ホワイトペーパーや仕様書を読むのに何時間も費やしてきましたエネルギー貯蔵。そして、私が理解したのは次のとおりです。全体の状況は、ほとんどの記事で思われているよりも厄介で興味深いものです。
誰もがバッテリーについて話します。当然のことですが、-今ではどこにでもいます。しかし、エネルギー貯蔵？それはもっと大きな会話です。私たちは、山頂にある巨大な水の貯留から、真空チャンバー内で回転する金属の塊に至るまで、あらゆるものについて話しています。これらのテクノロジーの中には、曾祖父母が子供の頃から存在しているものもあります。-その他は主にラボや PowerPoint プレゼンテーションに存在します。
実際にどんなものがあるのかをご紹介します。
誰も語らない昔の主力製品
揚水式水力貯蔵。退屈そうですよね？異なる標高にある 2 つの貯水池、いくつかのタービン、上下に流れる水。単純な物理学。
しかし、問題は-この「退屈な」テクノロジーが世界中のすべてのグリッド規模のエネルギー貯蔵の約 95% を処理しているということです。- 90-%。人々がバッテリーの化学について議論し、リチウムとナトリウムについて議論しているとき、揚水水力はバックグラウンドで静かにその役割を果たしています。
コンセプトは恥ずかしいほどシンプルです。電気が安いとき（通常は夜間、または太陽が照りつけてソーラーパネルが作動しているとき）、水を貯水池に汲み上げます。価格が急騰したり、需要が急増したりすると、その水がタービンを通って勢いよく戻ってきます。効率は 70-85% 程度で完璧ではありませんが、ストレージ容量は膨大です。私たちはギガワット-時間のエネルギーを貯蔵できる施設について話しています。メガワット-時間ではありません。ギガワット-時間。リチウムイオンでそれをやってみてください。
もちろん、落とし穴があります。地理が必要です。リザーバーは2つ必要です。適切な高低差が必要です。カンザス州ではこれらを正確に建設することはできません。環境の許可だけでも何年もかかります。そして初期費用は？天文学的。しかし、これらのプラントは一度建設されると、50 年、60 年、場合によっては 80 年間稼働します。バージニア州バース郡の施設は 1985 年から稼働しており、止まる気配はありません。
圧縮空気: 地下アプローチ
圧縮空気エネルギー貯蔵装置 (CAES) は、揚水式水力発電の奇妙ないとこです。水を動かす代わりに、地下の洞窟、-塩のドーム、枯渇した天然ガス田、帯水層など、利用可能な地層が何であれ、空気を圧縮します。
オフピーク時には、電動コンプレッサーが、想像しただけで耳が張りそうなほどの圧力で空気を地下空間に押し込みます。{0}}電力が必要になると、圧縮空気が放出され、加熱されて（通常はあまり環境に優しくない天然ガスを使用します）、タービンを通過します。--
現在稼働している商用 CAES プラントは 2 つだけです。二。 1 つはドイツで 1978 年から稼働しており、もう 1 つはアラバマで 1991 年から稼働しています。このテクノロジーは明らかに機能しています。しかし、地質学的要件は厳しく、多くの場所では経済性が明確になっていません。それでも研究者たちは、圧縮熱を捕捉して再利用し、天然ガスの必要性を排除する、高度なバージョンの断熱システムの研究を続けています。{6}これらは、現時点ではほとんどがパイロット プロジェクトに存在します。
フライホイール: 純粋な機械の美しさ
正直に言うと、-フライホイールが私のお気に入りです。回転運動としてエネルギーを蓄積することには、どこか優雅さがあります。
フライホイール システムは本質的に、真空チャンバー内で回転する重いローターであり、摩擦を最小限に抑えるために磁気ベアリングによって吊り下げられています。電力が余ると、モーターがフライホイールをより速く回転させます。電力を取り戻す必要がある場合、その回転する質量が発電機を駆動します。物理学はクリーンで直感的です。
