風力エネルギーには蓄電池が欠かせない！発電の仕組みを徹底解説

１ はじめに

風力発電はクリーンで再生可能なエネルギーであり、昼夜を問わず利用することができます。家庭用の井戸ポンプや穀物工場に最適な電力源です。しかし、風は常に吹いているわけではなく、吹いていてもタービンを回すための電力は一時的なものです。そのため、この再生可能な資源を家庭や商業施設で広く活用するには、効率的で費用対効果の高い蓄電ソリューションが不可欠なのです。

２ 蓄電池

リチウムイオン電池は、ニッケルカドミウム電池や鉛蓄電池といった旧来の技術に比べ、風力発電による電力をより多く蓄えることができます。リチウムイオン電池はエネルギー密度が高いだけでなく、自然放電の割合も従来のものよりはるかに低くなっています。また、軽量・コンパクトであるため、電気自動車から草刈り機まで、幅広い用途で使用されています。

しかし、その汎用性の高さゆえに需要が高く、サプライチェーン上で不足が生じることもあります。そのため、エネルギーアナリストは、リチウムイオン電池を電気自動車に搭載して蓄電し、商用電力網に充電することを検討しています。

電気自動車が標準的な交通手段となれば、充電のために送電網から追加の電力容量を必要とする一方、必要に応じて送電網の電力に変換できる再生可能エネルギーの貯蔵所となり得ます。課題は、このような交換の経済合理性を担保するために、電力価格を十分に低く抑えることにあります。

また、現在使われているリチウムイオン電池は、風のない数日間にわたって送電網に供給するのに十分な容量を持っていません。数時間分のエネルギーしか蓄えられないのが実態です。乗用車用の化石燃料の代替や二酸化炭素排出量の削減には有効な技術ですが、長距離トラックのような大型の商用車には実用的でないとも言えます。

再生可能エネルギー業界では、リチウムイオンの代替となるナトリウムイオン電池の容量向上に取り組んでいます。ナトリウムはリチウムよりも入手しやすく、安全性が高く、価格も安いのが特徴です。しかし、電池1個あたりに蓄えられるエネルギー量では、まだリチウムイオン電池に及びません。

３ 圧縮空気による蓄電

圧縮空気によるエネルギー貯蔵も、再生可能な風力発電の電力を保存するための選択肢のひとつです。風力タービンは、余剰電力を地上または地下の圧縮空気タンクに送り込みます。必要なときに、この貯蔵されたエネルギーで圧縮空気発電機を起動させることができます。また、他の燃料と混ぜて使用すれば、従来の発電機も稼働させることができます。

米国エネルギー省のOffshore Wind Market Report : 2021 Editionによると米国の洋上風力発電は、2020年から2021年にかけて24％の容量増加を記録し、連邦政府も継続的な成長を目標としている急成長中のエネルギー市場です。水中圧縮空気貯蔵タンクは、これらの施設で余った風力エネルギーを貯蔵できます。

４ 水素貯蔵

水素燃料電池は、蓄電池や圧縮空気による貯蔵の2つの欠点を克服している。まず、水素燃料電池は、電池のように時間が経っても自然に電力が失われることがありません。また、水素燃料電池は、圧縮空気タンクよりも小さなスペースに大量のエネルギーを貯蔵できるため、より少ないスペースで済む利点があります。

水素を貯蔵する場合、余分な風力エネルギーを利用し、水素と酸素を電気分解して分離します。燃料電池は、充電された水素を需要が発生するまで貯蔵します。燃料電池の中の水素は、電気自動車に搭載されたり、発電機で電気に戻されたりします。多くの場合、このエネルギーは商用電力網に供給されることになります。

コロラド州ボルダー市近郊にあるNational Renewable Energy ProjectのWind to Hydrogenプロジェクトは、この技術を実際に開発している現場です。このプロジェクトの主な目標の一つは、世界が化石燃料から再生可能エネルギーに転換していく中で、拡張性があり費用対効果の高い再生可能エネルギーの貯蔵に対する需要の高まりに応えることです。

５ 風力エネルギー貯蔵の開発プロジェクト

風力エネルギー貯蔵の将来には、重力と熱がそれぞれ役割を果たすかもしれません。重力貯蔵は石器時代のものと思われがちですが、再生可能エネルギーの世界ではシンプルなソリューションです。風力タービンのエネルギーで重い物体を持ち上げ、必要なときまでそこに置いておく。そして、その物体を地球に落とすことで、そのエネルギーを再利用する。そして、そのエネルギーは重力によって地球に戻され、発電用タービンを回すことで電力として利用できるようになるのです。

熱エネルギー貯蔵は、より高度な技術でありながら費用対効果が高く、数日分の風力エネルギーを貯蔵し、天候が停滞している間に使用できる可能性がある代替手段です。発熱体が余分な風力エネルギーを吸収し、水などの物質に吸収させる。水は超高温に達し、水蒸気になる。必要に応じて、蒸気のエネルギーを電気に変換することができます。

蓄熱技術で最も有望な新技術の一つが、マサチューセッツ工科大学（MIT）と米国国立再生可能エネルギー研究所（NREL）の共同プロジェクトであるサーモフォトボルタイック・プロセス（Thermophotovoltaic Process; TVP）です。TVPは、蓄熱物質からエネルギーを取り出して電気として利用する半導体です。これは、太陽光を集めてエネルギーに変換する太陽電池のような働きをします。プロジェクトパートナーは、この方法を用いて30パーセントの効率上昇を実現しました。

６ まとめ：風力発電の蓄電容量が急拡大

再生可能エネルギー貯蔵の将来は、容量がカギとなります。より小さなスペースに大量のエネルギーを貯蔵できるようになれば、気候変動に関する重要な目標を達成するために業界を前進させることができます。蓄電池の急速な技術革新は、世界中の二酸化炭素削減目標を満たすペースで自然エネルギーへの転換を可能にするでしょう。