ハイブリッドパワー

ハイブリッド電力は、さまざまな技術を組み合わせて電力を生成します。

電力工学において、「ハイブリッド」という用語は、電力とエネルギー貯蔵システムを組み合わせたものを指します。^[1]

ハイブリッド発電に使用される発電装置の例としては、太陽光発電、風力タービン、風力水素システム、 ディーゼル発電機などの様々なタイプのエンジン発電機が挙げられます。 ^[2]

ハイブリッド発電所には、ディーゼル発電機、燃料電池、バッテリー貯蔵システムなどの第2の発電または貯蔵形式を介してバランスが取られた再生可能エネルギーコンポーネント（PVなど）が含まれることがよくあります。^[3]また、一部の用途では熱などの他の形式の電力を提供することもできます。^{[4] [5]}

ハイブリッドシステムは、その名の通り、2つ以上の発電モードを組み合わせたもので、通常は太陽光発電（PV）や風力タービンなどの再生可能技術を使用します。ハイブリッドシステムは、発電方法を組み合わせることで高いレベルのエネルギーセキュリティを提供し、多くの場合、最大の供給信頼性とセキュリティを確保するために、ストレージシステム（バッテリー、燃料電池）または小型の化石燃料発電機を組み込んでいます。^[6]

再生可能エネルギー技術の進歩とそれに伴う石油製品の価格上昇により、ハイブリッド再生可能エネルギーシステムは、遠隔地に電力を供給するための独立型電力システムとして普及しつつあります。ハイブリッドエネルギーシステム、またはハイブリッド電力は通常、システム効率の向上とエネルギー供給のバランスの向上を実現するために、2つ以上の再生可能エネルギー源を組み合わせて使用​​されます。^[5]

通常、水上太陽光発電は、両方を一緒に建設するのではなく、既存の水力発電に追加されます。

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  典型的な風力と太陽光のハイブリッドシステム
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  クロアチア、ジリェのハイブリッド
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  小型風力・太陽光ハイブリッドシステム

ハイブリッドエネルギーシステムのもう一つの例は、太陽光発電システムと風力タービンを組み合わせたものです。^[7]これにより、冬には風力タービンからより多くの出力が生み出され、夏にはソーラーパネルがピーク出力を生み出します。ハイブリッドエネルギーシステムは、風力、太陽光、地熱、または三世代発電の単独のシステムよりも経済的および環境的に大きな利益をもたらすことがよくあります。 ^[8]

風力発電と太陽光発電の併用は、多くの場所で、資源の相関性が逆であるため、よりスムーズでクリーンな電力出力をもたらします。したがって、風力発電と太陽光発電の併用は、大規模な送電網統合にとって非常に重要です。^[9]

2019年、ミネソタ州西部に500万ドルのハイブリッドシステムが設置されました。2MWの風力タービンのインバーターを介して500kWの太陽光発電を実行し、容量係数を高め、年間15万ドルのコストを削減します。購入契約により、地元の販売業者は最大5％の自家発電に制限されています。^{[10] [11]}

中国広州の珠江タワーは、窓にソーラーパネルを設置し、建物の異なる階に複数の風力タービンを設置することで、エネルギー効率を高めています。^[要出典]

中国とインドのいくつかの地域では、上部にソーラーパネルと風力タービンを組み合わせた照明塔があります。これにより、照明に使用されているスペースを、2 つの補完的なエネルギー生産ユニットでより効率的に使用できます。最も一般的なモデルは水平軸風力タービンを使用していますが、現在では、らせん状のねじれたサボニウスシステムを使用した垂直軸風力タービンのモデルが登場しています。^{[引用が必要]}

既存の風力タービンにソーラーパネルを取り付けるテストが行​​われたが、眩しい光線を発し、飛行機に危険を及ぼした。解決策は、光をあまり反射しない着色ソーラーパネルを製造することだった。別の提案された設計は、あらゆる角度から太陽光を吸収できる太陽電池でコーティングされた垂直軸風力タービンを持つことだった。 ^[12]

その他の太陽光ハイブリッドには、太陽風力システムがあります。風力と太陽光の組み合わせには、各システムのピーク稼働時間が日中や年間の異なる時間に発生するため、2つのエネルギー源が互いに補完し合うという利点があります。このようなハイブリッドシステムの発電量は、2つのコンポーネントサブシステムのそれぞれよりも一定で変動が少なくなります。^[13]

風力発電システムは、風力タービンと揚水発電を組み合わせて電力を生成する。この組み合わせは長年議論されてきたテーマであり、 1970年代後半にはノバスコシアパワーがレックコーブ水力発電所に風力タービンもテストする実験プラントを建設したが、10年以内に廃止された。それ以来、2010年末現在、他のシステムは1か所にも導入されていない。^[14]

風力発電所は、その風力資源のすべてまたは大部分を揚水式貯水池に水を汲み上げることに費やしています。これらの貯水池は、グリッドエネルギー貯蔵の実装です。

風力とその発電能力は本質的に変動性があります。しかし、このエネルギー源を利用して高所の貯水池に水を汲み上げると（揚水発電の原理）、水の位置エネルギーは比較的安定しており、必要に応じて水力発電所に放出することで発電することができます。[15]この組み合わせは、大規模な送電網に接続されていない島に特に適していると言われています。^{[ 14]}