フライホイールは、急速な充放電サイクル、寿命にわたる数百万回のサイクル、ミリ秒単位で測定される瞬間的な応答時間など、バッテリーが苦手とする点で優れています。{0}これらは、周波数調整-正確に 60 Hz (またはお住まいの地域によっては 50 Hz) で安定させるためにグリッドを安定させるために必要な、小さな一定の調整に最適です。
彼らの苦手なことは何ですか？エネルギーを長期間貯蔵します。最高の磁気ベアリングとほぼ完璧な真空を使用していても、フライホイールは時間の経過とともに摩擦によりエネルギーを失います。{1}一日座ったままにすると、蓄えられたエネルギーのかなりの部分が失われます。 1週間そのままにしておきますが、気にしないでください。
したがって、フライホイールは、短期間、高出力の用途という特定のニッチ分野を占めています。-データセンターは、ディーゼル発電機が作動するまでの数秒間、それらをブリッジ電力として使用します。一部の交通システムは、制動エネルギーをフライホイールに回収し、数秒以内に第 3 レールに放出します。 NASA は宇宙船でそれらを使用しました。
電池: 誰もが実際に関心を持つカテゴリー
さて、バッテリーについて話しましょう。電気化学的な選択肢は近年爆発的に増えており、正直言って混乱しています。
リチウム-イオン正当な理由があって会話を支配します。エネルギー密度が高いということは、より少ないスペースでより多くの貯蔵を可能にすることを意味します。特に新しい化学薬品の場合、適切なサイクル寿命。コストは 2010 年以来、90% ほど下がっています。{3}携帯電話、ノートパソコン、電気自動車、そしてますます増えているグリッド ストレージはすべて、さまざまな種類のリチウム イオンで動作します。-。
しかし、「リチウム-イオン」はひとつではありません。それは家族です。リン酸鉄リチウム（LFP）は、安全性の向上と寿命の延長のためにエネルギー密度をある程度犠牲にしています。-コバルトは含まれていないため、倫理的にも経済的にも重要です。中国のメーカーは LFP に全力を尽くし、今では LFP がその地位を引き継ぎつつあります。-一方、ニッケル-マンガン-コバルト (NMC) は、1 キログラムあたりにより多くのエネルギーを蓄えます。これは、電気自動車に適切な航続距離を与えようとする場合に重要です。
リチウム-イオンのダークサイド?熱暴走。これらのバッテリーは、破損したり、過充電されたり、運が悪かったりすると、見事な発火を起こす可能性があります。製造にはエネルギーが大量に消費されます。-リチウムとコバルトのサプライチェーンには、独自の倫理的問題があります。リサイクルインフラは改善されつつありますが、使用済みバッテリーのほとんどは依然として埋め立て地に捨てられています。
フロー電池全く異なるアプローチを取る。固体電極にエネルギーを蓄える代わりに、外部タンク内の液体電解質を使用します。より多くのエネルギー容量が必要ですか?もっと大きな水槽を用意してください。電力とエネルギーが分離され、設計哲学全体が変わります。
バナジウム レドックス フロー電池 (VRFB) は最も成熟したバージョンです。実質的に永久に持続します。-15,000 ～ 20,000 サイクル、あるいはそれ以上になる可能性があります。深放電による劣化がありません。電解液は消耗しません。セルスタックの中を行ったり来たりするだけです。 25 年経っても、電解液を排出して別の場所に輸送し、使い続けることができます。
しかし、フロー電池はかさばります。エネルギー密度が低いということは、車両やポータブル用途には意味がありません。バナジウムも安くはありません。設置面積は問題ではなく、寿命が重要なグリッド規模のストレージの場合はどうですか?彼らはますます魅力的になっています。
鉛-酸は 1859 年以来基本的に変わっていないオリジナルの充電式バッテリーです。あなたの車は 1 つから始まります。安価で理解度も高く、98% リサイクル可能です。-しかし、サイクル寿命は平凡で、エネルギー密度は低く、重いです。グリッドアプリケーションでは、それらはほとんど取って代わられていますが、コストが何よりも重要であるバックアップ電力システムでは依然として主流です。
