カリフォルニアでは、太陽が強すぎるほどの明るさで照りつけることがある。この州は太陽エネルギーを貪欲に消費しており、屋根には100万枚のソーラーパネル、数百の巨大な太陽光発電所がある。そのため、人々が使用したり、電力網が処理できる量を超えるメガワットの電力を日常的に発電している。2017年3月の数週間、雲ひとつない晴天の天候の中、カリフォルニアは余剰電力を流用するためにアリゾナ州に実際にお金を払わなければならなかった。しかし、多くの場合、解決策は太陽光の噴出をほんの少しに抑えることであり、これは出力抑制と呼ばれる。では、太陽が輝いていない夜間はどうなるのだろうか？州は化石燃料を燃やしてその差を補わなければならない。現在、カリフォルニアの電力の約3分の1は再生可能エネルギーから得られている。最近の法律で義務付けられているように、2045年までにシステムからすべての炭素排出をゼロにするためには、電力網のバランスをとるよりクリーンな方法を見つける必要があるだろう。
数年前、サンディエゴ・ガス＆エレクトリック（州内第3位の民間電力会社）は、日本の大手製造企業である住友電工と提携し、可能性のある解決策をテストした。サンディエゴのすぐ東にある埃っぽい丘陵地帯に、彼らは2つのいわゆるバナジウムフロー電池を設置した。これは、1,000世帯に4時間電力を供給するのに十分なエネルギーを貯蔵することができる。あなたの後ろポケットやプリウスのトランクに入っているコンパクトなリチウムイオン電池のイメージは忘れてください。これらのバナジウム電池は大きいです。1つは、輸送用コンテナ5個分の機器、8つの10,000ガロンの電解液タンク（電荷を保持するもの）、そして配線、ポンプ、スイッチ、PVCパイプの迷路で構成されています。これらは、漏れが発生した場合に、80,000ガロンの電解液すべてと、過去100年間で郡内で最悪の雨が降った日に降った水すべてを収容できるほどの大きさがある、耐腐食性コンクリートの安全ピットに設置されています。
グリッドスケールのバッテリー設備としては、サンディエゴの施設はかなり小規模だ。地元の電力供給の変動に応じて充放電を行うショックアブソーバーの役割を果たす。ある瞬間に太陽エネルギーが急増すると、バッテリーがそれを蓄え、次の瞬間に需要が急増すると、バッテリーがそれを支払う。現在、サンディエゴの電力の半分以上は天然ガスから供給されている。この割合が再生可能エネルギーに傾くと、変動は大きくなり、予測が難しくなる。2045年の目標を達成するために、州全体の電力会社はより長期的な貯蔵ソリューション、たとえば日中に太陽光を貯蔵して夜間に分配したり、風の強い天候時に風力を貯蔵できるシステムが必要になる。昨年 Nature Communications に掲載された研究によると、カリフォルニア州が再生可能エネルギーの割合を3倍にしたとしても、エネルギー貯蔵なしではCO2排出量を72％削減するのが精々だという。バッテリーを含む適切な保管方法を組み合わせると、その数は 90 パーセントに上昇します。
では、なぜサンディエゴはより馴染みのあるリチウムイオンではなくバナジウムを選んだのか。その答えは、ある程度は規模の経済性にある。すべてのバッテリーは多かれ少なかれダムのような働きをする。片側に電子の貯蔵庫があり、それが反対側に流れ込むことで電流が生まれる。リチウムイオンの場合、容量を増やす主な方法は、たくさんの小さなダムをつなげることだ。スマートフォンなら1つか2つ、ノートパソコンなら6つ、テスラが間もなく南オーストラリアに建設予定の150メガワットの施設のような巨大施設なら何千もある。しかし、バナジウムフローバッテリーでは、ダムを増やすのではなく、より大きな貯蔵庫を作る。言い換えれば、より多くの電力を蓄えるには、タンクに電解液をたくさん入れるだけだ。
バナジウムは、ヘンリー・フォードが無名から引き抜き、モデルT用の耐久性に優れた軽量の鋼合金を作るために使うまで、ほとんど無名の元素でした。この元素が初めてバッテリーに使われたのは1980年代になってからでした。NASAなどの研究者たちは、鉄とクロムという別の配合を試行錯誤していましたが、2つの元素がそれらを隔てる膜を越えて浸透し、バッテリーの容量を侵食することが何度もわかりました。その時、オーストラリアの化学技術者のグループ（その中にはマリア・スカイラス＝カザコスという女性がいました）が、フォードのようなひらめきを得ました。「相互混合を避ける唯一の方法は、両方の半分に同じ元素を使うことです」と彼女は私に言いました。スカイラス＝カザコスと彼女の同僚は周期表を調べて候補を探しました。そして、バナジウムが電子を行き来させるのに非常に優れていることを発見しました。 （電解液には、一種の色指示薬まで内蔵されている。電子が満杯の時はライラック色、電子がなくなると薄黄色、中間色は青緑色だ。）1986年までに、ニューサウスウェールズ大学が最初の特許を申請した。
そして…時は流れた。スカイラス＝カザコスと同僚たちは設計の改良を続けた。当初は温室効果の緩和よりも、アウトバックの僻地のコミュニティのためにエネルギーを貯蔵することに重点を置いていたと彼女は言う。しかし、彼女はチームの発明（後にオーストラリア勲章を受章することになる）が、再生可能エネルギーの導入拡大を目指す政府や企業の関心を集めることは間違いないだろうと分かっていた。「もっと早くそうなると思っていたんです」とスカイラス＝カザコスは皮肉っぽく言った。最初の特許は2006年に失効した。大規模エネルギー貯蔵が広く注目を集めるようになったのは、ここ10年ほどのことだ。
バッテリーは貯蔵技術としては比較的新しいものです。より古く、より確立された技術により、電力会社は安価なオフピーク電力を位置エネルギーに変換することが可能になっています。一つの方法は、地下の岩塩の洞窟に圧縮空気を詰め込み、後で発電機の燃料として利用するというものです。もう一つの方法は、圧倒的に最も一般的なもので、低地の貯水池から高地の貯水池に水を汲み上げ、再利用可能な水力発電ダムを作るというものです。しかし、地域によって最適な方法は異なります。サンディエゴからニューサウスウェールズ州に至るまで、地球の隅々まで影響を及ぼす危機に直面しているとき、選択肢があるのは良いことです。
グリッドスケールのバナジウム電池には、明らかな欠点がいくつかある。まず、実用化するには規模が大きすぎるため、土地を大量に消費する。さらに、バナジウムは鉄鋼業界において依然として重要な原料であるため、価格が変動しやすい。中国で建設が進むと、価格が上昇するのだ。しかし、空港で荷物を預けようとしたことがある人なら誰でも知っているように、リチウムイオン電池は自然発火する性質がある。また、特に完全に放電したり、長期間使用しなかったりすると、時間の経過とともに劣化する。一方、バナジウム電池は不燃性で非常に安定している。その寿命は長く、理論上は無限だ。部品の一部は交換が必要になることもあるが、電解液の寿命は決して尽きることはない。サンディエゴのエンジニアたちは、この溶液をトラックに積んでアメリカ大陸を横断しても、旅の終点まで同じ充電量を維持できると、明らかに喜びながら語ってくれた。何百、何千回もの充放電サイクルを経ても、劣化しないのだ。 「一日中、あるいは一晩中、上下に動かすことができます」とプロジェクトエンジニアのホセ・カルデナス氏は語った。
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エヴァ・ホランド （@evaholland）は『Nerve: Adventures in the Science of Fear』の著者です。彼女は第26.04号で新生児医療について執筆しました。
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