バッテリーエネルギー貯蔵システム

バッテリーエネルギー貯蔵システム（BESS）またはバッテリー貯蔵発電所は、バッテリーのグループを使用して電気エネルギーを貯蔵するタイプのエネルギー貯蔵技術です。バッテリー貯蔵は、電力網上で最も速く応答するディスパッチ可能な電源であり、グリッドの不測の事態に対処するために1秒未満でスタンバイからフルパワーに移行できるため、グリッドを安定化するために使用されます。^[1]

バッテリーエネルギー貯蔵システムは、通常、定格電力を数時間にわたって最大出力できるように設計されています。バッテリーストレージは、短時間のピーク電力^[2]や、停電の可能性を最小限に抑えるための運転予備力や周波数制御などの補助サービスに使用できます。これらは、他の稼働中または使用されていない発電所内またはその近くに設置されることが多く、コストを削減するために同じグリッド接続を共有する場合があります。バッテリー貯蔵プラントは燃料の配送を必要とせず、発電所に比べてコンパクトで、煙突や大規模な冷却システムがないため、必要に応じて都市部、顧客負荷の近く、さらには顧客敷地内に迅速に設置して配置できます。

2021年現在、最大規模の個別の蓄電池システムの電力と容量は、最も一般的な系統エネルギー貯蔵形式である最大規模の揚水発電所の電力と容量よりも一桁小さい。例えば、世界で2番目に大きいバス郡揚水発電所は、 24GWhの電力を貯蔵し、3GWを送電できるが、ヴィストラ・エナジーのモス・ランディング・エネルギー貯蔵施設の第1フェーズは、1.2GWhを貯蔵し、300MWを送電できる。^[3]しかし、系統バッテリーは大きくある必要はなく、多数の小型バッテリー（多くの場合ハイブリッド電源として）を系統全体に広く配備することで、冗長性を高め、全体の容量を大きくすることができる。     

2019年現在、バッテリー電力貯蔵は、2時間までの使用であれば、一般的にオープンサイクルガスタービン電力よりも安価であり、世界中で約365GWhのバッテリー貯蔵が導入されており、急速に増加しています。^[4] 平準化貯蔵コスト（LCOS）は急速に低下しており、2年で半減して2020年には1MWhあたり150米ドルに達し、^{[5] [6] [7]}さらに2023年までに117米ドルにまで低下します。^[8]

バッテリー貯蔵発電所と無停電電源装置(UPS) は、技術的にも機能的にも同等です。ただし、バッテリー貯蔵発電所の方が規模が大きいです。

安全とセキュリティのため、実際のバッテリーは倉庫やコンテナなどの独自の構造物に収納されています。UPS の場合と同様に、懸念事項の 1 つは、電気化学エネルギーが直流(DC) の形で保存または放出されるのに対し、電力ネットワークは通常交流(AC) で動作することです。このため、バッテリー ストレージ発電所を高電圧ネットワークに接続するには、追加のインバータが必要です。この種類の電力エレクトロニクスには、高電圧直流(HVDC) 伝送で一般的に使用されるゲート ターンオフ サイリスタが含まれます。

電力対エネルギー比、予想寿命、コストに応じて、さまざまな蓄電池システムを使用できます。1980年代には、最初の蓄電池発電所に鉛蓄電池が使用されました。その後数十年間で、ニッケルカドミウム電池とナトリウム硫黄電池の使用が増えました。^[11] 2010年以降、電気自動車業界によるこの技術のコストの急速な低下の結果として、ますます多くのユーティリティ規模の蓄電池発電所がリチウムイオン電池に依存しています。主にリチウムイオン電池が使用されています。フロー電池システムが登場しましたが、低予算のアプリケーションでは鉛蓄電池が依然として使用されています。^[12]

BESSシステムのほとんどは、安全に密閉されたバッテリーパックで構成されており、電子的に監視され、性能が所定のしきい値を下回ると交換されます。バッテリーは、充放電サイクルによって引き起こされるサイクル老化、つまり劣化の影響を受けます。この劣化は、通常、充電率が高く、放電深度が高いほど大きくなります。この老化により、性能の低下（容量または電圧の低下）、過熱が発生し、最終的には重大な故障（電解液の漏れ、火災、爆発）につながる可能性があります。バッテリーストレージ発電所には、バッテリー電力を節約するためにフライホイールストレージ電力システムが搭載されている場合があります。 ^[13]フライホイールは、古いバッテリープラントよりも急激な変動にうまく対応できます。^[14]

BESSの保証には通常、充放電サイクル数で表されるエネルギースループットの生涯制限が含まれています。^[15]

鉛蓄電池は第一世代の電池で、一般的に古いBESSシステムで使用されています。 [ ^16]いくつかの例としては、1997年に稼働した1.6MWピーク、1.0MW連続の電池があります。^[17]現代の充電式電池と比較すると、鉛蓄電池はエネルギー密度が比較的低いです。それにもかかわらず、高いサージ電流を供給することができます。しかし、非密閉型鉛蓄電池は、過充電されると水性電解質から水素と酸素を生成します。電池の損傷を避けるために定期的に水を補充する必要があり、爆発の危険を避けるために可燃性ガスを排出する必要があります。しかし、このメンテナンスにはコストがかかり、リチウムイオン電池などの最近の電池にはそのような問題はありません。

