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エネルギー貯蔵とは、エネルギー需要とエネルギー生産の不均衡を軽減するために、ある時点で生成されたエネルギーを後で使用するために蓄えることである[ 1 ]。エネルギーを蓄える装置は、一般的に蓄電池またはバッテリーと呼ばれる。エネルギーには、放射、化学エネルギー、重力ポテンシャル、電気ポテンシャル、電気、高温、潜熱、位置エネルギー、運動エネルギーなど、さまざまな形態がある。エネルギー貯蔵とは、貯蔵が困難な形態のエネルギーを、より便利または経済的に貯蔵可能な形態に変換することである。
エネルギー貯蔵には短期的な技術もあれば、より長期間の貯蔵が可能な技術もある。現在、大規模なエネルギー貯蔵は、従来型および揚水型の水力発電ダムが主流となっている。グリッドエネルギー貯蔵とは、電力網内で大規模なエネルギー貯蔵を行うための様々な手法の総称である。
エネルギー貯蔵の一般的な例としては、携帯電話を動かすために電気エネルギーに容易に変換できる化学エネルギーを蓄える充電式電池、重力ポテンシャルエネルギーとして貯水池にエネルギーを蓄える水力発電ダム、夜間の安価なエネルギーで凍らせた氷を貯蔵し、日中の冷房需要のピークに対応する氷貯蔵タンクなどがあります。石炭やガソリンなどの化石燃料は、後に死んで埋没し、長い時間をかけてこれらの燃料に変換された生物が太陽光から得た古代のエネルギーを蓄えています。食品（化石燃料と同じプロセスで作られる）は、化学エネルギーの形で蓄えられたエネルギーの一形態です。
20世紀の電力網では、電力は主に化石燃料の燃焼によって生成されていました。電力需要が少なければ、燃料の燃焼も少なくなります。[ 2 ]水力発電は機械エネルギー貯蔵方法であり、最も広く採用されている機械エネルギー貯蔵方法であり、何世紀にもわたって使用されてきました。大規模な水力発電ダムは、100年以上前からエネルギー貯蔵場所となっています。[ 3 ]大気汚染、エネルギー輸入、地球温暖化への懸念から、太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーの成長が促進されています。[ 2 ]風力発電は制御されておらず、追加の電力が必要ないときに発電している可能性があります。太陽光発電は雲量によって変動し、最良の場合でも日中しか利用できませんが、需要は日没後にピークを迎えることがよくあります（ダックカーブを参照）。再生可能エネルギー産業が全体のエネルギー消費のより大きな割合を生成し始めると、これらの断続的な電源からの電力貯蔵への関心が高まります。 [ 4 ] 2023年、ブルームバーグNEFは、エネルギー貯蔵の総導入量が2030年まで年平均成長率27%で増加すると予測した。[ 5 ]
20世紀にはニッチ市場だったオフグリッド電力の利用は、21世紀に入り拡大した。携帯型機器は世界中で使用され、太陽光パネルは世界中の農村地域で普及している。電力へのアクセスは、もはや技術的な側面だけでなく、経済性や財政的な実現可能性の問題となっている。電気自動車は徐々に内燃機関車に取って代わりつつある。しかし、燃料を燃焼させずに長距離輸送を実現する技術は、依然として開発段階にある。
以下に、さまざまな種類のエネルギー貯蔵方法を示します。
エネルギーは、揚水発電方式を用いて高所に汲み上げた水に蓄えたり、固体物質を高所に移動させたり（重力電池）することで蓄えることができる。その他の商業的な機械的方法としては、空気を圧縮したり、フライホイールを用いて電気エネルギーを内部エネルギーや運動エネルギーに変換し、電力需要がピークに達した際に再び電気エネルギーに戻す方法などがある。
貯水池を備えた水力発電ダムは、電力需要のピーク時に発電できるよう運用できます。需要が少ない時期には貯水池に水を貯め、需要が高い時期に放流します。その効果は揚水発電と似ていますが、揚水損失がありません。
水力発電ダムは他の発電設備からのエネルギーを直接貯蔵するわけではありませんが、他の電源からの電力が余剰な期間に出力を下げることで、それと同等の働きをします。このモードでは、発電のタイミングだけが変わるため、ダムは最も効率的なエネルギー貯蔵形態の1つです。水力タービンの起動時間は数分程度です。[ 6 ]
世界的に、揚水式水力発電（PSH）は、利用可能なアクティブグリッドエネルギー貯蔵の最大の容量形態であり、2012年3月現在、電力研究所（EPRI）は、PSHが世界のバルク貯蔵容量の99%以上を占め、約127,000MWに相当すると報告している。 [ 7 ] PSHのエネルギー効率は実際には70%から80%の間で変動し、[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]最大87%という主張もある。[ 11 ]
電力需要が低い時間帯には、余剰発電能力を利用して、低い水源から高い貯水池へ水を汲み上げます。需要が増加すると、タービンを通して低い貯水池（または水路や水域）へ水を放流し、発電を行います。可逆式タービン発電機は、ポンプとタービン（通常はフランシス水車）の両方の役割を果たします。ほぼすべての施設で、2つの水域間の高低差を利用しています。純粋な揚水発電所は貯水池間で水を移動させますが、「ポンプバック」方式は、揚水発電所と、自然の河川流量を利用する従来の水力発電所を組み合わせたものです。
