揚水発電

揚水発電( PSH ) または揚水エネルギー貯蔵( PHES ) は、電力システムが負荷分散のために使用する水力 エネルギー貯蔵の一種です。PSH システムは、低い標高の貯水池から高い標高の貯水池に汲み上げた水の重力位置エネルギーの形でエネルギーを貯蔵します。ポンプを稼働させるには、通常、低コストのオフピーク時の余剰電力を使用します。電力需要が高い期間には、貯蔵された水がタービンを通して放出され、電力を生成します。

揚水発電は、断続的なエネルギー源（太陽光、風力、その他の再生可能エネルギーなど）や継続的なベースロード電源（石炭や原子力など）からの余剰電力を、需要が高まる時期に備えて保存することを可能にする。^{[1] [2]} 揚水発電で使用される貯水池は、同様の発電能力を持つ従来の水力発電所の湖と比較するとかなり小さく、発電期間は半日未満であることが多い。

PSH の往復効率は70% から 80% の範囲です。揚水プロセスの損失により、この発電所は全体としてエネルギーの純消費者となりますが、このシステムでは、電気料金が最も高くなるピーク需要期間により多くの電力を販売することで収益が増加します。上部の湖に大量の雨が降ったり、川から水が供給されたりする場合、この発電所は従来の水力発電所のように純エネルギー生産者となる可能性があります。

揚水発電は、現在利用可能なグリッドエネルギー貯蔵形式の中では圧倒的に最大容量であり、2020年時点では^{[アップデート]}世界中の稼働中の貯蔵設備の約95％を占め、総設置スループット容量は181GWを超え 、 2020年時点での総設置貯蔵容量は1.6TWhを超えています 。 [ ^3]

揚水発電は、一般的に高さの異なる 2 つの貯水池で構成され、互いに接続されています。電力需要が低いときは、余剰発電能力を使用して上部の貯水池に水を汲み上げます。需要が高まると、水はタービンを介して下部の貯水池に戻され、発電します。揚水発電所では通常、ポンプとしてもタービン発電機としても機能できる可逆的なタービン/発電機アセンブリが使用されます (通常はフランシス水車設計)。^[4] 可変速運転により、揚水発電所の往復効率がさらに最適化されます。^{[5] [6]マイクロ PSH アプリケーションでは、ポンプと}タービンとしてのポンプ(PAT) のグループを、それぞれ揚水フェーズと発電フェーズに実装できます。^[7] 回転方向と速度を変更することで、同じポンプを両方のモードで使用できます。^[7]揚水時の動作ポイントは通常、PAT モードの動作ポイントとは異なります。

閉ループ システムでは、純粋な揚水発電所は、自然の流入がない上部貯水池に水を貯蔵しますが、ポンプバック発電所は、揚水発電所と従来の水力発電所を組み合わせて使用​​し、上部貯水池は小川や川からの自然の流入によって部分的に補充されます。揚水発電所を使用しない発電所は従来の水力発電所と呼ばれます。十分な貯水容量を持つ従来の水力発電所は、適切な装備があれば、電力網で揚水発電所と同様の役割を果たすことができます。

変換損失と露出した水面からの蒸発損失を考慮すると、70～80％以上のエネルギー回収が可能です。 ^{[8] [9] [10] [11] [12]}この技術は現在、大量の電気エネルギーを貯蔵する最も費用対効果の高い手段ですが、資本コストと適切な地理条件の必要性は、揚水発電所の設置場所を選択する上で重要な決定要因です。

揚水式貯水システムのエネルギー密度は比較的低いため、大きな流量と貯水池間の高低差のいずれかまたは両方が必要になります。大量のエネルギーを貯水する唯一の方法は、2 番目の水域の比較的近く、できるだけ高い位置に大きな水域を設置することです。場所によってはこれが自然に発生しますが、他の場所では 1 つまたは両方の水域が人工です。両方の貯水池が人工で、どちらの貯水池にも自然の流入がないプロジェクトは、「閉ループ」システムと呼ばれます。^[13]

