電力貯蔵技術

CO2などの温室効果ガスの排出が少ない「低炭素社会」の実現に向けて、太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーや、化石燃料への依存が少ない次世代車両(電気自動車など)への期待が高まっています。これらを支える技術として、開発が進められているのが「電力貯蔵技術」です。電力貯蔵技術とは、一度発電した電力をムダにせず、必要なときに効率的に利用できるように、充電・放電を繰り返すことのできる技術のことです。携帯機器などに使われている二次電池(リチウムイオン電池、ニッケル水素電池など)や、電車の回生ブレーキなどに用いられるキャパシタをはじめ、さまざまな種類があります。ここでは、これらの多様な電力貯蔵技術の原理や特徴、用途などを概観するとともに、実用化や普及に向けた研究開発の動向を紹介します。

※掲載内容は2017年3月時点の情報に基づいております。
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1.注目される電力貯蔵技術

必要に応じて充電・放電を行うことができる電力貯蔵技術。CO2などの温室効果ガスの排出が少ない「低炭素社会」の実現に向けて、この電力貯蔵技術が注目されています。

2015年12月に採択された「パリ協定」では、平均気温の上昇を2℃以下に抑えるという長期目標が合意され、日本は、2030年度までに温室効果ガスの排出量を26%削減(2013年度比)するという目標案を提出しています。この実現には省エネルギーの推進のほか、太陽光発電や風力発電といった、再生可能エネルギーの積極的な活用も必要になりますが、そのために電力貯蔵技術にも大きな期待が集まっています。

なぜ、太陽光発電や風力発電の普及に対して電力貯蔵技術が期待されているのでしょうか。それは、これらの再生可能エネルギーは、日射量や風の吹きぐあいといった気象条件によって発電量が左右され、そのままでは安定した電力供給が難しいためです。そこで、発電した電力を必要なときに備えて貯めることができる電力貯蔵技術と組み合わせることで、電力供給システムの安定性を高めることができるのです。

また、電気自動車やプラグインハイブリッド車(家庭用電源から充電できるハイブリッド車)などの次世代車両のエネルギー供給用として、リチウムイオン電池などの電力貯蔵技術が普及しています。これら次世代車両の二次電池は、走行時の駆動力として利用されるだけではなく、自宅に駐車している間に蓄電している電力を家庭で使う電力の供給源としての利用も始まっており、災害時における非常用電源としても期待されています。

こうした電力貯蔵技術は、内閣府に設置された総合科学技術・イノベーション会議による「エネルギー・環境イノベーション戦略」(2016年4月)や、経済産業省による「エネルギー革新戦略」(2016年4月)の中でも、今後重点的に取り組むべき技術開発の1つとして位置づけられています。

図1 高性能電力貯蔵の技術開発ロードマップ
出典:経済産業省「エネルギー関係技術開発ロードマップ」
http://www.enecho.meti.go.jp/category/others/for_energy_technology/pdf/141203_roadmap.pdf

電力貯蔵技術は、電力需要全体のバランス調整や、発電効率の向上という点からも注目されています。

電力需要は、一般には1日のうち昼間が最大(ピーク)、夜間が最小(ボトム)であり、年間を通じて夏や冬の空調が必要となる季節に最大となる特徴があります。そこで電力会社では、電力需要量が最も多くなる季節の最大需要に備えた発電・流通設備を確保しているのが現状です。しかし、こうした対応は、電力需要の少ない時期には発電所の稼働率が下がることを意味し、最も効率よく発電できる定格出力での運転時間が減るため、発電効率の低下を招くことになります。

こうしたことから、需要の少ない時間帯での余剰電力を貯蔵し、ピーク需要の時間帯に供給する「負荷平準化」により、発電所の稼働を一定にして発電効率を向上させることが期待されています。現在、負荷平準化の方法として揚水発電によるピークカットがすでに実用化されていますが、その他の方法についても実用化や普及に向けた研究開発が進められています。