圧縮空気エネルギー貯蔵（CAES）は、余剰エネルギーを利用して空気を圧縮し、その後の発電に利用する。[ 12 ]小規模システムは、鉱山機関車の推進など、さまざまな用途で長年使用されてきた。圧縮空気は、岩塩ドームなどの地下貯水槽に貯蔵される。
圧縮空気エネルギー貯蔵（CAES）プラントは、生産の変動と負荷の間のギャップを埋めることができます。CAES貯蔵は、需要を満たすためにすぐに利用できるエネルギーを効果的に供給することで、消費者のエネルギーニーズに対応します。風力や太陽光などの再生可能エネルギー源は変動します。そのため、電力供給が少ないときは、エネルギー需要を満たすために他の形態のエネルギーで補う必要があります。圧縮空気エネルギー貯蔵プラントは、エネルギー過剰生産時に再生可能エネルギー源の余剰エネルギー出力を取り込むことができます。この貯蔵されたエネルギーは、電力需要が増加したり、エネルギー資源の供給が減少したりしたときに後で使用できます。[ 13 ]
空気の圧縮は熱を発生させ、圧縮後の空気は暖かくなります。膨張には熱が必要です。追加の熱が加えられない場合、膨張後の空気ははるかに冷たくなります。圧縮中に発生した熱を蓄えて膨張中に使用できれば、効率が大幅に向上します。[ 14 ] CAES システムは、熱を 3 つの方法で処理できます。空気の貯蔵は、断熱、非断熱、または等温のいずれかです。別のアプローチでは、圧縮空気を使用して車両を動かします。[ 15 ] [ 16 ]
フライホイール式エネルギー貯蔵（FES）は、ローター（フライホイール）を非常に高速に加速させ、回転エネルギーとしてエネルギーを蓄えることで機能します。エネルギーを加えるとフライホイールの回転速度は増加し、エネルギーを取り出すとエネルギー保存の法則により回転速度は低下します。
ほとんどのFESシステムは電気を使ってフライホイールを加速・減速させるが、機械エネルギーを直接使う装置も検討されている。[ 17 ]
FESシステムは、高強度炭素繊維複合材で作られたローターを備え、磁気ベアリングで吊り下げられ、 真空容器内で毎分20,000～50,000回転（rpm）以上の速度で回転します。 [ 18 ]このようなフライホイールは、数分で最大速度（「充電」）に達することができます。フライホイールシステムは、電動モーター/発電機の 組み合わせに接続されています。
FESシステムは、比較的長い寿命（メンテナンスがほとんどまたは全く必要なく数十年持続します。[ 18 ]フライホイールのフルサイクル寿命は10⁵回以上から10⁷回までとされています） [ 19 ] 、高い比エネルギー（100～130 W·h/kg、または360～500 kJ/kg）[ 19 ] [ 20 ]、および高い電力密度を備えています。
固体塊の高度を変化させることで、電動モーター/発電機で駆動される昇降システムを介してエネルギーを蓄積または放出することができる。研究によると、わずか1秒の警告でエネルギーの放出を開始できることが示唆されており、この方法は電力網への補助的な供給源として、負荷の急増をバランスさせるのに役立つ。[ 21 ]
効率は、蓄積されたエネルギーの回収率が最大85%にも達することがあります。[ 22 ]
これは、古い垂直鉱山坑道内または特別に建設された塔内に質量を配置し、重い重量物をウインチで引き上げてエネルギーを蓄え、制御された降下によってエネルギーを放出することで実現できます。2020年には、スコットランドのエジンバラでプロトタイプの垂直貯蔵庫が建設されています[ 23 ]。
位置エネルギー貯蔵または重力エネルギー貯蔵は、カリフォルニア独立系統運用機関と連携して2013年に活発に開発されていた。[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]電気機関車によって駆動される土を積んだホッパー貨車が低地から高地へ移動する様子が調査された。 [ 27 ]
その他の提案されている方法には以下がある。
熱エネルギー貯蔵（TES）とは、熱を一時的に貯蔵または除去することである。
顕熱蓄熱は、材料中の顕熱を利用してエネルギーを蓄える。 [ 32 ]
季節蓄熱（STES）は、廃熱や自然資源から収集した熱や冷気を数か月後に使用することを可能にします。この物質は、密閉された帯水層、砂や結晶質岩盤などの地質基盤にあるボーリング孔の集合体、砂利と水で満たされたライニングされたピット、または水で満たされた鉱山に貯蔵できます。[ 33 ]季節蓄熱（STES）プロジェクトは、多くの場合、4～6年で投資回収されます。[ 34 ]例として、カナダのドレイクランディングソーラーコミュニティがあり、ガレージの屋根にある太陽熱コレクターによって年間を通しての熱の97%が供給され、これはボーリング孔蓄熱（BTES）によって可能になっています。[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]デンマークのブレーズトルップでは、コミュニティの太陽熱地域暖房システムもSTESを使用しており、温度は65 ℃（149 °F）です。余剰の風力発電が利用可能なときだけ稼働するヒートポンプ。これは、配熱のために温度を80 ℃（176 °F）まで上げるために使用されます。風力エネルギーが利用できない場合は、ガス焚きボイラーが使用されます。ブレードストルップの熱の20%は太陽熱です。[ 38 ]
