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グリッドエネルギー貯蔵（大規模エネルギー貯蔵とも呼ばれる）は、電力網に接続され、エネルギーを貯蔵して後で使用するための技術群です。これらのシステムは、太陽光発電などの変動性の高い再生可能エネルギーや、原子力発電などの柔軟性の低い電源から発生する余剰電力を貯蔵し、必要に応じて放出することで、需給バランスの調整に役立ちます。さらに、停電後の電力網の復旧支援など、電力網にとって不可欠なサービスも提供します。
2023年現在グリッド蓄電の最大形態は揚水式水力発電であり、公益事業規模のバッテリーとメーター後方のバッテリーがそれに次ぐ。[ 1 ]リチウムイオン電池は、コストが低く、高充電状態での劣化に対する感度が低いため、短時間（8時間未満）の蓄電に適している。フロー電池と圧縮空気エネルギー貯蔵は、中時間の蓄電に利用できる。長時間の蓄電に適した蓄電形態は2つあり、電気分解によって生成されるグリーン水素と熱エネルギー貯蔵である。[ 2 ]
エネルギー貯蔵は、電力網の柔軟性を高めるための選択肢の一つです。もう一つの解決策は、例えばピーク時発電所のように、出力を迅速に変更できる調整可能な発電所を増やすことです。需要応答によって負荷を他の時間帯にシフトしたり、地域間の相互接続によって再生可能エネルギー生産の変動を相殺したりすることができます。[ 3 ]
蓄電技術の価格は、一般的に経験とともに低下します。たとえば、リチウムイオン電池は、世界全体の容量が倍増するごとに約20%安くなっています。[ 4 ]変動再生可能エネルギーが40%未満のシステムでは、短期の蓄電のみが必要です。80%になると中期の蓄電が不可欠になり、90%を超えると長期の蓄電も必要になります。長期の蓄電の経済性は課題が多く、需要応答などの代替的な柔軟性オプションの方が経済的かもしれません。
電力網は、電力生産と消費を一致させる必要があり、どちらも時間とともに大きく変動します。太陽光や風力から得られるエネルギーは、天候によって1秒未満から数週間以上まで、さまざまな時間スケールで変動します。原子力発電は化石燃料よりも柔軟性が低く、需要の変動に容易に対応できません。したがって、蓄電設備のない低炭素電力は、電力会社にとって特別な課題となります。[ 5 ]
電力貯蔵は、電力網における化石燃料の柔軟性を代替する3つの主要な方法の1つです。他のオプションは、消費者が電力を使用する時間や使用量を変更する需要側応答です。たとえば、家庭では夜間の電力使用を促すために、夜間料金が安くなる場合があります。産業および商業消費者も、供給に合わせて需要を変更することができます。ネットワークの相互接続の改善は、再生可能エネルギーの生産と需要の変動を平滑化します。ある場所で風が少ない場合、別の場所では生産が余剰になる可能性があります。送電線の拡張には通常長い時間がかかります。[ 6 ]
エネルギー貯蔵は電力網において多くの役割を担っており、そのためさまざまなサービスを提供できます。たとえば、電力価格が上昇するまで蓄電することで裁定取引が可能になり、電力網の安定性を高め、送電インフラへの投資を削減するのに役立ちます。[ 9 ]貯蔵によって提供されるサービスの種類は、誰がその技術を管理しているか、その技術が発電と並行して、ネットワーク内に、または消費側に設置されているかによって異なります。[ 8 ]
短期的な柔軟性を提供することは、エネルギー貯蔵の重要な役割です。発電側では、風力や太陽光の供給過剰で電気料金が低いときに、変動する再生可能エネルギーを貯蔵することで、その統合を支援できます。より一般的には、卸売市場における時間の経過に伴う電気料金の変動を利用して、電気料金が安いときに充電し、高いときに販売することができます。さらに、送電線の容量が不足しているグリッドの混雑にも役立ちます。消費者は、貯蔵を利用して、自家発電した電力（例えば屋上太陽光発電）をより多く使用することができます。[ 8 ] [ 7 ]
蓄電は、重要なグリッドサービスを提供するためにも使用できます。発電側では、蓄電は、例えば太陽光発電や風力発電の生産量の変動を平準化できます。停電後のブラックスタートを支援できます。ネットワーク側では、これには周波数調整（継続的）と周波数応答（供給または需要の予期せぬ変化後）が含まれます。消費側では、蓄電は不安定なグリッドで供給される電力の品質を向上させることができます。 [ 8 ] [ 10 ]