2.電力貯蔵技術の種類と動向

現在、研究が進められている電力貯蔵技術にはさまざまな種類があり、それぞれの特徴に照らして用途分野が想定されています(表1)。

表1 電力貯蔵技術の種類
貯蔵エネルギー 主な用途
二次電池 電気化学エネルギー 負荷平準化、受電電力平準化、発電電力平準化、非常用電源、瞬低・停電補償、その他(移動体用、携帯機器用など)
電気二重層キャパシタ 静電エネルギー 発電電力平準化、瞬低・停電補償、その他(移動体用、携帯機器用など)
フライホイール 運動エネルギー 瞬低・停電補償、電力系統制御、その他(移動体用、携帯機器用など)
超伝導電力貯蔵(SMES) 電磁エネルギー 瞬低・停電補償、電力系統制御
揚水発電 位置エネルギー 負荷平準化
圧縮空気電力貯蔵 圧力エネルギー 負荷平準化
水素電力貯蔵 電気化学エネルギー 負荷平準化
負荷平準化
電力会社が変電所構内などに設置し、夜間充電・昼間放電により電力需要ピーク時のみの発電所稼働を抑制
受電電力平準化
需要家が受電設備の一部として設置し、夜間充電・昼間放電により契約電力のピークを低減
発電電力平準化
太陽光発電や風力発電などで、気象条件に左右される発電量を平準化して電源を安定化。あるいは低負荷時に充電し、需要ピーク時に使用
非常用電源
停電時に必要最低限の電源を供給
瞬低・停電補償
瞬時電圧低下や停電時に必要な電力を補償
電力系統制御
系統安定化や負荷変動補償・周波数調整用として使用
その他
移動体用、携帯機器用などに使用

参考資料:
田中 祀捷, 伊瀬 敏史 監修『電力システムにおける電力貯蔵の最新技術』シーエムシー出版、2006年
経済産業省原子力安全・保安院「電力貯蔵設備の規制の在り方について(案)」
http://www.meti.go.jp/committee/materials/downloadfiles/g80123a03j.pdf

1)二次電池

二次電池とは、繰り返しの充電・放電が可能な電池のことで、化学反応を利用してエネルギーを貯蔵・放出します。定置型のものや移動体用、小型携帯機器用などがあり、小容量から大容量まで幅広く実用化されています。ここでは主に、定置型と移動体用の二次電池の技術開発について紹介します。

ナトリウム硫黄電池(NAS電池)

NAS電池は、負極に金属ナトリウム、正極に硫黄を配置し、これを固体電解質(ベータアルミナ)で隔てる構造のもので、固体電解質の中をナトリウムイオンが移動できる特性を利用しています(図2)。

図2 NAS電池の原理
出典:日本ガイシ「製品情報/NAS電池」
http://www.ngk.co.jp/product/nas/about/principle.html

NAS電池は大容量の蓄電が可能で、当初は電力会社の電力供給設備を効率的に利用するため、需要地に近い変電所に設置することを目的に開発されましたが、現在では工場の受電電力平準化を中心に、非常用電源や瞬低・停電補償を目的に設置されることも多くなっています。

2001年に八丈島において風力発電の発電電力平準化を目的とした実証試験が行われたほか、大規模な蓄電池併設型風力発電所の二又風力発電所(青森県六ヶ所村)において、34MWのNAS電池の実用化実験が2007年に行われています。 その後導入が進み、2016年3月には、九州電力の豊前蓄電池変電所において、世界最大級となる50MWのNAS電池の稼働が開始されています。

NAS電池の国内外での需要が拡大しつつあることから、2010年には、NAS電池のトップメーカーが生産能力を150MW/年に増強しました。これによって、課題とされているコストダウンも進展すると見られています。

レドックスフロー電池

「レドックスフロー」という名前は、Reduction(還元)とOxidation(酸化)、およびFlow(流れ)の合成語です。正極・負極ともバナジウム(V)を用い、これを希硫酸に溶かして電解液としています。電解液が電池セルと電解液タンクの間を循環する際にバナジウムイオンの価数が変化することによって充・放電が行われます(図3)。電解液は半永久的に使用可能なため、長寿命の電池といえます。

図3 レドックスフロー電池の原理
出典:日本電気技術者協会「電気技術解説講座」
http://www.jeea.or.jp/course/contents/09401/

レドックスフロー電池はNAS電池と同様、大容量の蓄電が可能なため、負荷平準化を目的に開発が進められてきましたが、現在は工場の受電電力平準化や非常用電源、瞬低・停電補償に実用化されているほか、太陽光発電や風力発電の発電電力平準化のための実証試験などが行われています。北海道の南早来変電所では、世界最大級となる容量60MWhの大型蓄電システムを導入、周波数変動を抑えるための周波数調整用電源としての効果が検証される予定です。

