重力バッテリー

重力電池は、重力エネルギー、つまり質量mの物体を地球の重力( g、9.8 m/s²) に逆らって高度差hまで持ち上げたときにその物体に与えられる位置エネルギーE を蓄えるエネルギー貯蔵装置の一種です。

一般的な用途では、風力や太陽光などの再生可能エネルギー源がすぐに必要とされる以上のエネルギーを提供する場合、余剰エネルギーは重力に逆らって質量を上方に動かすために使用され、重力による位置エネルギーを生成します。顧客が最終的にエネルギー源が提供できる以上のエネルギーを必要とする場合、質量は下げられ、発電機を使用して位置エネルギーを電気に変換します。コンクリートブロックなどの固体の塊を使用することもできますが、より一般的な揚水式水力発電では、水をより高い標高まで汲み上げ、その後水車に導いて発電します。^[1]

古くて単純な応用例としては、重りで動く振り子時計があります。1 kg で 1 m 移動すると、約 10 ニュートンメートル [Nm]、ジュール [J]、ワット秒 [Ws] を蓄えることができ、これは 1 ワット時 [Wh] の 1/3600 に相当します。一方、一般的なリチウムイオン電池18650 セル^[2]は約 7 Wh を蓄えることができ、これは 1/20 の重さで 2500 倍の容量になります。この小さな電池セルに合わせるには、体重 100 kg の人間が 10 階建て (25 m) の階段を登らなければなりません。体重 10 トンのキングコングが250 m のビルを登って落ちた場合の容量は、7 kWh の重力電池、つまり小型電動バイクのバッテリー、または最初のシリーズのTesla Powerwall家庭用蓄電池と同等の大きさになります。

スクラップ鉄でできたバス大の重り^[3]、700トンを深さ1000メートルの坑道に降ろすと、1900kWhの電力が得られるが、スクラップ鉄1トンあたり100ドル以上^[4]するため、コストは70000ドルとなり、2023年には1kWhあたり139ドルで500kWh以上のリチウムイオン電池パックを購入できることになる。^{[5] [疑わしい–議論する]}

重力加速度が約9.8 m/s²で、高低差が山や海の海底程度しかない地球上で化学電池に挑戦するには、少なくとも2つの湖の水を使って揚水発電を行い、質量だけを拡大縮小する必要がある。例えば、 1979年から稼働しているドイツのマーカースバッハ発電所では、高低差（水頭）が288 m（945フィート）ある600万m3（質量600万トン）以上の容量を持つ2つの貯水池を使用して、最大4ギガワット時（GWh）のエネルギーを貯蔵できる。タービンは数時間にわたって最大1045 MWで揚水（発電）でき、通常は24時間以内に2回の完全な揚水発電サイクルを実行できる。2024年6月現在、ドイツでは揚水発電の総エネルギーは39 GWh ^{[6] 、}蓄電池は14 GWhを超え、設置電力^[7]はそれぞれ10 GW弱である。ドイツの140万台の電気自動車の容量は、2024年6月時点で約102GWhと推定されています^[8]。そのうち住宅や電力網にエネルギーを供給できるのはほんのわずかです。

重力を利用して機械を動かす最も初期の装置は、1656年にクリスティアーン・ホイヘンスが発明した振り子時計です。この時計は、振り子を前後に動かす脱進機の機構を使用して重力の力で動かされていました。それ以来、重力電池は、重力による力を利用して電気に変換し、大規模なエネルギー貯蔵を可能にするシステムへと進化しました。

最初の重力式揚水発電（PSH）システムは、1907年にスイスで開発されました。1930年に、コネチカット電力会社によって揚水発電が米国に導入されました。2019年現在、世界のPSHの総容量は168GW（ギガワット）です。^[9]米国のPSH容量は23GWで、米国のエネルギー供給システムの約2％、ユーティリティ規模のエネルギー貯蔵の95％を占めています。重力式揚水発電は現在、世界最大のグリッドエネルギー貯蔵形式です。^{[10] [11] [12] [13]}

2012年、マーティン・リディフォードとジム・リーブスは、現在一部の国で市販されている小規模重力電池であるGravityLightの最初の実用的なプロトタイプを開発しました。 ^[14]

2017年に設立されたスイスの企業であるEnergy Vaultは、コンクリートブロックを上げ下げするクレーンを使用して電力を貯蔵しています。^{[15] [16] [17] 2020年後半、}アルベド・カスティオーネに構築されたプロトタイプは、高さ110メートルのタワーで6台のクレーンを使用して、80メガワット時の容量を持つ35トンのコンクリートブロックを移動しました。^{[18] [19]}

2011年にピーター・フランケルによって設立されたグラビトリシティは、スコットランドのエディンバラ近郊に高さ15メートル、250キロワットの重力電池のプロトタイプを建設し、2021年4月に試験運用と送電網接続を開始しました。^{[20] [21] [22]}

重力電池はさまざまな設計や構造がありますが、すべての重力電池はエネルギーを生成するために同じ物理的特性を利用しています。重力位置エネルギーは、物体を地球の重力と反対方向に動かすために必要な仕事であり、次の式で表されます。

${\displaystyle U=mgh}$

ここで、は重力による位置エネルギー、は物体の質量、は重力加速度（地球上では9.8 m/s ²）、は物体の高さです。仕事エネルギー原理を用いると、生成されるエネルギーの総量は次の式で表すことができます。 ${\displaystyle U}$${\displaystyle m}$${\displaystyle g}$${\displaystyle h}$

