奇妙なエネルギー貯蔵ソリューションが送電網の再生可能化に役立つ可能性がある

私たちは皆、バッテリーについてよく知っています。 テレビのリモコンにある使い捨て単三電池について話している場合でも、送電網用の電力を蓄えるための充電式電池でいっぱいの巨大な施設について話している場合でも、それらは私たちの日常生活の一部であり、よく理解されています。

しかし、グリッドストレージの目的でエネルギーを貯蔵するための新しい技術が目前に迫っており、それらは私たちが慣れ親しんでいる通常のバッテリーとは大きく異なります。 これらのテクノロジーは、常に利用できるわけではない太陽光や風力などの再生可能エネルギー源を最大限に活用するための鍵となります。 これらのアイデアのいくつかを見て、それらが私たちの「バッテリー」に対する考え方をどのように根本的に変えるのかを見てみましょう。

通常、私たちが使用するバッテリーは、内部に電解液が入った金属またはプラスチックのケースで構成され、電極間に挟まれています。 通常、電解質はペーストまたはゲルの形であり、たとえ内部がネバネバしていても、私たちはあらゆる点でバッテリーを典型的な固体の物体として考えています。

鉄フロー電池はまったく異なる方法で動作します。 液体電解質を使用し、必要に応じてバッテリーにポンプで送り込んで発電します。 電解質は溶液中の鉄イオンで構成されており、通常は塩化鉄や硫酸鉄などの水溶液の形です。

一般的な電極材料は正極側と負極側の両方にカーボンが使用されており、バッテリーは間に多孔質セパレーターを挟んだ 2 つの半電池として構成されています。 バッテリーが充電されると、鉄 (II) イオンが正のハーフセル内で酸化され、電子を放棄して鉄 (III) イオンになります。 負のハーフセルでは、鉄 (II) イオンが電子を獲得して鉄 (0) になり、負極自体に金属鉄メッキが施されます。 バッテリーが負荷に放電されると、これらの反応は逆に進行し、負のハーフセル電極上の金属が溶液に戻ります。

鉄フロー電池には、スケールが大きいという利点があります。 より大きなタンクとより大きなセルを簡単に構築できるため、何メガワット時のエネルギーを蓄える必要があるグリッド用途に最適です。 さらに利点となるのは、鉄フロー電池のサイクル寿命であり、測定値は 10,000 ～ 20,000 サイクルです。 これはほとんどのリチウムイオン電池よりも一桁優れており、鉄フロー電池の寿命は 10 ～ 20 年程度、あるいはそれ以上になります。

含まれる化学物質も安価で容易に入手でき、鉄とその塩は世界中のほぼどこでも簡単に入手できます。 ハイエンドのリチウムイオン電池の製造の鍵となる高級希土類金属はほとんど必要ありません。 さらに、使用される化学物質も安全です。鉄フロー電池には、他の技術のように爆発したり発火したりする可能性のあるものはまったくありません。

ただし、鉄フロー電池にはいくつかの欠点があります。 この技術にはリチウムイオン電池のような出力密度がないため、同じ電力を供給できるバッテリーを構築するにはより多くのスペースが必要です。 さらに、負極のメッキ反応により、鉄フロー電池は他の理論的設計ほど拡張できません。 他のフロー電池は、エネルギーを生成し続けるためにより多くの電解液を必要とするだけであり、この点では電極のサイズは重要ではありません。 さらに、この技術は化学的な意味で電気エネルギーを直接貯蔵しますが、適切な土地が利用可能であると仮定すると、鉄フロー電池は依然として水力発電の揚水発電より効率が低いのが一般的です。 しかし、高度な水力発電の貯蔵方法は、この要件に対抗することができます。

現在、企業は現実世界のアプリケーション向けのテクノロジーを開発しています。 ESS などの企業が提供する輸送コンテナサイズのフロー電池は最大 500 kWh の容量があり、12 時間にわたって数十軒の住宅に電力を供給するのに十分な出力を備えています。 複数のユニットを単一のインストールにスタックすると、必要に応じて容量が拡張されます。 これらは、約 4 ～ 24 時間のエネルギーを貯蔵する、いわゆる「長期」貯蔵市場をターゲットとしています。 これにより、毎日の太陽のピーク時にエネルギーを蓄えて暗い夜間に使用するなどのユースケースに最適です。

二酸化炭素は大気の重要な構成要素として私たちの周りに存在します。 また、十分な圧力下にある限り、周囲温度で液体として容易に保存できる気体でもあります。 この形態では、占有するスペースがはるかに少なくなり、相転移で得られるエネルギーも得られます。 Energy Dome は、この特性が役立つ可能性があることを特定し、蔓延するガスに基づいた貯蔵システムを開発した企業です。

二酸化炭素「バッテリー」を充電するには、エネルギーを加えて気体の CO2 を液体に圧縮します。 圧縮プロセスで発生した熱は、熱エネルギー貯蔵システムに貯蔵されます。 電力を取り出すには、液体 CO2 を以前に蓄えられた熱で温め、タービンを通して膨張させて電力を生成します。 この設計では、密閉システムで CO2 を使用します。 エネルギーは、化学反応ではなく、CO2 に加えられる圧力と相変化に蓄えられます。 したがって、水力発電の揚水発電と同様、それ自体は実際には「電池」ではありませんが、エネルギー貯蔵システムです。

このシステムには、すでに容易に入手できる、シンプルでよく理解されている機器を使用して構築できるという利点があります。 結局のところ、タービンを通してガスを圧縮したり膨張させたりすることには、何も根本的なことはありません。 さらに、リチウムイオン電池の蓄電ソリューションのように、高価なレアアース材料や大量の銅配線も必要ありません。

Energy Dome は、2024 年までに米国での商業展開をすでに計画しています。すでに数メガワット規模のテストを実行しており、この技術の基本原理が示されています。 同社はまた、イタリアのエネルギー会社A2Aと200MWhの容量と20MWの電力供給を備えた施設を建設する契約も獲得した。

実際のところ、世界中の送電網がより多くの再生可能エネルギー ソリューションに切り替わるにつれて、そのエネルギーを貯蔵する需要がますます増大することになります。 水力発電の揚水発電などの従来のソリューションは、世界中で導入されている大規模なリチウムイオン電池の設置と同様、依然として有効です。

ただし、状況が異なると、他のストレージ テクノロジも独自のニッチ分野を見つける可能性があります。 特に、今日直面している地政学的問題やサプライチェーンの問題を考慮すると、安価で容易に入手できる材料に依存する企業は有利になるでしょう。 将来的には再生可能エネルギーの貯蔵が電力網の重要な部分になるため、この分野ではさらに新しい技術が登場することが予想されます。