これらのシステムは、電力網の負荷変動を平準化し、ベースロード電力を供給する石炭火力発電所や原子力発電所などの火力発電所がピーク効率で運転し続けることを可能にする一方で、多くのベースロード火力発電所と同じ燃料、ガスや石油を使用するが、最大効率ではなく柔軟性のために設計されている「ピーク」発電所の必要性を減らすため、経済的である可能性がある。したがって、揚水貯蔵システムは、異種発電機の大規模なグループを調整する場合に不可欠である。揚水貯蔵プラントの資本コストは比較的高いが、実証済みの数十年、場合によっては1世紀を超える長い耐用年数によっていくらか軽減され、^{[14] [15]}これは、ユーティリティ規模のバッテリーの3〜5倍の長さである。電気料金がマイナスになると、揚水発電事業者は、マイナスのスポット価格で上部貯水池に水を汲み上げるために電気を「購入」したときと、価格が高騰した後で電気を販売したときの2倍の利益を得る可能性がある。

揚水発電システムは、エネルギー管理とともに、電力網の周波数を安定させ、予備発電を提供します。火力発電所は、周波数と電圧の不安定性を引き起こす可能性のある電力需要の急激な変化に対応する能力がはるかに低いです。揚水発電プラントは、他の水力発電所と同様に、数秒以内に負荷の変化に対応できます。

揚水発電の最も重要な用途は、従来ベースロード発電所のバランスをとることであったが、断続的なエネルギー源の変動する出力を緩和するためにも使用される可能性がある。揚水発電は、電力出力が高く電力需要が低いときに負荷を提供し、システムのピーク容量を追加できるようにする。一部の管轄区域では、利用可能な発電量がそれを吸収できる負荷量を上回る場合、電気料金がゼロに近づいたり、時にはマイナスになったりすることがある。現時点では、これが風力や太陽光発電のみによるものであることはめったにないが、そのような発電の使用が増えると、そのような事態が発生する可能性が高まる。^[要出典]

特に揚水発電は、非常に大規模な太陽光発電と風力発電のバランスをとるために特に重要になる可能性が高い。 ^[16]長距離送電容量の増加と大量のエネルギー貯蔵を組み合わせることは、間欠的な再生可能電源の大規模導入を規制する上で重要な部分となる。^{[17]一部の地域では、}非安定的な再生可能電力の普及率 が高く、年間発電量の40％を供給しているが、追加の貯蔵が必要になる前に60％に達する可能性がある。^{[18] [19] [20]}

小規模の揚水発電所では、大規模の発電所と同等の規模の経済性は得られないが、ドイツで最近行われた13MWのプロジェクトなど、いくつかの発電所は存在する。シェル・エナジーはワシントン州で5MWのプロジェクトを提案している。建物内に小規模の揚水発電所を建設する提案もあるが、まだ経済的ではない。^[21]また、大規模な貯水池を都市景観の中に組み込むのは困難である（また、水位が​​変動するため、レクリエーション用途には不向きかもしれない）。^{[21]それでも、技術的な単純さと水供給の安全性は重要な}外部性であると主張する著者もいる。^[21]

PSH の主な要件は丘陵地帯です。世界グリーンフィールド揚水発電アトラス^[22]には、世界中で 80 万以上の潜在的サイトがリストされており、合計 8,600 万 GWh の貯蔵量 (約 2 兆個の電気自動車バッテリーの有効貯蔵量に相当) があり、これは 100% 再生可能電力を支えるために必要な量の約 100 倍です。ほとんどは、河川から離れた閉ループ システムです。潜在的サイトの数が非常に多いため、自然が美しい地域や河川沿いの新しいダムは避けることができます。一部のプロジェクトでは、オーストラリアで建設中の 350 ギガワット時の Snowy 2.0 スキーム^[23]のように、既存の貯水池 (「ブルーフィールド」と呼ばれます) を活用しています。最近提案されたプロジェクトの中には、オーストラリアで建設中の Kidston プロジェクト^[24]のように、廃鉱山などの「ブラウンフィールド」の場所を利用することを提案しているものもあります。^[25]