1980年代には、オランダで施設の建設が提案された。^[16]アイセル湖を貯水池として利用し、その堤防に風力タービンを設置する予定だった。^[17]ラメア島（ニューファンドランド・ラブラドール州）とローワー・ブルル・インディアン居留地（サウスダコタ州）での施設建設の可能性調査が行われた。^{[18] [19]}

ギリシャのイカリア島での施設は2010年に建設段階に入った。^[14]

エル・イエロ島には、世界初の風力水力発電所が完成する予定である。^[20] カレントTVはこれを「地球上の持続可能な未来の青写真」と呼んだ。島の電力の80～100%を賄うように設計されており、2012年に稼働する予定だった。^[21]しかし、これらの期待は実際には実現しなかった。おそらく、貯水池の容量が不十分で、送電網の安定性に問題が続いたためだ。^[22]

100％再生可能エネルギーシステムには、風力発電や太陽光発電の過剰容量が必要である。^[23]

太陽光発電は日中に安価な断続的な電力を生成しますが、24時間電力を供給するには持続可能な発電源のサポートが必要です。蓄熱機能を備えた太陽熱発電所は、 24時間電力を供給するクリーンで持続可能な発電です。 ^{[24] [25]}太陽熱発電所は負荷需要に完全に対応でき、抽出された太陽エネルギーが1日で過剰になった場合はベースロード発電所として機能します。^[26]太陽熱（蓄熱タイプ）と太陽光発電を適切に組み合わせると、高価なバッテリーストレージを必要とせずに負荷変動に完全に対応できます。^{[27] [28]}

日中、太陽熱貯蔵発電所の追加の補助電力消費は、太陽エネルギーを熱エネルギーの形で抽出するプロセスで、定格容量のほぼ10％になります。^[26]この補助電力要件は、1つのサイトで太陽熱発電所と太陽光発電所を組み合わせたハイブリッド太陽光発電所を想定することで、より安価な太陽光発電所から利用できるようになります。また、電力コストを最適化するために、日中はより安価な太陽光発電所（発電量の33％）で発電し、残りの時間は太陽熱貯蔵プラント（太陽光発電タワーとパラボリックトラフ型で67％）で発電して、24時間のベース負荷運転に対応できます。^[29]モンスーンシーズンの曇りの日など、局所的に日照不足で太陽熱貯蔵プラントが停止を余儀なくされた場合、（効率は低いが大​​容量で低コストのバッテリー貯蔵システムと同様に）太陽光発電、風力発電、水力発電所からの安価な余剰電力や弱電を、電力販売価格が利益になる需要ピーク時に高温溶融塩を加熱して蓄熱エネルギーを電気に変換することで消費することも可能です。^{[30] [31]}

太陽光発電は出力が変動するため、バッテリーストレージでそれを補うことができます。しかし、1日を通して、また多くの場所で季節によって、発電量に大きな変動があります。バッテリーは、電力を負荷に合わせるのに役立ちます。ハイブリッドソーラーインバーターは、さらに、安価な料金で引き出された低コストの電気を貯蔵することもできます。^[32]

2024年には、米国には288の太陽光発電+バッテリー発電所があり、その蓄電容量は7.8GWの電力と24.2GWhのエネルギーとなる。^[33]

風力エネルギーを貯蔵する方法の 1 つは、水の電気分解による水素の生成です。この水素は、風力だけでは需要に応えられない期間に発電するために使用されます。貯蔵された水素のエネルギーは、燃料電池技術または発電機に接続された燃焼エンジンによって電力に変換できます。

水素をうまく貯蔵するには、電力システムに使用される材料の 脆化など、克服しなければならない多くの問題があります。

この技術は多くの国で開発されています。2007年には、オーストラリアとイギリスの両国でこの技術を商業化することを目指したWind Hydrogenというオーストラリアの企業がIPOを行いました。 ^[34] 2008年に同社は社名を変更し、化石燃料の探査に事業を転換しました。^[35]

2007 年の技術テスト サイトには次のものが含まれます。

風力ディーゼルハイブリッド発電システムは、ディーゼル発電機と風力タービンを組み合わせ、^[45]通常はエネルギー貯蔵、電力変換器、およびさまざまな制御コンポーネントなどの補助機器とともに電気を生成します。これらは、電力網に接続されていない遠隔地のコミュニティや施設での発電能力を高め、コストと環境への影響を削減するように設計されています。 [ ^45]風力ディーゼルハイブリッドシステムは、汚染を引き起こし、輸送コストがかかるディーゼル燃料への依存を減らします。^[45]

風力ディーゼル発電システムは、20 世紀後半に多くの場所で開発され、試験されました。信頼性が向上し、遠隔地のコミュニティで技術サポート コストが最小限に抑えられた、実行可能なサイトがますます多く開発されています。^{[引用が必要]}

