倉庫規模のワークショップの裏では、ヘルメットを着た約12人のエンジニアが巨大な青いマシンを構築しています。 3階建ての足場に囲まれた船舶用ディーゼルエンジンから、それぞれが人間よりも高い6つのシリンダーと、チューブ、パイプ、バルブの茂みが上方に伸びています。
ニューハンプシャー州シーブルックのスタートアップSustainXによって考案されたこのマシンは、空気を圧縮してエネルギーを貯蔵するように設計されています。 電気モーターがエンジンのクランクシャフトを回して、上のシリンダーのピストンを駆動します。 ピストンは空気と泡沫水の混合物を絞り、加圧された空気を大きなスチール製タンクに送り込み、そこでコイル状のバネのように保持することができます。 電気事業者が電力を必要とする場合、タンクのキャップが解除され、空気が飛び出し、エンジンに電力を供給し、電力会社の顧客のために電気を生成します。
賭け金は高いです。 SustainXなどの企業が、一度に数時間でも安価にエネルギーを保存できるシステムを提供できる場合、風力や太陽光は、化石燃料プラントのような信頼できる電力プロバイダーに変わります。 例えば、風と太陽の出力の変動は滑らかにされ、夜間の風からの過剰な電力は、需要がより高くなると、後で送られます。
SustainXのマシンおよびその他のマシンは、エネルギー貯蔵のテクノロジーレースの最先端にいます。 民間および政府の資金で3000万ドル以上に支えられている同社の仕事は、空気や水などの安価で簡単に入手できる材料を使用する賢いエンジニアが、電池のブレークスルーを追いかけている科学者の大群を打ち負かすという賭けを表しています。
ここで2013年5月に描かれたSustainXマシンは、等温圧縮空気技術を使用してエネルギーを保存します。 （写真：SustainX） エネルギー貯蔵は、コストと性能の飛躍的進歩により送電網がよりクリーンで信頼性が高くなる可能性があるため、非常に注目されています。 公益事業者は毎日、一定のバランス調整を行っています。信頼性の高いサービスを確保するには、発電所で生成される電力量を家庭や企業で消費されている電力と一致させる必要があります。 たとえば、暑い夏の日にエアコンからの需要が急増した場合、発電所は、夜間に需要が落ち込んだときに、より多くの電力を投入し、ダイヤルダウンする必要があります。
エネルギー貯蔵は、予備として、またはエネルギー銀行口座として機能します。 ピーク需要時には、ストレージは「ピーク」化石燃料プラントの代わりに電力を供給できます。 この技術は、風力発電所や太陽光発電所からの変動する出力を強化したり、地域の近隣に電力を供給する最大化された変電所の能力を増強したりすることができます。 建物内または建物の近くに配置すると、エネルギー貯蔵は停電時にバックアップを提供できます。 ただし、これらのアプリケーションの多くは、数時間またはおそらく半日の間電力を供給できるデバイスを必要とします。 そして、それは安全かつ低コストで行われなければなりません。
数時間の保管には、電気化学電池を介した機械的保管システムを追求する説得力のある理由があります、と業界幹部は言います。 バッテリーには、リチウムやコバルトなど、供給の制約を受ける可能性のある、より高価な材料が必要です。 機械式システムとは異なり、ほとんどのラップトップユーザーが経験しているように、充電式バッテリーのストレージ容量は時間とともに減少します。
次に、イノベーションのペースがあります。 一般に、バッテリー研究の開発のペースは遅く、数か月ではなく数年で測定されます。また、パフォーマンスの向上は多くの場合増分です。 また、新しいタイプのバッテリーを大量に製造するには、工場への大きな先行投資が必要です。 対照的に、革新的な機械システムは、わずかに変更されたエンジン、産業用ガスタンク、および既に十分に理解され、大規模に生産されている他の機器から組み立てることができます。
「すべてを機能させるために特定のデバイスを発明して構築する必要はなく、システム統合の課題のようなものです」と、ロンドンに拠点を置くHighview Power StorageのCEOであるGareth Brett氏は語ります。液体に変わるまで冷却し、グリッドにエネルギーを蓄積します。 「当社の知的財産は、効率的かつ低コストな方法でシステムを設計および統合する方法にあります。」
