシェク氏は指摘する。

過熱する世界は、より積極的な冷却を必要とするだろう。それは疑いようもない。しかし、それをどのように、そしてどの程度まで展開するかが重要になる。私たち自身を過度に冷やしても意味がない。ウィーン大学でドイツ文学と文化理論の教授を務めるエヴァ・ホーンは、2016年に発表したエアコンに関するエッセイの中で、その皮肉を次のように指摘している。「私たちは、エアコン技術自体が生み出す膨大なCO2排出によって生み出している温暖化に、ますます耐えられなくなっているのだ。_」

そのため、空調全体のエネルギー消費量を削減する方法を見つけることが急務となっています。上記の技術はすべて、既存の空調技術の派生、あるいは補助的なものです。しかし、全く異なる設計のエアコンを作るためのアイデアも浮上しています。トゥシェク氏が関心を寄せている選択肢の一つが「電気熱量」冷却です。これは、電界を用いて物質内の原子の運動に微妙な変化、つまり一種の相転移を誘発し、物質の状態を変化させるものです。これにより、物質内の温度変化が起こります。

昨年11月、ルクセンブルク大学のエマニュエル・デフェイ氏らは、電気熱量冷却装置に関する論文を発表しました。この装置は、薄いセラミック材料の細片を積み重ね、その間にわずかな空気の隙間を設けることで作られています。この小さなセラミック積層体は、液体で満たされたチューブの中にあります。電界をかけると、固体セラミック材料内で相転移が起こり、発熱します。液体は熱を吸収し、チューブの片側に移動します。その後、電界がオフになると、積層体は冷却されます。この冷却過程で、液体は反対方向に移動し、最終的にチューブの反対側を冷却します。

「まるで一緒に踊っているかのようです」とデフェイ氏は言う。約100サイクルにわたって、チューブの一方の端は熱くなり（約30℃）、もう一方の端は大幅に冷たくなる（約15℃）。「少しずつ、この温度勾配を作り出すのです」と彼は付け加える。これは、人々が現在頼りにしている冷却技術とは根本的に異なり、将来的には宇宙空間の冷却効率が全体で約20%向上する可能性があるとデフェイ氏は見積もっている。しかし、実験室で試作されたこの装置の冷却能力は約4ワットに過ぎず、セラミックは有毒な鉛など、理想的とは言えない材料で作られている。トゥシェク氏は、このようなシステムに使用される材料の長期的な信頼性はまだ証明されていないと指摘する。

より優れたアクティブ冷却技術の開発競争に追われるあまり、パッシブ冷却対策をより多く導入する機会を逃してしまう可能性があるとミランダ氏は指摘する。パッシブ冷却は、夏の日に窓から日差しを遮るシャッターのようなシンプルなもので、運用コストはゼロだと彼女は指摘する。「ここでのリスクは、簡単に使える既成の解決策があるにもかかわらず、電気代を節約できるパッシブ冷却の活用を少し怠ってしまうことです。」