テスラのリチウムイオン電池貯蔵技術にライバル登場：液体空気

イーロン・マスクのテスラは、Twitterでの賭けに応え、埃っぽく日当たりの良い南オーストラリア州に、世界最大のリチウムイオン電池「ホーンズデール・パワー・リザーブ」を100日足らずで設置した。英国に拠点を置くハイビュー・パワーは、それよりも少し遅れて建設を進めている。数年の遅延の後、マンチェスター近郊に液体空気エネルギー貯蔵（LAES）プラントが稼働を開始した。

これは世界初の送電網規模の液体空気エネルギー貯蔵プラントです。既製の部品を使用するため、建設と拡張は比較的容易かつ安価です。空気は冷却され、液体化され、再び電気が必要になるまで数週間タンクに貯蔵されます。とてもクールだと思いませんか？

代替エネルギー貯蔵にとって、これは確かに成功の瞬間ではあるものの、まだ紙吹雪を散らすのは早計だ。リチウムイオン電池が王座を明け渡す日はまだ来ていない、とGTMリサーチのシニアアナリスト、ダン・フィン＝フォーリー氏は言う。米国だけでも、リチウムイオン電池技術は年間の貯蔵設備導入量の95%以上を占めている。しかし、電池は、たとえ最も効率の高いものであっても、数時間以上はエネルギーを貯蔵することができない。

では、供給のピークと谷を平滑化する必要がある太陽光発電と風力発電はどうなるのでしょうか?

「代替エネルギー貯蔵は電力網にとっての聖杯となり、再生可能エネルギーへの移行をはるかに加速させる欠けているリンクとなる可能性がある」と、GTMリサーチのエネルギー貯蔵部門ディレクター、ラビ・マンガニ氏は説明する。

確かなことが一つあります。信頼できるエネルギー貯蔵技術がなければ、世界は汚染物質を排出する石炭やその他の化石燃料からの脱却に苦労するでしょう。経済と社会が再生可能エネルギーに大規模に依存したいのであれば、代替となるソリューションが必要です。再生可能エネルギーは急速に成長しており、昨年、英国の全電力の29%が再生可能エネルギー発電所によって発電されました。ドイツでは33%でした。

しかし、夜は太陽が照らすわけではなく、風も常に吹くとは限りません。現在、蓄電市場はリチウムイオン電池技術が主流ですが、テスラが世界全体で1ギガワット時の蓄電能力を持っているにもかかわらず、利用可能なバッテリーの持続時間はせいぜい8時間程度です。「数日分の蓄電能力を絶対に備えなければなりません。4～6時間だけでは済まされません」とマンガニ氏は言います。

電気をより長く貯蔵する

ホーンズデール・パワー・リザーブ100MW蓄電システムは、129メガワット時の電力を供給でき、ホーンズデール風力発電所に接続されています。このシステムの主目的は、猛暑の夏の午後や大規模ガス発電所のトリップなど、系統の不測の事態発生時における電力網の安定性を高めることです。これにより、発電量のわずかな変動（通常は1時間から1時間半程度の電力供給を補う）への電力網の対応能力が向上します。

「これは非常に短時間の非常時需要に対応するように設計されています」とフィン＝フォーリー氏は言います。だからこそ、バッテリーはピーク電力を供給することも、いわゆる「ピーカー」発電所（ピーク電力需要時にのみ稼働する天然ガス発電所など）と競合したり、代替したりすることができません。また、太陽光発電の利用時間を日中の遅い時間帯まで延長することもできません。「10～12時間の連続放電が必要になるため、バッテリー容量は4倍以上必要になります」とフィン＝フォーリー氏は言います。

ここで、代替エネルギー貯蔵技術が状況を変える可能性があります。

現在、長期エネルギー貯蔵の最良のソリューションは、熱貯蔵、揚水発電、圧縮空気貯蔵、そして最新の液体空気貯蔵です。また、フロー電池などの代替電池技術もあり、研究者たちは将来的にはリチウムイオンよりも長時間のエネルギー放出が可能になると考えています。

しかし、結局のところ、すべてはコストに帰着します。そして、革新的な技術の開発と運用は安価ではありません。一方、リチウムイオン電池のコストは、家電製品や電気自動車の需要が急増し、世界中でギガファクトリーやメガファクトリーが急増しているため、急落を続けています。ここ数年でリチウムイオン電池の価格は60%以上下落しており、2022年までにさらに40%下落すると予想されています。

こうしたコストの低下は印象的ですが、バッテリーは短期間で電力を供給するのには適していますが、数時間から数日間にわたって大量のエネルギーを貯蔵するにはすぐに非常に高価になってしまいます。

液体空気エネルギー貯蔵とは何ですか?

