エネルギー
エネルギー転換におけるバッテリー以外の非化学的代替策
バッテリーは正しいアイデアか？
The preferred approach to remove fossil fuels from industrialized economies has been electrification. The goal is to replace ICE (Internal Combustion Engine) vehicles with EVs (Electric Vehicles) and produce heat with ヒートポンプ instead of combustion. It is something we investigated in detail in our article “The Future of Mobility – Battery Tech”.
この変化を実際に「グリーン」にするためには、電力が再生可能または持続可能なエネルギー源から供給される必要があります—誰に聞くかによっては、原子力が含まれることもあります。
どちらの場合でも、昼間や季節ごとの電力需要の変動により、ほとんどの時間アイドリング状態になる余剰容量を大量に構築する必要があります。特に再生可能エネルギーでは、太陽光は寒く曇った冬に性能が低下し、風力は数週間風が止まることがあります。
したがって、長期的なエネルギー貯蔵が緊急に求められています。一つの解決策は、コストが低減された新しい化学系を利用したユーティリティ規模のバッテリーです。このテーマは、当社が詳細に調査した記事「The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech」でも取り上げました。別の選択肢として、液体水素や液体アンモニアなど、必要になるまで貯蔵できる液体燃料を製造する方法があります。これについては、当社の「The Other Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks」および「Algal Biofuel: The Next Energy Revolution?」という記事で詳しく解説しています。
しかし、数日、数週間、数か月、あるいは数年単位でエネルギーを貯蔵する適切な方法がバッテリーでないとしたらどうでしょうか？本記事では、エネルギー貯蔵の非化学的オプションをすべて検討します。
圧縮空気
圧縮空気の利点
Compressing air requires a lot of energy. This same energy can be partially collected back when decompressing the stored air.
この手法の主な利点は、パイプ、ポンプ、タンクといった機械部品のみを使用し、希土類、コバルト、リチウムなどの希少素材を必要としない点です。枯渇した天然ガス貯留層を利用すれば、非常に低コストで巨大な「タンク」を確保できます。もちろん、空気はどこでも無料で入手可能な資源です。
出典: Electricity Forum
もう一つの利点は、圧縮空気はよく理解された技術であり、確立されたサプライチェーンがあるため、必要に応じて迅速にスケールアップできる点です。また、ほとんど損失なく長期間エネルギーを貯蔵できるシステムでもあります。
圧縮空気の欠点
圧縮空気の効率化における主な課題は、ガスを圧縮すると必ず起こる物理現象です。圧縮時に熱が発生し、この熱は圧縮装置の損傷を防ぐために放散しなければならず、エネルギー損失につながります。また、減圧時に空気は冷却され、暖房システムが必要になることがあります。
このため、エネルギーの30〜40％が失われることがあります。効率の低い設計ではさらに悪化します。現在までの大規模での最高効率は中国で実現され、損失は30％です。400 MWh の張家口プラントは中国科学院が設計した。
したがって、圧縮空気は季節間の低コスト長期貯蔵の許容できる選択肢となり得ますが、避けられない30％以上のエネルギー損失がシステム経済性を阻害します。圧縮時に発生する熱が別のプロセスで再利用できる場合にのみ、これらのシステムは真に効率的になるでしょう。
重力バッテリー
物理学では、上昇する物体は「位置エネルギー」を獲得したとみなされます。このエネルギーは、物体が下降するときに運動エネルギーとして現れます。この事実から、重力を利用したエネルギー貯蔵の概念が生まれました。
揚水発電