蓄電設備への投資により、送配電網への投資の一部が不要になるか、規模を縮小できる可能性があります。さらに、蓄電設備は、電力網内のピーク需要を満たすのに十分な容量を確保することができます。最後に、オフグリッドの家庭用システムやミニグリッドでは、蓄電設備は、これまで電力網に接続されていなかった地域へのエネルギー供給に役立ちます。 [ 8 ]
人工知能と機械学習の最近の進歩により、エネルギー貯蔵資産のリアルタイム最適化が可能になりました。強化学習アルゴリズムは、特に複雑で再生可能エネルギーの割合が高いシステムにおいて、裁定取引の最大化、劣化の管理、市場シグナルへの対応のために研究されています。[ 11 ]
電気は、コンデンサに短時間直接貯蔵でき、電池に電気化学的にやや長く貯蔵でき、化学的（水素など）、機械的（揚水発電など）、または熱としてさらに長く貯蔵できます。[ 12 ]最初の揚水発電は、19 世紀末にイタリア、オーストリア、スイスのアルプス周辺で建設されました。原子力発電は電力需要の変化に迅速に対応できないため、この技術は 1960 年代から 1980 年代の原子力ブーム中に急速に拡大しました。21 世紀には、天候に左右されることが多い持続可能なエネルギー源の台頭により、貯蔵への関心が急上昇しました。 [ 13 ]商用電池は 1 世紀以上前から利用可能です。[ 14 ]しかし、電力網での広くの使用はより最近のことであり、2013 年時点では 1 GW しか利用できませんでした。[ 15 ]
2024年現在、リチウムイオン電池は電力網用途で最も一般的に使用されている電池である。電気自動車（EV）へのバッテリーの応用に続いて、グリッドバッテリーはEVに比べてエネルギー密度が低く、コスト、頻繁な充放電能力、寿命に重点を置くことができる。このため、従来のリチウムイオン電池よりも安価で長寿命なリン酸鉄リチウム電池（LFP電池）への移行が進んでいる。 [ 17 ]
電池のコストは急速に低下しており、2010年から2023年にかけて90%減少した。[ 18 ] 2024年現在公益事業規模のシステムが追加容量の 3 分の 2 を占め、家庭用アプリケーション (メーターの後ろ) が 3 分の 1 を占めている。[ 19 ]リチウムイオン電池は、高充電状態に伴うコストと劣化のため、短時間 (8 時間未満) の蓄電に非常に適している。[ 20 ]
電気自動車の車両群は、総容量のバッテリーが大きく、グリッドエネルギー貯蔵に利用できる可能性があります。これは、車両が使用されていないときにエネルギーを蓄えるV2G（ Vehicle-to-Grid）の形をとるか、車両の寿命が尽きたときにバッテリーを再利用することによって実現できます。自動車用バッテリーの容量は通常33～100kWhです。 [ 22 ]比較のために、スペインの典型的な中流上層家庭では、1日に約18kWhを使用します。[ 23 ] 2030年までに、電気自動車のバッテリーは、世界中の短期的な貯蔵需要をすべて満たすことができる可能性があります。[ 24 ]
2024年現在世界中で 100 を超える V2G パイロット プロジェクトが実施されています。[ 25 ] V2G 充電がバッテリー寿命に与える影響は、プラスにもマイナスにもなり得ます。バッテリーの充放電サイクルが増えると劣化が早まる可能性がありますが、充電状態の管理が改善され、充電と放電が穏やかになるため、V2G はバッテリーの寿命を延ばす可能性があります。[ 25 ] [ 26 ]中古バッテリーは、容量が初期容量の約 80% から 60% に低下するまで、定置型グリッド ストレージに約 6 年間使用できる可能性があります。LFPバッテリーは、他のリチウムイオン バッテリーよりも劣化が少なく、材料の価値がそれほど高くないためリサイクルの魅力が低いため、再利用に特に適しています。[ 25 ]
レドックスフロー電池では、エネルギーは2つの別々のタンクに貯蔵された液体に蓄えられます。充電または放電時には、液体が電極のあるセルにポンプで送り込まれます。蓄えられるエネルギー量（タンクのサイズによって設定）は、出力（ポンプの速度によって設定）とは別に調整できます。[ 28 ]フロー電池は、4時間以上の充放電時間で初期費用が低く、耐久性が長い（数年）という利点があります。フロー電池は、エネルギー効率の面ではリチウムイオン電池に劣り、平均効率は60%から75%です。バナジウムレドックス電池は、最も商業的に進んでいるタイプのフロー電池であり、 2022年時点で約40社が製造しています。[ 29 ]
