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、世界中でエネルギー需要が増加しています。これらの数値は、産業部門やその他の経済部門の電力需要を除いても、毎年増加しています。この産業構造の変化と高電力消費は、温室効果ガスの過剰排出による、より顕著な気候変動の影響と結びついています。現在、ほとんどの発電所や施設は、こうした需要を満たすために化石燃料（石油とガス）に大きく依存しています。こうした気候変動への懸念から、従来の方法による追加的な発電は困難となっています。したがって、再生可能エネルギー源からの継続的かつ安定したエネルギー供給を確保するためには、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、すなわち「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を向上させ、使用面積あたりの発電量を向上させることに成功しました。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年と比較して22%増加しました。太陽光発電技術は現在、世界の発電量の3.6%を占め、水力発電と風力発電に次ぐ第3位の再生可能エネルギー源となっています。
しかしながら、これらの技術革新は、再生可能エネルギーシステムの根本的な欠点、特に供給の不安定性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供給することはできません。例えば、太陽光発電の出力は、日射角度や太陽光パネルの設置位置によって変動するものの、一日を通して利用可能です。夜間は発電できず、冬季や曇天時には出力が大幅に低下します。風力発電も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、出力が低い期間で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何らかの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気電池です。これらは、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持つ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。落下する水がタービンのフライホイールを回転させ、電気エネルギーを生成します。別の例としては、圧縮ガスがあり、ガスが放出されるとタービンのホイールを回転させて発電します。
バッテリーが他の蓄電方式と異なる点は、その適用範囲の広さです。小型機器や自動車の電源から、家庭用機器、大規模太陽光発電所まで、バッテリーはあらゆるオフグリッド蓄電用途にシームレスに統合できます。一方、水力発電や圧縮空気発電は、蓄電のために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、採算が取れるためには大規模な用途が必要となります。
オフグリッド蓄電システムのユースケース。
前述のとおり、オフグリッド蓄電システムは、太陽光発電や風力発電などの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。しかしながら、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、各都市の需要と供給に基づいて適切な量の電力を供給することを目指しています。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、変動を緩和し、ピーク需要時に安定性を高めるために使用されてきました。別の観点から見ると、オフグリッド蓄電システムは、主要電力網の予期せぬ技術的障害や定期メンテナンス期間中に電力供給を補うのに非常に役立ちます。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を襲った氷嵐では、悪天候のため復旧作業が遅れ、約26万2000人が停電に見舞われました。
電気自動車もその応用例の一つです。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あり、新型電気自動車だけでなく電気バスにも広く使用されています。適切な技術を用いることで、より高性能なバッテリーは航続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、バッテリー開発の恩恵を大きく受けている。これらの機器の動作戦略や制御戦略は、バッテリーの容量と供給電力に大きく依存している。
BESSとは何ですか？
BESS（バッテリーエネルギー貯蔵システム）は、エネルギーを貯蔵するために使用できるエネルギー貯蔵システムです。このエネルギーは、電力網から供給される場合もあれば、風力発電や太陽光発電などの再生可能エネルギー源から供給される場合もあります。BESSは、さまざまな構成（直列/並列）で配置され、要件に基づいてサイズが決めら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できるようにするためのインバーターに接続されています。バッテリー管理システム（BMS）は、バッテリーの状態と充電/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、設置場所や接続方法の柔軟性が高く、非常に高価なインフラを必要としないという利点があるが、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頻繁なメンテナンスが必要となる。
BESSの規模設定と使用習慣
蓄電池エネルギー貯蔵システムを設置する際に重要なポイントは、容量選定です。必要なバッテリーの数は？どのような構成にするか？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に決定的な役割を果たすことがあります。
これは、申請対象が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、ケースバイケースで対応されます。
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、太陽光発電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日射量を評価します。バッテリーの数とグリッド構成は、年間を通して太陽光発電量が最も少ない時期の世帯の電力需要を満たしつつ、バッテリーを完全に放電させないように選択されます。これは、電力網からの完全な独立性を実現するソリューションを想定しています。
バッテリーの充電状態を適度に維持したり、完全に放電させないようにしたりすることは、最初は直感に反するように思えるかもしれません。そもそも、蓄電システムの潜在能力を最大限に引き出せないなら、なぜ使う必要があるのでしょうか？理論的には可能ですが、投資対効果を最大化する戦略とは言えないかもしれません。
BESSの主な欠点の1つは、バッテリーの価格が比較的高いことです。そのため、バッテリーの寿命を最大限に延ばすような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%以下まで放電すると、取り返しのつかない損傷を受ける可能性があります。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利点があります。また、より広い範囲で放電できますが、その分価格も高くなります。化学組成によって価格差は大きく、同じサイズのリチウムイオン電池と比べて、鉛蓄電池は数百ドルから数千ドルも安価になる場合があります。これが、発展途上国や貧困地域で太陽光発電用途に鉛蓄電池が最も多く使用されている理由です。
バッテリーの性能は、その寿命期間中に劣化の影響を大きく受け、突然故障するような安定した性能を示すわけではありません。むしろ、容量と供給エネルギー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、容量が初期容量の80%に達した時点で尽きたとみなされます。つまり、容量が20%低下した時点で寿命を迎えたと判断されるのです。実際には、これは供給できるエネルギー量が少なくなることを意味します。これは、完全独立型システムの使用期間や、電気自動車（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、近年のバッテリーは一般的に化学的に安定しています。しかし、劣化や乱用歴によっては、セルが熱暴走を起こし、壊滅的な結果を招く可能性があり、場合によっては消費者の生命を危険にさらすこともあります。
そのため、企業はバッテリーの使用状況を制御するだけでなく、バッテリーの状態を監視してタイムリーなメンテナンスを行い、深刻な事態を回避するために、より優れたバッテリー監視ソフトウェア（BMS）を開発してきたのです。
結論
電力網におけるエネルギー貯蔵システムは、主要電力網からの電力独立を実現する大きな機会を提供するだけでなく、停電時やピーク負荷時のバックアップ電源としても機能します。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、消費量の継続的な増加に対応しながらも、エネルギー生産が気候変動に与える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、さまざまな日常的な用途に合わせて構成するのが最も容易なシステムです。その高い柔軟性は、比較的高コストという欠点と相まって、バッテリーの寿命を可能な限り延ばすための監視戦略の開発につながっています。現在、産業界と学術界は、さまざま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。
