あまりにも多くの時間を費やしてしまいましたエネルギー貯蔵技術。正直なところ、隣人のバッテリー設定に対する好奇心から始まったものは、ある種の強迫観念に変わりました。それで私が考え出したことは次のとおりです-信じてください、この内容のいくつかは私を驚かせました。
風景は劇的に変わりました。 5 年前、私たちは基本的にリチウムイオン-と揚水水力について話していました。それはそれでした。今？選択肢はほとんど圧倒的です。
リチウム-イオンの物語
リチウム-イオンは誰もが知っています。携帯電話、ノートパソコン、おそらく車-はどこにでもあります。しかし、グリッドスケールとホームアプリケーションにとって興味深いのはここからです。-
エネルギー密度は驚くべきものです。これは 150-250 Wh/kg に相当します。これは、比較的コンパクトなユニットに大量のストレージ容量を詰め込むことができることを意味します。これをおそらく 35～40 Wh/kg の鉛酸と比較すると、なぜリチウムイオンがこれほど急速に普及したのかが理解できるでしょう。それは近くにもありません。
往復効率は約 85～95% です。-それは重要なことです。 100 kWh を投入すると、85 ～ 95 kWh が戻ってきます。残りのエネルギーは熱になるため、これらのシステムでは熱管理が非常に重要になります。冷却が不十分なために効率が 10 ～ 15 パーセント低下した設置環境を見たことがあります。高価な間違い。
サイクル寿命は化学的性質や使用パターンによって大きく異なります。 LFP (リン酸鉄リチウム) セルは、放電深度 80% で 4,000 ～ 6,000 サイクルに達します。 NMC化学?同様の条件下では 1,500 ～ 2,000 程度です。生涯価値を計算する際には、この違いが重要になります。
劣化曲線はメーカーが必ずしも重視しているわけではありません。最適に使用した場合でも、年間約 2 ～ 3% の容量が失われます。 10 年後、その 10 kWh のバッテリーは現実的には 8 kWh のバッテリーになります。それに応じて計画を立ててください。
フローバッテリー: 過小評価されている選択肢
私は何年もフロー電池を過小評価していたことを認めます。実際には拡張できないニッチなテクノロジーのように思えました。私は間違っていた。
コンセプトは洗練されています。2 つの電解質溶液が別々のタンクに保管され、セルスタックを通ってポンプで送られ、そこで膜を介してイオンを交換します。電力出力はスタックのサイズによって異なります。エネルギー容量はタンクのサイズによって異なります。これらは個別にスケーリングできます。-これは特定のアプリケーションにとって非常に便利です。
現在、バナジウム レドックス フロー電池 (VRFB) が商業市場を支配しています。 -往復効率はリチウム-イオン-よりも低く、通常は 65-75%-}ですが、重要なのは、電解質はリチウムイオン電極のように劣化しないことです。一部のメーカーは、最小限の容量損失で 20,000+ サイクルを実現できると主張しています。電解液自体はほぼ永久にリサイクルできます。
ただし、設置面積はかなり大きいです。タンク、ポンプ、セルスタック、冷却システムのためのスペースが必要です。 4+ 時間の所要時間を必要とする実用規模の設置の場合、経済性が魅力的に見え始めます。住宅用？実用的ではありません。少なくともまだです。
揚水水力発電: それでも巨人
ここで少し時間を割く必要があります。なぜなら、揚水水力は流行のエネルギー貯蔵の議論で無視されているからですが、それは間違いです。
世界的に見て、揚水水力は設置されている送電網規模のエネルギー貯蔵容量の約 95% を占めています。{1}それをよく理解してください。すべてのリチウムイオン-の見出し、すべてのフロー電池のプレスリリース-は、残りの 5% をめぐって競争しています。その数字は驚異的です。世界中で 160 GW を超える揚水発電能力があり、数百 GWh に相当するエネルギーを貯蔵しています。
原理はこれ以上に単純です。電気が安いとき、または電力が豊富なときは、水を上に汲み上げます。電力が必要なときにタービンを通って逆流します。貯蔵および放出される重力位置エネルギー。珍しい材料や複雑な化学反応はなく、伝統的な意味での劣化の心配もありません。
