電力貯蔵の技術開発動向 平成 27 年 2 月 19 日 @ 第 9 回地球温暖化対策シンポジウム 電力中央研究所次世代電力需給マネジメント特別チーム 副研究参事 池谷知彦
電力貯蔵の技術開発動向 1. 電力貯蔵技術が期待される状況 2. 電力貯蔵技術の特徴 3. 電力貯蔵用途の二次電池技術 4. 二次電池の更なる高性能化 5. 二次電池利用の取り巻く課題 6. まとめ 2
電力系統 ( 発電所から家庭 工場などへ ) WF メガソーラ 火力発電 不安定な電源安定な電源 家庭用コジェネ コジェネ 3
電力需給のバランス確保 電力供給 電力需要 Mega PV メガソーラ 需給バランス ( 電圧 101V±6V 周波数 50Hz±0.2Hz ) 30 分間隔で 同時同量 + 0.1 秒 ~ で 出力制御 4
安定した電源の確保とは エネルギー密度 パワー コスト 規模 を確保できる 制御可能な エネルギーが必要 (5 つの要件を満足する ) さらに 低炭素化を望むには 石炭 石油 天然ガス 原子力は 5 つを満足 化石燃料の高効率利用と CO 2 排出抑制が不可欠 風力 太陽光発電はどれを満足できるのか? では 満足させるには 何が必要か? 電力貯蔵? バックアップ電源? 需給調整? 5
PV 大量導入に伴う系統課題と対策案 PV 導入量 ( 万 kw) 5300 2800 ~1000 系統安定用の蓄電システムが不可欠に 需給 周波数調整 電力用蓄電池活用 配電系の電圧管理 需要家側連系対策 電力余剰 配電系統対策 需要家側分散電源の安全性 ローカルな配電対策 PVシステム単体としての対策 負荷機器 / 需要家蓄電池活用 系統対策 揚水増設 系統蓄電池 PVシステム側対策 PV 出力制御 ( 抑制 ) ( カレンダー 通信 ) 需要家側連携対策 変圧器分割設置 SVR/SVC/STATCOM 設置 単独運転防止 FRT 機能 無効電力調整機能 2010 2020 2030 年 6
従来電源と太陽光 風力発電との違い 従来電源 起動停止ができる 出力調整が可能 回転発電機では ガバナーフリー対応可 化石燃料に依存大の火力 PV WF 電源 天気任せ 風任せの発電 出力変動が大きい 制御不能 緊急時の発電には不向き 季節で発電出力が変動 PV は夜間は発電なし WF は季節によって発電なし CO 2 フリー 7
電力貯蔵システムの用途 従来は ピークカット ピークシフト ボトムアップなどで負荷平滑化 バックアップ電源 瞬低対策 PV WF 導入では 供給力の過不足調整 ( 電圧 周波数の安定化 ) 太陽光 風力発電等の出力の平滑 安定化 調整火力の代替電源 天候により数日間程度の電源確保 8
電力貯蔵の技術開発動向 1. 電力貯蔵技術が期待される状況 2. 電力貯蔵技術の特徴 3. 電力貯蔵用途の二次電池技術 4. 二次電池の更なる高性能化 5. 二次電池利用の取り巻く課題 6. まとめ 9
各種の電力貯蔵技術の特性 電力貯蔵技術には 位置 運動 磁気 圧縮 物理 化学などによるエネルギーを貯蔵する方法がある 化学的エネルギーで貯蔵する蓄電池技術 ( 二次電池 ) が 最近 震災以降に注目 二次電池は コンセントから外してのゲーム機器 電話 PC などの携帯機器 次世代自動車の駆動系電源として また 大きな容量では 電力系統の安定化に利用 10
