グリッドスケールのバッテリーストレージがエネルギーシステムに静かに革命を起こしている

この記事はもともとVoxに掲載されたもので、Climate Deskのコラボレーションの一部です。

電気を生成する上で難しいのは、ほとんどの場合、それを使用しないと電気を失ってしまうことです。

この根本的な事実が、世界最大の機械、すなわち2兆ドル規模の米国電力網の発展を左右し、制約してきました。巨大な発電機が、大陸全体に張り巡らされた導体、変圧器、ケーブル、電線網を通して電子を送り、何百万もの家庭や企業へと届けます。こうして需要と供給のバランスが絶妙に保たれ、あらゆる電灯スイッチ、コンピューター、テレビ、ストーブ、充電ケーブルが99.95%の確率で点灯するのです。

国内のすべてのコンセントに電気を送るのに十分な発電機を常に稼働させておくには、精密な調整が必要です。実際の電力使用量は日中や年間を通して大きく変動しますが、送電網は、エアコンの使用によって平均電力消費量が2倍になるような暑い夏の日など、需要がピークとなる短時間に対応できるように構築されています。ドライバーがブレーキを踏まなくても済むように30車線の高速道路を建設することを想像してみてください。送電網を設計・運用する人々が実際に行わなければならなかったのは、まさにこれです。

しかし、もし電気を少しの間だけ確保して後で使うことができたらどうでしょうか？ 送電網を過剰に構築したり、発電量と需要のバランスを保つために多大な労力を費やす必要はなくなります。風力や太陽光といった、二酸化炭素を排出しない間欠的な電源の欠点を補うことができます。送電線が損傷した緊急時には、地域に簡単にバックアップ電源を確保できます。巨大な集中型送電網さえも必要なくなるかもしれません。

これが、グリッドスケールのエネルギー貯蔵がもたらす可能性です。米国はこれまで数十年にわたり、揚水発電と呼ばれる原始的なエネルギー貯蔵システムを採用してきましたが、現在、エネルギー貯蔵容量の驚異的な増加を経験しています。今回は、私たちのほとんどがポケットに入れて持ち歩いている技術、リチウムイオン電池の登場です。2021年から2024年の間に、グリッドバッテリーの容量は5倍に増加しました。2024年には、米国は12.3ギガワットのエネルギー貯蔵システムを設置しました。今年は、新規グリッドバッテリーの設置数が昨年比でほぼ倍増する見込みです。バッテリーの貯蔵容量は現在、揚水発電の容量を上回り、合計26ギガワットを超えています。

拡大の余地はまだ大きく残っており、その必要性は切実です。電力部門は依然として米国で2番目に大きな温室効果ガス排出源であり、安価で豊富な貯蔵設備がなければ、電力網の脱炭素化を十分に達成するために十分な量の断続的なクリーンエネルギーを供給し続けることは不可能です。

老朽化する米国の送電網も早急な改修を必要としており、バッテリーは風力発電や太陽光発電によるギガワット規模の発電量増加に伴うショックを緩和すると同時に、より大規模な改修のための時間を稼ぐことができます。一部の電力市場では、バッテリーが提供できる周波数調整、ピークカット、デマンドレスポンスといったあらゆるサービスがようやく理解され始めており、新たな事業分野が生まれています。バッテリーは、小規模で地域に特化した電力網を構築する上でも重要なツールです。こうしたマイクログリッドは、遠隔地のコミュニティに信頼性の高い電力を供給し、将来的には電力網全体を、異常気象などの混乱にもより耐えられる、より分散化されたシステムへと移行させることが可能になります。

正しく実現できれば、真のグリッドスケールのバッテリーストレージは、クリーンエネルギーを実現するだけでなく、新しい時代に向けて電力システムをアップグレードする手段にもなります。

バッテリーはなぜこんなに大きくなったのか

2011年、私の最初の取材任務の一つは、ウェストバージニア州の風力発電所へ向かい、当時世界最大規模の蓄電池エネルギー貯蔵システムの開所式に出席することでした。AESエナジー・ストレージ社が建設したこのシステムは、貯蔵容器に収められた数千個のリチウムイオン電池で構成され、合計32メガワットの電力を約15分間供給していました。

「合計8メガワット時でした」と、当時AESエナジーストレージの副社長を務め、私に施設を案内してくれたジョン・ザフランシック氏は語った。それは約260世帯が1日に消費する電力量に相当した。

それ以来、ザフランシック氏の新たな職務が​​示すように、バッテリーストレージは桁違いに増加しました。彼は現在、AESとシーメンスの合弁会社であるフルエンスの社長を務めており、これまでに世界中で38ギガワット時のストレージを導入しています。「現在私たちが構築しているプロジェクトの多くは、1ギガワット時を超える規模です」とザフランシック氏は語りました。