往復効率は、設置設計に応じて 70-85% の範囲です。リチウム-イオンほどではありませんが、フロー電池と競合します。ここで重要なのは、システムは長持ちするということです。バージニア州バース郡揚水発電所は 1985 年から稼働しており、40 年近くにわたり信頼性の高い稼働を続けています。 40 年前に使用された、まだ動作するバッテリーを探してみてください。
可変速度ポンプ{{0}タービンにより、応答時間が大幅に改善されました。{1}最新の設備では、2 分以内にゼロ出力から最大出力まで移行できます。これは、ほとんどの送電網安定化のニーズに十分対応できる速度です。
明らかな制限は地理です。高低差と水が必要です。ノルウェー、スイス、米国の一部などでは、多くの適切な場所がすでに開発されています。しかし、-これは興味深いことです。-自然水域に依存しない閉ループ システムへの関心が高まっています。-放棄された鉱山、専用の貯水池、さらには地下洞窟まで。{7}}
建設コストは依然として高い。大規模な設備の建設には数十億ドルがかかり、数年、場合によっては数十年のスケジュールが許可されます。この前倒し投資が、技術的な制限ではなく、新規開発の主な障壁となっています。-
圧縮空気
CAES-圧縮空気エネルギー貯蔵。現在稼働している大規模工場は、ドイツのフントルフ (1978 年以降) とアラバマ州のマッキントッシュ (1991 年以降) の 2 つだけです。-。どちらも地下の塩の洞窟を使用しています。従来の断熱設計では効率は約 40～50% ですが、高度な等温アプローチでは 70% が約束されています。+. 興味深いテクノロジーですが、導入は限定されています。次に進みます。
水素の問題
水素を行ったり来たりしています。これが長期保存の未来だと思う日もあります。-また、効率の低下が克服できないと思われる日もあります。
人々をつまずかせる基本的な数学を次に示します。電気分解は約 60-80% の効率で実行されます。圧縮や液化にはさらにエネルギーが必要になります。燃料電池を介して電気に変換すると、効率はおそらく 40 ～ 60% になります。これらを積み重ねると、往復効率は 25 ～ 45% になります。それは...素晴らしいことではありません。
しかし、効率だけがすべてではありません。水素は他の技術では実現できないもの、つまり劣化のない真の季節貯蔵を提供します。太陽光発電がピークに達する夏に水素を生成し、地下の洞窟やタンクに貯蔵し、需要が急増する冬に使用します。確かに、フロー電池の電解質は 6 か月間放置された後でも機能しますが、水素はただそこにあるだけです。自己放電の心配はありません。-
もう 1 つの利点は多用途性です。貯蔵した水素は再び電気になる可能性があります。しかし、工業プロセスに電力を供給したり、車両に燃料を供給したり、熱を生成したりすることもあります。たとえ数値化するのが難しくても、そのオプションには実際の価値があります。
フライホイールに関する簡単な注意事項
フライホイールをほとんど忘れていました。摩擦を最小限に抑えるために、回転するローターに運動エネルギーを蓄えます。-通常は真空中で動作するカーボンファイバー複合材です。応答時間は基本的に瞬時であるため、周波数調整に最適です。しかし、エネルギー容量には限界があります。数時間ではなく、数分間のストレージを対象としています。 Beacon Power は、周波数調整を適切に行う 20 MW 施設をニューヨークで運営しています。大量保管用?他の場所を見てください。
蓄熱が面白くなる
溶融塩、加熱された砂、極低温の液体、氷-ここには人々が思っている以上に多様性があります。
集光型太陽光発電所では長年にわたって溶融塩貯蔵が使用されてきました。スペインのゲマソーラー発電所は、約 565 度の溶融硝酸塩に蓄えられた熱を利用して、直射日光がなくても最長 15 時間発電できます。実証済みの技術です。
最近私がワクワクしているのは、加熱した砂や砂利の保管庫です。これらのシステムは、1000 度を超える温度に耐えることができる、安価で豊富な材料を使用しています。異国のサプライチェーンを心配する必要はありません。 Polar Night Energy というフィンランドの会社は、100 MWh の砂型電池を構築し、2022 年から商業運転を行っています。往復効率は低くなります。-電気の往復効率はおそらく 50-60% です-おそらく電気の場合は 60% ですが、主な用途が暖房であれば 90% に達する可能性があります+.