これは現在、ユーティリティ規模のエネルギー貯蔵で最も一般的に使用されている形態で、2020年には世界の電力網貯蔵容量の90％を占めています。米エネルギー省 グローバルエネルギー貯蔵データベースによると。
水力発電は降雨による水の位置エネルギーを利用し、ダムの背後に貯め、放流して電力を生成します。揚水発電は電力を使って水を水力発電所へ逆に汲み上げます。
貯蔵用ダムは揚水専用に建設でき、広大な水力ダムが必要とする山岳地形に比べ、丘陵地形だけで済みます。あるいは地下貯留池を利用することも可能です。
出典: Energy.gov
エネルギー損失は一般的に20〜30％の範囲です。貯蔵は数か月にわたり、損失は限定的で、特に暑くない地域では可能です。資本要件はかなり大きくなることがありますが、揚水発電施設は非常に長寿命です。
興味深いアイデアとして、規模で実証されていないものの、低高度の水を電気分解で水素に変換する方法があります。この水素は空気より軽く、エネルギーを使わずに上方へパイプで送られます。その後水に再変換され（電気分解で消費したエネルギーの一部が回収され）、再び水力タービンを通して下降時に電力を生成します。
全体的な効率は揚水発電よりはるかに高くなる可能性がありますが、必要な電解装置の規模がシステムを依然として高価にする可能性があります。
コンクリート/岩石エネルギー貯蔵
重力でエネルギーを蓄えるのは水だけではありません。岩石やコンクリートブロック、その他の超重量物体も利用できます。
この場合、必要な技術は揚水発電よりもシンプルで、主にクレーンと発電機を用いてエネルギーを貯蔵・回収します。クレーンや岩石も希少素材ではありません。
これらのシステムの大きな利点は効率性です。揚水発電で失われるエネルギーの多くは水の乱流によるもので、ポンプ効率を低下させます。対照的に、クレーンとケーブルは損失を15％まで低減でき、揚水発電の損失の4分の1程度です。
現在、Gravitricity と Energy Vault（NYSE – NRGV）がこれらのコンセプトを推進しています。
Gravitricityは廃止された鉱山シャフトを再利用し、数百メートルの深さに既に掘られた扱いやすい井戸を利用して、GraviStoreシステムでエネルギーを貯蔵します。
一方、Energy Vaultはエネルギー需要に応じてブロックを上下させる専用構造を目指しています。
世界中に数十万の鉱山サイトがあるため、これは多くの潜在力を持ち、既存インフラを活用できます。同社はスウェーデンの産業大手ABBとのパートナーシップを検討しています 技術開発の最終化とABBの鉱山顧客プールへのアクセスを目指しています。
出典: ABB
重力による「固体エネルギー貯蔵」の制限は、数十メートルから数百メートルの深さだけでは貯蔵エネルギーが大きくないことです。一つの選択肢は、Gravitricityのように数十万の鉱山シャフトを利用するか、Energy Vaultのような大規模な専用「倉庫」を設けることです。
別の選択肢は、はるかに深い深さを利用することです。そのために、沿岸近くの深海床が候補となります。浮体プラットフォームがその上に設置され、数千メートルにわたって重量を上下させます。この概念はDeep Ocean Gravitational Energy Storage（DOGES）と呼ばれます。この概念に取り組んでいるフランスのスタートアップはSink Float Solutionsです。
Sink Float Solutionsは最大80％の効率と非常に低コストを主張しています。
「現在、最大荷重能力を持つ海上クレーンは4000トンの質量を持ち上げることができ、垂直速度20 km/hで計算すると200 MWの出力に相当します。同一サイトで複数のウインチを並列に使用できます。」
これらのシステムの実際の経済性は耐久性に大きく依存し、海水による機械部品の腐食が主な懸念事項です。
砂/熱バッテリー
多くの電力は、産業用途や冬季の住宅・アパートの暖房に使用されます。化学バッテリーのように電気を貯蔵する代わりに、砂バッテリーは熱を直接貯蔵しようとします。
アイデアは、穀物用シロップのような大規模サイロを建設し、砂で満たし、断熱材を追加することです。砂は400℃まで加熱されます。砂は熱伝導率が低く、熱容量が大きいため、膨大なエネルギーを蓄えることができます。また、非常に耐熱性が高く、高温でも損傷しません。
この概念は、標準的なパイプ、エアポンプ、電気抵抗、鋼材、そしてコンクリート用途には使用できない低品質の砂といった非常にシンプルな技術に依存しています。
