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カルノー電池は、熱エネルギー貯蔵庫に電気を蓄えるタイプのエネルギー貯蔵システムです。充電プロセスでは、電気は熱に変換され、蓄熱庫に蓄えられます。放電プロセスでは、蓄えられた熱が再び電気に変換されます。[1] [2]
フリッツ・マルゲールは100年前にこの技術のコンセプトの特許を取得しましたが[3] 、再生可能エネルギーの使用が増え、そのようなエネルギー源から回収されるエネルギーの総量を増やす必要性が高まったため、最近になってその開発が活発化しました。この文脈で、アンドレ・テスは2018年にカルノー電池に関する最初の国際ワークショップに先立って「カルノー電池」という用語を作り出した[4] 。
「カルノー電池」という用語は、熱エネルギーを機械エネルギーに変換する最大効率を説明するカルノーの定理に由来しています。「電池」という言葉は、この技術の目的が電気を蓄えることであることを示しています。カルノー電池の放電効率はカルノー効率によって制限されます。カルノー電池の概念は、揚水式熱エネルギー貯蔵や液体空気エネルギー貯蔵などの技術をカバーしています。[5] [6]
背景
低炭素エネルギーシステムへの移行に伴い、変動性再生可能エネルギーの電気エネルギーシステムへの浸透が進み、エネルギー貯蔵の必要性も高まっています。現在、新たに設置されたエネルギー貯蔵容量のほとんどは、リチウムイオン電池などの電気化学電池によるものです。このタイプの電池は短期貯蔵には適していますが、エネルギー容量コストが高いため、長期間の貯蔵には経済的ではない可能性があります。[7] 熱エネルギー貯蔵は、水、岩石、塩などの安価な材料にエネルギーを貯蔵できます。そのため、大規模システム（例：ギガワット時）のコストは、電気化学電池のコストよりも低くなる可能性があります。[8]
ドイツ航空宇宙センター（DLR）とシュトゥットガルト大学は、 2014年から高温蓄熱で電気を蓄えるカルノー電池のコンセプトに取り組んできました。 [8] 2018年には、世界最大級の見本市の一つであるハノーバーメッセ[9]で、DLRによって 「カルノー電池」という名称が使用されました。 [8]
システム構成
カルノー電池システムは、電力から熱 (P2T)、熱エネルギー貯蔵 (TES)、熱から電力 (T2P) の 3 つの部分に分けられます。
電気から熱を生み出す技術
電気は様々な技術を利用して熱に変換することができます。[1]
- 抵抗加熱
- ヒートポンプは、低温の貯留層から高温の貯留層へ熱を送り出す技術です。逆ランキンサイクルと逆ブレイトンサイクルの 2 つのグループに分けられます。
- 逆ランキンサイクルは従来のヒートポンプで広く使用されてきました。
- 熱エネルギーの充放電にブレイトンサイクルを使用するという概念は、2017年にロバート・B・ラフリン教授によって提案されました。 [10]
- その他：液体空気エネルギー貯蔵システムでは、クロードサイクルを使用して空気を液化します。ラム・ホニグマンプロセスは、熱化学サイクルを使用して電力を熱に変換します。[11]
熱エネルギー貯蔵
熱を蓄える仕組みによって、熱エネルギー貯蔵は顕熱貯蔵、潜熱貯蔵、熱化学貯蔵 の 3 種類に分けられます。カルノー電池に使用されている貯蔵材料は次のとおりです。
熱を電気に変える
熱は、ランキンサイクルやブレイトンサイクルなどの熱力学サイクルを通じて電力に変換できます。一部の技術では、熱を電気に変換するために半導体材料の特性を利用しています。熱電材料や「箱の中の太陽」など、変換プロセスに熱力学サイクルが関与していないため、カルノー電池とは見なされません。[13]代表的な技術は次のとおりです。
- 熱機関
- 蒸気タービン
- ガスタービン[14]
- 有機ランキンサイクルマシン