ナトリウムイオン電池は、リチウムイオン電池に比べて燃えにくく、より安価で重要度の低い材料を使用しているため、リチウムイオン電池の代替となる可能性がある。 [ 30 ]エネルギー密度は低く、寿命も短い可能性がある。リチウムイオン電池と同じ規模で生産すれば、20%から30%安くなる可能性がある。[ 28 ]鉄空気電池は、フロー電池よりもさらに長期間（数週間）の保管に適している可能性があるが、技術はまだ成熟していない。[ 31 ]
スーパーキャパシタによる蓄電は、短時間で大量の電力が必要な用途に適しています。そのため、電力網では主に短時間周波数調整に使用されます。[ 32 ]
余剰電力を貯蔵しやすい化学物質に変換できる、さまざまなパワー・トゥ・ガスおよびパワー・トゥ・フューエル技術が存在する。最も低コストで効率的なのは水素である。しかし、合成メタンは天然ガスと非常によく似ているため、既存のインフラや機器で利用しやすい。[ 33 ]
2024年現在水素をガスタービンで燃焼させる実証プラントが数多くあり、天然ガスとの混焼、または単独での燃焼が行われています。同様に、多くの石炭火力発電所では、石炭燃焼時にアンモニアを混焼することが可能であることが実証されています。2022年には、ガスタービンで純粋なアンモニアを燃焼させる小規模なパイロットも行われました。[ 34 ]既存のガスタービンの一部は水素の混焼が可能であり、これは、控えめに見積もっても、水素を燃焼できる容量が80 GWあることを意味します。[ 35 ]
水素は長期貯蔵媒体として使用できます。[ 36 ]グリーン水素は水の電気分解によって生成され、内燃機関または燃料電池で電気に変換され、往復効率は約41%です。[ 37 ]熱貯蔵と組み合わせることで、季節的なエネルギー貯蔵に最適であると期待されています。[ 38 ]
水素は、地上のタンクに貯蔵することも、地下に大量に貯蔵することもできます。地下貯蔵は塩の空洞で行うのが最も簡単ですが、適切な地質を持つ場所は限られています。[ 39 ]多孔質の岩石、例えば空のガス田や一部の帯水層に貯蔵すると、より大規模に水素を貯蔵できますが、このタイプの貯蔵にはいくつかの欠点があります。例えば、水素の一部が漏洩したり、反応して硫化水素（H₂S）やメタンを生成したりする可能性があります。[ 40 ]
水素は、ハーバー・ボッシュ法で窒素と反応させてアンモニアに変換できます。室温で気体であるアンモニアは、水素よりも製造コストが高いですが、水素よりも安価に貯蔵できます。タンク貯蔵は通常、大気圧の1～10倍の圧力で、 -30 °C (-22 °F)の温度で液体の状態で行われます。[ 41 ]アンモニアはエネルギーキャリアとしてだけでなく、さまざまな用途があります。多くの化学物質の製造の基礎であり、最も一般的な用途は肥料です。[ 42 ]発電に直接使用することも、まず水素に変換し直すこともできます。また、船舶の燃料としての可能性も秘めています。[ 43 ]
二酸化炭素と水素を結合させる化学反応であるサバティエ反応によって、水素をメタンにさらに変換することが可能です。石炭ガス化物から二酸化炭素をメタンに変換する反応は成熟していますが、二酸化炭素からメタンを生成するプロセスはそれほど成熟していません。一方向で約80%の効率を達成できます。つまり、水素のエネルギーの約20%が反応で失われます。[ 44 ]
フライホイールは機械エネルギーの形でエネルギーを蓄えます。数分間で高レベルの電力を供給するのに適しており、急速充電も可能です。寿命が長く、温度が大きく変化する環境でも使用できます。この技術は成熟していますが、バッテリーやスーパーキャパシタよりも高価で、頻繁には使用されていません。[ 45 ]
2023年現在揚水式水力発電（PSH）は、設置容量が181 GWで、世界最大のグリッドエネルギー貯蔵形態であり、公益事業規模とメーター後方のバッテリー貯蔵の合計容量である約88 GWを上回っている。[ 46 ]
