蓄電システムに関する技術開発動向

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ときたけすえ
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1 蓄電システムに関する技術開発動向 ~ 定置用 MW 級蓄電システムの研究開発動向について ~ 環境エネルギー研究本部研究員長谷川功

2 背景研究開発の背景自然エネルギー発電は出力が不安定なため大量に普及した場合連系する電力系統に悪影響を与えるという問題点が指摘されているこの問題を解決する手段の一つとして蓄電池による出力安定化が注目されている出力のイメージ蓄電池に充電 -/ ~ 蓄電池から放電出力はお日様任せ風任せ ~/- 蓄電システムの開発評価方法の検討 < 想定される悪影響 > 電圧の変動周波数の変動などキーポイント = 大型低コスト長寿命抑制これを実現するためにはより低コストでより長寿命な大型蓄電システムの開発とともにそれを評価するための手法検討が必要である 2

3 再生可能エネルキーとの系統安定化用途以外の電力貯蔵用電池の開発ターケット発電所電力供給サイド変電所併設大容量蓄電池システム変電所揚水発電所揚水発電所代替大容量蓄電池システム移動体用定置型需要家サイド電気自動車用電池 (10 数 ~ 数 10kWh 級 ) プラグインハイブリッド車用電池 ( 数 ~10kWh 級 ) [ 出典 : 経済産業省低炭素電力供給システムに関する研究会 ( 第 2 回 ) 配布資料 ( 平成 20 年 8 月 )] 3 家庭用電池電力貯蔵装置 ( 数 ~10 数 kwh 級 )

4 1 高エネルギー密度化鉛電池ナトリウム硫黄電池ニッケル水素電池リチウムイオン電池現状 40~80 Wh/L 140~170 Wh/L 40~100 Wh/L 140~210 Wh/L 将来性 2 大容量化実績現状 MWh 級数 100MWh 級数 100 kwh 級数 10 kwh 級 3-1 コストダウン 3-2 高出力対応 3-3 実用 SOC 範囲 4-1 長寿命化 4-2 低 SOC の寿命への低影響 4-3 過充電過放電耐性 5-1 充放電エネルギー効率 5-2 SOC 監視の容易さ系統安定化用蓄電池の現状と研究開発による解決の将来性 kw 単価 15~25 万円 /kw 24 万円 /kw 10 万円 /kw 5~150 万円 /kw 現状 kwh 単価 5 万円 /kwh 2.5 万円 /kwh 10 万円 /kwh 10~200 万円 /kwh 本体価格将来性現状 1 時間率 ( 但し容量 50%) 6~7 時間率 1 時間率 0.5 時間率将来性現状比較的狭い極めて広い極めて広い広い将来性 - - 現状 4500 サイクル 4500 サイクル 2000 サイクル 3500 サイクル将来性 ( サルフェーション ) 現状将来性現状過充電過放電将来性 - 現状 75~85% 90% 80~90% 94~96% 将来性現状将来性 - 現状 ~ ~ 5-3 低稼働率時の高効 ( リセットロス ) ( ヒータロスリセットロス ) ( リセットロス ) 率性将来性 - 本表中のコストはシステム規模構成等による変動があり得る参考値で現状値も出典資料時点 (2006 年 ) の値 [ 出典 : 経済産業省低炭素電力供給システムに関する研究会 ( 第 2 回 ) 配布資料 ( 平成 20 年 8 月 )] 4

5 風力発電に併設する蓄電システム所要容量 ( 発電設備 MW あたり ) の試算例制御方法平均化時間 ( 分 ) 所要 MW 容量 (MW) 所要 MWh 容量 (MWh) 必要な最小充放電時間率性能備考短周期変動対策長周期変動対策終日平滑化運転平均化時間 10 分での最大値縮小率を最大にするための所要容量平均値縮小率 47.6% 累積出現頻度 100% を蓄電池で制御 1の容量削減ケースで平均化時間 10 分での平均値縮小率を40% 程度にするための所要容量平均値縮小率 40.4% 累積出現頻度 84.7% を蓄電池で制御 1の容量削減ケースで平均化時間 20 分での平均値縮小率を50% 程度にするための所要容量平均値縮小率 49.9% 累積出現頻度 83.7% を蓄電池で制御夜間 8 時間完全充電昼間は平均化時間 120 分での短周期変動対策運転を実施昼間時間帯の平均値縮小率は82.0% [ 出典 : 経済産業省平成 17 年度新エネルギー等電力市場拡大促進対策基礎調査等 ( 風力発電導入拡大のための周波数変動対策としての蓄電池システムの導入に関する調査 ) ( 平成 18 年 6 月 )] 風力発電の場合でも制御方法平均化時間の設定で所要蓄電容量 (MWh) に約 100 倍の開き風力発電容量 (MW) 当たりの系統安定化蓄電システムのコスト目標が見定めにくい併設蓄電容量 (MWh) が小さくてすむと蓄電システムのコスト目標が緩和される反面市場規模がコスト低減を生む量産規模に至らず蓄電システム製造への投資意欲が高まらない恐れもある短周期変動 or 長周期変動平均化時間など平均的なシステム要件を検討する必要有り 5