潜熱蓄熱システムは、物質との間で熱を移動させて相変化を起こすことで機能します。相変化とは、融解、凝固、蒸発、液化のことです。このような物質は相変化材料（PCM）と呼ばれます。LHTESで使用される材料は、多くの場合、高い潜熱を持つため、特定の温度で相変化によって顕熱よりもはるかに多くのエネルギーが吸収されます。[ 39 ]
蒸気蓄熱器は、液体と気体の間で相変化を起こし、水の蒸発潜熱を利用するタイプのLHTES（潜熱蓄熱装置）です。氷蓄熱式空調システムは、オフピーク電力を使用して水を凍らせて氷にすることで冷気を蓄えます。氷に蓄えられた冷気は融解過程で放出され、ピーク時の冷房に利用できます。
空気は電気冷却によって液化され、既存の技術で極低温物質として貯蔵することができる。液化された空気はタービンを通して膨張させられ、エネルギーは電気として回収される。このシステムは2012年に英国のパイロットプラントで実証された。[ 40 ] 2019年、ハイビューはイングランド北部とバーモント州北部に50MWの施設を建設する計画を発表した。この施設は5～8時間分のエネルギーを貯蔵でき、 貯蔵容量は250～400MWhとなる予定である。[ 41 ]
電気エネルギーは抵抗加熱またはヒートポンプによって熱的に貯蔵することができ、貯蔵された熱はランキンサイクルまたはブレイトンサイクルによって電気に変換できます。[ 42 ]この技術は、石炭火力発電所を化石燃料フリーの発電システムに改造するために研究されています。[ 43 ]石炭燃焼ボイラーは、再生可能エネルギー源からの余剰電力で充電される高温蓄熱装置に置き換えられます。2020年、ドイツ航空宇宙センターは 、1,000 MWhの蓄電容量を持つ世界初の大型カルノー電池システムの建設を開始しました。 [ 44 ]
充電式電池は、1つまたは複数の電気化学セルから構成されます。電気化学反応が電気的に可逆であるため、「二次電池」と呼ばれます。充電式電池には、ボタン電池からメガワット級の送電網システムまで、さまざまな形状とサイズがあります。
充電式電池は、使い捨て電池に比べて総使用コストと環境負荷が低くなります。充電式電池の中には、使い捨て電池と同じ形状のものもあります。充電式電池は初期費用は高くなりますが、非常に安価に充電でき、何度も使用できます。
一般的な充電式電池の化学組成には以下のようなものがあります。
フロー電池は、溶液を膜に通すことでイオン交換を行い、電池の充電または放電を行う仕組みです。電池電圧はネルンストの式によって化学的に決定され、実用上は1.0Vから2.2Vの範囲です。蓄電容量は溶液の量に依存します。フロー電池は、技術的には燃料電池と電気化学蓄電池の両方に類似しています。商業用途としては、バックアップ電源など、半サイクル長の蓄電が挙げられます。
スーパーキャパシタは、電気二重層キャパシタ（EDLC）またはウルトラキャパシタとも呼ばれ、従来の固体誘電体を持たない電気化学キャパシタの一種です[ 50 ]。静電容量は、二重層容量と擬似容量という2つの蓄積原理によって決定されます。[ 51 ] [ 52 ]
スーパーキャパシタは、従来のコンデンサと充電式バッテリーの間のギャップを埋めるものです。コンデンサの中で単位体積または単位質量あたりのエネルギー（エネルギー密度）が最も高く、最大10,000ファラッド/1.2ボルト[ 53 ] 、電解コンデンサの最大10,000倍の容量を持ちますが、単位時間あたりの電力（電力密度）は半分以下です[ 50 ] 。
スーパーキャパシタの比エネルギーとエネルギー密度は電池の約10%ですが、電力密度は一般的に10～100倍も高くなっています。そのため、充放電サイクルが大幅に短縮されます。また、電池よりもはるかに多くの充放電サイクルに耐えることができます。
スーパーキャパシタには、以下のような多くの用途があります。
パワー・トゥ・ガスとは、電気エネルギーを水素やメタンなどの気体燃料に変換する技術である。商業的に利用されている3つの方法は、電気分解によって水を水素と酸素に還元するものである。
最初の方法では、水素は天然ガス網に注入されるか、輸送に使用されます。2番目の方法は、水素を二酸化炭素と結合させて、サバティエ反応などのメタン化反応、または生物学的メタン化によってメタンを生成するもので、これにより8%のエネルギー変換損失が発生します。生成されたメタンは、天然ガス網に供給されます。3番目の方法は、バイオガスアップグレーダーで処理された後の木質ガス発生装置またはバイオガスプラントの出力ガスを、電解槽からの水素と混合して、バイオガスの品質を向上させるものです。
元素である水素は、エネルギー貯蔵の一形態となり得る。水素は水素燃料電池を通して電気を生成することができる。
電力網需要の 20% 未満の浸透率では、再生可能エネルギーは経済性を大きく変えることはありませんが、総需要の約 20% を超えると、[ 54 ]外部貯蔵が重要になります。これらの供給源がイオン水素の製造に使用される場合、自由に拡張できます。風力タービンと水素発生器を使用した 5 年間のコミュニティベースのパイロット プログラムが、2007 年にニューファンドランド・ラブラドール州の遠隔地のコミュニティ、ラメアで開始されました。[ 55 ]同様のプロジェクトが、2004 年にノルウェーの小さな島、ウツィラで開始されました。