PSHは、日々のエネルギー需要の変動を管理するのに特に効果的です。需要が低い時期には、水は高所の貯水池に汲み上げられ、需要がピークに達した際には、貯水された水が放出され、タービンを通して発電されます。[ 47 ]このシステムの効率は75%から85%で、需要の変化に迅速に対応でき、通常は数秒から数分以内に対応できます。[ 48 ]
従来のPSHシステムは特定の地理的条件を必要とするが、代替設計が提案されている。これには、深い塩の空洞を利用したり、海底に中空構造物を建設して海を上部貯水池として利用したりすることが含まれる。[ 47 ]しかし、PSHの建設は多くの場合、費用がかかり、時間がかかり、近隣のコミュニティに大きな環境的および社会的影響を与える可能性がある。[ 47 ]貯水池に浮体式ソーラーパネルを設置すると、PSHシステムの効率を高めることができる。これらのパネルは水の蒸発を減らし、水面による冷却の恩恵を受けるため、エネルギー生成効率も向上する。[ 49 ]
大規模な貯水池を持つ水力発電ダムは、需要のピーク時に最大発電量を提供するように運用することもできます。需要が低い時期には貯水池に水が貯められ、需要が高い時期に発電所から放流されます。技術的には電力は貯蔵されませんが、正味の効果は揚水発電と似ています。水力発電ダムは通常、専用の揚水発電システムよりも大きな貯水容量を提供します。これらのダムが変動する需要に対応できるように、アップグレードが必要になる場合があります。たとえば、送電線への追加投資が必要になる場合や、ダムからのピーク出力を増やすために追加のタービンを設置する必要がある場合があります。[ 50 ]
ダムは通常、複数の目的を持っています。エネルギー生成に加えて、洪水防御や生態系の保護、レクリエーション、灌漑用水の供給といった役割も果たします。そのため、ダムの運用を大きく変更することは必ずしも可能ではありませんが、柔軟性が低い場合でも、風力発電や太陽光発電の変化に対応する上で重要な役割を果たす可能性があります。[ 51 ]
重力を利用する代替方法としては、大きな固体塊を重力に逆らって上方に動かすことでエネルギーを蓄える方法がある。これは、古い鉱山坑道内[ 52 ]や、特別に建設された塔で、重い重り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方法で実現できる。[ 53 ] [ 54 ]
圧縮空気エネルギー貯蔵（CAES）は、空気を圧縮することで電気を貯蔵します。圧縮空気は通常、地下の大きな空洞に貯蔵されます。膨張した空気はタービンを駆動するために使用でき、エネルギーを再び電気に変換します。空気は膨張時に冷却されるため、凍結を防ぐためにこの段階でいくらかの熱を加える必要があります。これは低炭素源から供給することも、高度なCAESの場合は、空気を圧縮する際に放出される熱を再利用することによって供給することもできます。2023年現在中国では、先進的なCAESプロジェクトが3件稼働している。[ 55 ]先進的なCAESの典型的な効率は60%から80%の間である。[ 56 ]
もう一つの電力貯蔵方法は、空気を圧縮・冷却して液体空気に変え、必要に応じて貯蔵・膨張させてタービンを回転させ、発電するというものです。これは液体空気エネルギー貯蔵（LAES）と呼ばれています。[ 57 ]空気は液体にするために-196 ℃（-320.8 °F）まで冷却されます。圧縮空気と同様に、膨張段階には熱が必要です。LAESの場合、低品位の工業用熱を利用できます。[ 45 ] LAESのエネルギー効率は50%から70%の間です。2023年現在 LAESはプレコマーシャル段階からコマーシャル段階へと移行しつつある。[ 58 ]代替案としてはCO2の圧縮が挙げられる。2.電気を蓄えるため。 [ 59 ]
カルノー電池を使用すると、電気を直接熱的に貯蔵できます。カルノー電池は、熱貯蔵に電気を蓄え、熱力学サイクル（例えばタービン）を介して蓄えられた熱を電気に変換するタイプのエネルギー貯蔵システムです。揚水発電やバッテリー貯蔵よりも効率は劣りますが、このタイプのシステムは安価で、長期間の貯蔵が可能になると予想されています。[ 60 ] [ 61 ]揚水式熱電力貯蔵システムは、可逆ヒートポンプを使用して電気を熱に変換するカルノー電池です。 [ 62 ]通常、高温と低温の両方の貯蔵槽にエネルギーを蓄えます。適切な効率（>50%）を達成するには、2つの間の温度比が5倍に達する必要があります。[ 63 ]