${\displaystyle \Delta E=mg(h_{1}-h_{2})}$

ここで、 は生成されるエネルギーの総量であり、は物体の初期の高さと最終の高さを表します。エネルギーの変化は、質量の垂直方向の変位と直接相関します。つまり、質量が高く持ち上げられるほど、より多くの重力位置エネルギーが蓄えられます。エネルギーの変化は、物体の質量とも直接相関します。つまり、質量が重いほど、エネルギーの変化が大きくなります。 ${\displaystyle E}$${\displaystyle h_{1}}$${\displaystyle h_{2}}$

重力バッテリーでは、質量が移動、つまり持ち上げられて、重力位置エネルギーが生成され、これが電気に変換されます。重力バッテリーは、ポンプ、クレーン、またはモーターを使用して質量を特定の高さまで持ち上げることで、重力位置エネルギーを蓄えます。質量が持ち上げられた後、物体の質量と持ち上げられた高さに基づいて、特定の重力位置エネルギーが蓄えられます。蓄えられた重力位置エネルギーは、次に電気に変換されます。質量が下げられて元の高さに戻ると、発電機が回転して電気が生成されます。

揚水式水力発電（PSH）は、最も広く利用され、最も容量が大きいグリッドエネルギー貯蔵方式です。PSHでは、水は低い貯水池から高い貯水池に汲み上げられ、その後タービンを通して放出され、エネルギーを生成します。代替PSH提案では、独自の高密度液体2を使用します。+密度は水の1⁄2倍であるため、必要な落差（標高）が小さくなり、必要なインフラの規模とコストが削減されます。 ^{[23] [24]}

鉄道によるエネルギー貯蔵は、余剰の再生可能エネルギーを使用して、エネルギー需要が低いときに重い列車の車両を上り坂で走行させるという概念です。位置エネルギーは、車両が下り坂を転がるときに回生ブレーキを使用して後で放出され、重力バッテリーとして機能します。^[25]ネバダ州パランプバレーのゲームバードピット砂利鉱山にあるGravityLineと呼ばれるユーティリティスケール（50MW）施設は、Advanced Rail Energy Storageによって2020年10月に建設を開始し、フル稼働で最大15分間のサービスを提供する予定です。^[26]

Lift Renewable Energy は、重力バッテリーの一種を使用します。エネルギーを蓄えるために、浮力のあるガス容器をウインチで水中に引き下げ、水を数百メートル持ち上げます。次にサイクルを逆にして、ガス容器が上昇するにつれて電気が生成されます。必要なインフラストラクチャは比較的少なく、バッテリーは主要な人口密集地の近くに設置でき、往復効率は 85% 以上で、システムは GWh 規模で構築できます。^{[引用が必要]}

リフトウェイトストレージ（LWS）技術は、余剰エネルギーを使用して、通常は滑車システム上で固体の重りを機械的に垂直に持ち上げます。余分なエネルギーが必要な場合は、重りを下げて滑車が発電機を回転させます。^[27]

EnergyVaultは、 32トンのコンクリートブロックを積み上げ、120メートルのクレーンで構築されたタワーを使用したLWSシステムを設計しています。1つの商用ユニットは20MWhのエネルギーを貯蔵することが期待されており、これはスイスの2,000世帯に1日あたり電力を供給するのに十分な量です。^[16]

地下シャフトに設置されたグラビトリシティ社のLWSシステムは、電動ウインチを使用して500～5000トンの重量物を持ち上げ、それを降ろすとウインチのモーターが発電機として回転します。このシステムは10MWhの電力を生成し、13,000世帯に2時間電力を供給できます。また、重量物を素早く落下させて少量の電力を供給することも可能です。^{[28] [29]}

グラビティライトは、重力を利用して作動する小型のライトです。石や砂の入った袋を手で持ち上げ、その後、落下させてエネルギーを生成します。電気を利用できず、通常は高価で危険で汚染物質を排出する灯油ランプに頼っている人々のための代替手段として設計されています。^{[14] [30] [31]}

重力バッテリーのコストは設計によって異なります。

揚水発電の運転コストは1MWhあたり165ドルで、平準化貯蔵コスト（LCOS）は1kWhあたり0.17ドルです。^{[32] [33]} PSHシステムのポンプとタービンは最大90％の効率で稼働します。^[34]

グラビトリシティの250kWのデモンストレーターは125万ドルになると予想されており、50年の寿命と80～90％の効率を約束している。^[要出典] 2018年に行われた提案の比較レビューでは、寿命の延長と電力対エネルギーコスト比を考慮して好意的な評価が下された。^[35]

重力電池は、ピーク時に余剰エネルギーを蓄え、必要に応じて後で分配することができるため、太陽光や風力発電の実現可能性が高まります。^{[27] [36]}

重力電池は、太陽光や風力などのエネルギー源が頻繁に変動し、需要と必ずしも一致しない再生可能エネルギーソリューションと組み合わせて使用​​されるように設計されています。化学電池よりも長期的にコストが低く、揚水式貯水などの他の従来の蓄電ソリューションよりも環境問題が少ないことが期待されています。重力電池システムは、ピーク消費時に迅速に電力を供給できるため、化石燃料のピーク発電所を補完または置き換えることができると予想されています。単一重量システムは、1秒未満でフル発電を達成できると予想されています。^[20]

低炭素の長期エネルギー貯蔵方法の中で、揚水発電は現在最もエネルギーコストが低いが、将来的にはリチウムイオン電池がそれを上回ると予想されている。^{[37] : 38}揚水発電やその他の長期貯蔵方法は、バッテリー技術に比べて環境リスクやセキュリティリスクが低いと考えられており、唯一の制限要因は地質である。^{[37] : 45–47}

1870年から1930年にかけて、^[38]「重力電池」という用語は、重力を利用して化学成分をそれぞれの密度に基づいて分離する一般的な電池の種類を表すために使用されていました。^[39]

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