水素貯蔵サイクルにおけるエネルギー損失は、水の電気分解、水素の液化または圧縮、および電気への変換から生じる。[ 56 ]
アルミニウムの自然発生的な酸化アルミニウム層を剥がし、水に浸すことで、アルミニウムと水から水素を生成することもできます。この方法は、リサイクルされたアルミニウム缶を水素生成に利用できるため有益ですが、この方法を利用するシステムは商業的に開発されておらず、電気分解システムよりもはるかに複雑です。[ 57 ]酸化層を剥がす一般的な方法としては、水酸化ナトリウムなどの苛性触媒や、ガリウム、水銀、その他の金属との合金などがあります。[ 58 ]
地下水素貯蔵とは、空洞、岩塩ドーム、枯渇した油田やガス田に水素を貯蔵する手法である。 [ 59 ] [ 60 ]インペリアル・ケミカル・インダストリーズは、長年にわたり、何の問題もなく大量の気体水素を空洞に貯蔵してきた。 [ 61 ]欧州のHyunderプロジェクトは2013年に、地下水素を用いた風力および太陽エネルギーの貯蔵には85の空洞が必要になると示した。[ 62 ]
パワーペーストは、水と反応すると水素を放出するマグネシウムと水素をベースとした流動ゲルです。フラウンホーファー協会の製造技術・先端材料研究所（IFAM）によって発明、特許取得、開発されています。パワーペーストは、マグネシウム粉末と水素を組み合わせて、350 ℃、大気圧の5～6倍の圧力で行われるプロセスで水素化マグネシウムを形成することによって作られます。その後、エステルと金属塩が加えられ、最終製品が完成します。フラウンホーファーは、2021年に生産開始予定の生産工場を建設中で、年間4トンのパワーペーストを生産する予定であると述べています。[ 63 ]フラウンホーファーは、米国とEUでこの発明の特許を取得しています。[ 64 ]フラウンホーファーは、パワーペーストは、同サイズのリチウムイオン電池の10倍のエネルギー密度で水素エネルギーを貯蔵でき、自動車用途に安全で便利であると主張しています。[ 63 ]
メタンは分子式CH₄で表される最も単純な炭化水素である。メタンは水素よりも貯蔵や輸送が容易であり、貯蔵・燃焼インフラ（パイプライン、ガスタンク、発電所）も既に整備されている。
合成天然ガス（シンガスまたはSNG）は、水素と酸素を原料とする多段階プロセスで製造されます。まず、水素をサバティエ反応で二酸化炭素と反応させ、メタンと水を生成します。生成されたメタンは貯蔵し、後で発電に利用できます。生成された水はリサイクルされ、水の使用量を削減します。電気分解の段階では、酸素を貯蔵し、隣接する発電所の純酸素環境下でメタンを燃焼させることで、窒素酸化物の発生を抑制します。
メタンの燃焼により二酸化炭素（CO₂）と水が生成される。二酸化炭素はサバティエ反応を促進するために再利用でき、水はさらなる電気分解のために再利用できる。メタンの生成、貯蔵、燃焼は反応生成物のリサイクルにつながる。
CO2は、炭素回収・貯留のようにコストではなく、エネルギー貯蔵手段の構成要素として経済的価値を持つ。
パワー・トゥ・リキッドは、水素をメタノールやアンモニアなどの液体に変換する点を除けば、パワー・トゥ・ガスと似ています。これらはガスよりも扱いやすく、水素よりも安全対策が少なくて済みます。航空機を含む輸送だけでなく、産業用途や電力部門でも使用できます。 [ 65 ]
バイオディーゼル、植物油、アルコール燃料、バイオマスなどのさまざまなバイオ燃料は、化石燃料の代替となり得る。さまざまな化学プロセスにより、石炭、天然ガス、植物および動物バイオマス、有機廃棄物中の炭素と水素を、既存の炭化水素燃料の代替として適した短鎖炭化水素に変換することができる。例としては、フィッシャー・トロプシュディーゼル、メタノール、ジメチルエーテル、合成ガスなどがある。このディーゼル源は、原油供給へのアクセスが限られていた第二次世界大戦中のドイツで広く使用された。南アフリカは、同様の理由で、国内のディーゼルの大部分を石炭から生産している。[ 66 ]長期的に原油価格が1バレルあたり35米ドルを超えると、このような大規模な合成液体燃料が経済的になる可能性がある。
パワー・トゥ・リキッドやパワー・トゥ・ガスといった概念と同様に、エネルギーは固体材料、例えば鉄やアルミニウムなどの金属[ 67 ] [ 68 ]や硫黄などの非金属材料[ 69 ]に蓄えることができる。電気や太陽熱の形で蓄えられたエネルギーは化学的に蓄えられ、必要に応じて放出することができる。歴史的に、固体エネルギーキャリアは花火やロケットに長年使用されてきた。
アルミニウムは、多くの研究者によってエネルギー貯蔵材料として提案されている。その電気化学当量（8.04 Ah/cm3）は、リチウム（2.06 Ah/cm3）の約4倍である。[ 70 ]アルミニウムは、水と反応させて水素を生成することでエネルギーを取り出すことができる。[ 71 ]ただし、まずアルミニウムの自然酸化層を除去する必要があり、このプロセスには粉砕[ 72 ]、腐食性物質との化学反応、または合金化が必要となる。[ 58 ]水素生成反応の副産物は酸化アルミニウムであり、ホール・エルー法によってアルミニウムにリサイクルできるため、理論的には再生可能な反応となる。[ 58 ]ホール・エルー法を太陽光または風力で実行すれば、アルミニウムは直接太陽光電気分解よりも高い効率で生成されたエネルギーを貯蔵するために使用できる可能性がある。[ 73 ]
