Hydrostor社：グリッドスケールのエネルギー貯蔵
今回ご紹介するHydrostor社は、数十年前に開発された圧縮空気蓄電というシステムを見事に再考し、魅力的なグリッドスケールのエネルギー貯蔵を実現しました。Hydrostor社は、カリフォルニア州カーン郡の2カ所に1,000メガワットの蓄電装置を建設すると発表したばかりです。
この問題の背景を理解したい方は Grid Modernization を、最先端の専門家の見解を知りたい方は Here Is How To Create A Clean, Resilient Electrical Grid をご覧ください。
また、スタンフォード大学の研究室から生まれた革新的な企業が、グリッドストレージとして大きな可能性を秘めたバッテリーを開発したことについては、Enervenue The Batteries We Need for Grid-Scale Storage をご覧ください。ソフトウェアの力を利用して、より回復力のある効率的な公共グリッドを構築する方法については、バーチャルパワープラントに関するビデオレポートをご覧ください。
特殊な超電導ケーブルを使用して、現在の送電網の耐障害性を向上させ、都市部の変電所の効率化を図る、米国の少数精鋭の株式公開企業については、AMSCの記事をご覧ください。また、フィンランドのWartsila社は、従来型の発電源と再生可能な発電源の両方を組み合わせた「ハイブリッド」送電網システムの構築に世界的に取り組んでいますが、こちらの記事もご覧ください。
エグゼクティブ・サマリー
・グリッドスケールのエネルギー貯蔵で最も普及しているのはリチウムイオンではありません。エネルギー貯蔵は、必ずしも化学電池である必要はありません。
・圧縮空気エネルギー貯蔵技術は何十年も前から開発されていますが、技術的な問題があるため、グリッドスケールの重要な貯蔵資源にはなっていませんでした。
・カナダのHydrostor社は、圧縮空気システムを見事に再考し、独自のAdvanced-CAES技術を開発しました。この技術は、長期（8～12時間）のグリッドスケールストレージとして非常に魅力的な選択肢となります。
The Power of Dihydrogen Monoxide
これらの連載では、再生可能エネルギーの間欠性を補うために、エネルギーの貯蔵・回収を可能にするシステムが必要であるというテーマを一貫して取り上げています。
今回、EnerVenue社の方々とお話しして、同社の革新的な金属酸化物電池に興味を持ちました。また、ウォーツィラ社の方とお話しした際には、大規模なリチウムイオン設備の威力を実感しました。
しかし、世界をリードするグリッドストレージソリューションは、これら2つのソリューションとはまったく異なる化学的性質を持っています。それは、一酸化二窒素の力を利用したグリッドストレージです。
米国エネルギー省によると、グリッドストレージの95％は、H20（揚水発電）をベースにしています。
アイデアは簡単で、余剰電力があるときは、その一部を使って丘の上の貯水池に水を送り込みます。電力が必要なときには、丘の下にある発電機から水を放出します。
揚水発電は信頼性が高く、キロワットアワーベースでは安価で、ポンプを動かし続ける限り充電容量を維持することができます。このソリューションの問題点は、ダムの場合と同様に、揚水式水力発電を簡単に設置できる場所には、すでにダムがあるということです。
ポイントは、「蓄電」＝「電池」ではないということです。位置エネルギーを蓄え、必要に応じて電気エネルギーに変換することができれば、リチウムイオンなどの化学的な形態で蓄えられていなくても構わないのです。
この点を理解した上で、カナダ・トロントに拠点を置くHydrostor社の素晴らしい活動に大きな意味を見出しました。
圧縮空気のエネルギー貯蔵
圧縮空気エネルギー貯蔵（CAES）システムでは、空気を圧縮して地下（または水中）の洞穴に注入することで位置エネルギーを貯蔵します。
従来のCAESシステムの仕組みは以下の通りです。
風力発電所や太陽光発電所で発電された電力は、CAES施設に送られ、コンプレッサーを動かします。圧縮された空気は、シャフトを通って地下の貯蔵庫に送られ、そこで無期限に保存されます。
太陽が沈み、皆がNetflixを見始めた後など、送電網が電力を必要とする時には、圧縮された空気が地下の貯蔵庫から放出され、地上に戻り、発電機を回転させて電気を生成します。
空気を圧縮して井戸に注入し、再び引き上げて発電機を回転させるには、ロスが生じます。昔ながらのCAESシステムでは、10ユニットのエネルギーを受け取るごとに、4ユニット程度のエネルギーを機器の電力として送り出すことができます。
CAESシステムの普及を妨げている問題点がいくつかあります。この技術は1970年代に開発されたにもかかわらず、これまでに稼働したCAESシステムはドイツとアラバマの2つだけです。
これは、グリッドシステムの多くがエネルギー貯蔵を考慮して設計されていないことに加え、CAESに関連する2つの大きな技術的問題が、この技術の普及を妨げています。
1つ目の問題は、空気を圧縮すると熱が発生することです。空気の温度が高ければ高いほど、空気を蓄えるために必要な体積は大きくなります（高校の化学の授業を思い出してみてください）。貯める量が増えれば増えるほど、設置費用は高くなり、施設の立地も難しくなります。
2つ目の問題点は、圧縮された空気が空洞から放出されると、空洞内の圧力が自然に下がることです（高校の化学の授業を思い出してください）。洞窟と発電機の間の圧力差が小さくなればなるほど、発電量は少なくなります。