電力網で使用するために電気を貯蔵する場合、ポンプ貯蔵水力はゴールドスタンダードと見なされます。これは、80年以上にわたって米国でエネルギーを供給してきた比較的安価な技術です。 名前が示すように、電力は電力需要が低いときに貯水池に上り坂で汲み上げられ、水力発電タービンで発電するために必要なときに放出されます。 揚水発電所は、数時間にわたって大量の電力を供給できるため、グリッドオペレーターは化石燃料を燃やす発電所を利用することなく、電力供給のギャップを埋めることができます。 しかし、それらはほとんど貯水池間で必要な標高の増加を提供する山岳地帯に限定されており、環境レビューには何年もかかります。
他の実証済みの低コストのバルク貯蔵方法は、圧縮空気エネルギー貯蔵、つまりコンプレッサーが地下の空洞に空気を送り込むCAESです。 電力が必要になると、天然ガスを燃焼させることで加圧空気が放出され加熱されます。 その後、その空気はタービンに吹き込まれ、電気を生成します。 世界には2つの地質学的圧縮空気エネルギー貯蔵プラントがあります。1つは1978年にドイツで、もう1つは1991年にアラバマで開業しました。 しかし、適切な地層のある場所を見つけることや、これらのプロジェクトに資金を提供することは難しいため、他の建物は建設されていません。 3番目のプラントはテキサス州のランクに加わり、最大317メガワットを貯蔵するための2億ドルのプロジェクトを要求する計画があります。これは中規模の発電プラントの出力に匹敵します。
エネルギースタートアップのイノベーターは、これらの技術の両方からインスピレーションを得て、さまざまな方向に分岐しています。 サステインXとカリフォルニア州バークレーに本拠を置くLightSail Energyは、貯蔵のために空気を圧縮することを提案していますが、地上のタンクに保管することを意味します。つまり、地下の洞窟がある場所に限定されません。 マサチューセッツ州ニュートンに拠点を置くGeneral Compressionは、風力タービンに直接接続する圧縮空気貯蔵システムを開発しました。
等温圧縮空気エネルギー貯蔵と呼ばれるこれらのアプローチにおける従来のCAESとの主な違いは、現場で燃料を燃やす必要がないことです。 代わりに、これらの第2世代CAES企業は、空気が高圧下に置かれたときに発生する熱を捕捉して再利用します。 LightSail Energyは、空気が圧縮されると細かい霧状の水を噴霧し、その温水を後まで保存する予定です。 電気を生成するために加圧空気が放出されると、天然ガスバーナーではなく、温水が熱交換器を通して空気を加熱します。
潜在的に安価なCAESアプローチは、圧縮空気を布製バッグに水中で保管することです。 スチールタンクに空気を保管する場合、スチールは高圧の空気を入れるのに十分な厚さが必要です。 しかし、代わりに水圧で仕事をすることができます-無料です。 ソーラースタートアップで働いていたとき、元ロケットエンジニアのスコットフレイザーは、どこにでも配置できる安価なストレージシステムの必要性を予見しました。 また、2010年に、Bright Energy Storage Technologiesという会社を共同設立して、海底または淡水貯水池の底に固定された大きなブラダーに圧縮空気を保管するというアイデアを追求しました。
「地上にタンクがある場合、より高い圧力に対してより多くの費用を支払う必要があります。ポンプで空気を注入するほど、より多くの鋼が必要になります。かなり線形です」とFrazier氏は言います。 ハワイの米海軍向けに製造された同社の最初のプロトタイプは、改造されたトラックエンジンを使用して地上のタンク内の空気を加圧します。 その機械の機構が実用的であることが判明した場合、会社と海軍は、水中に空気を蓄える第2のプロトタイプを構築することを計画しています。
より単純な大容量ストレージ設計でさえ、揚水発電所と同じように重力を利用します。 カリフォルニア州サンタバーバラに本拠を置くAdvanced Rail Energy Storageは、グリッドのエネルギー需要が低い場合に、ソーラーまたは風力発電所からのエネルギーが鉄道車両を丘の上に押し上げるプロジェクトの構築を模索しています。 電力が最も必要な場合、鉄道車両は下り坂を走行し、電力を生成します。 ハイブリッドカーがブレーキをかけている間にバッテリーを充電するのと同じように、下り坂を走行するときは、車両を上り坂で押す電気牽引モーターが逆に作動して発電機として動作します。 同様のコンセプトで、MITの機械エンジニアが設立し、Bill Gatesが資金を提供したEnergyCacheは、改造されたスキーリフト装置を使用して砂利を上下に運搬する実証保管システムを構築しました。
