過去 50 年間にわたり、世界の電力消費量は増加し続けており、2021 年には約 25,300 テラワット時にな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、産業およびその他の経済部門の電力需要を除いて、年々増加しています。この産業の変化と電力消費量の増加は、温室効果ガスの過剰排出によるより明白な気候変動の影響と結びついています。現在、ほとんどの発電所および施設は、そ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。こうした気候への懸念により、従来の方法を使用して追加のエネルギーを生成することはできません。したがって、再生可能資源からのエネルギーの継続的かつ信頼性の高い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または「グリーン」ソリューションに移行することで対応しています。この移行は製造技術の改善によって促進され、たとえば風力タービンブレードの製造効率が向上しました。また、研究者らは太陽電池の効率を向上させることができ、使用面積当たりのエネルギー生成の向上につながりました。2021 年、太陽光発電 (PV) 源からの発電量は大幅に増加し、記録的な 179 TWh に達し、2020 年と比較して 22% の成長を記録しました。太陽光発電技術は現在、世界の発電量の 3.6% を占め、現在 3 番目に大きい再生可能エネルギーです。水力、風力に次ぐエネルギー源。
しかし、これらの画期的な進歩は、再生可能エネルギー システムに固有の欠点の一部、主に可用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、石炭や石油発電所のようにオンデマンドでエネルギーを生成しません。たとえば、太陽エネルギー出力は、太陽の照射角度や PV パネルの位置に応じて変化しますが、1 日を通して利用できます。夜間にはエネルギーを生成できず、冬季や曇りの日には出力が大幅に低下します。風力発電も風速に応じて変動します。したがって、低出力期間中にエネルギー供給を維持するには、これらのソリューションを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、後の段階で使用するためにエネルギーを貯蔵できます。場合によっては、保存されたエネルギーと提供されたエネルギーの間でエネルギー変換の形式が発生します。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。電極と電解質の間の化学反応によって電気エネルギーを供給します。
電池、または BESS (電池エネルギー貯蔵システム) は、日常生活の用途で使用される最も一般的なエネルギー貯蔵方法です。ダムに蓄え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など、他の貯蔵システムも存在します。落ちる水は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。別の例は圧縮ガスであり、放出されるとガスがタービンの車輪を回転させて電力を生成します。
バッテリーを他の保管方法と区別するのは、その潜在的な動作領域です。小型デバイスや自動車の電源から家庭用アプリケーションや大規模な太陽光発電施設に至るまで、バッテリーはあらゆるオフグリッド ストレージ アプリケーションにシームレスに統合できます。一方、水力発電と圧縮空気による方法では、貯蔵のために非常に大規模で複雑なインフラストラクチャが必要です。これは非常に高いコストにつながり、それ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になります。
オフグリッド ストレージ システムの使用例。
前述したように、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方式の利用と依存を容易にすることができます。それにもかかわらず、このようなシステムから大きな恩恵を受けることができる他のアプリケーションもあります
都市電力網は、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 ストレージ システムは、需要のピーク時に変動を軽減し、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、主電力網や定期メンテナンス期間中の予期せぬ技術的障害を補償するのに非常に有益です。代替エネルギー源を探すことなく、電力要件を満たすことができます。たとえば、2023 年 2 月初旬に発生したテキサス州の氷嵐では、約 26 万 2,000 人が停電し、困難な気象条件により修理が遅れました。
電気自動車も別の用途です。研究者は、バッテリーの寿命と電力密度を延ばすために、バッテリーの製造と充電/放電戦略を最適化するため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、新しい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。この場合、バッテリーの性能が向上すると走行距離が伸びるだけでなく、適切なテクノロジーを使用すれば充電時間も短縮されます。
UAV やモバイル ロボットなどの他の技術の進歩は、バッテリーの開発から大きな恩恵を受けています。そこでは、動作戦略と制御戦略は、バッテリーの容量と供給される電力に大きく依存します。
BESSとは何ですか
BESS または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、メイングリッドから供給されることも、風力エネルギーや太陽エネルギーなどの再生可能エネルギー源から供給されることもあります。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、要件に基づいてサイズが決定されます。これらは、DC 電力を AC 電力に変換して使用するために使用されるインバーターに接続されます。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して、設置/接続が特に柔軟で、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 のサイジングと使用習慣
バッテリーエネルギー貯蔵システムを設置する際に取り組むべき重要な点は、サイジングです。電池は何個必要ですか?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にはコスト削減と効率の点で重要な役割を果たす可能性があります。
アプリケーションは小規模の家庭から大規模な工場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。
特に都市部の小規模世帯にとって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使用した太陽光発電です。エンジニアは通常、家庭の平均電力消費量を考慮し、特定の場所の年間の太陽放射量を評価します。バッテリーの数とそのグリッド構成は、バッテリーを完全に消耗させずに、一年で最も太陽光発電の供給が少ない時期の家庭の需要に適合するように選択されます。これは、電力がメイングリッドから完全に独立してい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すること、またはバッテリーを完全に放電しないことは、最初は直感に反するかもしれません。結局のところ、ストレージ システムの可能性を最大限に引き出すことができないのに、なぜストレージ システムを使用する必要があるのでしょうか?理論的には可能ですが、それは投資収益率を最大化する戦略ではない可能性があります。
BESS の主な欠点の 1 つは、バッテリーのコストが比較的高いことです。したがって、バッテリーの寿命を最大限に延ばす使用方法や充電/放電戦略を選択することが重要です。たとえば、鉛蓄電池は、容量の 50% 未満で放電すると、不可逆的な損傷を受けることになります。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です。より大きなレンジを使用して放電することもできますが、その場合は価格が高くなります。化学的性質によってコストには大きな差があり、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安い場合があります。これが、鉛蓄電池が第三世界の国々や貧困地域の太陽光発電用途で最も使用されている理由です。
バッテリーの性能は寿命中の劣化に大きく影響され、突然故障してしまう安定した性能はありません。その代わり、提供される容量は徐々に減少する可能性があります。実際には、バッテリーの容量が元の容量の 80% に達すると、バッテリーの寿命が尽きたとみなされます。言い換えれば、容量が 20% 減少したときです。実際には、これは提供できるエネルギー量が少なくなるということを意味します。これは、完全に独立したシステムの使用期間と EV がカバーできる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。製造と技術の進歩により、最近のバッテリーは一般的に化学的により安定しています。しかし、劣化や乱用履歴により、セルが熱暴走に陥り、壊滅的な結果をもたらし、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、バッテリーの使用状況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て深刻な結果を回避するために健康状態も監視する、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
グリッドエネルギー貯蔵システムは、メイングリッドからの電力の独立性を達成する絶好の機会を提供するだけでなく、ダウンタイムやピーク負荷期間中のバックアップ電源も提供します。そこでの開発は、より環境に優しいエネルギー源への移行を促進し、エネルギー生成が気候変動に及ぼす影響を制限しながら、消費の継続的な増加によるエネルギー需要を満たします。
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ており、日常のさまざまな用途に合わせて構成するのが最も簡単です。柔軟性が高い反面、コストが比較的高いため、それぞれ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ります。現在、産業界と学界は、さまざまな条件下でのバッテリーの劣化を調査し理解するために多大な努力を注いでいます。