ニッケル水素電池

ハイブリッドカーなどに使われているニッケル水素電池は、急速充電が行えるため、使い切っても短時間で充電できるという特長を持っています。正極に水酸化ニッケル、負極に水素吸蔵合金を配し、水酸化カリウム水溶液を電解質に使っています。開発当初以来、移動体や携帯機器用として利用されてきましたが、最近では大容量の産業用定置型ニッケル水素電池も開発され、風力発電・太陽光発電の発電電力平準化や受電電力平準化などにも利用されています。

リチウムイオン電池

ニッケル水素電池と並んで多くの携帯機器用に広く利用されているリチウムイオン電池は、正極にリチウム含有金属の複合酸化物、負極に炭素化合物を用いています。メモリー効果(繰り返し充電による蓄電能力低下現象)が小さく、放電持続時間が長いことなどから爆発的に需要が増大しており、大手リチウムイオン電池メーカー各社では生産増強の動きが活発です。

当初、ハイブリッドカーへの搭載電池はすべてニッケル水素電池となっていましたが、安全性の向上により、現在はリチウムイオン電池への移行が進んでいます。リチウムイオン電池はニッケル水素電池に比べ、エネルギー密度が高いという特長があります。そのため電気自動車では主流となっていますが、航続距離の短さが課題となっており、エネルギー密度をさらに高めるための研究開発が行われています。

また、電解液の代わりに固体電解質を利用する全固体電池の開発も進められています。従来、リチウムイオン電池には可燃性の有機電解液が使われていたため、発火する危険性がありました。固体電解質だと、安全性が高く、エネルギー密度の向上や、使用温度の拡大も期待できます。リチウムイオン伝導率の低さが課題でしたが、最近では、新エネルギー・産業技術総合開発機構のプロジェクトで、従来のリチウムイオン電池以上の出力特性を持った全固体電池が試作されています。

2)電気二重層キャパシタ

電気二重層キャパシタは、電気を化学反応なしに“電気のまま”貯蔵できます。電荷の吸着・脱離によって充電・放電を行うため、充電時間が短いことと、利用の繰り返しによる劣化が少なく、重金属などを使用することもないため、環境に対する安全性が高いことが特徴です。

電気二重層キャパシタの電極は、正・負極とも活性炭などの多孔質・大表面積の素材を用います。電極と電解液との間に形成される電気二重層を絶縁層として、電荷を吸着して電気を貯蔵します(図4)。

図4 電気二重層キャパシタの原理
出典:新エネルギー・産業技術総合開発機構「未来へ広がるエネルギーと産業技術」

電気二重層キャパシタは急速充・放電が可能なため、瞬低・停電補償に使われているほか、電鉄車両の回生ブレーキに伴う電力の充・放電に関する開発や、ハイブリッド自動車に二次電池と併用して利用する研究、風力発電・太陽光発電の発電電力平準化のための研究開発も行われています。

また、従来の活性炭に代わる電極素材として、ナノテクノロジーを活用した炭素素材が使われるようになり、高い静電容量(キャパシタに蓄えられる電荷量)を可能にしています。さらに電解質についても、固体でありながら液体と同程度のイオン伝導性を持つ新たな耐電圧型電解質の研究も進められています。

このように電気二重層キャパシタに対する期待は大きいといえますが、今後、コストダウンをどう実現するかが課題とされています。

3)フライホイール

フライホイール発電機は、円盤などの回転体(フライホイール)の運動エネルギーとしてエネルギーを貯蔵・放出します。短時間のエネルギー貯蔵に向いており、国内では、日本原子力研究所(現・日本原子力研究開発機構)で世界最大規模のフライホイール発電機の稼動実績があるほか、鉄道用や無停電電源用などですでに実用化されています。

フライホイール発電機は、フライホイールと発電機とが軸に直結した構造を持つものです。発電機を電気で回転させることにより、フライホイールは加速されてエネルギーを貯蔵(充電に相当)し、逆に、フライホイールの回転力で発電機を回転させることによりエネルギーを放出(放電に相当)します(図5)。貯蔵するエネルギーは回転数の2乗に比例します。

図5 フライホールの原理

フライホイールは、2002年に島根県斐川町において、風力発電と組み合わせた小規模分散電源実用化のための設置運転が行われ、その有効性が確認されています。その後、電力会社や鉄道会社などで実用化が進むなかで、エネルギー損失をもたらす空気抵抗に対してはヘリウムガスのケース内充填や真空化、リム(回転体)の高張力に耐える材質としてはFRP(繊維強化プラスチック)、合成樹脂、カーボン繊維などの新材料の採用など、新技術の開発が進んできました。