ナトリウム-イオン注目を集めている新人です。ナトリウムはあらゆる場所に-文字通り海水中に含まれている-ため、サプライ チェーンの懸念は基本的になくなります。製造プロセスでは、既存のリチウムイオン工場設備を再利用できます。{4}}性能はまだリチウムイオンレベルには達していませんが、その差は急速に縮まりつつあります。 CATL は 2023 年に量産を開始しました。5 年以内に、ナトリウム イオンは据え置き型ストレージの深刻な市場シェアを獲得する可能性があります。{9}}
言及しておきますニッケル-カドミウム(カドミウムは有毒であり、EU によって制限されていますが、依然として一部の産業用途で使用されています)、ニッケル-金属水素化物(リチウム化する前のプリウスを覚えていますか?)ナトリウム-硫黄（2000 年代に日本企業が熱心に推進した高温システム）。-しかし、現時点では、単に列挙するために列挙しています。実際には、リチウム-電池とフロー電池が活躍しており、ナトリウムイオン-が急速に登場しています。
蓄熱: バッテリーとしての熱
ここに十分な注目が集まっていないカテゴリがあります。エネルギーを熱 (または冷たさ) として蓄えることです。
溶融塩の貯蔵集中型太陽光発電所が夜間にどのように機能するかです。鏡は太陽光を塔に集中させ、溶融塩を 500 ～ 600 度に加熱します。その塩は断熱タンクに保管され、電気が必要なときにそれを使って蒸気を作り、タービンを動かします。スペインのゲマソーラー発電所は日没後15時間発電できる。ネバダ州の三日月砂丘には、10 時間の発電に十分な熱が蓄えられています。
溶融塩の優れた点は、蓄熱が安価であることです。電池よりもkWhあたりのコストがはるかに安い。 -クールではないのは、熱から電気への変換とその逆の変換で大幅に損失する往復効率-です-。
氷の貯蔵庫タイムシフトに相当する熱量です。-商業ビルは、電気料金が安い夜間に水を凍らせ、午後のピーク時にその氷を使って空調を提供します。魅力的ではありませんが、機能します。ディズニーワールドでも使われています。暑い気候の多くのオフィスビルで使用されています。本質的には、需要を冷却するためのバッテリーとして氷を使用していることになります。
さらに新しい概念もあります。カルノー電池電気を熱として蓄え、熱機関を使用して電気を変換して戻すシステム、電気暖房を時間的にシフトする温水タンク、地域全体の季節蓄熱システム。{0}}熱宇宙は驚くほど奥が深いです。
水素：ワイルドカード
水素エネルギー貯蔵には、熱烈な支持者と厳しい批判者がいますが、正直なところ、どちらにも一理あります。
魅力はシンプルです。余剰の再生可能電力を利用して水を水素と酸素に分解します (電気分解)。水素を貯蔵します。電力が必要な場合は、燃料電池で電力を供給するか、タービンで燃焼させます。水素は、非常に長期間、数週間、数か月、さらには季節に渡って大量のエネルギーを貯蔵できます。{3}}
批判も同様に単純です。往復の効率がひどいということです。-電気分解では30%が失われます。圧縮や液状化ではさらに多くの損失が発生します。電力に変換する際にさらに多くの損失が発生します。 --最初から最後まで、元のエネルギーの 30-40% を取り戻すことができます。これをリチウムイオンの 85 ～ 90% と比較してください。
それでは、水素はいつ意味を持つのでしょうか?本当に大量のエネルギーを長期間貯蔵する必要がある場合。高熱を必要とする工業プロセスを脱炭素化する場合。長距離輸送可能なエネルギーキャリアが必要な場合。他のオプションでは文字通り仕事ができないとき。
ドイツは水素に大きく賭けている。日本も同様だ。オーストラリアは、グリーン水素をアジアに輸送するための輸出インフラを構築中です。この賭けが成功するかどうかは、バッテリーの性能向上よりも早くコストが低下するかどうかにかかっています。-そしてバッテリーの性能は急速に向上しています。
