もっと多くの配電網貯蔵装置が必要になる。新しい鉄電池が役立つかもしれない
We’re Going to Need a Lot More Grid Storage. New Iron Batteries Could Help
By Dawn Stover
https://www.technologyreviw.com/ 2022.02.23
鉄、塩、水から作られたフロー電池は、太陽が輝いていないときに使用するのに十分なクリーン･エネルギーを貯蔵する無毒な方法を約束する。
オレゴン州ウィルソンビルにあるESS本社を訪れたときに最初に目にするものの1つはトースターほどの大きさの実験的な電池モジュールである。同社の創業者は10年前に実験所に建設し、世界中の配電網事業者が間もなく直面することになると分かっていた課題、つまり大規模な電力貯蔵に対処した。今日のリチウム・イオン電池とは異なり、ESSの設計は安価で豊富で無毒な材料(鉄、塩、水)に大きく依存している。もう1つの違い：リチウム・イオン電池とは異なり、縮小し続ける携帯電話やラップトップに収まるほど小型にすることを目指しているが、鉄電池の各バージョンは最後のものよりも大きくなっている。
実際、ESSが今日構築している物は、電池にほとんど似ていない。ESS施設の裏側にある積載ドッグでは、従業員は輸送コンテナ全体を満たす装置を組み立てている。それぞれに約34のアメリカの住宅に12時間電力を供給するのに十分なエネルギー貯蔵容量がある。
昨年、上場した最初の長期エネルギー貯蔵会社となり、世界中に工場を開設すると言う野心を持っている同社は、まもなくこれらのトラック・サイズのバージョンでさえも矮小化する電池の作業を開始する予定である。公益事業会社ポートランド・ゼネラル・エレクトリックと提携して、ESSは工場に隣接する特性値に半エーカーの建物を埋める物を建設する予定である。同社が現在、出荷している最大の電池のほぼ150倍の容量を持つと予想されている。しかし、ESSのイノベーションは電池サイズではなく、現在、約4時間の貯蔵に制限されている配電網接続リチウム・イオン電池で経済的に実現可能なよりもはるかに多くのエネルギーを電力会社が貯めることを可能にする化学とエンジニアリングである。
ESSが構築している鉄の「フロー電池」は、電力部門を脱炭素化し、気候を安定させるという推進力のお陰で、突然、需要が高まっているいくつかのエネルギー貯蔵技術の1つに過ぎない。電力網が化石燃料ではなく断続的な太陽光と風力発電に大きく依存し始めるにつれて、ほんの数年前までは2～4時間の電力を蓄えるための電池を探していた電力会社は、8時間以上を供給できるシステムを求めている。ESSの創設者が予想したように、発電時ではなく、人々が必要とする時に電気を利用できるように、より長持ちする電池が必要となる。
良い化学反応
ESSの創設者であるクレイグ・エヴァンスとジュリア・ソンは2011年にガレージで鉄のフロー電池に取り組み始めた。夫婦で出会ったのは、燃料電池開発会社で働いていた時であった。ソン(現在はESSの最高技術責任者)は化学者で、エバンス(ESSの社長)はエンジニア兼デザイナーである。彼等は再生可能エネルギー・システムの価格が劇的に下落するのを見て、これがエネルギー貯蔵の需要を牽引すると予測した。例えば、80％が太陽光と風力で駆動される電力網では、少なくとも12時間エネルギーを貯蔵するための手頃な価格の方法が必要である。現在、アメリカにおける長期間のエネルギー貯蔵の約95％は揚水発電で構成されており、水はより高い標高である貯水池から別の貯水池に汲上げられ、後で放出されるとタービンを通って発電し、下る途中で発電する。この簡単な方法は上手く行くが、地理によって制限される。
電池にはその制限はない。しかし、今日動作している配電網規模の電池のほとんどはリチウム・イオン電池である。比較的高価であるが、数年以内に劣化し、発火したり爆発したりするサイクルが困難な材料で尽くされている。さらに悪いことに、電池アレイの貯蔵容量を2倍にしたい場合、2倍の電池を購入する必要がある。そのため、数時間以上エネルギーを貯蔵するには費用がかかり過ぎると、高度なエネルギー技術の研究開発に資金を提供するアメリカの期間であるARPA-Eで長期的なエネルギー貯蔵に焦点を当てたプログラムを管理するScott Litzelmanは述べている｡
