米国発クリーンテック便り(5) ―― 「発電」と同じくらい重要な「蓄電」の米国事情

●日本のメーカが市場をほぼ独占しているNa-S電池

　メガワット・クラスの大規模蓄電としては，Na-S（ナトリウム・硫黄）電池が今いちばんポピュラでしょう．日本のメーカが市場をほぼ独占しています．米国でもこの蓄電装置が風力発電所に併設されるケースが多いようです．

　独立行政法人 産業技術総合研究所の資料によると，その特徴は以下のとおりです．

　まず長所として，体積と重量が従来の鉛蓄電池の1/3程度とコンパクトであることが挙げられます．このため，需要地の近辺に設置できます．また構成材料が資源的に豊富です．長寿命で自己放電が少なく，充放電の効率が高いと言えます．

　短所としては，常温で動作しないことが挙げられます．ヒータによる加熱と放電時の発熱を用いて，作動温度域（300℃程度）に温度を維持する必要があります．また，充放電特性が比較的長い時間率（6～7時間）で設計されています．一定期間内に満充電リセットを実施する必要があります．

　NGK Insulators社（日本ガイシ）は，米国の電力会社の一つであるAmerican Electric Power社がウェストバージニア州Charlestonに設置した風力発電施設にNa-S電池を利用した蓄電装置を納めています．この蓄電装置により，数時間分の風力の変動をバッファリングして，電力網への電力流入を平均化できるそうです．3個のユニットで6メガワットのバッファリングが可能です．コストは2700万ドル，1ワット（W）当たり4ドル以上です．

　う～ん，高いのか安いのか判断に迷うところです．仮に1ギガワットを蓄電しようとすると，150台以上必要となる計算になります．やはりもう1けたか2けた，蓄電効率を上げる必要があります．6メガワットの蓄電量ではとても足りません．

●大型化に有利なVRに注目

　VR（Vanadium Redox；バナジウムを用いたフロー蓄電池）はこれからの技術です．VRのRはRedoxの略で，これは「酸化還元反応（Reduction-oxidation Reaction）」を意味します．イオンの酸化還元反応を溶液のポンプ循環によって進行させ，充電と放電を行います．Wikipediaの記述によると，サイクル寿命が1万回以上と長く，実用上は10年以上利用できます．さらに構造が単純で大型化に適するため，メガワット級の電力用設備として実用化されつつあるそうです．

　充電時の動作は，以下のように進行します．まず，プラス極に電流が流入（電子が流出）するので，4価のバナジウムは（電子を失い）5価に酸化されます．マイナス極では3価のバナジウムが（電子を得て）2価に還元されます．この時，バナジウムの対イオンである硫酸イオンから見ると，ブラス側では相手が過剰となり，マイナス側では不足します．これを調整するために陽イオン交換膜を水素イオンが通過し，バランスを取ります．放電時には，充電時の逆の反応が進行します．

　循環ポンプにより，タンク内から未反応のイオンが供給される限り反応は進みますが，反応済みイオンの濃度が増すにつれて充電効率が低下します．このため，最大充電容量は全イオン量よりある程度低くなります．重量エネルギー密度は20Wh/kg程度と低く，リチウムイオン2次電池の 1/5程度に過ぎません．

　VRには多くの長所があります．まず，燃焼性や爆発性の物質を使用しないという意味で，先行して実用化されたNa-S電池より安全性の面で優れています．また，室温で動作し，熱源は特に必要としません．設備は，大部分が一般的な機器で構成でき，繰り返し充放電により長寿命を期待できます．レアメタルなどの希少資源もほとんど必要としません．電池容量を増やすには，溶液のタンクを増設するだけですむので，大型設備に適しています．

　短所は，水溶液を使用しているので，水の電気分解が生じる電位が制限となり，エネルギー密度を上げることができない点です．大型化は容易ですが，小型化は困難です．溶液温度が上昇すると支障があるため，冷却装置が必要になります．

　VRは大型化に有利な方式ですが，最近では家庭向けの30ワット時（Wh）のフロー電池を開発するベンチャ企業も登場しています．これらの蓄電装置が安価な値段で買えるようになると，世の中が大きく変わるかもしれません．

●化石燃料発電と再生可能エネルギー発電は補完的な関係

　風力発電や太陽光発電の場合，ばらつく電力発生量を平準化する要求が強いのですが，火力発電や原子力発電では，一度稼働を始めると同じ発電量がずっと続くので，ピーク/オフピークの電力発生量を調整するのが容易ではありません．再生可能エネルギー発電と化石燃料発電は補完的な関係になるべきで，そのためにも「蓄電」が非常に重要になります．

　今，米国で再生可能エネルギーの発電所を作るコストは，だいたい1ワット当たり4ドルと言われています．1ギガワット（原子力発電所1基分に相当）の太陽光発電所を作るのに，パネル代，インバータ代，土地代，建設費，その他で約40億ドル（3400億円）必要になります．なお，再生可能エネルギー発電は太陽や風に依存するので，年間の平均稼働率は30％～40％程度です（原子力発電は90％以上）．化石燃料発電にしろ再生可能エネルギー発電にしろ，発電量の1/5程度を蓄電してはじめて安定化しますが，化学的方法ではその規模と安全性に疑問が残ります．

●大規模蓄電は「物理学」でいくか，「化学」でいくか

　大規模蓄電ということになると，現時点で一番効果を上げているのは揚水型の水力発電所（図2のPSH：Pumped hydro）で，米国で22ギガワット，欧州で38ギガワットの蓄電能力があります．

　米国のEPRI（Electric Power Research Institute）によると，全米にはCAES蓄電施設を設置できる場所はかなりあるそうで，300メガワットの施設を作るためには2200万立方フィート（約62万立方メートル，すなわち1辺が約85メートルの立方体）の地底空間があればいいとのことです．これで8時間分（×300メガワット）の蓄電が可能です．イニシャル・コストは1ワット当たり1.5ドルですむようになります．すでに稼働しているドイツの施設は1978年から，米国の施設は1991年から安定稼働を続けています．「シャンパンのふたが飛ぶ」のは困りますが，米国のように土地が広大な国では，人家から離れた場所に設置することも容易です．送電網には直流高圧線で供給すればロスが少なくなります．

　重力を用いた揚水式発電所と圧縮空気を用いたCAESを数十カ所作り，再生可能エネルギーによる発電や化石燃料発電の夜間の安い電力で蓄電し，昼間の高い電気代で売電する，というのは案外ビジネスとして成り立つかもしれません．

　筆者は物理学科卒なので，物理現象というのは安心感があり，かつスケーラブルであると感じます．化学学科卒の人には怒られるかもしれませんが...．

さかぐち・ゆきお
yukio@sakaguchi.org
http://d.hatena.ne.jp/YukioSakaguchi/

◆筆者プロフィール◆
阪口 幸雄．シリコンバレー在住25年．もともと半導体技術のベテランで，CQ出版が発行していたDesign Wave Magazineにも数度登場．最近，環境技術をあれこれ勉強中．「地球環境を守ることとビジネスの発展は両立する」がモットー．