過去50年間、世界の電力消費量は継続的に増加しており、2021年には約25,300テラワット時に達すると推定されています。インダストリー4.0への移行に伴い、世界中のエネルギー需要が増加しています。これらの数値は、産業およびその他の経済部門の電力要件を除いて、毎年増加しています。この産業シフトと高電力消費は、温室効果ガスの過剰排出によるより具体的な気候変動の影響と結びついています。現在、ほとんどの発電所と施設は、このような需要を満たすために化石燃料源（石油とガス）に大きく依存しています。これらの気候懸念により、従来の方法による追加のエネルギー生成は禁止されています。したがって、再生可能エネルギー源からの継続的かつ信頼性の高いエネルギー供給を確保するために、効率的で信頼性の高いエネルギー貯蔵システムの開発がますます重要になっています。
エネルギー部門は、再生可能エネルギー、つまり「グリーン」ソリューションへの移行によって対応してきました。この移行は、製造技術の向上によって促進され、例えば風力タービンブレードの製造効率の向上につながっています。また、研究者たちは太陽電池の効率向上にも成功し、利用面積あたりの発電量の向上につながっています。2021年には、太陽光発電（PV）による発電量が大幅に増加し、過去最高の179TWhに達し、2020年比22%増となりました。太陽光発電技術は現在、世界の発電量の3.6%を占めており、水力発電と風力発電に次ぐ3番目に大きな再生可能エネルギー源となっています。
しかし、これらの画期的な技術革新は、再生可能エネルギーシステムに内在するいくつかの欠点、特に可用性の問題を解決するものではありません。これらの方法のほとんどは、石炭火力発電所や石油火力発電所のように需要に応じてエネルギーを生産することができません。例えば、太陽光発電は、太陽の照射角度や太陽光パネルの設置場所によって出力が変動しますが、日中を通して利用可能です。夜間には全く発電できず、冬季や曇りの日には出力が大幅に低下します。風力発電も同様に、風速によって出力が変動します。そのため、これらのソリューションは、低出力時にもエネルギー供給を維持するために、エネルギー貯蔵システムと組み合わせる必要があります。
エネルギー貯蔵システムとは何ですか?
エネルギー貯蔵システムは、後で使用するためにエネルギーを貯蔵することができます。場合によっては、貯蔵されたエネルギーと供給されるエネルギーの間でエネルギー変換が行われます。最も一般的な例は、リチウムイオン電池や鉛蓄電池などの電池です。これらの電池は、電極と電解質間の化学反応によって電気エネルギーを供給します。
バッテリー、またはBESS（バッテリーエネルギー貯蔵システム）は、日常生活で最も一般的なエネルギー貯蔵方法です。他にも、ダムに貯められた水の位置エネルギーを電気エネルギーに変換する水力発電所のような貯蔵システムがあります。ダムに流れ落ちる水はタービンのフライホイールを回転させ、発電します。また、圧縮ガスを放出することでタービンのホイールを回転させ、発電するシステムもあります。
バッテリーと他の蓄電方式の違いは、その潜在的な運用範囲にあります。小型機器や自動車の電源から家庭用アプリケーション、大規模な太陽光発電所まで、バッテリーはあらゆるオフグリッド蓄電アプリケーションにシームレスに統合できます。一方、水力発電や圧縮空気による蓄電方式は、非常に大規模で複雑なインフラを必要とします。そのため、コストが非常に高くなり、その導入を正当化するには非常に大規模なアプリケーションが必要となります。
オフグリッド ストレージ システムの使用例。
前述の通り、オフグリッド蓄電システムは、太陽光や風力といった再生可能エネルギーの利用と依存を促進することができます。しかし、こうしたシステムから大きな恩恵を受けることができる用途は他にもあります。
都市の電力網は、各都市の需給に基づいて適切な電力を供給することを目的としています。必要な電力は一日を通して変動する可能性があります。オフグリッド蓄電システムは、ピーク需要時に変動を緩和し、より安定した電力供給を提供するために利用されてきました。別の観点から見ると、オフグリッド蓄電システムは、主電力網の予期せぬ技術的障害や定期メンテナンス期間の電力需要を補う上で非常に有益です。代替エネルギー源を探すことなく電力需要を満たすことができます。例えば、2023年2月初旬にテキサス州で発生した氷雨では、約26万2千人が停電に見舞われ、悪天候のために復旧作業が遅れました。
電気自動車もまた、その応用分野の一つです。研究者たちは、バッテリーの寿命と出力密度を向上させるため、バッテリー製造と充放電戦略の最適化に多大な努力を注いできました。リチウムイオン電池はこの小さな革命の最前線に立ち、新型電気自動車だけでなく電気バスにも広く採用されています。電気自動車の場合、より高性能なバッテリーは、適切な技術を用いることで走行距離の延長だけでなく、充電時間の短縮にもつながります。