有機化合物ノルボルナジエンは光にさらされるとクアドリシクラン に変化し、太陽エネルギーを化学結合のエネルギーとして蓄えます。スウェーデンでは分子太陽熱システムとして実用的なシステムが開発されています。[ 77 ]
コンデンサ（元々は「コンデンサー」として知られていた）は、静電的にエネルギーを蓄えるために使用される受動的な2端子電気部品です。実用的なコンデンサーは多種多様ですが、すべて誘電体（つまり絶縁体）によって分離された少なくとも2つの電気導体（プレート）を含んでいます。コンデンサーは充電回路から切り離されたときに電気エネルギーを蓄えることができるため、一時的なバッテリーのように、または他のタイプの充電式エネルギー貯蔵システムのように使用できます。[ 78 ]コンデンサーは、バッテリーが交換されている間、電源供給を維持するために電子機器で一般的に使用されています。（これにより、揮発性メモリを備えたデバイスの情報が失われるのを防ぎます。）従来のコンデンサーは1キログラムあたり360ジュール未満を提供しますが、従来のアルカリ電池の密度は590 kJ/kgです。
コンデンサは、電極板間の静電場にエネルギーを蓄えます。導体間に電位差が生じると（例えば、コンデンサを電池に接続した場合）、誘電体全体に電界が発生し、一方の電極板に正電荷（+Q）が、もう一方の電極板に負電荷（-Q）が蓄積されます。電池をコンデンサに十分な時間接続しても、コンデンサには電流が流れません。しかし、コンデンサのリード線間に加速電圧または交流電圧を印加すると、変位電流が流れることがあります。コンデンサの電極板以外にも、誘電体層にも電荷を蓄えることができます。[ 79 ]
導体間の間隔が狭いほど、また導体の表面積が大きいほど、静電容量は大きくなります。実際には、プレート間の誘電体は少量の漏洩電流を放出し、破壊電圧として知られる電界強度の限界があります。しかし、高電圧破壊後の誘電体の回復効果は、新世代の自己修復コンデンサに有望です。[ 80 ] [ 81 ]導体とリード線は、望ましくないインダクタンスと抵抗を導入します。
研究では、デジタル量子電池のためのナノスケールコンデンサの量子効果を評価している[ 82 ] 。 [ 83 ] [ 84 ]
超伝導磁気エネルギー貯蔵（SMES）システムは、超伝導臨界温度以下の温度に冷却された超伝導コイルに直流電流を流すことで生成される磁場にエネルギーを蓄積します。典型的なSMESシステムは、超伝導コイル、電力調整システム、および冷凍機で構成されています。超伝導コイルが充電されると、電流は減衰せず、磁気エネルギーは無期限に蓄積できます。[ 85 ]
蓄積されたエネルギーは、コイルを放電することでネットワークに放出できます。関連するインバータ/整流器は、各方向で約2～3%のエネルギー損失を生じます。SMESは、他のエネルギー貯蔵方法と比較して、エネルギー貯蔵プロセスにおける電力損失が最も少ないです。SMESシステムは、95%を超える往復効率を提供します。[ 86 ]
冷凍に必要なエネルギーと超電導線のコストのため、SMESは電力品質の向上などの短時間の蓄電に使用されます。また、グリッドバランスにも応用されています。[ 85 ]
産業革命以前の典型的な用途は、穀物を加工したり機械を動かしたりするための水車を動かすために水路を制御することでした。必要に応じて水（および水に含まれる位置エネルギー）を貯蔵および放出するために、複雑な貯水池とダムのシステムが構築されました。 [ 87 ]
再生可能エネルギー（特に太陽光発電）の分散型発電の重要性の高まりと、建物におけるエネルギー消費の重要な割合を考慮すると、家庭用エネルギー貯蔵はますます一般的になると予想されます。[ 88 ]太陽光発電を備えた家庭で40%を超える自給率を達成するには、エネルギー貯蔵が必要です。[ 88 ]複数のメーカーが、一般的に家庭用太陽光発電や風力発電からの余剰エネルギーを貯蔵するための充電式バッテリーシステムを製造しています。現在、家庭用エネルギー貯蔵には、コストは同程度だが性能がはるかに優れているため、鉛蓄電池よりもリチウムイオン電池が好まれています。[ 89 ]
テスラモーターズは、テスラパワーウォールの2つのモデルを製造しています。1つはバックアップ用途向けの10kWhの週サイクルバージョンで、もう1つは日サイクル用途向けの7kWhバージョンです。[ 90 ] 2016年には、テスラパワーパック2の限定版は、1kWhあたり12.5セント（米国の平均グリッド価格）の電力を貯蔵するのに398ドル（米国）かかり、電力価格が1kWhあたり30セントを超えない限り、投資に対するプラスのリターンは疑わしいものでした。[ 91 ]
RoseWater Energy は、「エネルギー＆ストレージ システム」の HUB 120 [ 92 ]と SB20 [ 93 ]の 2 つのモデルを製造しています。どちらのバージョンも 28.8 kWh の出力を提供し、より大きな住宅や小規模な商業施設を稼働させ、カスタム インストールを保護することができます。このシステムは、クリーンな 60 Hz 正弦波の提供、ゼロ転送時間、産業グレードのサージ保護、再生可能エネルギーのグリッド売電 (オプション)、およびバッテリー バックアップなど、5 つの主要要素を 1 つのシステムに統合しています。[ 94 ] [ 95 ]
