エネルギーストレージに関する重要事項

20世紀において、電力は主に化石燃料の燃焼によって生成されてきました。しかし、エネルギー輸送の問題、大気汚染、そして地球温暖化の問題は、風力や太陽光などの再生可能エネルギー源の利用の増加を促進しました。

風力発電は気象条件と気候に依存していますが、太陽光発電は地理的位置と雲の被覆率に依存しています。

太陽光エネルギーは昼間にしか利用できず、電力需要は通常、太陽が沈んだ後にピークに達します。そのため、これらのエネルギー源からのエネルギーの採取への関心は、世界中でますます高まっています。

なぜエネルギーストレージが重要なのか

非グリッド電力の利用は20世紀には小さな市場に過ぎませんでしたが、21世紀には大きく発展し、重要な市場となりました。

世界中での携帯機器の普及がこれを促進しました。太陽電池パネルは農村地域でますます普及しています。

気候変動への認識が高まる2030年までに、化石燃料からの発電容量の2/3が太陽光や風力などの再生可能エネルギーに置き換えられると予想されており、これらの再生可能エネルギーが温室効果ガスの排出量を減らすのに役立つことが期待されています。

ただし、これらの再生可能エネルギー源の利用には、電力システムのより高い柔軟性が必要であり、これには予備電源の追加や/またはこれらの再生可能エネルギー源を地元の電力消費機器と組み合わせることが含まれます。

さらに、”スマートホーム”技術が急速に発展しており、年平均成長率は18.5％です。2022年までに、世界中で約9億3970万台のスマートホーム対応消費電子機器が存在すると予測されています。このトレンドは電力の貯蔵にも大きな影響を与えています。

エネルギーを蓄積するための方法

エネルギーは、さまざまな方法で蓄積できる物質の形態ですが、それぞれの方法は異なる技術を使用します。具体的には以下のとおりです：

自然な方法：化石燃料の貯蔵。

機械的方法：空気圧エネルギー蓄積（CAES）、蒸気エンジン、超重力フライホイール、重力ポテンシャル、蓄電器、およびポンプ貯蔵を含む。

電気、電磁方法：電解槽、超キャパシタ、超伝導磁石、および超伝導コイルを使用する。

生物学的方法：グリコーゲンとデンプンを含む。

電気化学方法（電池エネルギーストレージシステムを含む）：流れ電池（フローバッテリー）、容量電池（一般的な種類）、およびウルトラバッテリーを使用する。

熱方法：熱電池、ユーテクティック低温保存システム、液化空気エネルギーストレージ（LLAE）、Derman Cryogenicエンジン、蓄積クール機能、物質の相変化、植物由来の熱蓄積、太陽熱貯蔵池、蒸気電池、および断熱技術を含む。

化学的方法：バイオ燃料、水和塩、水素貯蔵、過酸化水素、Power-to-Gas（P2G）技術、および酸化バナジウム（V2O5）を含む。

エネルギーの蓄積方法

機械的蓄積

高い位置に水をポンピングするか、または固体物質を高い場所に移動することによって行われます。これには、重力のピンを含む。他の方法には、空気を圧縮し、ダイナモや逆にエネルギーを電気に変換するフライホイールなどがあります。

水力発電所は通常、ピーク時に電力を供給するために貯水池を使用します。需要が低いときに水が貯められ、需要が高まると放出されます。これは他の源からの直接的な蓄積ではありませんが、水力発電は過剰な時間に他の源からの出力を減らします。水力ダムは、エネルギーの効率的な貯蔵方法と見なされています。

ポンプストレージ発電所（PSPP）は最も大規模で広く使用されています。PSPPのエネルギー効率は70％から80％の範囲で変動することがあります。

需要が低く、電力供給が需要を上回るときは、水が低い貯水池から高い貯水池にポンプで移動されます。需要が高まると、水が逆流し、発電機またはタービンを通じて電力を生産します。タービンは需要に応じてポンプまたは発電機として機能します。

圧縮空気エネルギーストレージシステム（CAES）は、余剰エネルギーを使って空気を圧縮し、後で電力に変換する方法です。圧縮空気は地下貯蔵タンクに貯蔵されます。

このシステムは、電力と需要の間の距離を縮め、過剰なエネルギーを効率的に使用してエネルギー需要に応える能力を持っています。再生可能エネルギー源からのエネルギーを蓄積し、必要に応じて使用することも可能です。

空気圧縮過程は熱を生成し、適切に適用されれば効率を向上させるために蓄積および使用することができます。

フライホイールエネルギーストレージ（FES）

エネルギーを蓄積するためにフライホイールの回転速度を増加させることで機能します。必要に応じて、エネルギーはフライホイールの回転速度を減少させ、エネルギーを補充することで取り出されます。ほとんどのFESシステムは、回転速度を制御するために電力を使用しますが、機械的エネルギーも使用できます。

