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1 Offshore Battery Days 2016( その 1) 2016 年 8 月 24 日から 25 日にかけ 洋上の石油 ガス産業で用いられる蓄電池に関する会議 Offshore Battery Days 2016 が ノルウェー Oslo で開催された 主催者は Hans.H.Schive 社 ( ノルウェー ) である 今回は 洋上及び海中で用いる蓄電池に関する講演と 電気二重層キャパシタの開発に関する講演を報告する 1. 洋上及び海中での低温環境向け蓄電池の検討 Lars Johansen 氏 Hans.H.Schive 社 ( ノルウェー ) 1.1 Hans.H.Schive 社について Hans.H.Schive 社は 1963 年に設立された 蓄電池及びパワー半導体等の電子部品メーカである 同社は過酷な環境下 つまり洋上及び海中で使用される機器や 発電産業 石油 ガス産業及び防衛産業といった分野での高い動作性を確保した蓄電池及び電子部品を製造している 1.2 洋上及び海中で使用される機器一次電池及び二次電池は以下の洋上及び海中で使用される機器で用いられている (1) 海中での自律型無人潜水機 遠隔操作無人探査機海中での自律型無人潜水機 (AUV) 遠隔操作無人探査機 (ROV) ではリチウム一次電池 リチウムイオン電池 リチウムイオンポリマー電池が様々な装置に使用されている (2) 海底調査機器 海洋掘削装置海洋掘削装置では高温環境で使用可能な一次電池が用いられている また 海中のパイプライン検査機器として パイプライン検査ピグには一次電池 配管用クランプにはリチウムイオン電池が使用されることが多い (3) 曳航式地震探査船船に搭載されたリチウム電池またはリチウムイオン電池は 数 km の長さのストリーマケーブルに内蔵された電子機器に電力を供給するのに用いられる (4) 地震探査用海底ノード海底に設置されたノード ( 地震 津波等を感知するセンサを複数接続可能な観測中継装置 ) は 通常 30~60 日間海底に設置され この機器にはリチウム電池またはリチウムイオン電池が使用されている 将来的には地震探査用途で海底に設置されるノードの数は 1 万個まで増加すると考えられている (a)auv 及び ROV (b) 海洋調査機器 海洋掘削装置 (c) 曳航式地震探査船 (d) 地震探査用海底ノード 出典 :Offshore Battery Days Lars Johansen 氏講演資料 Hans.H.Schive 社図 1-1 一次 二次電池を用いる主な洋上 海中機器 1

2 1.3 洋上及び海中用電池の一般的な設計基準 洋上及び海中用電池の設計基準として以下の基準を考慮する必要がある 安全基準 (UN38.3,EMC 指令等 ) エネルギー要件 出力要件 温度要件 充電方法 寿命 設備投資 (CAPEX) 運用費用 (OPEX) 技術達成指標 (TRL) UN38.3 国連危険物輸送基準勧告 UN3840 におけるリチウム金属及びリチウムイオン電池に関する規格 ( 第 38.3 項 ) を指す EMC 指令 電磁両立性に関する欧州指令 機器が発生する電磁妨害が無線 通信及びその他の機器の動作を妨害せず かつ機器自身の電磁妨害への耐性を持つことが規定されている 1.4 一次電池に関する考慮事項 (1) 一般的な考慮事項電池の形状は大きくコイン型と円筒型に分けられる コイン型は大電流を必要としないが長期間の使用が求められる機器に適しており 円筒型は高い出力電圧を必要とする機器に適している リチウム電池の出力は一般的にリチウムイオン電池と比較し非常に少ないが エネルギー密度及び使用温度範囲はリチウムイオン電池より非常に大きい (2) 環境温度極端な温度条件下では定格電流値は低下する また 適用温度範囲は電池メーカにより様々であり使用環境にあったメーカの選定が重要である 参考として 表 1-1 に Virzrocell 社 Saft 社 Engineered Power 社らの 4 社が製造する一次電池の適用温度範囲を示す 表 1.1 電池メーカによる一次電池の適用温度の比較 適用温度 メーカ 最大適用温度範囲 ( ) -40<T<165 Vitzrocell 社 最低適用温度範囲 ( ) -60<T<85 Saft 社 最高適用温度範囲 ( ) 70<T<200 Eng. Power 社 出典 :Offshore Battery Days Lars Johansen 氏講演資料 Hans.H.Schive 社 Vitzrocell 社 リチウム一次電池及び特殊電池メーカ ( 韓国 ) Saft 社 輸送 工業及び防衛産業用途での電池メーカ Engneered Power 社 特殊環境下でのリチウム一次電池メーカ (3) 寿命一次電池の寿命は不導体化層により数年間に渡りエネルギーを貯蔵することができる 自己放電率はコイン型で 1%/ 年以下 円筒型で 2~3%/ 年程度である (4) 衝撃 振動石油 ガス産業で使用される一次電池の衝撃試験は一般的に 1000G まで行われ 振動試験は正弦波振動で 30G 不規則振動で 20G まで行われる 他の分野で使用される一次電池に関しては UN 規格を遵守することが求められている UN38.3 では衝撃試験で 150G まで 振動試験で 8G まで行うことが推奨されている 衝撃試験で用いられる単位 G は衝撃値の単位 振動試験で用いられている単位 G は振動加速度を示す 2