揚水発電に必要な水は少なく、^[26]貯水量1ギガワット時あたり初期充填水量約1ギガリットルです。この水は、何十年にもわたって2つの貯水池の間を上り下りして循環しますが、蒸発による損失（降雨量や地元の水路からの流入量を超える）を補う必要があります。必要な土地も少なく、貯水量1ギガワット時あたり約10ヘクタールです。^[26]これは、貯水がサポートする可能性のある太陽光発電所や風力発電所が占める土地よりもはるかに小さいです。閉ループ（オフリバー）揚水発電は、大規模エネルギー貯蔵の候補の中で、貯蔵単位あたりの炭素排出量が最も少ないです^[27]。

揚水発電所は海水でも稼働できるが、淡水に比べて塩水腐食やフジツボの繁殖などさらなる課題がある。^[28] 1966年に開設されたフランスの240MWランス潮力発電所は、部分的に揚水発電所として機能する。オフピーク時に満潮が発生した場合、タービンを使用して、満潮時に自然に流入する量よりも多くの海水を貯水池に汲み上げることができる。これは、この種の唯一の大規模発電所である。

1999年、沖縄の30MWヤンバルプロジェクトは海水揚水発電の最初の実証となった。このプロジェクトはその後廃止された。ハワイのラナイ島では300MWの海水を利用したラナイ揚水発電プロジェクトが検討され、アイルランドでも海水を利用したプロジェクトが提案されている。^{[29]チリ北部の}アタカマ砂漠で提案されている2つのプロジェクトでは、600MWの太陽光発電（スカイ・オブ・タラパカ）と300MWの揚水発電（ミラー・オブ・タラパカ）を組み合わせて、海岸の崖から海水を600メートル（2,000フィート）上まで汲み上げる予定である。^{[30] [31]}

沿岸貯水池を建設することで、河川の洪水による淡水が海域に貯水され、海水と入れ替わる。貯水された河川水は、エネルギー貯蔵、灌漑、産業、都市、過剰に利用された河川の再生などの目的で、一連の盛土運河と揚水式水力発電所を建設することで高地に汲み上げられる。これらの多目的沿岸貯水池プロジェクトは、カーボンニュートラルでクリーンな再生可能エネルギー源である変動性および断続性の太陽光および風力発電を活用するための大規模な揚水式水力発電の可能性を提供する。^[32]

地下貯水池の利用が研究されてきた。^[33]最近の例としては、オハイオ州ノートンで提案されているサミットプロジェクト、ケンタッキー州で提案されているメイズビルプロジェクト（地下石灰岩鉱山）、および元鉄鉱山を下層貯水池として使用する予定だったニュージャージー州のマウントホーププロジェクトなどがある。ピュハヤルビ（フィンランド）のカリオサイトで提案されているエネルギー貯蔵は、標高差1,450メートル（4,760フィート）のヨーロッパで最も深い卑金属鉱山を活用することになる。^[34]いくつかの新しい地下揚水貯蔵プロジェクトが提案されている。これらのプロジェクトのキロワットあたりのコスト見積もりは、既存の地下鉱山スペースを使用する場合、地上プロジェクトよりも低くなる可能性がある。適切な地下スペースに関する機会は限られているが、廃炭鉱が適していることが判明した場合、地下揚水貯蔵の機会の数は増加する可能性がある。^[35]