6 風力発電の特徴から見た蓄電池システムへの要求性能 ( 例 ) 低い充電状態 (State of Charge, SOC) の待機状態においても寿命劣化や効率の低下が少ないこと風力発電の設備利用率は必ずしも高くないことから蓄電池システムの設備利用率も低くなる傾向がある長周期変動対応としての下げ代対応運転の場合電力需要の少ない深夜に先立ち SOC を下げておく必要があるが深夜に高い SOC まで必ずしも充電されるとは限らない SOC の的確な管理が可能であること積算電流計などによる計測では徐々に誤差が蓄積し電池の実際の SOC とのずれが生じる恐れがあり校正のために満充電リセットを行い容量計リセットを行う必要がある低い SOC にある電池には商用電力を用いて満充電する必要が生じる [ 出典 :NEDO 委託業務成果報告書 ( 財団法人電力中央研究所 ) 系統連系円滑化蓄電システム技術開発に関する調査 ( 平成 18 年 7 月 )] 6

7 NEDO 系統連系円滑化蓄電システム技術開発共通基盤研究のご紹介 7

8 研究開発の概要研究開発の目的低コストで長寿命な自然エネルギー発電用の大型蓄電システムを構築実現するために必要となる各種の技術開発を行なうテーマと最終目標 (1) 実用化技術開発システムの大型化と出力制御技術の開発を行なう最終目標 = 大型蓄電システムの製作と 6 ヶ月以上の実機検証 (2) 要素技術開発高性能化のための各種構成部材の開発を行なう最終目標 = コスト 4 万円 /kwh 寿命 10 年を実現する技術の開発 (3) 次世代技術開発新規材料および製法等の研究開発を行なう最終目標 = コスト 1.5 万円 /kwh 寿命 20 年を見通す新技術の開発実用化 (4) 共通基盤研究本プロジェクトの開発品に適用する各種評価方法の開発を行なう最終目標 = コスト安全性寿命性能評価方法の開発要素技術開発次世代技術開発実用化技術開発各種評価方法共通基盤研究大きさ 8

9 系統連系円滑化蓄電システム技術開発L=京都大小久見氏研究実施体制研究の方向性や技術的内容を審議 < 技術委員会 > 九州大山木氏東工大菅野氏山形大仁科氏長崎大森口氏元 GSY 山地氏 NEDO Gr ミーティンク = 2 回 / 年技術委員会 = 2 回 / 年 (P実用化要素技術開発 (SPL: 豊橋技科大櫻井氏 ) 次世代技術開発 (SPL: 神奈川大佐藤氏 ) )三菱総研 - 電中研 ( 各種評価方法 ) 共通基盤研究 (SPL: 産総研辰巳氏 ) 川崎重工 ( ニッケル水素 ) 北陸電力 - エナックス ( リチウムイオン ) 三菱重工 - 九州電力 ( リチウムイオン ) 日立製作所 ( リチウムイオン ) 日清紡 ( キャパシタ ) 電中研 ( リチウム電解質 [ ポリマー ]) 同志社大 ( リチウム負極 [ 高電位 ]) 大阪大 ( リチウム電解質 [ ポリマー ]) 東工大谷口准教授 ( リチウム正極 [ 燐酸 Mn]) 東海カーボン産総研 ( リチウム負極 [ カーボン ]) 鶴岡高専 - 京都大 ( リチウム電解質 [ ポリマー ]) 東工大山田准教授 ( リチウム正極 [B,Si 系 ]) 9

10 共通基盤研究における研究体制技術委員会ワークショップ設置開催本研究の方向性や技術的内容を審議 PL,SPL 共通基盤研究評価方法の妥当性を審議専門委員会設置コスト評価 WG 安全性評価 WG 寿命性能評価 WG NEDO 研究委託三菱総合研究所電力中央研究所各評価方法の検討加速劣化試験の実施連携要請開発者サンプルセルの作製評価方法の検討評価の実施 10