Enphase Energyは、家庭ユーザーが電力を蓄え、監視し、管理できる統合システムを発表しました。このシステムは1.2kWhのエネルギーを蓄え、275W/500Wの電力出力が可能です。[ 96 ]
熱エネルギー貯蔵を利用した風力エネルギーや太陽エネルギーの貯蔵は柔軟性に欠けるものの、バッテリーよりかなり安価である。シンプルな52ガロンの電気温水器は、温水や暖房の補助として約12kWhのエネルギーを貯蔵できる。[ 97 ]
ネットメータリングが利用可能な地域では、純粋に経済的な目的のために、蓄電池を使用せずに、系統連系インバーターを介して家庭で発電した電力を電力網に売電することができる。
再生可能エネルギーの最大の供給源であり、最大の貯蔵庫は水力発電ダムです。ダムの背後にある大きな貯水池は、乾季と雨季の間の河川の年間平均流量に相当する水を貯めることができ、非常に大きな貯水池は、乾季と雨季の間の河川の平均流量に相当する水を貯めることができます。水力発電ダムは、断続的なエネルギー源からのエネルギーを直接貯蔵するわけではありませんが、太陽光発電や風力発電が行われている際に、ダムの出力を下げて貯水量を維持することで、電力網のバランスを保つ役割を果たします。風力発電や太陽光発電が地域の水力発電容量を超える場合は、何らかの追加的なエネルギー源が必要となります。
多くの再生可能エネルギー源（特に太陽光と風力）は変動する電力を生成する。[ 103 ]蓄電システムは、これによって生じる供給と需要の不均衡を平準化することができる。電力は生成されたらすぐに使用するか、すぐに貯蔵可能な形態に変換する必要がある。[ 104 ]
電力網の主な蓄電方法は揚水式水力発電です。ノルウェー、ウェールズ、日本、米国などの地域では、高地の地形を利用して貯水池を作り、電動ポンプで水を汲み上げています。必要に応じて、水は発電機を通過し、落下する水の重力ポテンシャルを電気に変換します。[ 103 ]ノルウェーでは、電力のほぼすべてを水力発電で賄っており、揚水発電の現在の容量は1.4 GWですが、総設備容量は32 GW近くあり、その75%は調整可能なので、大幅に拡張できます。[ 105 ]
発電する蓄電方式には、揚水式水力発電ダム、充電式電池、溶融塩など大量の熱エネルギーを効率的に蓄えたり放出したりできる蓄熱方式[ 106 ] 、圧縮空気エネルギー貯蔵、フライホイール、極低温システム、超伝導磁気コイルなどがあります。
余剰電力は、天然ガスネットワークに貯蔵されるメタン（サバティエ法）に変換することもできます。 [ 107 ] [ 108 ]
2011年、米国北西部のボンネビル電力公社は、夜間や強風を伴う嵐の期間中に発生する余剰の風力および水力発電を吸収するための実験プログラムを作成しました。中央制御の下、家庭用電化製品は、特殊なスペースヒーター内のセラミックレンガを数百度まで加熱したり、改造された温水ヒータータンクの温度を上げたりすることで、余剰エネルギーを吸収します。充電後、電化製品は必要に応じて家庭の暖房と温水を供給します。この実験システムは、2010年の激しい嵐によって再生可能エネルギーが過剰に生産され、従来のすべての電源が停止するか、原子力発電所の場合は可能な限り低い運転レベルまで低下し、広範囲がほぼ完全に再生可能エネルギーで稼働することになった結果として作成されました。[ 109 ] [ 110 ]
かつて米国で実施されたソーラーツー・プロジェクトやスペインのソーラートレス・パワータワーで採用された別の先進的な方式では、溶融塩を用いて太陽光から得た熱エネルギーを蓄え、それを電気エネルギーに変換して送電します。このシステムでは、溶融塩をタワーやその他の特殊な導管を通して太陽光で加熱します。断熱タンクに溶融塩を貯蔵し、水を蒸気に変えてタービンに供給することで発電します。
21世紀初頭から、バッテリーは電力会社の負荷平準化や周波数調整機能に利用されてきた。[ 103 ]
車両間電力供給（V2G）システムでは、電力網に接続された電気自動車が、必要に応じてバッテリーに蓄えられた電気エネルギーを電力網に供給することができる。
熱エネルギー貯蔵(TES) は空調に使用できます。[ 111 ]これは、単一の大きな建物や複数の小さな建物の冷却に最も広く使用されています。商業用空調システムは、ピーク電力負荷の最大の要因です。2009 年に、35 か国以上で 3,300 を超える建物で熱貯蔵が使用されました。これは、夜間に材料を冷却し、日中の暑い時間帯に冷却された材料を使用することで機能します。[ 106 ]
最も一般的な方法は氷貯蔵で、水よりも設置スペースが少なくて済み、燃料電池やフライホイールよりも安価です。この方式では、標準的なチラーを夜間に稼働させて氷の山を作ります。日中は、その氷の山に水を循環させることで、通常であればチラーが日中に出力するはずの水を冷却します。
部分蓄熱システムは、チラーをほぼ24時間稼働させることで設備投資を最小限に抑えます。夜間は蓄氷用の氷を生成し、日中は水を冷却します。溶けた氷の中を循環する水は、冷水の生成を促進します。このようなシステムでは、1日に16～18時間氷を生成し、6時間氷を溶かします。チラーのサイズは、従来の蓄熱機能のない設計に必要なサイズのわずか40～50%で済むため、設備投資を削減できます。通常、1日分の利用可能な熱量の半分を蓄えるのに十分な蓄熱能力があれば十分です。