- ラム・ホニグマン過程は熱化学貯蔵庫に蓄えられたエネルギーを電気に変換することができる。[11]
利点と欠点
カルノー電池は、揚水熱電気貯蔵（PTES）や揚水熱電気貯蔵（PHES）など、いくつかの別名で知られています。[15]この比較的新しい技術は、最も有望な大規模エネルギー貯蔵技術の1つとなっています。
カルノー電池の主な利点は以下の通りである。[16]
- サイトの自由な選択;
- 環境への影響が小さい。
- 平均寿命は20～30年。
- オプションの低コストのバックアップ容量。
- 十分に活用されていない化石燃料発電所の部品は、カルノー電池ユニットの構築に部分的に再利用することができます。
この技術の主な欠点は次の通りである。[17]
- 限られた往復効率は、放電中に供給される電気エネルギーとシステムを充電するために必要な電気エネルギーを関連付けます。カルノー電池は一般的に40〜70％の効率範囲を目指しており、揚水発電（65〜85％）よりも大幅に低いです。[18]
応用
カルノー電池は、変動性のある再生可能エネルギー源からの余剰電力を貯蔵し、必要なときに電気を生成するための グリッドエネルギー貯蔵として使用できます。
一部のカルノー電池システムでは、蓄えられた熱や冷気をデータセンターの地域暖房や冷房などの他の用途に使用できます。
カルノー電池は、石炭火力発電所の石炭燃料ボイラーを置き換えることで、化石燃料を使用しない発電システムに転換するための解決策として提案されている。 [19] [20]発電システムや送電システムなど、発電所の既存の設備を利用できる。
カルノー電池プロジェクトの一覧
カルノー電池という用語は新しいが、既存の技術の多くはカルノー電池に分類できる。[7]
- 液体空気エネルギー貯蔵：ハイビューパワー、バーミンガム大学
- 揚水式熱エネルギー貯蔵：マルタ社、ダラム大学
- 電気熱エネルギー貯蔵：シーメンス・ガメサ、国立再生可能エネルギー研究所
- 可逆ヒートポンプ / ORC：リエージュ大学[21]
- ラム・ホーニグマンエネルギー貯蔵:ベルリン工科大学[22]
参照
参考文献
- ^ ab Dumont, Olivier; Frate, Guido Francesco; Pillai, Aditya; Lecompte, Steven; De paepe, Michel; Lemort, Vincent (2020). 「カルノー電池技術：最先端のレビュー」。Journal of Energy Storage . 32 : 101756. doi :10.1016/j.est.2020.101756. hdl : 2268/251473 . ISSN 2352-152X. S2CID 225019981.
- ^ 「タスク36 カルノー電池最終報告書」。技術協力プログラム エネルギー貯蔵、国際エネルギー機関。2023年。 2024年10月29日閲覧。
- ^ マルゲール F.、「Ueber ein neues Verfahren zur Aufspeicherung elektrischer Energie. Mittailungen der Vereinigung der Elektrizitätswerke 1924;354(55):27e35。
- ^ 「カルノー電池に関する国際ワークショップ」。
- ^ 「カルノー電池エネルギー貯蔵：グリッド規模のエネルギー貯蔵のためのより費用対効果が高く柔軟なソリューション」 Rushlight Events。2019年1月30日。 2020年10月29日閲覧。
- ^ Steinmann, Wolf-Dieter; Jockenhöfer, Henning; Bauer, Dan (2019). 「高温カルノー電池コンセプトの熱力学分析」.エネルギー技術. 8 (3): 1900895. doi : 10.1002/ente.201900895 . ISSN 2194-4288.