FESシステムのフライホイールは、高強度の炭素材料で作られ、真空のケーシング内で高速に回転します。フライホイールは数分で最高速度に達することができます。このシステムは電動機またはタービンと接続され、電力を生成します。

FESシステムは長寿命で高エネルギー密度です。

固体の重力によるエネルギーの保持

機械的エネルギーは、固体のブロックの高さを変化させることで蓄積および解放されます。これは電動リフトまたはジェネレーターで制御されます。この方法は、レールとリフトシャフトを使用して固体ブロックを上下に移動し、太陽エネルギーがこれを支援するのに役立ちます。

これらの方式以外の蓄電技術には、フローバッテリー、スーパーキャパシタ、および電気からガスへの技術であるパワートガスが含まれます。水素もエネルギー貯蔵デバイスと見なされ、太陽光または燃料電池から生成することができます。

アルミニウムもエネルギー貯蔵デバイスとして提案されており、水との相互作用によってエネルギーを抽出することができます。アルミニウムからの充電式バッテリーも、太陽エネルギーの統合と貯蔵に対する潜在的な解決策です。

ホウ素、シリコン、亜鉛も代替エネルギー貯蔵デバイスとして検討されています。これらの技術は持続可能なエネルギー貯蔵の効率的な解決策の開発に貢献しています。

家庭内での電力蓄積

再生可能エネルギーの分散生産の重要性がますます高まる中、特に太陽エネルギーから、家庭内でのエネルギー蓄積がより一般的になると予想されます。居住建物でのエネルギー消費率が著しく高まっているためです。

家庭のエネルギー独立を実現するために、太陽光発電システムを備えた住宅では、エネルギー蓄積が必要不可欠となります。エネルギー蓄積用のバッテリーを製造する企業は、通常は太陽光エネルギーや余剰風力エネルギーの自己供給のために製造されます。

家庭用エネルギー蓄積では、リチウムイオンバッテリーが鉛酸バッテリーよりも好まれます。なぜなら、高い効率と同等の価格がありますからです。

Tesla Motorsは、日常的な用途のために2つの一般的なモデルのTesla Powerwall（それぞれ10 kWhと7 kWh）を導入しました。Tesla Powerpack 2のバージョンは、電力の平均価格が12.5セント/kWhである場合、1 kWhあたり398ドルの価格で電力を蓄積します。これは2016年のデータです。

Enphase Energyは、1.2 kWhのエネルギー容量と275 W/500 Wの出力を持つ、家庭ユーザーがエネルギーを蓄積、監視、管理するための統合システムを発表しました。

太陽光エネルギーや風力エネルギーを蓄積する別の方法は、熱エネルギー貯蔵デバイスを使用することです。これはバッテリーよりも柔軟性は低いですが、費用は安くなります。たとえば、150リットルの電気温水器は、約12 kWhのエネルギーを温水や暖房に使用できます。

産業用エネルギー蓄積システム（BESS：Battery Energy Storage System）は、特別に設計されたリチウムイオン（Li-ion）バッテリーを使用するエネルギー蓄積技術です。これらのシステムは通常、太陽光や風力などのエネルギー源を補完し、エネルギーの生産と消費をバランスさせるために使用されます。

BESSの利点

他のエネルギー蓄積技術（例：PHSやCAESなど）とは異なり、BESSは特定の場所に適しています。

BESSは、PHSやCAESなどの他の技術よりも高い電力密度とエネルギー密度を持ちます。

BESS内のリチウムイオンバッテリーは、周波数調整、電圧調整、ピークシフト、負荷平衡、グリッドパラメータ調整など、多くの用途に使用できます。

BESSの寿命は長いです。

BESSは電力産業の中で最も急速に成長している分野の1つです。過去10年間で、業界全体の成長率は48倍になり、年平均成長率は47%です。Bloombergの予測によると、2040年までに蓄積容量は1TWを超える見込みです。

BESSはピーク需要を完全に削減し、風力や太陽光などのエネルギー源が常に昼夜問わず利用可能になります。2040年までに、再生可能エネルギーは欧州全体のエネルギーの90%を占め、そのうち風力と太陽光が80%を占めると予想されています。

BESS技術の急速な発展は、過去2年間でエネルギー蓄積コストを50%削減したことによるものです。BESSはエネルギーサプライとデマンドを最適化し、電力輸入を減らし、停電と関連する中断とコストを最小限に抑えることで、エネルギーセキュリティを向上させます。