熱エネルギー貯蔵は、集光型太陽熱発電（CSP）と組み合わせて使用されることもあります。CSPでは、太陽エネルギーはまず熱に変換され、その後直接電気に変換されるか、またはまず貯蔵されます。エネルギーは、日照がほとんどない、またはまったくないときに放出されます。[ 64 ]これは、CSPが調整可能な（柔軟な）発電形態として使用できることを意味します。CSPシステムのエネルギーは、たとえば溶融塩や砂などの固体媒体に貯蔵できます。 [ 65 ]
最後に、建物の暖房および冷房システムは、建物の質量または専用の蓄熱タンクに熱エネルギーを蓄えるように制御できます。この蓄熱により、オフピーク時に電力消費量を増加させ（蓄熱を充電）、高価格のピーク時に電力消費量を削減する（蓄熱を放電する）ことで、負荷シフトやさらに複雑な補助サービスを提供できます。[ 66 ]
均等化電力貯蔵コスト（LCOS）は、放電された電力1MWhあたりの電力貯蔵の生涯コストの尺度です。これには投資コストだけでなく、運用コストと充電コストも含まれます。 [ 68 ]これは、サブ秒スケールの周波数調整、分/時間スケールのピーク発電所、または日/週スケールの季節貯蔵など、貯蔵の種類と目的に大きく依存します。[ 69 ] [ 70 ] [ 71 ]
電力アプリケーション（例えば、補助サービスやブラックスタートなど）の場合、同様の指標として、1kWあたりの生涯コストを測定する年金化容量コスト（ACC）があります。ACCは、サイクル数が少ない場合（300未満）と放電時間が1時間未満の場合に最も低くなります。これは、技術が予備容量を提供している場合にのみ償還され、放電されている場合には償還されないためです。[ 72 ]
蓄電コストは、技術依存の経験曲線に従って低下しており、累積容量（または経験）が倍になるごとに価格が下がります。リチウムイオン電池の価格は急速に低下しており、電力会社が支払う価格は容量が倍になるごとに 19% 低下します。電気分解による水素製造も同様の学習率を示しますが、はるかに不確実です。バナジウムフロー電池は通常、容量が倍になるごとに 14% 安くなります。揚水発電では、経験の増加に伴って価格があまり下がっていません。[ 4 ]
蓄電に経済的価値をもたらすサービスは、電力品質（周波数調整など）、信頼性（ピーク需要に対応できること）、システム内の資産のより良い利用（送電投資の回避など）、および裁定取引（時間経過に伴う価格差の利用）の4つのカテゴリーに分類されます。2020年以前は、蓄電の価値の大部分は電力品質サービスの提供にありました。裁定取引は、蓄電アプリケーションにとって最大の経済的可能性を秘めたサービスです。[ 73 ]
変動型再生可能エネルギーの割合が 40% 未満のシステムでは、統合に必要なのは短期貯蔵 (4 時間未満) のみです。変動型再生可能エネルギーの割合が 80% に達すると、中期貯蔵 (4 ～ 16 時間、例えば圧縮空気) が必要になります。90% を超えると、大規模な長期貯蔵が必要になります。[ 75 ]長期貯蔵の経済性は、コストが高いため、それでもなお課題です。需要応答、ネットワーク拡張、柔軟な発電 (地熱発電または炭素回収・貯留付き化石ガス発電) などの代替的な柔軟性オプションの方が低コストになる可能性があります。[ 76 ]
再生可能エネルギーと同様に、蓄電も自身の収入を「食い潰す」ことになるが、その影響はさらに大きい。つまり、市場に蓄電設備が増えると、裁定取引を行う機会や、電力網に他のサービスを提供する機会が減る。 [ 77 ]市場の設計方法も収益の可能性に影響を与える。裁定取引による収入は年によって大きく変動するが、容量料金制の市場では変動が少ない傾向がある。[ 78 ]
電力貯蔵は100%効率的ではないため、販売できる電力よりも多くの電力を購入する必要があります。これは、価格の変動が小さい場合、充電と放電が経済的ではない可能性があることを意味します。たとえば、貯蔵アプリケーションの効率が75%の場合、電力の販売価格は、購入価格の少なくとも1.33倍（0.75の逆数）高くなければなりません。 [ 79 ]通常、電力価格は昼夜で最も大きく変動するため、最大8時間の貯蔵は比較的高い収益の可能性を秘めています。[ 80 ]
出典：ブルームバーグNEF、EIA、FERC。グラフ作成：Canary Media
リチウムイオン電池の価格は、世界の累積生産量が倍増するたびに19%下落した。