現在は、軸受による摩擦をなくすため、超電導コイルによる磁気浮上技術を利用した磁気軸受(図6)を用いる研究が進められています。これらの研究開発によって、さらに大容量、長期貯蔵が可能になり、2015年には、世界最大級の超電導フライホイール蓄電システム(出力300kW/容量100kWh)が山梨県に完成。大規模太陽電池発電所と連携させた実証試験が行われています。

図6 超電導フライホイール電力貯蔵装置の概念図
出典:新エネルギー・産業技術総合開発機構「超電導技術 解説資料」
http://www.nedo.go.jp/content/100116650.pdf

4)超電導電力貯蔵(SMES)

超電導電力貯蔵(SMES)は、電気抵抗がゼロという特性を持つ超電導コイルを利用して電気を貯蔵する装置です。超伝導コイルに電気を流し永久電流スイッチを閉じれば、直流電流が流れ続けて電力を貯蔵することができます。また電力供給時には、交直変換器により交流電流に変換し、電力系統に供給されます。SMESの基本構成は図7のとおりです。

図7 超電導電力貯蔵(SMES)の基本構成
出典:新エネルギー・産業技術総合開発機構「超電導技術 解説資料」
http://www.nedo.go.jp/content/100116650.pdf

現在、超電導コイルの支持構造物の研究や、性能の実証試験などが行われていますが、今後は、低温超電導線(液体ヘリウム温度の-269℃で利用)に代わる高温超電導線(液体窒素温度の-196℃で利用)の開発とコストダウンなどが課題とされています。

5) 揚水発電

揚水発電は、下部調整池の水を電力需要の少ない夜間に上部調整池へ揚水し、昼間に発電するもので、100年余り前から実用化されています。下部調整池の代わりに海を利用する海水揚水発電なども研究開発が進められています。

現在、系統電力の負荷平準化の中心的役割を担っている揚水発電は、長期間の豊富な実績があり、可変速揚水発電システムも実用化されています。新たな貯水ダムの立地場所を確保しにくい状況にはありますが、最近では、北海道に京極発電所が新設され、北海道初の純揚水式発電所として、2014年10月より運転を開始しています。

また、立地場所の課題を解決する方法として淡水による揚水発電に替わる「海水揚水発電」の研究も進められています。2004年からは沖縄やんばる海水揚水発電所において世界初の海水揚水発電が開始され、2016年に廃止されるまで運転が続けられていました。

6)圧縮空気電力貯蔵

圧縮空気電力貯蔵は、コンプレッサーを使って電力需要の少ない夜間に空気を圧縮し、タンクなどに貯蔵したものを、昼間に取り出してガスタービンによる発電に利用するものです。通常のガスタービン発電機と比べて、空気を圧縮するためのエネルギーが不要となるため、より効率のよい発電が可能です。

圧縮空気電力貯蔵は、負荷平準化に有効な技術として欧米ではすでに実用化されており、貯槽用空洞として岩塩採掘跡などの気密性の高い地下空間を利用し、低コストで建設しています。日本には大陸のような岩塩層がないため、貯槽空洞周辺の地下水を利用した水封方式の地下貯蔵が提案され、炭鉱跡地での実験が行われています。

また2015年には、早稲田大学らのグループが、「断熱圧縮空気蓄電システム」の開発に着手しています。このシステムは、電力を圧縮空気と熱の形で貯蔵するもので、2016年度にMWクラスの実証機の試運転を行い、その後、実証運転を継続して商品化を目指すということです。

7)水素電力貯蔵

水素電力貯蔵は、エネルギーキャリアとして水素を利用し、充電・放電を行います。余剰電力があるときに水素を製造しておき、需要が多いときにその水素を使って発電することができます。変換時のエネルギー損失が大きいという欠点がありますが、低コストで大規模な貯蔵に適しているほか、月単位の長期貯蔵にも向いています。また、山頂や沖合など電力系統から遠くにある再生可能エネルギー設備に併設し、発電した電力を水素に変換、輸送して利用することも考えられています。

水素電力貯蔵は、電力を使って水電解で水素を製造し、貯蔵しておいた水素を使って、燃料電池で発電するものです。水電解には、電解質の違いにより、アルカリ水電解、固体高分子形セル電解、固体酸化物形セル電解といった種類があり、古くから実用化されているアルカリ水電解では、大規模な商用プラントの実績があります。

