エネルギー
エネルギー貯蔵の未来 – ユーティリティ規模バッテリー技術
Securities.io を Google の優先ソースに追加
電力網におけるバッテリーの必要性
バッテリーは、かつては小型電子機器の安価な部品として始まり、EV革命における高価な重要部品へと進化してきました。しかし、モビリティ以外にも、ますます大量のバッテリー容量を必要とするセグメントがあります。それが電力網です。
再生可能エネルギーは総発電量に占める割合が増加していますが、化石燃料ベースの発電所に比べて間欠的です。太陽が照り、風が吹くときに主に電力が生成されるため、消費ピークが多い夕方や冬季と必ずしも一致しません。電力網は電気を蓄えることはできず、常に発電と消費のバランスを取る必要があります。
したがって、再生可能エネルギーの発電量が増えるほど、電力網を安定させるために必要なバッテリーも増加します。これは新たなエネルギー投資の主要分野であり、ユーティリティ規模のバッテリープロジェクトは2025年までに現在の容量の3倍以上に拡大する予定です。
出典: EIA
現在、これらのバッテリーパークの多くはリチウムイオンバッテリーを使用しています。しかし、今後は変わる可能性があります。
異なるニーズ
現在、バッテリー産業は主に小型電子機器とEV市場に対応する形で進化しています。これは両者が理想的なバッテリーに対して似たような要件を持つためです:
- 小型で軽量、すなわちWh/kgで測定される高エネルギー密度。
- 「通常」の温度範囲で動作。
- 価格に極端に敏感ではない。
- 1日1回のフル充電で、少なくとも5〜10年は使用可能。
この特定の基準に対して、リチウムイオン技術がこれまでバッテリー技術で最適とされてきました。固体電池、ナトリウムイオン、またはリチウム・フェロリン酸（LFP）バッテリーなど、代替技術が登場すれば状況は変わる可能性があります。詳しくは当記事「モビリティの未来 – バッテリーテック」をご覧ください。
しかし、電力網／ユーティリティ規模のバッテリーは全く異なるニーズを持ちます。
- 重量に対する厳しい制約はありません。バッテリーは移動しないため、EVで問題になる重量は問題になりません。
- スペースに対する厳しい制約もありません。バッテリーパークは発電所周辺の安価な土地に建設されます。コンピュータやEVのフレーム内に詰め込む必要はありません。
- 高温はそれほど問題になりません。特定の化学系が200℃で性能が向上しても、EVの乗員を焼くことはありません。ただし、多くの国では冬季の低温に耐える必要があり、寒冷地でバッテリーを暖め続けるコストは高くなります。リチウム系バッテリーはこの点で課題があります。
- Whあたりのコストが最も重要な要素です。
- バッテリーの寿命が長いほど、30〜40年の投資期間を持つユーティリティ企業にとってコストを長期にわたり償却できます。
EVとユーティリティ規模バッテリーのニーズが大きく異なることから、電力会社やグリッドオペレーター向けにコスト効率の高いソリューションを提供する新技術・新化学系が開発されているのは当然です。
実際には、即時のグリッドバランシングに適した技術と、時間スケール（数時間、数週間、季節単位）に適した技術が組み合わさって「勝つ」ことになるでしょう。
出典: CleanTech
本記事はトピックの概要を提供しますが、Ara Ake の定置型エネルギー貯蔵システムに関する詳細レポートも併せてご覧ください。
グリッド規模向け新バッテリー化学系
EV由来の新化学系
バッテリーの製造は規模の経済が重要です。大量生産と深いサプライチェーンが確立されたバッチほど、Whあたりのコストを削減できます。
このため、ユーティリティ規模バッテリー企業の多くは、EVで既に使用されている低コスト化学系を採用してリチウムイオンに代わるストレージを目指しています。
LFP バッテリー
LFP（リチウム・鉄・リン酸）は、低コストEVバッテリーの有力候補であり、コバルトやニッケルといった高価な金属を使用しません。また、リチウムイオンより寿命が長く、長期的に見ても経済的です。既にユーティリティ規模のソリューションとして、CATLやBYDなどのリーダー企業から提供されています。
ナトリウムイオンバッテリー
コバルトやニッケルに加えて、リチウム自体も価格変動が激しく高価になることがあります。豊富なナトリウムに置き換えることで、さらに価格を下げられます。エネルギー密度（Wh/kg）はLFPよりやや低いものの、コスト面で優位であり、EVと電力網の両方で使用できる有望な化学系です。
レドックスフローバッテリー
このカテゴリのバッテリーは、金属の酸化還元反応を利用します。さまざまな金属がレドックスフローバッテリーに使用でき、他のイオンフロータイプも存在します。
出典: CellCube
アイアンエアバッテリー
このバッテリーは鉄（錆）の酸化を利用して電力を生成し、逆に電力を供給して酸化プロセスを逆転させます。鉄を酸化させて電気を生成し、電気を消費して逆反応を行う。