冷却用途のための氷の貯蔵についても言及する価値があります。電気代が安い夜間に氷を作り、午後のピーク時間帯に冷房に使います。シンプルかつ効果的で、すでに何千もの商業ビルに導入されています。魅力的ではありませんが、機能します。
では、実際にどのように比較するのでしょうか?
正直な答えは、「何をしようとしているかによって決まります」です。その答えは嫌いですが、それは本当です。
期間要件
-秒未満の応答と短期間（数秒から数分）のニーズでは、フライホイールとスーパーキャパシタが主流です。- KWh あたりのコストは高くなりますが、速度の点では無敵です。リチウム-イオンは、1-4 時間のウィンドウを非常にうまく処理します。これはほとんどの住宅用および商業用の導入場所です。 8 ～ 10 時間を超えると、ポンプ式ハイドロ バッテリーとフロー バッテリーがより経済的になります。数週間または数か月にわたる季節貯蔵の場合、現時点では水素が唯一の実行可能な選択肢です。
コストの現実
リチウム-イオン パックのコストは、2010 年の約 1,100 ドル/kWh から、2024 年には約 140 ドル/kWh まで急落しました。これは驚くべき推移です。しかし、バッテリーのコストは方程式の一部にすぎません。システム、設置、送電網の相互接続のバランスにより、これらの「ソフトコスト」がプロジェクト予算の大半を占めるようになっています。{9}} 100 kWh の住宅用システムの設置費用は、場所や地域の規制によって大きく異なりますが、20,000 ～ 35,000 ドルかかります。
揚水水力は長期用途向けの平準化された貯蔵コストが最も低く、プロジェクトの全期間にわたって通常は 50～80 ドル/MWh です。{0}}問題は、先ほど述べた先行資本の要件です。忍耐強い投資家が必要です。
フロー バッテリーは依然として高価であり、システム全体で-おそらく 300 ドル-/kWh あたり 500 ドルかかります。ただし、寿命が長いため、平準化コストの計算が変わります。アプリケーションが 20 年間にわたって 10,000+ サイクルを必要とする場合は、数値を慎重に計算してください。
環境への配慮
ここからはちょっと説教臭くなります、ごめんなさい。リチウム-イオンの製造には、コバルト採掘条件、リチウム抽出水の使用量、耐用年数終了後のリサイクルの課題など、実際の環境への影響があります。{{2}これらすべてにおいて私たちは改善してきていますが、バッテリーが完全にきれいであるかのように振る舞うのは単純です。揚水水力は景観や生態系を変化させますが、閉ループ設計により影響は最小限に抑えられます。{7}}電気分解から得られる水素は、それに供給される電気と同じくらいクリーンです。これらのトレードオフは重要であり、正直に議論する価値があります。
実際におすすめしたいもの
ほとんどの家庭や中小企業にとってはどうでしょうか？リチウム-イオン、特に LFP 化学。テクノロジーは成熟しており、設置業者もそれを理解しており、価格も非常にリーズナブルになっています。屋上太陽光発電と組み合わせれば、10～15年間は十分に使えるシステムが完成します。
4+ 時間の所要時間要件があるグリッド{0}}規模のプロジェクトの場合、会話はより興味深いものになります。特に高いサイクル数が要求される用途の場合、私はリチウム-イオンと並んでフロー電池を真剣に評価します。また、揚水水力は時代遅れに聞こえるからといって無視しないでください。地理が許せば、それが最良の長期投資であることがよくあります。-{6}}
新しいテクノロジーにも注目してください。ナトリウム-電池は実用化されつつあり、数年以内にリチウム-のコストを下回る可能性があります。鉄-空気電池は、長時間の用途に優れたエネルギー密度を提供します。-水の代わりに固体ブロックを用いた重力貯蔵が実用化されている。
景観は急速に進化しています。現在最適と思われることも、5 年後には答えになっていない可能性があります。今決断を下す必要がある場合、その不確実性はイライラさせられますが、同時に本当に興奮するものでもあります。私たちは世界のエネルギー貯蔵方法の変革の時代を生きており、イノベーションのペースは衰えていません。