3 1.5 二次電池に関する考慮事項二次電池は一次電池と同様 環境温度 寿命 使用環境及び設置時の衝撃と振動を考慮に入れる必要がある また 直流内部抵抗 (DCIR) と交流内部抵抗 (ACIR) の相関にも留意が必要で 仕様書では交流内部抵抗のみが記載されていることが多い また 以下の点を考慮しておく必要がある ほとんどの電気 電子製品は電流ではなく 電力により作動する 蓄電池は一定の電流と電圧を保持し電力を供給することはできない 自己放電 経年劣化 環境温度によりバッテリーの電圧が減少するに伴い電流は増加する 交流内部抵抗 ( インピーダンス ) は蓄電池の電解質抵抗を測定することにより確認することができる 直流内部抵抗は 電極の反応抵抗 インピーダンス及び他の全ての抵抗損失を含んだものとなる 電流による抵抗熱は以下の式により表される P=I 2 R 従い 被覆電線とヒートシンクは機器寿命を見越しての設計が行われるべきである ( 参考資料 ) Hans.H.Schive 社 Lars Johansen 氏講演資料 Hans.H.Schive 社ホームページ ( 3

4 2. 高耐久電気二重層キャパシタの開発 John Hyde 氏 Fast CAP System 社 ( 米国 ) 2.1 はじめに世界のエネルギー需要は上昇し続けており 2040 年までには現在の需要から約 40% 上昇すると予測されている 従い 電力貯蔵システムの改善がこれまで以上に重要となる 電気二重層キャパシタ ( またはウルトラ キャパシタ EDLCs) は公共事業 グリッドシステム 輸送 防衛システム及び民生用電子機器を含む幅広い機器に適したエネルギー貯蔵技術の一つである 現在 電気二重層キャパシタの商業化段階での電力密度 安全性 使用可能温度範囲 サイクル寿命及び設計の整合性に関する制限事項のため この技術の幅広い導入は制限されている FastCAP Systems 社の高耐久で高温 低温で使用可能な電気二重層キャパシタは石油 ガス探鉱業界や 防衛 航空宇宙 地熱発電業界に貢献することができる 電気二重層キャパシタ 電気二重層と呼ばれる物理現象を利用し蓄電量を大幅に向上させたキャパシタ 2.2 エネルギー及び出力密度エネルギー密度及び電力密度はエネルギー貯蔵機器の性能の指標を図るための主な指標である エネルギー密度は単位体積または質量当たりの貯蔵エネルギー (Wh) であり 出力密度は単位体積または質量当たりの機器が提供することができるエネルギー量 (W) を指す リチウムイオン電池は 250Wh/kg と 非常に高いエネルギー密度を有しているが 出力密度は低く 2kW/kg に留まっている 高出力用途で用いるためにはリチウムイオン電池または電池パックはシステムの出力要件を満たすために大型化する必要がある これはエネルギー貯蔵装置のコストの増加に繋がり また必要なエネルギーに比べ過剰なエネルギーを装置に提供することになる 出力密度 (W/kg) エネルギー密度 (Wh/kg) ラゴーンプロット : 二次電池の主要な性能指標である出力密度とエネルギー密度の関係を表したグラフ出典 :Offshore Battery Days John Hyde 氏講演資料 Fast CAP System 社図 2-1 近年利用可能なエネルギー貯蔵技術のラゴーンプロット FastCAP 社はエネルギー密度と出力密度を一つの電気二重層キャパシタに単に兼ね備えるだけでなく 双方の密度を世界有数の水準まで高めることに成功している その電気二重層キャパシタの出力密度はリチウムイオン電池の 50 倍である 100kW/kg を達成しており 現在 FastCAP 社の電気二重層キャパシタは電力処理能力の向上を目指している FastCAP 4