極めて安価な材料を使用できるため、コスト面で非常に有利です。提唱者は、アイアンエアバッテリーはコストが10倍安く、性能が向上し、寿命が17倍長いと主張しています。重量が大きく、充放電が遅いという欠点はユーティリティ規模では問題になりません。Form Energyはすでに大量生産施設を建設中です。
亜鉛バッテリー
別の安価な金属である亜鉛を利用し、亜鉛ブロミン、亜鉛マンガン、亜鉛空気など複数の化学系が存在します。この技術の最大の利点は、放電損失が極めて少なく、長期間のエネルギー貯蔵が可能なことです。風力発電のように、風が止むと数週間にわたって電力が供給できない日がある場合でも、亜鉛バッテリーは有効です。「亜鉛バッテリーは2030年までに貯蔵市場の10％を占めると、エネルギーアナリストのAvicenne Consultingが予測しています」。代表的な企業はRedflow（亜鉛ブロミン）とZinc8（亜鉛空気）です。
バナジウムレドックスフローバッテリー – VRFB
バナジウムは主にステンレス鋼の製造に使用される金属です。バッテリーに応用すると、1日10回以上の充放電サイクルに耐え、24時間までのエネルギー保持が可能で、再生可能エネルギーの昼間の変動を平滑化するのに最適です。寿命は20〜25年に及び、プラスチックフレーム部品の交換だけで済み、金属部品はほぼ完全にリサイクル可能です。
この分野は活発で、CellCube、Invinty Energy Systems、Rongke Power、VRB Energyなどが技術開発に取り組んでいます。
海塩／水系塩水バッテリー
この概念は、塩イオンが膜を通過してエネルギーを蓄える仕組みです。Salgenxが製造するあるバージョンは膜すら使用せず、コスト・複雑性・メンテナンスを削減し、独自の電解質で水と混ざらないようにしています。
溶融金属バッテリー
この概念は、電力を大量に消費するアルミニウム製錬プロセスに基づいていますが、逆転できたらどうでしょうか？
バッテリーコストの多くは製造の難しさに起因します。アノードとカソードはショートを防ぐために完全に分離する必要があります。
溶融金属バッテリーでは、アノード、カソード、電解質の3つの主要構成要素すべてが液体です。液体密度の違いにより自然に分離し、固体部品がないことで理論上は寿命が劇的に伸び、急速な充放電と完全リサイクルが可能になります。
カリウムとアンチモンを使用したバッテリーを開発するAmbri社は、2024年までに新工場で年間20万セルの生産を目指すと発表し、2022年からMicrosoftのサプライヤーでもあります (MSFT ) 。
出典: Ambri
NGKインシュレーターはナトリウム・硫黄の溶融塩バッテリーに取り組んでおり、FZSoNick社はナトリウム・ニッケル・クロリドバッテリーを開発中です。
金属水素／ニッケル水素バッテリー
これらのバッテリーは水素を水に変換し、金属を酸化させます。ニッケルは唯一のカソード金属ではなく、マンガン、鉛、鉄なども代替可能ですが、最も一般的でエネルギー密度が高い選択肢です。
このタイプのバッテリーは国際宇宙ステーション（ISS）でNASAが使用しています。
この技術は安全性が高く、メンテナンスが不要で、-40℃から+60℃までの広い温度範囲で動作します。
この技術はEnervenue社（2020年にステルスモードから復帰）が特に推進しており、2023年9月に30年・30,000サイクルの寿命を持つ新バージョンを発表しました。水素・マンガンバッテリーはRFC Powerが開発しています。
CO2 バッテリー
CO2濃度の上昇が再生可能エネルギーと電化への推進力となり、バッテリー需要の増加につながっています。したがって、同じ分子が再生可能エネルギーの貯蔵に利用されるのは皮肉なことです。
Noon EnergyのCO2バッテリーはCO2を炭素と酸素に分解してエネルギーを蓄えます。このフローバッテリーは50〜200バール、600〜800℃の高圧・高温で動作します。このバッテリーは火星探査車「パーサヴィアランス」のために最初に開発されたものです。
これはEnergy Domeの「CO2バッテリー」とは異なり、CO2の液化・蒸発サイクルを利用したもので、真のバッテリーというより圧縮ガスエネルギー貯蔵に近いです。
ナトリウム・硫黄バッテリー
これらのバッテリーは現在、高温（300℃）で維持できる用途に限定されています。ユーティリティ規模の応用では問題にならない可能性がありますが、技術はまだ新しく、規模拡大や大量生産には課題があります。長寿命化も技術的に挑戦が必要です。
ポリマー バッテリー
プラスチックバッテリーとも呼ばれるこの概念は、リチウムや他の金属の代わりに導電性ポリマーを使用します。主な利点はシンプルな製造プロセスと入手しやすい材料に依存していることです。 resulting battery would also be very long-lasting and easy to operate safely. (この文は上記リンクテキストに含まれます)
PolyjouleはMITスピンオフで、このアイデアのリーダーの一つです。しかし、長期的には他の代替案ほどコスト削減に寄与しないバッテリータイプになる可能性があります。