ESSが開発したフロー電池のように液体電解質のタンクにエネルギーを貯蔵し、電池の電池化学セルを通って電子を抽出するためにポンプで送られた化学的に活性な溶液である。フロー電池の貯蔵容量を増やすには、貯蔵タンクのサイズを大きくするだけである。電池が建物の大きさに成長すると、それらのタンクはサイロになる。フロー電池の電池化学セル内では、2つの電解質が膜によって分類されている。一方、の電解質はセル内をポンプで送られる時に陽極を通り過ぎ、もう一方の電解質は陰極を過ぎて流れる。ESSの電池では、これら2つの電解質は水に溶解した鉄塩で同一である。
電解質がセル内を流れると、化学反応が膜の両側で起こる。電流が電池を充電すると、電池の陰極の電解質が電子を獲得し、溶解した鉄塩が固体鉄として電極の表面に析出する。電池が放電すると、電解質は陰極で電子を失い、メッキされた鉄はその溶解した形に戻り、電解質中の化学エネルギーは電気に変換される。陽極では逆のプロセスが発生する：電解質は電子を失い、電池の充電中に茶色がかった流体に「錆び」、このプロセスは放電中に逆転する。
携帯電話や電気自動車のような従来のリチウム・イオン電池では、セルと電解質の1つがパッケージに含まれている。「最初に持っているものは、貴方が得るものである。」とエヴァンスは言う。しかし、フロー電池では、電解質を外部タンクに保持することは、エネルギー貯蔵部分から分離されていることを意味する。このエネルギーと電力の分離により、電力会社は電池化学電池セルを追加することなく、より多くのエネルギー貯蔵を追加することができる。トレードオフは、鉄電池のエネルギー密度がはるかに低いため、同じ重量のリチウム・イオン電池ほど多くのエネルギーを蓄えることができないということである。また、フロー電池はリチウム・イオン電池よりも多くの先行投資とメンテナンスを必要とする。しかし、大量のエネルギーを長期間安全に貯蔵することになると、打ち負かすのは難しい。そして、それはまさしく配電網オペレーターが今後数年間でもっと多くのことをする必要がある。
長持ちする
今日、電力会社が使用している電池は、通常、4時間以内の電力を蓄える。短命の周波数変動や供給低下を平準化するなどの佑に問題はないが、電力部門が100％クリーン･エネルギーに移行するにつれて、「4時間の電池では絶対にできない。」とESSの販売および事業開発担当シニアバイスプレジデントのヒュー・マクダーモットは述べている｡太陽光と風力発電の浮き沈みに対応するために、ほとんどの配電網事業者は、電力需要が高いときに迅速に起動できる天然ガスの「ピーカープラント」を使用している。16時間の貯蔵を提供できる電池は、どのピーク・システムよりも安価に設置できるとマクダーモットは言う。
フロー電池は配電網貯蔵市場の小さいながらも成長している部分である。2019年末までに、アメリカエネルギー情報局が電池貯蔵市場の動向に関する2021年8月のアップデートによると、アメリカ内の大規模な電池設置のわずか1％でしか使用されていなかった。2016年と2017年にいくつかの電力会社が大規模なフロー電池の設置を開始したが、これらの電池は鉄ではなくバナジウム・ベースの電解質を使用している。バナジウムはうまく機能するが高価である。
エヴァンスとソンは当初、バナジウム・フロー電池の設計に着手したが、1981年にケース・ウェスタン・リザーブ大学で行われている鉄ベースの化学に偶然出くわして進路を変えた。鉄はバナジウムに代わる低コストの代替品として彼等を襲ったが、「しかし、それにもかかわらず、には課題があった。」とエヴァンスは言う。1つの課題は、電池の陰極側の電子の約1％が、鉄メッキの代わりに水性電解質中の浮遊水素イオンと結合するのを防ぐことであった。時間が経つにつれて、この副反応は水素ガスの蓄積を生成し、完全に放電されると両方の電解質が元の同一の状態に戻る化学バランスから電池の両側を逸脱させる。
「全ての電池には副反応がある。・」とエヴァンスは言う。しかし、フロー電池を循環する化学物質(従来の電池内に閉じ込められた化学物質とはことなる)にアクセスするのは簡単であるため、設計者はこれらの副反応から回復するメカニズムを含めることができる。エヴァンスとソンは電池に「プロトン・ポンプ」を追加することでこれらの問題に対処した。これは水素ガスをプロトンに戻す燃料電池のようなユニットで、電解質のpHを低下させ、電池の両側を同じ充電状態に戻す。ポンプを使用すると、電池は少なくとも20時間、無制限の回数サイクルできることが期待されている。