11 11 研究開発内容当初の問題点研究開発内容目標客観的なコスト評価手法や材料原単位が存在しない蓄電システム導入量の推定を進めつつ量産効果推定モデルを開発セルモジュールシステムの各レベルのコスト評価手法を開発量産化効果評価モデルの熟度を高めた MW 級システムの評価手法の確立基盤データの整備標準的な寿命評価方法加速劣化試験方法が存在しないセルモジュールシステムの各レベルの寿命評価手法を開発手法の妥当性を確認すべく確認試験を実施加速劣化評価試験方法の確立モジュールシステムレベルの評価手法の完成検証リチウムイオン電池の開発品を対象に共通の加速劣化試験を実施試験結果の分析寿命推定方法加速劣化試験方法へのフィードバック標準的な安全性評価手法が存在しないセルモジュールシステムの各レベルの安全性評価手法を開発開発した安全性評価方法に基づく確認試験の実施モジュールシステムレベルの評価手法の完成検証性能に係る用語の定義が未統一標準的な性能評価手法が存在しない各種用語を定義しつつセルモジュールシステムの各レベルの性能評価手法を開発ウィンドファームやメガソーラー等の実サイトのデータを収集しそれらに基づく試験パターンを作成風力太陽光発電出力等基盤データの整備モジュールシステムレベルの評価手法の完成検証

12 中評価方法案の適用間主にモジュールシステムレベル評評価結果主にセルレベル評用価サンプル提供研究項目とスケジュール研究項目平成 19 年度平成 20 年度平成 21 年度平成 22 年度コスト評価方法の開発評価範囲項目の検討評価方法の検討検証など共通基盤研究開発者安全性評価方法の検討既存の規格基準の調査評価項目の検討評価方法の検討検証など性能評価方法の開発既存の規格基準の調査評価項目の検討評価方法の検討検証など寿命評価方法の検討基本試験パターンの検討寿命加速方法の検討加速劣化試験の実施開発品の評価検証試験用サンプルセルの作製開発品の中間評価各種評価方法の検討開発品の性能検証開発品の最終評価など価方法の適12

13 標準システム仕様の検討 ( コスト評価手法の検討例 ) 新エネ併設の MWh 級蓄電システムの用途を整理し用途別に標準システム仕様を検討標準システム仕様を設定する背景 : 蓄電部分 ( いわゆる蓄電池 ) のコストは kwh 単位で変化するがシステム部分 ( 変換器変圧器等 ) は kw がコストのパラメータ同一規模のシステム [kw] でも蓄電容量 [kw] が倍だとシステム部分のコストが見かけ上半分に低下することとなるこうした事態は当然ミスリードを生じるためシステムレベルコスト評価においては共通の用途および仕様のもとで評価すべき表コスト評価のための用途別蓄電システム標準仕様用途 / 役割概要併設する新エネ発電新エネの出力規模蓄電容量変換装置の規模交流電圧電力品質対策新エネの出力変動を抑制風力発電 10MW 平滑化 20 分 :40%kW 0.5h 平均化 120 分 :50%kW 3h 太陽光発電 10MW 平滑化 20 分 :70%kW 20 分平均化 120 分 :70%kW 2h 6,600V 6,600V 余剰電力対策下げ代不足対策タイムシフト新エネ導入によって発生する余剰電力を蓄電 ( 主に風力 ) 需要最小時に供給力過剰 ( 下げ代不足 ) にならないように調整供給側でオフピーク時の安い電力を蓄電しピーク時に放電太陽光発電 10MW 100%kW 4h 12MW 6,600V 風力発電 10MW 50%kW 8h 12MW 6,600V 太陽光発電 10MW 70%kW 4h( 平滑化 120 分 ) 6,600V 風力発電 10MW 50~100%kW 4~8h 12~24MW 6,600V カットアウト時対応新エネのカットアウト時にバックアップ電源 ( ディーゼル発電等 ) 立ち上げまでの電力を補償風力発電 10MW 50%kW 15~30min 12MW 6,600V 13

リチウムイオン二次電池を用いた再生可能エネルギーの系統連系円滑化システムの開発,三菱重工技報 Vol.48 No.3(2011)

発電技術特集技術論文 52 リチウムイオン二次電池を用いた再生可能エネルギーの系統連系円滑化システムの開発 Development of Grid-stabilization Power-storage System for Renewable Energy with Lithium-ion Rechargeable Battery *1 橋本勉 *2 栗田章央 Tsutomu Hashimoto