風力エネルギーとディーゼル発電セットの統合を成功させるには、通常は変動する負荷の需要を満たすために、断続的な風力エネルギーと制御可能なディーゼル発電を適切に共有するための複雑な制御が必要です。風力ディーゼルシステムの一般的なパフォーマンスの尺度は、風力発電と総供給電力の比率である風力浸透率です。たとえば、風力浸透率が 60% であれば、システム電力の 60% が風から供給されていることを意味します。風力浸透率の数値は、ピーク時または長期のいずれかです。南極のモーソン基地やオーストラリアのコーラルベイとブレマーベイなどのサイトでは、ピーク時の風力浸透率が約 90% です。変動する風力出力に対する技術的な解決策には、可変速風力タービンを使用した風力出力の制御 (例:エネルコン、西オーストラリア州デンハム)、暖房負荷などの需要の制御 (例: モーソン)、フライホイールへのエネルギーの貯蔵(例: パワーコープ、コーラルベイ) などがあります。現在、カナダのラメアのように2010 年に完成予定の風力水素システムへの転換が進められている施設もあります。^[要出典]

最近、^{[いつ? ]}カナダ北部で鉱業によって風力ディーゼルハイブリッド発電システムが構築されました。カナダのノースウェスト準州のラック・ド・グラスとヌナビクのアンガヴァ半島のカティニクの遠隔地では、2つのシステムが鉱山での燃料節約に使用されています。アルゼンチンにも別のシステムがあります。^[46]

風力と太陽光発電は変動性のある再生可能エネルギー源であり、ベースロードエネルギーほど安定していません。複合サイクル水素発電所は、再生可能エネルギーが過剰に生産されたときに電気分解で余剰エネルギーを捕捉し、生産量が不足しているときにそのギャップを埋めることで再生可能エネルギーを支援することができます。^[47]

圧縮空気エネルギー貯蔵（CAES）を使用する発電所では、電気エネルギーを使用して空気を圧縮し、洞窟や廃鉱山などの地下施設に貯蔵します。電力需要が増加する後半の期間中、空気はタービンに動力を与えるために放出され、通常は補助的な天然ガスが使用されます。^[48] CAESを多用する発電所は、アラバマ州マッキントッシュ、ドイツ、日本で稼働しています。^[49]システムの欠点は、CAESプロセスでいくらかのエネルギー損失があることです。また、天然ガスなどの化石燃料を補助的に使用する必要があるため、これらのシステムでは再生可能エネルギーを完全には使用していません。^[50]

アイオワ・ストアード・エネルギー・パークは2015年に商業運転を開始する予定で、 CAESと連携してアイオワ州の風力発電所をエネルギー源として利用します。 ^[51]

太陽光と地熱を組み合わせることも可能である。^[52]

一般的なタイプは、太陽光発電（PV）とディーゼル発電機（ディーゼル発電機セット） を組み合わせた太陽光発電ディーゼルハイブリッドシステムです。 ^{[53] [54]これは、PVに限界費用がほとんどかからず、}グリッド上で優先的に扱われるためです。ディーゼル発電機セットは、現在の負荷とPVシステムによって実際に発電された電力との間のギャップを常に埋めるために使用されます。^[55]

太陽エネルギーは変動しており、ディーゼル発電機の発電能力は一定の範囲に限られているため、ハイブリッドシステム全体の発電に対する太陽エネルギーの貢献を最適化するために、バッテリーストレージを組み込むことが実行可能な選択肢となることが多い。 ^{[55] [56]}

太陽光や風力エネルギーによるディーゼル燃料削減の最良のビジネスケースは、通常、遠隔地で見つかる。なぜなら、これらの場所は電力網に接続されていないことが多く、ディーゼル燃料の長距離輸送には費用がかかるからである。^{[57]これらのアプリケーションの多くは、}鉱業部門^[58]や島嶼部^{[55] [59] [60]}で見つかる。

2015年に7カ国で実施されたケーススタディでは、すべてのケースでミニグリッドと独立グリッドをハイブリッド化することで発電コストを削減できるという結論が出ている。しかし、ディーゼル発電グリッドと太陽光発電の資金調達コストは重要であり、発電所の所有構造に大きく依存する。国営電力会社にとってはコスト削減が大きくなる可能性があるが、この研究では、調査時点での過去のコストを考慮すると、非公営電力会社（独立発電事業者など）にとっては短期的な経済的利益はわずかか、マイナスになる可能性もあることが明らかになった。^{[61] [62]}

風力と太陽光に加えて波力も可能かもしれない。^[63]

• 独立電源システム
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• 太陽光発電熱ハイブリッドソーラーコレクター

• ハミルトン・スペクテイター - 燃料電池技術を風力タービン構造に統合し、極低温圧縮水素と酸素を生成して現場で貯蔵し、風がないときに電力を生成するために使用する
• 国際水素エネルギー協会 2013年8月27日アーカイブウェイバックマシン
• 欧州水素協会
• RES2H2 2014年1月4日アーカイブWayback Machine
• NREL 風力水素
• THEnergyプラットフォーム「再生可能エネルギーと鉱業」
• システムスケッチ付き統合ハイブリッド再生可能エネルギーシステムのデモンストレーション