この技術のリーダーはフィンランド企業Polar Night Energyです。この概念は、既存の「地区暖房」システムがある北欧諸国で特に有効で、ラジエーター用の温水が数百から数千戸の住宅に集中供給されます。これはスカンジナビア、ドイツ、東欧および旧ソ連諸国で顕著です。
エネルギー損失が最小限であるため、夏の長い日照時間（フィンランドでは1日20〜24時間）にエネルギーを蓄積できます。余剰の太陽光発電は、冬季の暖房需要による季節的な電力需要のピークを緩和するために貯蔵され、国を暖かく保ちます。
この概念のさらなる展開として、温室の暖房や熱太陽光システムへの応用が考えられます。
類似の「熱バッテリー」概念はRondo Energyでも開発中です。これらのブリックは最大1500℃まで加熱可能で、高温のため地区暖房だけでなく、セメント製造、冶金、化学、採掘などの産業用途にも利用できます。
出典: Rondo Energy
一方、Stiesdal社は粉砕岩石を用いた熱バッテリーにも取り組んでいます。グリッド貯蔵容量は10時間から10日までと見込まれています。
最後に、大手セメントメーカーHolcimも、乾燥時に熱を蓄え、加水時に放出するセメントを利用したソリューションを開発しています。このサイクルは無限に繰り返せるため、長期間にわたり低コストで提供できるはずです。
これは産業環境で余剰熱を貯蔵するよう設計されています。圧縮空気ステーションの補完として使用し、圧縮時に空気が加熱される損失を削減できるかもしれません。
密度あたり300kWのエネルギーを持つため、数千トンの比較的安価で豊富なセメントで大量の電力を貯蔵できます。この概念は2022年に初めて公開され、現在開発中です。
フライホイール
エネルギーを貯蔵する別の方法は、機械的な運動形態で保持することです。フライホイールは、真空中の磁気ベアリング上で機械的なホイールを1分間に2万〜5万回転させてエネルギーを貯蔵する装置です。システムはフライホイールの加速または減速によりエネルギーを蓄えたり放出したりできます。
これらのシステムの主な利点は、数ミリ秒単位で非常に高速に応答できることです。したがって、エネルギーを貯蔵できるだけでなく、石炭、ガス、原子力といった大規模な集中型発電所がなくても電力網の周波数安定化に寄与できます。
例えばSiemens Energyは南オーストラリアでフライホイールを使用したパイロットプロジェクトを実施しています。
他のスタートアップとしてStorneticがあり、システムは少なくとも20年、10万回の充放電サイクルに耐えると見込まれています。
出典: Stornetic
別の企業としてS4 Energyがあり、60 MWhが稼働中または建設中で、1,050 MWhのパイプラインがあります。フライホイールの反応性は、電力需要の急増時にいくつかの作業をより効率的にするのにも役立ちます。 ロッテルダム港のクレーンのように、荷重が下降する際にフライホイールでエネルギーを回収する。同社のフライホイール、KINEXTは特に重く（5トン）回転速度も比較的遅く（「わずか」1,800回転/分）で、非常に長寿命で運転コストが低く、保守も容易です。フライホイールは蓄えたエネルギーの損失がわずか8％で、リチウムイオンバッテリーよりもやや優れています。
非常に効率的で反応性が高いものの、フライホイールの総エネルギー貯蔵量はコストに対して他の解決策より低いため、ニッチな用途や電力網の周波数安定化に限定される可能性が高いです。
熱太陽光
太陽光パネルは太陽光を直接電力に変換します。これに対し、太陽熱発電所は太陽の熱を集めて集中させ、電力を生成します。熱は慣性を伴って保存しやすいため、こうした太陽熱発電所は日没後も数時間にわたり電力を供給でき、エネルギー需要がピークになる時間帯に対応します。
太陽光パネルの収率向上により人気が低下したこのアイデアは、再生可能エネルギーの間欠性が電力供給構成比の拡大とともに大きな課題となる現在、再び注目を集める可能性があります。
出典: Energy.gov
有望ではあるものの、この概念は歴史的に高コストに悩まされてきました。集熱器から発電機への熱輸送は困難で、危険な高熱や廃水素が生成されます。溶融塩を使用する別の設計も、漏れや信頼性の問題に苦しんでいます。
また、見えない極めて集中した太陽光線により鳥が定期的に焼失するなど、野生生物への影響も問題です。
将来的には、規模が小さく環境への影響が少ない設計が、集中型太陽熱発電を再び注目させる可能性があります。