この2つの問題を解決するために、技術者はさまざまな方法を試みてきましたが、これまでの方法では、温室効果ガスの排出など、新たな問題が発生していました。
Hydrostorの先進的な圧縮空気式エネルギー貯蔵庫
CAESの技術的な問題を解決するために、Hydrostor社は独創的な方法を採用しています。
CAESの最初の問題を解決するために、Hydrostor社は空気圧縮プロセスで発生する熱を取り除き、断熱容器に蓄えてから、冷たい圧縮ガスを地下の洞窟に注入します。この熱分離プロセスにより、より小さな洞窟を建設することができます。保存された熱は後のステップで重要になりますが、それについてはすぐに説明します。
2つ目の問題を解決するために、Hydrostor社は工場の隣の地表に大きなプールを作り、そのプールと洞窟をパイプでつなぎます。圧縮された空気が洞穴を満たすと、水がプールに押し戻されます。洞穴から空気を吸い上げると、プールの水が圧迫して、洞穴に残った空気を一定の圧力に保ちます。すばらしい仕組みです。
いわばHydrostor社は、「一酸化二窒素」の力である揚水式水力を、圧縮空気のエネルギー貯蔵に取り入れる方法を考え出したのです。
気候変動の問題に関連して、従来のCAESシステムの最後の問題は、通常、圧縮空気の膨張の力は、発電機を回して大きなエネルギーを生み出すのには十分ではないということです。
そのため、天然ガスを圧縮空気と一緒にタービンに注入し、燃焼させることで十分なエネルギーを生み出しています。もちろん、ゼロエミッションを目指すなら、天然ガスを燃やしてはいけません。
Hydrostorシステムは、最初の空気圧縮段階で発生した熱を保持していることを思い出してください。空気が貯蔵庫から地上に引き戻されると、Hydrostorは空気を再加熱し、特殊なタービンに送ります。この熱にはエネルギーが含まれており、圧縮された空気のエネルギーと組み合わせることで、より多くの電気を生み出すことができるのです。
HydrostorがA-CAES（Advanced Compressed Air Energy Storage）と呼ぶこの再構築されたプロセスの最後には、熱や温室効果ガスを一切排出することなく、10のエネルギーが入るごとに6のエネルギーが戻ってきます（従来のシステムに比べて効率が50％も向上）。これはすごいですね。
私がHydrostorを好きな理由
難しいエネルギー貯蔵の問題に固有の弱点を工学的にエレガントに解決したという単純な事実以外にも、Hydrostor社の取り組みには多くの利点があります。
まず、一度施設を作ってしまえば、簡単かつ安価に容量を増やすことができること。洞窟のスペースを少し掘るだけで、数時間分のエネルギーを蓄えることができるのです。少量のエネルギー（1～4時間分）を貯蔵するにはリチウムイオンの方が安価ですが、それ以上の時間を必要とする場合は、Hydrostor社のA-CAESソリューションの方が有利です。
同社の共同設立者であるCEOのCurtis VanWalleghemによると、土地の約70％はHydrostorシステムの建設に適した地質であるとのことです。
3つ目のポイントは、排出物を出さずに稼働することです。この特徴は、地質学的特徴と相まって、Hydrostor社がある地域でプラント建設の許可を得ようとする際に、Nimby問題の可能性が少ないことを意味します。
第4に、これらの施設で使用されるすべての機器が、油田技術者なら誰でも安心して使える既製部品であることが気に入っています（Hydrostor社の投資家の1人は、油田機器会社のBakerHughes社です）。つまり、Hydrostorは、最先端技術のリスクを負うことなく、簡単に交換部品を購入し、労働者を訓練し、施設を稼働させることができるのです。
最後に、揚水発電と同じように、設備の交換が必要になるまでの「充電サイクル」の上限がないことも気に入っています。リチウムイオン電池の場合、「デンドライト」と呼ばれる金属の塊が蓄電容量をダメにしてしまうまでに、数千回の充電サイクルがあると言われています。Hydrostorの洞窟に容量を減らす鍾乳石ができているわけではありません。地上のコンプレッサー設備を維持する限り、私が見る限り、これらの施設は基本的に今世紀末まで持ちこたえることができます。
Hydrostorのアイデアを読んでいるうちに、あることが頭に浮かんできました。それは、安価で無限に充電でき、しかもHydrostorのA-CAESよりも効率的に作動する優れたバッテリーが開発されたらどうでしょう？
VanWalleghem氏にこのことを尋ねると、彼は子供たちのためにも、誰かが奇跡の超小型バッテリーを発明してくれることを願っていると言いました。しかし、電池に限らず新しい技術は、技術的に受け入れられるまでに長い時間がかかり、ユビキタスな利用が可能になるまでにはさらに長い時間がかかるというのが彼の指摘です。
誰かが優れたバッテリーを発明し、他の科学者やエンジニアを説得して世界的なシステムに優れたバッテリーを設計し、二酸化炭素の排出量に影響を与えるほどの優れたバッテリーを製造するまでにかかる時間を考えれば、少なくとも私たちはエネルギーをより効率的に貯蔵するためにできる限りのことをすべきです。Hydrostorは、まさにその期待に応えるものです。
VanWalleghem氏は、気候変動によって私たちが直面している課題に対応するためには、発明し適応するという人間が本来持っている能力をすべて発揮する必要があることを、私と同様に理解しています。Hydrostorは、まさにそれを実行している企業の素晴らしい例です。
賢明な投資家にはぜひ注目してほしいと思います。
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