固体高分子形セル電解には、アルカリ水電解のような腐食の問題がなく、小型化が可能ですが、貴金属触媒を使うため、コストの高さが課題となっています。一方、最新の固体酸化物形セル電解は効率の高さが期待できますが、劣化が早いという問題があり、実用化に向けたさらなる技術開発が必要です。

水素電力貯蔵は自治体などで普及が進みつつあり、2016年には、横浜市港湾局で稼働を開始しています。平時は受電電力の平準化に利用しておき、災害時にはライフラインが寸断されても、72時間分の電力を防災センターに供給することができます。

3.まとめ

以上のように、電力貯蔵技術にはさまざまな種類があり、それぞれの特性を活かした研究開発が進められています。コストダウンをはじめ、広範な普及に向けた課題は少なくありませんが、低炭素社会の実現に向けて、さらなる研究開発が期待されます。

引用・参考資料など

[1] 経済産業省. "エネルギー関係技術開発ロードマップ". 2014,
http://www.enecho.meti.go.jp/category/others/for_energy_technology/pdf/141203_roadmap.pdf, (参照 2017-02-25)

[2] 電気事業連合会. "電力需要の負荷平準化", 電力事情について,
http://www.fepc.or.jp/enterprise/jigyou/juyou/, (参照 2017-02-25)

[3] 田中 祀捷, 伊瀬 敏史 監修. 電力システムにおける電力貯蔵の最新技術. シーエムシー出版. 2006

[4] 経済産業省, 原子力安全・保安院. "電力貯蔵設備の規制の在り方について(案)". 2008,
http://www.meti.go.jp/committee/materials/downloadfiles/g80123a03j.pdf, (参照 2017-02-25)

[5] 日本ガイシ. "製品情報/NAS電池",
http://www.ngk.co.jp/product/nas/about/principle.html, (参照 2017-02-25)

[6] 日本ガイシ. "2016年03月03日 世界最大級のNAS電池が運転開始". 2016,
http://www.ngk.co.jp/news/2016/20160303_01.html, (参照 2017-02-25)

[7] 天野尚. "電気技術解説講座". 社団法人日本電気技術者協会,
http://www.jeea.or.jp/course/contents/09401/, (参照 2017-02-25)

[8] 住友電気工業. "南早来変電所大型蓄電システムの実証試験開始について". 2015,
http://www.sei.co.jp/company/press/2015/12/prs098.html, (参照 2017-02-25)

[9] 新エネルギー・産業技術総合開発機構. "リチウムイオン電池の3倍以上の出力特性をもつ全固体電池を開発". 2016,
http://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_100537.html,(参照 2017-02-25)

[10] 新エネルギー・産業技術総合開発機構. "電気をロスなく蓄える夢の“パワーキャパシタ”". 未来へ広がるエネルギーと産業技術. 2004.

[11] 新エネルギー・産業技術総合開発機構. "次世代フライホイール蓄電システム実証試験施設が完成". 2015,
http://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_100443.html, (参照 2017-02-25)

[12] 古河電気工業. "超電導フライホイール蓄電システム実証機が完成". 2015,
https://www.furukawa.co.jp/release/2015/kenkai_150415.html, (参照 2017-02-25)

[13] 新エネルギー・産業技術総合開発機構. "超電導技術 解説資料". 2010,
http://www.nedo.go.jp/content/100116650.pdf, (参照 2017-02-25)

[14] 北海道電力. "京極発電所2号機の営業運転開始について". 2015,
http://www.hepco.co.jp/info/2015/1196847_1643.html, (参照 2017-02-25)

[15] 早稲田大学. "長寿命で信頼性・環境性に優れる「断熱圧縮空気蓄電システム」の開発に着手". 2015,
https://www.waseda.jp/top/news/28684, (参照 2017-02-25)

[16] 新エネルギー・産業技術総合開発機構. "平成24年度成果報告書 固体高分子形燃料電池実用化推進技術開発 再生可能エネルギーの水素電力貯蔵・充放電システムに関する検討". 2014,
http://www.nedo.go.jp/library/seika/shosai_201406/20130000000430.html, (参照 2017-02-25)

[17] 東芝. "横浜市港湾局向け自立型水素エネルギー供給システム「H2One™」が運転を開始". 2016,
https://www.toshiba.co.jp/about/press/2016_04/pr_j2101.htm, (参照 2017-02-25)

(2017年3月現在)
2008年10月:掲載
2017年9月12日:更新