完全蓄熱システムでは、負荷がピークとなる時間帯にチラーの運転を停止します。ただし、このようなシステムにはより大型のチラーとより大型の氷蓄熱システムが必要となるため、初期投資コストは高くなります。
この氷は、電気料金が安いときに生成されます。[ 112 ]オフピーク冷却システムはエネルギーコストを削減できます。米国グリーンビルディング協会は、環境負荷の低い建物の設計を促進するために、エネルギーと環境設計におけるリーダーシップ（LEED）プログラムを開発しました。オフピーク冷却は、LEED認証に役立つ可能性があります。[ 113 ]
暖房用の蓄熱は、冷房用ほど一般的ではありません。蓄熱の例としては、太陽熱を蓄えて夜間の暖房に利用することが挙げられます。
潜熱は、技術的な相変化材料（PCM）に蓄えることもできます。これらは壁や天井のパネルに組み込むことで、室温を調節することができます。
輸送分野におけるエネルギー貯蔵手段として最も一般的に用いられているのは液体炭化水素燃料であり、それに続いてバッテリー式電気自動車やハイブリッド電気自動車の利用が拡大している。水素などの他のエネルギーキャリアを用いることで、温室効果ガスの排出を回避することも可能である。
路面電車やトロリーバスなどの公共交通機関は電力を必要としますが、運行状況が変動するため、再生可能エネルギーによる安定した電力供給は困難です。建物の屋根に設置された太陽光発電システムは、電力需要が増加し、他の形態のエネルギーへのアクセスが容易でない期間に、公共交通機関の電力供給に利用できます。[ 114 ]今後予定されている交通システムの変革には、フェリーや飛行機なども含まれ、電力供給が興味深い代替手段として検討されています。[ 115 ]
コンデンサは、直流電流を遮断しつつ交流電流を通過させるために電子回路で広く使用されています。アナログフィルタネットワークでは、電源の出力を平滑化します。共振回路では、ラジオを特定の周波数に同調させます。電力伝送システムでは、電圧と電力の流れを安定させます。[ 116 ]
米国エネルギー省国際エネルギー貯蔵データベース（IESDB）は、米国エネルギー省電力局とサンディア国立研究所が資金提供するエネルギー貯蔵プロジェクトと政策の無料アクセスデータベースです。[ 117 ]
蓄電容量とは、エネルギー貯蔵装置またはシステムから抽出されるエネルギー量のことです。通常はジュールまたはキロワット時とその倍数で測定され、発電所の定格容量での発電時間数で表されることもあります。蓄電が一次タイプ（つまり、熱または揚水）の場合、出力は発電所に組み込まれた蓄電システムのみから供給されます。[ 118 ] [ 119 ]
エネルギー貯蔵の経済性は、要求される予備サービスに厳密に依存し、いくつかの不確実性要因がエネルギー貯蔵の収益性に影響を与えます。したがって、すべての貯蔵方法が数MWhの貯蔵に技術的にも経済的にも適しているわけではなく、エネルギー貯蔵の最適な規模は市場と場所に依存します。[ 120 ]
さらに、ESSはいくつかのリスクの影響を受けます。例: [ 121 ]
したがって、投資評価のための決定論的割引キャッシュフロー（DCF）に基づく従来の手法は、これらのリスクと不確実性、およびそれらに対処する投資家の柔軟性を評価するには十分ではありません。そのため、文献では、不確実な状況で有効な方法であるリアルオプション分析（ROA）を通じてリスクと不確実性の価値を評価することを推奨しています。[ 121 ]
大規模用途（揚水発電や圧縮空気など）の経済的評価では、出力抑制の回避、送電網の混雑回避、価格裁定取引、炭素フリーのエネルギー供給などのメリットが考慮される。[ 106 ] [ 122 ] [ 123 ]カーネギーメロン電力産業センターによる技術評価では、バッテリーの設備投資コストが1キロワット時あたり30ドルから50ドルであれば、バッテリーを使用して経済目標を達成できる可能性がある。[ 106 ]
エネルギー貯蔵のエネルギー効率の指標は、エネルギー貯蔵量と投資エネルギーの比 (ESOI) であり、これは技術によって貯蔵できるエネルギー量を、その技術を構築するために必要なエネルギー量で割ったものです。ESOI が高いほど、エネルギー貯蔵技術のエネルギー効率は優れています。リチウムイオン電池の場合、ESOI は約 10、鉛蓄電池の場合は約 2 です。揚水発電などの他の形態の貯蔵は、一般的に 210 など、より高い ESOI を持ちます。[ 124 ]
揚水式水力発電は、世界的に見て圧倒的に最大の蓄電技術である。[ 125 ]しかし、従来の揚水式水力発電は、標高差のある地形が必要であり、比較的小さな電力に対して非常に多くの土地を使用するため、その利用は限られている。[ 126 ]適切な自然地形がない場所では、地下揚水式水力発電も利用できる。[ 127 ]バッテリーは高コストで寿命が限られているため、調整可能な電源の「弱い代替品」であり、数日、数週間、または数か月続く変動する再生可能エネルギーの電力不足を補うことはできない。VREの割合が高いグリッドモデルでは、過剰な蓄電コストがグリッド全体のコストを支配する傾向がある。たとえば、カリフォルニア州だけでも、VREの割合が80%の場合、9.6 TWhの蓄電が必要になるが、100%の場合は36.3 TWhが必要になる。2018年時点で、同州の蓄電容量は150 GWhのみで、主に揚水式であり、バッテリーはごくわずかである。別の研究によると、米国の需要の 80% を VRE で供給するには、国全体をカバーするスマートグリッド、またはシステム全体に 12 時間供給できるバッテリーストレージが必要であり、どちらの場合もコストは 2.5 兆ドルと推定されています。[ 128 ] [ 129 ]同様に、いくつかの研究では、VRE とエネルギー貯蔵のみに依存すると、VRE と原子力発電所またはエネルギー貯蔵の代わりに二酸化炭素回収貯蔵を備えた発電所を組み合わせた同等のシステムよりもコストが 30 ～ 50% 高いことがわかりました。[ 130 ] [ 131 ]