オーストラリア、ビクトリア州ベンディゴでは、ベンディゴ・サステナビリティ・グループが、ベンディゴ地下の古い金鉱山を揚水発電に利用することを提案している。^[36] ベンディゴは世界でも最も深い坑道を持つ硬岩鉱山が集中しており、19世紀後半には5,000以上の坑道がベンディゴの地下に掘られた。最も深い坑道は地下1,406メートルまで垂直に伸びている。最近の予備的実行可能性調査では、このコンセプトは、750メートル以上の水頭を使用して30MWの発電容量と6時間の稼働時間で実現可能であることが示された。

米国に拠点を置く新興企業Quidnet Energyは、放棄された石油・ガス井を揚水発電に利用する方法を模索している。成功すれば、米国にある300万の放棄された井戸の一部を利用して規模を拡大したいと考えている。^{[37] [38]}

水圧破砕法を利用すると、シェールなどの不浸透性の地層に圧力を蓄えることができます。 ^[39]使用されるシェールには炭化水素は含まれていません。^[40]

揚水発電の小規模（またはマイクロ）な用途は、河川や、飲料水ネットワーク^[41]や人工造雪インフラなどのインフラ内に構築することができます。この点で、雨水貯留層は、マイクロ揚水エネルギー貯蔵における貯水池の費用対効果の高い解決策として具体的に実装されています。^{[7]このようなプラントは、分散型}エネルギー貯蔵と分散型フレキシブル発電を提供し、風力発電や太陽光発電などの間欠的な再生可能エネルギー技術の分散型統合に貢献することができます。 小型揚水発電プラントに使用できる貯水池には、^[42]自然湖や人工湖、灌漑などの他の構造物内の貯水池、鉱山や地下軍事施設の未使用部分が含まれます。スイスのある研究では、適切な政策手段を提供することで、2011年の小型揚水発電プラントの総設置容量を3〜9倍に増やすことができると示唆されています。^[42]

貯水槽と小型発電機の揚水システムを使用することで、ピコ水力発電は「閉ループ」家庭用エネルギー生成システムにも効果的である可能性がある。^{[43] [44]}

2017 年 3 月、研究プロジェクト StEnSea (Storing Energy at Sea) は、揚水式海底貯水池の 4 週間のテストが成功したと発表しました。この構成では、深いところに沈められ固定された中空の球体が下部貯水池として機能し、上部貯水池はそれを囲む水域です。球体に組み込まれた可逆タービンから水が流入すると、電気が生成されます。オフピーク時には、タービンは方向を変え、電力網からの「余剰」電力を使用して水を再び汲み上げます。

水が流入したときに生成されるエネルギー量は、球体上の水柱の高さに比例して増加します。言い換えると、球体が深い位置にあるほど、エネルギーをより高密度に貯蔵できます。したがって、水中貯水池のエネルギー貯蔵容量は、従来の意味での重力エネルギーではなく、垂直方向の圧力変化によって決まります。

RheEnergise ^[45]は、水よりも2.5倍密度の高い流体（「水中の微細懸濁物質」^[46]）を使用することで揚水発電の効率を向上させ、「同じ電力でプロジェクトを2.5倍小さくすることができる」ことを目指しています。^[47]

揚水発電が初めて利用されたのは1907年、スイスのシャフハウゼン近郊にあるエンゲヴァイアー揚水発電施設でした。^{[48] [49]} 1930年代には可逆水力発電タービンが利用可能になりました。この装置はタービン発電機としても、逆に電動モーター駆動ポンプとしても動作できました。最新の大規模工学技術は、効率を高めるための可変速機械です。これらの機械は、発電時にはネットワーク周波数と同期して動作しますが、揚水時には非同期（ネットワーク周波数とは無関係）で動作します。

アメリカで揚水発電が初めて使用されたのは1930年、コネチカット電力会社がコネチカット州ニューミルフォード近郊の大きな貯水池を利用して、フーサトニック川から70メートル（230フィート）上にある貯水池に水を汲み上げたときでした。^[50]