5 社はまた 単一の電気二重層キャパシタのエネルギー密度を 15Wh/kg まで高めることに成功しており 他の電力貯蔵システムと比べ少ないコストと重量で同等の電力を供給するのに成功している 電気二重層キャパシタは現在大容量の電力を必要とする機器に用いられているが 航空宇宙機器への適用された場合 電力貯蔵システムの小型化と長寿命化により数千ドルのコスト削減が可能となる 2.3 安全性市販の電気二重層キャパシタは高出力密度を確保するために電解質として揮発性有機溶媒を度々使用している リチウムイオン電池もまた有機溶媒を使用しており 化学反応での異常発熱による熱暴走が解決すべき課題となっている これらの化学物質は高電圧下や高温化では気化する危険があり 環境中に化学物質を放出するだけでなく 機器を損傷する可能性がある これにより引き起こされる故障を防止するため 異常発熱を防止し 蓄電池を保護する熱管理システムを組み込む必要がある 航空宇宙産業では これらのリスクは容認されておらず これらのシステムの使用はコストと機器への損傷のリスク回避のために避けられている FastCAP 社は高温 高電圧にさらされた場合に溶媒の気化のリスクを最小限に抑え 異常発熱を防ぐ独自の非揮発性電解質を開発している これにより電気二重層キャパシタが熱管理システムなしに精密機器に用いることができ コスト削減と省エネルギーを実現している これは航空宇宙産業界や輸送業界にとって最適なエネルギー貯蔵技術であり コスト削減と省エネルギーが可能となる FastCAP 社の電気二重層キャパシタはまた低圧環境下で気体が漏洩し周りの部品に影響を与えないよう密閉されている 出典 :Offshore Battery Days John Hyde 氏講演資料 Fast CAP System 社図 2-2 熱暴走発生のメカニズム 2.4 温度範囲電気二重層キャパシタや蓄電池で使用される揮発性電解質やリチウムのため それらを使用する機器の温度範囲は電解質の劣化温度までに制限されている 現在の電気二重層キャパシタとリチウムイオン電池の動作温度範囲はそれぞれ -40 ~65-20 ~125 である このため航空宇宙業界及び石油 ガス探鉱分野での電気二重層キャパシタの使用は禁止されており また -100 ~250 の動作温度範囲を必要とする地熱発電業界でも禁止されている FastCAP では研究開発により機器に応じて -110 ~300 までの温度範囲で電気二重層キャパシタが動作できるよう 幅広い独自の電解質を開発している FastCAP 社が開発した市販の特殊環境用電気二重層キャパシタは -40 ~150 の温度範囲で使用可能であり 5

6 他の製品の 2 倍の温度範囲を有しているため高温環境でも使用可能である FastCAP 社が開発した幅広い範囲で動作可能なセルの開発により 今後宇宙や地下といった過酷な環境下でのミッションに貢献することができるだろう 出典 :Offshore Battery Days John Hyde 氏講演資料 Fast CAP System 社図 2-3 FastCAP と他の市販用電気二重層キャパシタの温度範囲の比較 2.5 サイクル寿命サイクル寿命とは機器が動作可能な容量を確保しつつ 機器が耐えられる充放電サイクルの数を指す サイクル寿命は機器が使用するエネルギー貯蔵方法に関連している 蓄電池は電極と電解質の間で行われるファラデー反応により電力を蓄える この反応は多くの場合電極と電解質の劣化だけでなく 望ましくない副反応も起こすため 従来の蓄電池のサイクル回数は 5000 より少なくなるよう制限されていた FastCAP 社の電気二重層キャパシタはそれぞれの電極への陽イオンと陰イオンの選択的引力により電気二重層を介して電荷が蓄積されている 電気二重層キャパシタは電極及び電解質の劣化は少ないためリチウムイオンと比較し 100 万回以上のサイクル寿命を有している これにより電気二重層キャパシタは長期間に渡り非常に安定した電力を供給することができる これは繰返しパルスを必要とする機器に最適である 2.6 設計の整合性設計の整合性は過酷な環境下での使用に耐える部品を必要とする産業でのエネルギー貯蔵装置の採用を阻む主要な要因となっている これはリチウムイオン電池の損傷と内部接続の欠陥が短絡を引き起こしシステム全体に損傷を与える危険性に起因している これは長距離送電により離れた場所に電力供給が必要な 衝撃源や圧力源から離れて電力貯蔵が必要な産業等で必要とされている FastCAP 社の高耐久電気二重層キャパシタは 衝撃と振動に対しそれぞれ 1000Gpeak 及び 60Grms まで耐えることができるよう設計されている これにより高衝撃環境下で電力源を必要とする機器に使用することが可能となる これに加え 高温及び低温化での動作が可能となるよう設計を行うことで FastCAP 社の電気二重層キャパシタはこれまでは適応不可能だった過酷な環境下で使用される機器にエネルギー貯蔵技術を提供することができるようになるだろう ( 参考資料 ) Fast CAP System 社 John Hyde 氏講演資料 Fast CAP System 社ホームページ ( 6

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