ドイツエネルギー貯蔵協会の代表者によると、2013年にドイツ政府は研究に2億ユーロ（約2億7000万米ドル）を割り当て、さらに住宅の屋上太陽光パネルのバッテリー貯蔵を補助するために5000万ユーロを割り当てた。[ 132 ]
シーメンスAGは、2015年にバーデン＝ヴュルテンベルク州の太陽エネルギー・水素研究センター（ZSW、ドイツ太陽エネルギー・水素研究センター）に生産研究工場を開設するよう委託した。ZSWは、シュトゥットガルト、ウルム、ヴィッダーシュタールにある大学と産業界の共同研究機関で、約350人の科学者、研究者、エンジニア、技術者が勤務している。この工場では、コンピュータ化された監視制御およびデータ収集（SCADA）システムを使用して、新しい近生産製造材料およびプロセス（NPMM&P）を開発している。その目的は、品質向上とコスト削減による充電式電池生産の拡大を可能にすることである。 [ 133 ] [ 134 ]
2023年以降、ドイツ研究振興協会による新たなプロジェクトは、太陽熱エネルギーを貯蔵するための分子フォトスイッチに焦点を当てています。これらのいわゆる分子太陽熱（MOST）システムのスポークスパーソンは、ヘルマン・A・ウェグナー教授です。[ 135 ]
2014年には、エネルギー貯蔵技術を評価するための研究・試験センターが開設されました。その中には、ウィスコンシン州立大学マディソン校の先端システム試験研究所があり、バッテリーメーカーのジョンソンコントロールズと提携しています。[ 136 ]この研究所は、大学に新設されたウィスコンシンエネルギー研究所の一部として設立されました。その目標には、最新鋭および次世代の電気自動車用バッテリーの評価、グリッド補完としての利用などが含まれます。[ 136 ]
ニューヨーク州は、ニューヨーク州ロチェスターのイーストマン・ビジネスパークに、約1,700平方メートルの研究所に2,300万ドルを投じて、ニューヨーク州バッテリー・エネルギー貯蔵技術（NY-BEST）試験・商業化センターを開設した。このセンターには、ニューヨーク州イサカのコーネル大学とニューヨーク州トロイのレンセラー工科大学が共同で運営する未来エネルギーシステムセンターも含まれている。NY-BESTは、商業利用を目的とした様々な形態のエネルギー貯蔵を試験、検証し、独立認証する。[ 137 ]
2017年9月27日、ミネソタ州選出のアル・フランケン上院議員とニューメキシコ州選出のマーティン・ハインリッヒ上院議員は、米国におけるエネルギー貯蔵を促進するために、10億ドル以上を研究、技術支援、助成金に充てる「グリッド貯蔵推進法（AGSA）」を提出した。[ 138 ]
VREの割合が高いグリッドモデルでは、過剰な蓄電コストがグリッド全体のコストを支配する傾向があります。たとえば、カリフォルニア州だけでも、VREの割合が80%の場合、9.6 TWhの蓄電が必要になりますが、100%の場合は36.3 TWhが必要になります。別の研究によると、米国の需要の80%をVREで賄うには、国全体をカバーするスマートグリッド、またはシステム全体に12時間供給できるバッテリー蓄電が必要で、どちらの場合もコストは2.5兆ドルと推定されています。[ 128 ] [ 129 ]
英国では、エネルギー貯蔵技術の研究開発の調整を支援するため、2014年5月に約14の産業界および政府機関が7つの英国の大学と提携してSUPERGENエネルギー貯蔵ハブを設立した。[ 139 ] [ 140 ]
{{cite web}}:欠落または空欄|title=(ヘルプ)紀元前100年、ヨーロッパのバルカン半島では、製粉所の動力源としてシンプルな水車が使われていた。その1000年前には、エジプトとメソポタミアで精巧な灌漑システムが構築されており、これらのシステムにはシンプルな水車が含まれていた可能性が非常に高い。 3世紀から4世紀にかけてのローマ帝国では、下を流れる小川で動く水車が一般的だった。西ローマ帝国の崩壊後、中東ではヨーロッパよりも水技術が進んだが、中世ヨーロッパでは、動力源として水を利用するために水車が一般的に使われていた。1086年のドゥームズデイ・ブックには、イングランド南部に5624の水力製粉所が記載されている。より効率的な水車の設計は十字軍によって中東からヨーロッパに持ち帰られ、穀物の粉砕や炉のふいごの動力源として使われた。
。出典：BloombergNEF、EIA、FERC。グラフ作成：Canary Media
{{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=（ヘルプ）学術誌および論文
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