ケース・ウェスタンでは研究者達は別のアプローチを試みた：固定電極ではなく鉄スラリー中の粒子に溶存鉄をメッキして、メッキされた金属が電池の外部タンクに保管されるようにする。それは小さな電池では上手く行ったが、大きな電池ではスラリーが目詰まりを引き起こした。ケース・ウェスタンとESSの両社は、鉄フロー電池を製造・実証するためのARPA-Eの資金提供を受けている。ESSが2012年に受け取った280万ドルの5年間の助成金により、同社はプロトン・ポンプを開発し、商業生産に移行することができた。
ビル・ゲイツと気候変動を懸念する他の投資家によって設立されたファンドであるBreakthrough Energy VenturesもESSを支援している。同社は2015年に最初の製品を販売した：カリフォルニアのブドウ畑が日中は太陽エネルギーを貯蔵し、夕方には灌漑システムに電力を供給することを可能にする電池。今日、ESSは最大500 kWhの容量を持つ輸送コンテナ・サイズの電池の受注残を抱えている。同社はソフトバンクのクリーン･エネルギー子会社であるSBエナジーに一部を納入し始めており、同社は今後4年間でESSから記録的な2ギガワット時の電池貯蔵システムを購入することに合意した。これらの取引は3億ドル以上の価値で評価されている。
時間を買う
ESS電池は現在、構成方法に応じて4～12時間の充電を保持できるが、最終的には風力発電の気候変動に対応するために、数日または数週間動作する必要がある場合がある。マサチューセッツ州に本拠を置くForm Energyは、鉄を錆びに変関する可逆反応で周囲空気中の酸素を使用する鉄空気電池技術を開発している。同社は電池が最大100時間電力を蓄えることができると主張している。最初の設置はミネソタ州の1 MWhのパイロットプラントで、2023年に完成する予定である。
電力会社は再生可能エネルギーへの移行に当たり、エネルギーを貯蔵する方法について考えているだけではない。彼等はまた、配電網を極端な天候やその他の気候変動の影響に対してより弾力性のあるものにする方法についても考えている。長持ちする電池にも、そこで果たすべき役割がある。
San Diego Gas & Electricとのプロジェクトでは、ESSの鉄フロー電池は、山火事が発生しやすいカリフォルニア州Cameron Cornersの町の太陽電池とペアになる。電力会社が火災を防止または対応するために送電線をシャットダウンする必要がある場合、太陽電池マイクログリッドは町の重要なサービスを機能させることができる。このプロジェクトは今年後半にオンラインになる予定である。ESSの Wilsonville施設には生産を増やす余地があるが、受注数は現在、会議で停滞しているBuild Back Better法案の一部であるクリーン･エネルギー税額控除の運命に大きく依存する。エネルギー貯蔵の支持者は、長期貯蔵は再生可能エネルギーと同じインセンティブに値すると主張している。議員が同意すれば､これらのクレジットは鉄フロー電池のようなエネルギー貯蔵技術を、電力会社がそれらを広く使用し始めるのに十分なほど安価にするのに役立つ可能性がある。ARPA-Eプログラムとアメリカエネルギー省の長期貯蔵Shotは10年以内に10時間以上のエネルギーを市場に貯蔵できるコスト競争力のあるシステムを目指している。
ARPA-Eにとって、これはエネルギー貯蔵の平準化コスト(発生した全てのコストと生涯にわたって生産されたエネルギーを考慮にいれた)をキロワット時当り5セント未満に引き下げる子とを意味し、2020年から90％削減されるだろうとLitzelmanは述べている｡電池の初期コストはその方程式の一部にすぎない。フロー電池は長期間のエネルギー貯蔵のために開発されている唯一の有望な技術ではない。他の企業や研究者達は様々な種類の電池、水素貯蔵、圧縮空気や「移動質量」などの機械システムを実験しており、電気エネルギーを運動エネルギーに変換するために持ち上げたり下げたりしている。ARPA-Eが資金提供する実験システムの1つは、岩石に水を汲上げてエネルギーを蓄え、水が搾り戻された時にエネルギーを抽出する。
これら全てのシステムには、「24時間365日のクリーン･エネルギー」と言う共通の目標がある。総合コストに到達するには、複数の新しい貯蔵技術が必要になる可能性が高く、さらに多くの企業が、ESSが今日の段階に到達する必要がある。もちろん、異なる種類の技術が突破しない限りである。