2009年の世界揚水発電容量は104GWであったが[ ^51]、他の情報源は127GWと主張しており、これはあらゆる種類の公益事業用電力貯蔵の大部分を占めている。^[52] 欧州連合は、合計140GWの水力発電のうち38.3GWの純容量（世界の容量​​の36.8％）を持ち、EUの総純電力容量の5％を占めている。 日本は25.5GWの純容量（世界の容量​​の24.5％）であった。^[51]

稼働中の最大の揚水発電所6つを以下に示します（詳細なリストについては、揚水発電所のリストを参照してください）。

オーストラリアには、建設中または開発中の揚水式貯蔵施設が 15GW あります。例:

2018年6月、オーストラリア連邦政府は、タスマニア島で揚水発電用の14カ所のサイトが特定され、バス海峡の下に2番目の相互接続線が建設されれば、全国送電網に4.8GWの電力を追加する可能性があると発表した。

スノーウィー2.0プロジェクトは、ニューサウスウェールズ州のスノーウィー山脈にある2つの既存のダムを連結し、2,000MWの発電容量と350,000MWhの貯水容量を提供する。^[67]

2022年9月、クイーンズランド州中部のパイオニア・バーデキンで揚水発電（PHES）計画が発表されました。これは5GWで世界最大のPHESになる可能性があります。

中国は世界最大の揚水発電能力を誇っている。

2019年1月、中国国家電網公司は、河北省、吉林省、浙江省、山東省、新疆ウイグル自治区に合計6GWの揚水発電プラント5カ所を建設し、57億米ドルを投資する計画を発表した。中国は2020年までに40GWの揚水発電設備の建設を目指している。^[68]

揚水可能な発電所は 9 か所あり、総設備容量は 1344 MW、年間平均発電量は 2247 GWh です。ノルウェーの揚水式水力発電所は、世界の他の地域とは少し異なる方法で建設されています。季節ごとの揚水用に設計されています。また、ほとんどの発電所では水を無限に循環させることはできず、一度だけ揚水して再利用します。その理由は、トンネルの設計と下部貯水池と上部貯水池の高さにあります。ナイガード発電所のように、いくつかの河川取水口から貯水池まで水を汲み上げる発電所もあります。

最大のサウルダル発電所はウラ・フォレ発電所の一部で、160MWのフランシス水車が4基あるが、可逆式なのは2基だけだ。下段の貯水池は発電所自体よりも標高が高いため、汲み上げた水はトンネルシステムのさらに下にある次の発電所、クビルダルに流す前に1度しか使用できない。また、下段の貯水池に加えて、23の河川や小川、小さな貯水池の取水口から汲み上げた水も下段の貯水池に流入する。その一部は、すでに小規模な発電所を経由している。

2010年、米国の揚水発電容量は21.5GW（世界容量の20.6%）であった。^[69] 2020年に米国で揚水発電は21,073GWhのエネルギーを供給したが、揚水で消費されるエネルギーが発電量を上回るため、純額では-5,321GWhとなった。^[70] 2014年までに揚水発電の定格容量は21.6GWに増加し、米国のグリッドスケールエネルギー貯蔵の97%を揚水発電が占めるようになった。2014年末時点で、米国ではFERCの新規揚水発電プラント認可プロセスの全段階において、合計39GWの新規定格容量を持つ51件のプロジェクト提案が進行中であったが、当時米国で建設中の新規プラントはなかった。^{[71] [72]}

従来の水力発電ダムでは、貯水池に自然に流れ込む水から発電するとともに、ダムの下から貯水池にポンプで戻した水を貯めるハイブリッドシステムで揚水発電を利用することもあります。米国のグランドクーリーダムは、1973年にポンプバックシステムで拡張されました。 ^[73]既存のダムを逆転タービンで再発電することで、発電所が最大容量で稼働できる時間を延長できます。オプションで、ラッセルダム（1992年）などのポンプバック発電所をダムに追加して、発電容量を増やすこともできます。既存のダムの上部貯水池と送電システムを利用すると、プロジェクトを迅速化し、コストを削減できます。

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