- ^ Josh McTigue (2019年12月4日). 「電気貯蔵のための『カルノー電池』」(PDF) 。 2020年10月29日閲覧。
- ^ abc 「カルノー電池：ギガワット時範囲の低コストで場所に依存しないエネルギー貯蔵」ドイツ航空宇宙センター（DLR）。2018年。
- ^ 「ハノーバーメッセ（産業見本市）、2018年4月23〜27日」。
- ^ Laughlin, Robert B. (2017). 「熱交換機能付き揚水式蓄熱グリッド」.再生可能エネルギーと持続可能なエネルギージャーナル. 9 (4): 044103. doi : 10.1063/1.4994054 . ISSN 1941-7012.
- ^ abc Thiele, Elisabeth; Jahnke, Anna; Ziegler, Felix (2020). 「Lamm–Honigmann熱化学エネルギー貯蔵の効率」. Thermal Science and Engineering Progress . 19 : 100606. doi :10.1016/j.tsep.2020.100606. ISSN 2451-9049. S2CID 225010799.
- ^ 「世界初のカルノー電池が熱で電気を蓄える」ドイツエネルギーソリューションイニシアティブ。2020年9月20日。 2020年10月29日閲覧。
- ^ ジェニファー・チュー（2018年12月5日）。「『箱の中の太陽』が送電網用の再生可能エネルギーを蓄える」MITニュースオフィス。 2020年10月30日閲覧。
- ^ Holy, Felix; Textor, Michel; Lechner, Stefan (2021-12-01). 「高温熱エネルギー貯蔵ユニットの無加圧排出のためのガスタービンコジェネレーションコンセプト」. Journal of Energy Storage . 44 : 103283. doi : 10.1016/j.est.2021.103283 . ISSN 2352-152X. S2CID 241770227.
- ^ Zhao, Yongliang; Song, Jian; Liu, Ming; Zhao, Yao; Olympios, Andreas V.; Sapin, Paul; Yan, Junjie; Markides, Christos N. (2022-03-01). 「顕熱蓄熱材を用いた揚水式蓄熱システムの熱経済評価」.再生可能エネルギー. 186 :431–456. doi : 10.1016/j.renene.2022.01.017 . ISSN 0960-1481.
- ^ W.-D. Steinmann、D. Bauer、H. Jockenhöfer、M. Johnson、「熱と電気のためのスマートセクターカップリング技術としての揚水熱エネルギー貯蔵（PTES）」、Energy、vol. 183、p. 185‑190、2019年9月、doi：10.1016/j.energy.2019.06.058。
- ^ WD Steinmann、「施設規模の熱機械エネルギー貯蔵のためのCHEST（圧縮熱エネルギー貯蔵）コンセプト」、Energy、vol. 69、p. 543‑552、2014年5月、doi: 10.1016/j.energy.2014.03.049。
- ^ A. Koen et PF Antunez、「熱を利用して再生可能エネルギーを貯蔵する方法」、The Conversation。http://theconversation.com/how-heat-can-be-used-to-store-renewable-energy-130549（2020年2月27日参照）。
- ^ Susan Kraemer (2019年4月16日). 「石炭火力発電所で溶融塩熱エネルギー貯蔵によるカルノー電池を作る」SolarPACES.
- ^ 「カルノー電池に関するウェビナー」（PDF）。ATA Insights。2019年4月。 2020年10月29日閲覧。
- ^ Olivier Dumont、Vincent Lemort（2020年9月）。「可逆ヒートポンプ/有機ランキンサイクルを使用した熱統合カルノー電池の最初の実験結果」。会議：2020年カルノー電池に関する第2回国際ワークショップ。 2020年10月29日閲覧。
- ^ 「プロジェクトウェブサイト」。ベルリン工科大学。2021年4月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。2021年4月15日閲覧。
外部リンク
- 第2回カルノー電池国際ワークショップ、シュトゥットガルト大学、2020年9月15日〜16日 2020年10月21日アーカイブ、Wayback Machine
- カルノー電池に関する国際ワークショップ、ドイツ、シュトゥットガルト、2018年10月9日〜10日