超-短い-期間のもの
スーパーキャパシタ電気化学的ではなく静電気的にエネルギーを蓄えます。ほぼ瞬時に充電と放電を行い、数百万サイクルを処理し、途方もない電力密度を提供します。彼らができないのは、多くのエネルギーを蓄えることです。輸送用コンテナほどの大きさのスーパーキャパシタバンクには、スーツケースほどの大きさのバッテリーパックに相当するものを蓄えることができるかもしれない。
そのスイート スポットは超短時間のバーストです。輸送システムでの回生ブレーキ、再生可能設備での電力供給をスムーズにし、バッテリが引き継ぐ前に UPS が必要とする一瞬の電力を供給します。-
超電導磁気エネルギー貯蔵（SMES）はさらにエキゾチックです。極低温に冷却された超電導コイルによって生成された磁場にエネルギーを蓄積します。 -ほぼ瞬時の応答、劣化なし、本質的に無限のサイクル寿命。しかし、超電導温度を維持するコストと複雑さのため、SMES はニッチな用途にとどまっています。{4}主に、瞬間的な電圧低下でも数百万ドルかかる半導体製造工場やその他の施設の電力品質です。
重力式ストレージ: 新しい古いアイデア
もう 1 つのカテゴリについて言及する価値があります。それは、水力を汲み上げていない重力ベースのシステムです。{0}
エネルギー貯蔵庫巨大なコンクリートブロックを積み上げたり積み下ろしたりするクレーンシステムを構築します。エネルギーが安いときはブロックを持ち上げ、電力が必要なときは発電機を使ってブロックを下げます。本質的には、水を使わずにハイドロポンプで汲み上げられます。
他の企業は廃坑を探索しており、{0}坑道内の重量を下げて、再び引き上げています。または、専用のタワーを建てます。-あるいは、傾斜した線路に石を積んだ車両を含むコンセプトさえあります。
これらが経済的に競争できるかどうかについてはまだ結論が出ていない。重力貯蔵のエネルギー密度は本質的に低く、-有意義なエネルギーを貯蔵するには、多くの質量と高さが必要です。しかし、支持者は、安価な材料（コンクリート、砂利）と単純な機構を使用すれば、長時間使用する用途ではコスト面で電池を上回る可能性があると主張しています。-
では、実際に何が重要なのでしょうか？
ここまで読んだ方は、どのテクノロジーが勝つのか疑問に思っているかもしれません。
質問が間違っています。
エネルギー貯蔵は市場で勝者{0}}総取り-ではありません。期間、応答時間、場所、コスト構造、アプリケーションに基づいて、さまざまなテクノロジがさまざまな分野に適合します。
ミリ秒単位の周波数調整が必要ですか?フライホイールとかバッテリーとか。太陽光発電所に 4 時間のバックアップが必要ですか?リチウム-イオン電池またはフロー電池。季節的な再生可能エネルギーの余剰をシフトする必要がありますか?おそらく水素か、地理が許せば汲み上げ水力でしょう。需要のピーク時に建物を冷却する必要がありますか?氷の保管庫。
将来のグリッドは、単一のストレージ テクノロジで実行されるわけではありません。複数のテクノロジーを重ねて-即時応答を実現するスーパーキャパシタ、数分から数時間持続するバッテリー、毎日のサイクリングに使用する汲み上げ水力、より長時間持続する水素または熱を利用します。期間スペクトルの各スロットは、その特定のアプリケーションに最適な経済性を提供するテクノロジーによって埋められる可能性があります。
興味深いのは、これらのカテゴリーのほぼすべてでコストが下がっていることです。リチウム-電池のコストが高騰しています。電解装置も同様の学習曲線をたどっています。フローバッテリーの生産は拡大しています。揚水水力でも、閉ループ システムと地下貯水池による革新が見られます。-
10 年前には、これらはどれも大規模に経済的に実行可能とは思えませんでした。今？ストレージはエネルギー分野で最も急速に成長しているセグメントです。-