これらの３つのエネルギー貯蔵技術は100％再生可能電力への移行という課題の解決に役立つ

これらの3つのエネルギー貯蔵技術は100％再生可能電力への

移行という課題の解決に役立つ

These 3 Energy Storage Technologies Can Help Solve the Challenge of Moving to 100% Renewable Electricity

By Kerry Rippy

The Conversation 2021.08.26

ここ数十年で風力および太陽光発電のコストは劇的に低下した。これが、アメリカエネルギー省が2050年までに最も急速に成長するアメリカのエネルギー源になると予想している理由の1つである。しかし、エネルギーを蓄えるにはまだ比較的費用がかかりすぎる。また、再生可能エネルギーの生成は常に利用できるわけではないため、風が吹いたり太陽が輝いたりすると貯蔵が不可欠になる。

　私は国立再生可能エネルギー研究所の研究者として、連邦政府や民間企業と協力して再生可能エネルギー貯蔵技術を開発している。最近のレポートでは、NRELの研究者達は2050年までにアメリカの再生可能エネルギー貯蔵容量を3,000％も増加させる可能性があると推定している。

　これを実現するのに役立つ可能性のある3つの新しい技術を次に示す。

より長い負荷

　小型電子器機用のアルカリ電池から自動車やラップトップ用のリチウム・イオン電池まで、ほとんどの人々は既に日常生活の多くの面で電池を使用している。しかし、まだ成長の余地は沢山ある。

　例えば、放電時間が長く(最大10時間)、大容量の電池は夜間の太陽光発電の貯蔵や電気自動車の走行距離の拡大に役立つ可能性がある。現在、その様な電池はほとんど使用されていない。しかし、最近の予測によれば、これらの電池の100ギガワット以上の価値は2050年までに設置される可能性がある。比較すると、これはフーバーダムの発電容量の50倍である。これは再生可能エネルギーの実行可能性に大きな影響を与える可能性がある。

　最大の障害の1つは、リチウムとコバルトの供給が限られていることである。これらは現在、軽量で強力な電池を製造するために不可欠である。幾つかの推定によれば、世界のリチウムの約10％と、世界のコバルトの埋蔵量のほぼ全てが2050年までに枯渇するであろう。

　さらに、世界のコバルトの70％近くがコンゴで採掘されており、非人道的であると長い記録されてきた。科学者達はリチウム電池とコバルト電池をリサイクルする技術の開発や、他の材料に基づいた電池の設計に取り組んでいる。テスラは今後、数年以内にコバルト・フリーの電池を生産する予定である。他の人々はリチウムをナトリウムに置き換えることを目指している。ナトリウムはリチウムと非常に良く似た特性を持っているが、はるかに豊富である。

より安全な電池

　もう1つの優先事項は電池をより安全にすることである。改善すべき領域の1つは電解質である。これは電荷が電池の陰極(夫の端子)から陽極(正の端子)に流れる行動を取るを可能にする媒体(多くの場合液体)である。

　電池を使用しているときは、電解液中の荷電粒子が動き回り、電池から流出する電気の電荷のバランスを取る。電解質には可燃性物質が含まれていることがよくある。それらが漏れると、電池が過熱し発火したり溶けたりする可能性がある。

　科学者達は電池をより頑丈にする固体電解質を開発している。粒子が液体を通過するよりも固体を移動するのははるかに困難であるが、実験室規模の有望な結果は、これらの電池が今後、数年間で電気自動車に使用できるようになり、商業化の目標日が2026年になる事を示唆している。

　全固体電池は家電製品や電気自動車に適しているが、大規模なエネルギー貯蔵には、科学者達はフロー電池と呼ばれる全液体設計を追求している。

　　　　　典型的なフロー電池は2つの電極間に保持された膜を通過して

　　　　　ポンプで送られる液体の2つの槽で構成される。

　Qi and Koenig, 2017, CC BY

これらの装置では電解質と電極の両方が液体である。これにより超高速充電が可能になり、非常に大きな電池を簡単に作成できる。現在、これらのシステムは非常に高価であるが、研究によって価格が下がり続けている。

太陽光を熱として蓄積

　他の再生可能エネルギー貯蔵解決策は場合によっては電池よりも安価である。例えば、集光型太陽光発電所では鏡を使用して太陽光を集光する。太陽光は溶けるまで数百または数千トンの塩を加熱する。この溶融塩は従来のプラントで蒸気を加熱して発電機を駆動するために石炭や原子力が使用されるのと同じように発電機を駆動するために使用される。

　これらの加熱された材料は曇っているとき、または夜間でも電気を生成するために保管することもできる。このアプローチにより集中型太陽光発電を24時間稼働できる。

サンディアの溶融塩テスト・ループで溶融塩バルブの腐食をチェックしている。

Randy Montoya, Sandia Labs/Flickr, CC BY-NC-ND

　このアイデアは非太陽光発電技術での使用に適合させることができる。例えば、風力で作られた電気を使用して塩を加熱し、後で風力が強くないときに使用できる。

　太陽光発電の集中はまだ比較的高価である。他の形態のエネルギー生成および貯蔵と競争するには、より効率的になる必要がある。これを実現する1つの方法は、塩が加熱される温度を上げて、より効率的な発電を可能にすることである。残念ながら、現在使用されている塩は高温で安定していない。研究者達は705℃の高温に耐えることができる新しい塩やその他の材料の開発に取り組んでいる。

　より高い温度に到達するための1つの主要なアイデアは、より高い温度に耐えることができる塩の代わりに砂を加熱することを含む。その後、砂はコンベアー・ベルトで加熱ポイントから保管場所に移動される。エネルギー省は最近、この概念に基づいたパイロット集中型太陽光発電所への資金提供を発表した。

高度な再生可能燃料

　電池は短期間のエネルギー貯蔵に役立ち、集光型太陽光発電所は電力網の安定化に役立つ可能性がある。しかし、公益事業者はまた、無期限に大量のエネルギーを貯蔵する必要がある。これは水素やアンモニアなどの再生可能燃料の役割である。風力タービンやソーラーパネルが電力会社の顧客が必要とするよりも多くの電力を生成している場合、電力会社は余剰電力でこれらの燃料を生産することにより、これらの燃料にエネルギーを蓄える。

　水素とアンモニアは電池よりも1ポンド当たりのエネルギーが多いため、電池がない場所でも機能する。例えば、重い荷物の輸送や重い機器の運転、ロケット燃料に使用できる。

　今日、これらの燃料はほとんどが天然ガスまたはその他の再生不可能な化石燃料から非常に非効率的な反応によって作られている。我々はそれをグリーン燃料と考えているが、今日のほとんどの水素ガスは天然ガスから作られている。

　科学者達は再生可能エネルギーを使用して水素やその他の燃料を生産する方法を探している。例えば、電気を使って水分子を分解することで水素燃料を作ることができる。重要な課題は工程を最適化して効率的かつ経済的にすることである。潜在的な見返りは莫大である。無尽蔵で完全に再生可能なエネルギーである。