昨年、米国で稼働を開始した最大の貯蔵施設は、カリフォルニア州のエドワーズ＆サンボーン・プロジェクトで、3.3ギガワット時の貯蔵能力を備えています。これは、約11万世帯の1日分の電力供給に必要な電力にほぼ相当します。

しかし、ここまで着実に増加してきたわけではありません。米国の系統全体のバッテリー容量は10年以上ほとんど変動しませんでした。そして2020年頃から急上昇し始めました。何が変わったのでしょうか？

一つの変化は、最も一般的な蓄電技術であるリチウムイオン電池の価格が大幅に下落し、エネルギー密度が向上したことです。「私たちが最初に手がけたプロジェクトは2008年で、電池の価格は1キロワット時あたり約3,000ドルでした」とザフランシック氏は語ります。「今では、システム全体の設置費用が1キロワット時あたり約150ドルから200ドルのシステムを検討しています。」

その理由の一つは、電力網のセルがモバイル機器や電気自動車のセルとそれほど変わらないため、電力網のバッテリーはそれらの製品に投入された製造技術の改善の恩恵を受けているからだ。

「すべてが一つの大きなパイプラインなのです」と、ジョージア工科大学でクリーンエネルギー技術を研究するミカ・ジーグラー教授は述べた。「携帯電話、自動車、そして電力網のバッテリーはすべて共通の特性を持っています。」こうした需要の高まりを見て、中国はバッテリー製造に力を入れ、太陽光パネルと同様に規模の経済性を生み出して世界的な価格下落を促した。現在、中国は世界のリチウムイオンバッテリーの80%を生産している。

風力エネルギーと太陽光発電の急成長は、バッテリーの需要をさらに高め、バッテリーの性能向上へのプレッシャーを高めました。風力と太陽光は、新規電力源として最も安価な場合が多く、バッテリーはそれらの変動性を補うのに役立つため、蓄電池の規模拡大をさらに推進する理由となっています。「この関係性の利点は、これらのエネルギー源を組み合わせた発電所の計画数や既に稼働している発電所数の増加に明らかです」とジーグラー氏は述べています。2024年に米国で新たに追加された電力の84%は、太陽光発電と蓄電池の組み合わせによるものでした。

また、電力系統用バッテリーはノートパソコンやスマートフォンのバッテリーとは異なり、持ち運びできるほど小型である必要がないため、ポケットに収まるサイズには適さない、より安価で低密度のバッテリーを活用できます。古いEVバッテリーを電力系統で再利用するという話さえあります。

規制も追い風となりました。系統連系蓄電システムの導入における大きなハードルは、システムが単独で発電できないことです。そのため、系統への接続方法やバッテリー開発者へのサービス報酬に関する規則は、これまで複雑で制約的でした。連邦エネルギー規制委員会（FERC）の命令841号は、蓄電システムが卸売市場に参入し、他の電力源と競合するための障壁の一部を取り除きました。この規制は2018年に発布されましたが、2020年に大きな法的課題をクリアし、より多くのバッテリーが系統に導入される道を開きました。

カリフォルニア州、イリノイ州、メリーランド州を含む11州は、エネルギー貯蔵に関する具体的な調達目標を設定し、電力会社に一定量の貯蔵容量の設置を義務付けています。これにより、系統蓄電池の導入が促進されています。これらの要因が相まって、電力会社にとって全く新しいビジネスが生まれ、新たな系統蓄電池企業が誕生し、エネルギー貯蔵の豊作の土壌が整いました。

エネルギー貯蔵はあなたに何をもたらすのでしょうか?

エネルギー貯蔵は、再生可能エネルギーのチョコレートにピーナッツバターを混ぜ合わせたようなもので、クリーンエネルギーのあらゆる長所をさらに引き立て、いくつかの欠点を補います。また、電力系統の安定性、信頼性、そして回復力においても重要な要素であり、停電や異常気象の際にも安定したメガワット電力の供給を確保するのに役立ちます。

最も一般的な用途は周波数応答です。米国の電力線を流れる交流電流は60ヘルツの周波数で循環しています。電力を大量に消費するユーザーが電源を入れた際に電力系統の周波数がこの周波数を下回ると、ブレーカーが落ち、電力が不安定になる可能性があります。バッテリーは熱発電機とは異なり、起動時間がほぼないため、必要に応じて電力を迅速に吸収または送信し、電力系統を適切な調子で稼働させることができます。

系統連系バッテリーは、発電機がオフラインになった場合や、大口電力需要家が予期せず電源を入れた場合に、予備電力としての役割も担います。日中の電力負荷の変動を平滑化することができます。また、電力会社は発電コストが安い時間帯に電力を蓄え、需要が高く電力が高価な時間帯に系統連系バッテリーで売電することも可能です。バッテリー施設の建設は、同等の発電所を建設するよりも迅速であることが多く、煙突が不要なため、許可や承認の取得も容易です。