そこで登場するのがLAESだ。1970年代に英国で初めて構想され、1980年代から90年代にかけて日立と三菱が（正式なパイロットプラントはなかったものの）試行錯誤を繰り返してきたこの技術は、低コストでスケールアップできる可能性があると、ハイビュー社と共同でこの技術を開発したバーミンガム大学のYulong Ding教授は述べている。

LAESは、電力網からの電力を利用して大気中の空気を冷却し、液化させてから、マイナス196℃の低圧で大型タンクに貯蔵します。この圧力は、空気の体積のほんの一部に過ぎません。「動作原理は家庭用冷蔵庫とほぼ同じです。温度と圧力の範囲が異なるだけです」とディン氏は言います。タンク内の空気は数週間、あるいは数ヶ月間も貯蔵され、ゆっくりと消散します。断熱性が高いほど、消散速度も遅くなります。「タンク内で約2ヶ月は容易に貯蔵できます」とディン氏は付け加えます。

発電するには、空気を室温まで加熱するだけです。その過程で空気はなんと700倍も膨張し、強力な空気圧を生み出します。この圧力を利用してタービンを回転させ、従来の発電機で蒸気が発電するのと同じように発電します。

LAESは従来の冷蔵庫と非常によく似ているため、ガスの冷却、貯蔵、再加圧を行うための個々の部品は、市販の既製品で非常に安価に購入できます。「これらは数十年、数世紀にわたって広く理解されてきたプロセスであり、非常に費用対効果が高いのです」とフィン＝フォーリー氏は述べています。ディン氏によると、ここでの唯一の新しい点は、様々な部品を最も最適化された方法で統合していることです。

しかし、LAESの効率はそれほど高くない。オーストラリアのテスラのバッテリーの効率は88%であるのに対し、LAESの効率は60～70%だとマンガニ氏は言う。しかし、バッテリーは数時間しかエネルギーを蓄えられないため、より長時間の電力供給が必要になると、すぐにコストが膨れ上がってしまう。

LAESはバッテリーのように数ミリ秒単位で電力網の信号に応答することができません。しかし、この液体空気プロジェクトの利点としては、約1日分の電力を大量に供給できることが挙げられます（ただし、この実証実験ではわずか5MWの電力しか貯蔵できませんが、これは約5,000世帯に約3時間分の電力を供給できる量です。商業規模では、マンチェスターのLAESプラントは50MWの容量を持つ可能性があります）。

それでも、液体空気エネルギー貯蔵は非常に安価で規模拡大も容易なため、再生可能エネルギーを中心とした成功したエネルギーエコシステムにおける重要なギャップを埋める可能性を秘めています。では、なぜ英国だけが検討しているのでしょうか？バーミンガム大学のエネルギー研究者、ジョナサン・ラドクリフ氏は、シンプルな答えを提示しています。英国が2020年代に洋上風力発電という野心的な計画を立てているからです。さらに彼は、「島国である英国では、需給バランスの維持に役立つ他の電力網への接続が少ないのです」と付け加えています。

マンガニ氏はさらに平凡な見解を示す。世界はまだLAESを受け入れる準備ができていない。ドイツやオーストラリアのような国で現在再生可能エネルギーが利用されている規模でさえ、「これほど長期にわたる貯蔵ソリューションを必要とする市場は他にない」と彼は言う。LAESのような実験施設は、まだ存在しない問題を探しているのだ。しかし、10年後、太陽光パネルアレイと風力タービンがエネルギーの60～70%以上を生産するようになれば、長期貯蔵は不可欠となるだろう。そして、実行可能な解決策を見つけるのに10年も待つことはできない、今すぐ準備を始めなければならない、とマンガニ氏は言う。

国王の位を剥奪する？

ハイビュー社は、LAES発電所は全体としてリチウムイオンよりも安価になると主張している。もしこれが大規模に実現すれば、「この技術は急速に世界的に普及するだろう」とフィン＝フォーリー氏は語る。しかし、まずは複数の市場や用途で競争を始めなければならず、既存の規制やエネルギー貯蔵への投資インセンティブといった課題もある。

LAESプラントは「問題点を本当に解決したことを証明するために、しばらく稼働させる必要がある」とフィン＝フォーリー氏は言う。また、実現可能性も証明する必要があるが、数十年にわたる稼働が想定されるプロジェクトではこれは難しい。「バッテリーは劣化するため交換が必要だが、40年の寿命を証明するには40年間稼働させてみなければ難しい」と彼は付け加える。

しかし結局のところ、代替技術はリチウムイオンの王座を奪おうとしているのではなく、「自分たちがもっと優れていると考える用途やユースケースで、独自の王国を築き上げようとしている」と彼は言う。「今のところ成功していないが、費用対効果を証明するパイロットプロジェクトは重要な一歩だ」。しかし、今後5年間は「リチウムイオンが王座を維持するだろう」と彼は言う。

この記事はWIRED UKで最初に公開されました。