無人航空機（UAV）や移動ロボットといった他の技術革新も、バッテリー開発から大きな恩恵を受けています。これらの技術の運動戦略や制御戦略は、バッテリーの容量と電力に大きく依存しています。
BESSとは
BESS（バッテリーエネルギーストレージシステム）は、エネルギーを貯蔵するために使用できるエネルギーストレージシステムです。このエネルギーは、主系統から供給されるか、風力や太陽光などの再生可能エネルギー源から供給されます。BESSは、要件に基づいてサイズが調整された、異なる構成（直列/並列）で配置された複数のバッテリーで構成されています。これらのバッテリーは、直流電力を交流電力に変換して使用するために使用されるインバータに接続されます。バッテリー管理システム（BMS）バッテリーの状態や充放電動作を監視するために使用されます。
他のエネルギー貯蔵システムと比較すると、設置/接続が特に柔軟で、非常に高価なインフラストラクチャを必要としませんが、それでもかなりのコストがかかり、使用状況に応じてより定期的なメンテナンスが必要になります。
BESSのサイズと使用習慣
バッテリーエネルギー貯蔵システムを設置する際に考慮すべき重要なポイントは、サイズの決定です。必要なバッテリーの数は？どのような構成で？場合によっては、バッテリーの種類が長期的なコスト削減と効率性の面で重要な役割を果たすことがあります。
用途は小規模な家庭から大規模な工業プラントまで多岐にわたるため、これはケースバイケースで行われます。
小規模世帯、特に都市部における最も一般的な再生可能エネルギー源は、太陽光パネルを用いた太陽光発電です。エンジニアは通常、世帯の平均電力消費量を考慮し、特定の場所における年間の太陽放射照度を評価します。バッテリーの数と系統構成は、年間で最も太陽光発電の供給が少ない時期の家庭の需要を満たしつつ、バッテリーを完全に使い切らないように選定されます。これは、メイングリッドから完全に独立した電力供給を実現するソリューションを前提としています。
比較的適度な充電状態を維持したり、バッテリーを完全に放電させないことは、一見直感に反するかもしれません。結局のところ、蓄電システムの潜在能力を最大限に引き出せないのであれば、なぜ蓄電システムを使うのでしょうか？理論的には可能ですが、投資収益率を最大化する戦略ではないかもしれません。
BESSの主なデメリットの一つは、バッテリーのコストが比較的高いことです。そのため、バッテリー寿命を最大限に延ばす使用習慣や充放電戦略を選択することが不可欠です。例えば、鉛蓄電池は容量の50%未満まで放電すると、不可逆的な損傷を受けます。一方、リチウムイオン電池はエネルギー密度が高く、サイクル寿命が長いという特徴があります。また、より広範囲で放電することも可能ですが、その分価格が高くなります。電池の種類によってコストに大きな差があり、鉛蓄電池は同じサイズのリチウムイオン電池よりも数百ドルから数千ドルも安価になる場合があります。そのため、発展途上国や貧困地域では、太陽光発電用途で鉛蓄電池が最も多く使用されています。
バッテリーの性能は、その寿命における劣化の影響を大きく受けます。突然の故障で終わる安定した性能を持つのではなく、提供される容量は徐々に低下していきます。実際には、バッテリーの寿命は、容量が本来の容量の80%に達した時点で切れたとみなされます。つまり、容量が20%低下した時点です。これは、実際には供給できるエネルギー量が低下することを意味します。これは、完全に独立したシステムの使用期間やEVの走行距離に影響を与える可能性があります。
もう一つ考慮すべき点は安全性です。製造技術の進歩により、最近のバッテリーは化学的に安定しています。しかし、劣化や乱用により、セルが熱暴走を起こし、壊滅的な結果につながる可能性があり、場合によっては消費者の生命を危険にさらす可能性があります。
このため、企業は、バッテリーの使用を制御するだけでなく、タイムリーなメンテナンスを提供し、悪化する結果を避けるために、バッテリーの状態を監視する、より優れたバッテリー監視ソフトウェア (BMS) を開発しました。
結論
系統電力貯蔵システムは、主系統からの電力自立を実現するだけでなく、停電時やピーク負荷時のバックアップ電源としても活用できる大きな可能性を秘めています。これらのシステムの開発は、より環境に優しいエネルギー源への移行を促進し、エネルギー消費の継続的な増加に対応しながら、発電による気候変動への影響を抑制することにつながります。
バッテリーエネルギー貯蔵システムは、最も一般的に使用され、様々な日常用途に合わせて構成するのが最も簡単です。高い柔軟性がある一方で、比較的高いコストがかかるため、それぞれの寿命を最大限に延ばすためのモニタリング戦略の開発が求められています。現在、産業界と学界は、様々な条件下でのバッテリー劣化の調査と理解に多大な努力を注いでいます。
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