揚水式水力貯蔵の数十年前の分野では、帯水層に水を貯蔵したり、海の植物を設置したりといった新しいアイデアもあります。 これらのアプローチでは、同じ基本構成（低い貯水池の隣の高い場所にある人工貯水池）を使用しますが、より多くの場所に建設する可能性があります。 最も野心的なのは、オランダまたはベルギーの海岸沖の北海に「エネルギー島」を建設する提案です。 貯水池を備えた人工島を建設し、低需要時に風力タービンによって生成された余剰エネルギーを使用して、貯蔵用の水を汲み上げるという考えです。
これらの革新はすべて安価な材料から始まりますが、最終的には同じエンジニアリングの課題である効率に直面します。 多くのエネルギーが失われ、電気が圧縮空気または貯蔵水に変換され、再び元に戻されると、コストが上昇します。 この分野では、バッテリーは非常によく競合します。一部のタイプは、充電と放電の効率が90％以上です。
機械的保管の秘forは、可能な限り効率を上げることです。 空気貯蔵では、多くの場合、熱を有効活用することを意味します。 LightSailなどの等温CAES開発者は、圧縮空気から発生する熱を捕捉しますが、他のイノベーターは、他の方法では無駄になる外部ソースから熱を収集しています。 ロンドン近郊のデモプロジェクトで、Highview Power Storageは、貯蔵された液体空気を高圧ガスに変換する際に、近くの発電所からの廃熱にパイプを入れます。 冷却プロセスを支援するために冷たい空気を砂利に保存することも含め、さまざまな手法を使用して、Highview Power Storageはエネルギー変換効率を70％以上に高めることができます。
Highviewの英国スラウにある300キロワットの液体空気エネルギー貯蔵（LAES）パイロットプラント。 （写真：Highview Power Storage） SustainXのビジネス開発担当副社長であるリチャードブロディ氏は、機械システムは効率の点で最高のバッテリーに匹敵することはできませんが、それはポイントを逃しています。 より重要なのは、特に複数時間のストレージアプリケーションにとって、比較的低い初期費用と、機械システムがストレージ容量を失うことなく何十年も稼働できるという事実です。 機械的ストレージの擁護者によると、基本的な成分（鋼、空気、水、砂利）を使用して適切に調整されたマシンは、バッテリー電極の化合物の経時的な劣化を引き起こしません。 「私たちが話している規模とシステム寿命でできることを実行できる電気化学[バッテリー]テクノロジーを見たことはありません」とブロディは言います。 「これらのセルベースのバッテリーシステムでメガワット規模のものを実行することは実用的ではないと思います。」
グリッド上での広範なエネルギー貯蔵の可能性を考えると、低コストの材料を使用するアプローチが引き続き深刻な注目を集めています。 多くのスタートアップに加えて、多くの研究者が圧縮空気または液化空気の研究に取り組んでいます。 たとえば、英国のバーミンガム大学は、極低温エネルギー貯蔵の研究センターを設立し、ドイツの公益事業RWEが率いるコンソーシアムは、高効率CAESの開発に3年半かけて4, 000万ユーロ（5300万ドル）を投入しましたセラミック材料で満たされた大きな魔法瓶のような容器に圧縮プロセスからの熱を蓄えるシステム。
ストレージ技術のこのブランチは、輸送にも役立ちます。 エンジニアリング会社のリカルドには、液化空気がどのように内燃機関の効率を改善できるかを探る2つのプロジェクトがあります。 プジョーシトロエンは、他の自動車メーカーの中でも、圧縮空気貯蔵タンクを使用して、ハイブリッド乗用車のバッテリーとして効果的に機能する方法を追求しています。 リカルドの技術主任エンジニアであるアンドリュー・アトキンス博士は、魅力の多くは、部品とインフラストラクチャをすぐに入手できることです。 「サプライチェーンの問題はありません」と彼は言います。 「結局のところ、空気はすべて私たちのことです。」