バッテリーは、過負荷状態の電力網にとって既に有効であることが証明されています。昨年、テキサス州では気温が100度を超える猛暑に見舞われましたが、バッテリーは同州の送電網に記録的な量の電力を供給しました。テキサス州の送電網運用会社であるERCOTは、2023年のようにテキサス州民に電力使用量の削減を要請する必要はありませんでした。2020年から2024年にかけて、テキサス州では大規模バッテリーが4,100%増加し、5.7ギガワットを超えました。

グリッドバッテリーは他の発電機にもハロー効果をもたらします。ほとんどの火力発電所（石炭火力発電所、ガス火力発電所、原子力発電所）は、安定したペースで稼働することを好みます。需要に合わせて出力を増減させるには時間と費用がかかりますが、バッテリーが変動の一部を吸収することで、火力発電所は最も効率的なペースに近い状態を維持でき、温室効果ガスの排出量を削減し、コストを抑えることができます。

「まるで車をハイブリッド化するようなものです」とザフランシック氏は語った。「プリウスを例に挙げると、電気モーターとガソリンモーターが搭載されており、バッテリーがあらゆる変化を吸収するため、燃費が向上します。」

グリッドバッテリーのもう一つの特徴は、高額なグリッドアップグレードの必要性を軽減できることだと、グリッドエネルギー貯蔵システムの資金提供と開発を行うエオリアン社の最高執行責任者、ステファニー・スミス氏は述べた。発電機側または需要側にバッテリーがあれば、必要に応じて電子を供給し、最大電力需要に対応するための送電線を敷設する必要はない。

「独立型バッテリーの導入が増えれば増えるほど、需要が軽減されるか、少なくとも新規送電網の建設などのコストが削減されます」とスミス氏は述べた。また、これらのバッテリーにより、工場の閉鎖や新しいデータセンターの稼働開始など、変化するエネルギー需要に電力網がより迅速に対応できるようになる。

総合的に見ると、これはより安定し、効率的で、安価で、クリーンな電力網につながります。

充電中

リチウムイオン電池は優れた性能を備えていますが、限界もあります。ほとんどの系統用バッテリーは、2～8時間かけて電力を蓄電・供給するように設計されていますが、電力需要は年間を通して変動するため、系統には数日、数週間、さらには数か月間も電力を蓄える手段も必要です。

グリッドスケールの蓄電には、根本的な課題がいくつか存在します。ほとんどのグリッドレベル技術と同様に、エネルギー貯蔵には数十年かけて回収する大規模な先行投資が必要です。しかし、トランプ政権による関税がバッテリー輸入にどのような影響を与えるか、景気後退が起こるかどうか、そしてこの混乱が今後数年間の電力需要の伸びを鈍化させるかどうかなど、現時点では多くの不確実性があります。バッテリーへの旺盛な需要は、必要な原材料をめぐる競争を激化させ、価格上昇につながる可能性があります。

現在、世界のバッテリーサプライチェーンは中国が支配しているものの、米国もその地位に食い込もうとしています。前政権下では、米国エネルギー省がエネルギー貯蔵工場、サプライチェーン、そして研究に数十億ドルを投資しました。現在、米国には数十のバッテリー工場がありますが、そのほとんどは電気自動車向けです。今年は10の工場が稼働開始予定で、EV用バッテリーの年間生産能力は421.5ギガワット時に達します。世界のバッテリー総生産量は、2025年には約7,900ギガワット時に達すると予測されています。

電力網への接続を待つプロジェクトの列は長く、しかも増え続けています。太陽光、風力、蓄電池など、あらゆるエネルギーシステムの相互接続待ちは、プロジェクト開発者が信頼性調査を実施し、増大する規制関連書類の遅延に対応するため、通常3年以上かかります。

トランプ政権は、クリーンエネルギーに関するインセンティブ、特に2022年インフレ抑制法（IRA）の撤廃にも取り組んでいます。この法律は、独立系統電力プロジェクトへの税額控除など、クリーンエネルギーに対する強力なインセンティブを確立しました。「IRAについては懸念しています。なぜなら、IRAはインフレ曲線を変化させるからです。正直なところ、現時点ではいかなるクリーンエネルギーによっても、インフレ曲線を変化させる余裕はありません」とスミス氏は述べています。一方で、トランプ大統領の関税は、最終的には米国内でのバッテリー製造をさらに促進する可能性があります。

それでも、大規模エネルギー貯蔵は、広大な米国の電力網のほんの一部に過ぎず、拡張の余地は莫大にあります。「私たちは加速し、急速に発展してきましたが、全体としては、まだそれほど多くの貯蔵能力はありません」とザフランシック氏は述べました。「貯蔵能力が、設置電力容量の20～30%を占めるようになることだって容易に想像できます。」

2025年4月28日午後2時40分（英国夏時間）更新：以前の記事では、エドワーズ＆サンボーン・プロジェクトの発電容量と家庭用エネルギー消費量に誤りがありました。同プロジェクトの発電容量は3.3ギガワット時で、住宅数は11万戸です。