リチウムイオン電池はメンテナンスなしで長寿命になるよう設計されており、一般的にエネルギー密度が高く自己放電が少ない。^[18]これらの特性により、現代のBESSのほとんどはリチウムイオンベースの電池である。^[19]

一部のタイプのリチウムイオン電池の欠点は、主にコバルトを含むもので、火災安全性です。^[20] BESSの数とサイズが大幅に増加したにもかかわらず、BESSの事故件数は年間10〜20件（ほとんどが最初の2〜3年以内）で推移しています。そのため、故障率は低下しています。故障のほとんどは制御とシステムのバランスで発生し、11％はセルで発生しました。^[21]

BESSの火災事故の例としては、2017年から2019年にかけて韓国で発生した23のバッテリーファームの個々のモジュール^[22]、ジーロングのテスラメガパック^{[23] [24]}、アリゾナ州のバッテリーモジュールの火災とその後の爆発^{[21] 、}モスランディングのLGバッテリーでの冷却液の短絡火災^{[25] [26]}などがある。

その結果、近年では火災安全のための軽減対策に関する研究がさらに進むようになりました。^[27]

2024年までに、リン酸鉄リチウム（LFP）電池は、その部品の入手性が高く、ニッケルベースのリチウムイオン化学に比べて安全性が高いため、大規模ストレージ用のもう1つの重要なタイプになります。^{[28]長期にわたる安全な使用の証拠として、LFPベースのエネルギー貯蔵システムが、}台湾で最も高い山岳ロッジである玉山（玉山）の排雲ロッジに設置されることが選ばれました。これまでのところ、このシステムは2016年以来安全に稼働しています。^[29]

一方、ナトリウムベースの電池は、 BESSの利用が増えている材料です。リチウムイオン電池と比較すると、ナトリウムイオン電池はコストがやや低く、安全特性が優れており、電力供給特性も同様です。ただし、エネルギー密度はリチウムイオン電池よりも低くなります。その動作原理とセル構造はリチウムイオン電池（LIB）タイプと似ていますが、挿入イオンとしてリチウムをナトリウムに置き換えています。一部のナトリウムベースの電池は、高温でも安全に動作します（ナトリウム硫黄電池）。安全性が高いとされる有名なナトリウム電池メーカーには、Altris AB、SgNaPlus、Tiamatなどがあります（独占的ではありません）。現在、ナトリウムベースの電池はまだ完全には商業化されていません。ナトリウムイオン技術を利用した最大のBESSは、湖北省で2024年に稼働を開始し、50MW / 100MWhの容量を誇ります。^[30]

バッテリー貯蔵発電所は機械部品がないため、制御時間と起動時間が10ミリ秒と非常に短い。^[31]そのため、電力網が最大容量近くで稼働しているときに発生する高速振動を抑えるのに役立つ。これらの不安定性（周期が30秒にも及ぶ電圧変動）は、ピーク電圧の振幅を大きくし、地域的な停電を引き起こす可能性がある。適切な規模のバッテリー貯蔵発電所はこれらの振動を効率的に打ち消すことができるため、主に電力システムが最大容量で稼働し、不安定性のリスクにつながる地域で使用されている。^[要出典]ただし、一部のバッテリーは制御システムが不十分で、本来は許容できるはずの中程度の停電で故障する。^[32]バッテリーは、最大数時間のピークシェービングにも一般的に使用されている。 ^[2]

バッテリーストレージシステムは、周波数安定化などのシステムサービスを提供しながら、スポット市場で活発に活動する可能性があります。 ^[33] 裁定取引は、バッテリーストレージの動作特性から利益を得るもう1つの方法です。

貯蔵プラントは、独立型電力システムにおいて間欠的な再生可能エネルギー源と組み合わせて使用​​することもできる。^[34]

系統蓄電池の市場は、他の主要な系統蓄電方式である揚水発電に比べると規模は小さいものの、急速に成長しています。例えば、米国では、2015年の蓄電発電所の市場は2014年と比較して243％増加しました。^[83] 2021年の米国における60MW / 240MWh（4時間）の蓄電池設置価格は、使用可能kWhあたり379米ドル、または銘板kWhあたり292米ドルで、2020年から13％低下しました。^{[84] [85]}

2010年、米国には7つの蓄電池発電所があり、59MWの蓄電池容量がありました。これは2015年には49の発電所に増加し、351MWの容量を占めました。2018年には、125の発電所から869MWの容量があり、最大1,236MWhの発電電力を貯蔵できました。2020年末までに、蓄電池容量は1,756MWに達しました。^{[86] [87]} 2021年末には、容量は4,588MWに増加しました。^[88] 2022年には、米国の容量は9GW / 25GWhに倍増しました。^[89]

2021年5月現在、英国では1.3GWの蓄電池が稼働しており、今後数年間で16GWのプロジェクトが計画されており、導入の可能性がある。^[90] 2022年には英国の容量は800MWh増加し、2.4GW / 2.6GWhとなった。^[91]欧州では1.9GWが追加され、さらにいくつかのプロジェクトが計画されている。^[92]

2020年に中国はバッテリー貯蔵容量を1,557MW増加させましたが、太陽光発電プロジェクト用の貯蔵施設は容量の27％を占め、^[93]電気化学エネルギー貯蔵容量の合計は3,269MWとなりました。^[94]

市場には多くの動きがあり、例えば、一部の開発者は電気自動車の古いバッテリーから蓄電システムを構築しており、新しいバッテリーから構築する従来のシステムと比較してコストを半分に抑えることができる可能性があります。^[95]

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