エネルギー 電力貯蔵技術 種別貯蔵方法特徴主な用途課題 揚水 フライホィール 位置エネルキ ー 運動エネルキ ー 大容量 連続的 ( 時間オーダー ) 瞬低対策 ( 秒 ~ 分オーダー ) 負荷平準化 電車の回生 電力安定化 系統連系立地が課題 耐久性 SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage) 磁気エネルキ ー 瞬低 ( ミリ秒オーダー ) 瞬低対策 冷凍機が必要線材の高温化 CAES (Compressed Air Energy Storage Gas Turbine) 圧縮エネルキ ー 大容量 連続 ( 時間オーダー ) 負荷平準化 立地火力発電に併設 キャパシタ 物理 ( 吸着 ) エネルキ ー 速い応答 ( 秒オーダー ) 瞬低対策風力安定化 耐久性 コスト 二次電池 化学エネルキ ー 連続的 比較的速い応答 ( 分オーダー ) 携帯機器 車両 負荷平準化 コスト 耐久性 大容量化 水素 化学エネルキ ー 電気分解等で製造 燃料電池 火力で発電 FC 自動車 コジェネ 水素の輸送 貯蔵 効率 11
各電力貯蔵システムの出力容量と応答速度 GW 揚水発電 MW SMES レト ックスフロー電池 NaS 電池 kw 鉛蓄電池 W キャパシター リチウム電池ニッケル水素吸蔵合金電池 秒分時日月 応答速度 12
蓄電技術利用の一例 火力発電 負荷平準化 メガソーラ ウインドファーム の安定化 単位 : 時間から半日揚水, 圧縮空気貯蔵, NaS, NiMH, RF 瞬低 瞬停対策 SMES キャパシター 単位 : 秒フライホイール 太陽光発電の安定化単位 : 分 ~ 時間 リチウム電池 NiMH バックアップ電源 停電リチウム電池 鉛蓄電池単位 : 時間 ~ 日 13
出力調整と負荷追従について 二次電池の高出力化 蓄電池で対応を期待 大容量電池で対応 ガバナフリー : 発電機出力や周波数の増減に応じた回転数変化を検出し制御弁を開閉し 回転数を一定に制御させるもの LFC(Load Frequency Control): 給電指令所の自動周波数制御装置により周波数偏差を検出し 短周期の負荷調整する出力指令信号 ELD( Economic Load Dispatch): 給電指令所より送信される出力指令信号 14
電力貯蔵の技術開発動向 1. 電力貯蔵技術が期待される状況 2. 電力貯蔵技術の特徴 3. 電力貯蔵用途の二次電池技術 4. 二次電池の更なる高性能化 5. 二次電池利用の取り巻く課題 6. まとめ 15
3. 二次電池技術への期待 1 携帯機器 ( 軽量 コンパクト 長時間化 ) 2 次世代自動車 ( 電気自動車 ハイブリッド プラグインハイブリッド 燃料電池自動車 )( 大出入力 軽量 耐久性 ) 3 分散型電源 ( 家庭 事業所用 )( 高効率 コンパクト 耐久性 ) 4 系統安定化 ( 多様な需要対応 風力 太陽光発電の系統連系 )( 大出入力 コンパクト 高耐久性 大容量化 ) 16
二次電池の高性能化が EV の CO 2 排出量削減に 石油火力 90g-CO 2 /km 石炭火力 111g-CO 2 /km NG 火力 50g-CO 2 /km 震災前 :49g-CO 2 /km EU2020 年規制 95g-CO2/km 火力平均 :80g-CO 2 /km 参照 : 池谷 : 電気学会誌, vol.133, No.1, pp.10-12(2013) 17
変電所とマイクログリッドに導入した分散型 電池電力システム実証 大容量システム (6) 壱岐島 ( 離島 ) (Li イオン電池 /4MW) (2012-2016) マイクロク リット (7) 対馬 奄美大島 種子島 ( 離島 )(Li イオン電池 /3.5/2/3MW) (2013~17) マイクロク リット (5) 尼崎 関西電力 (Li イオン電池 /100kW) (2013-15) ピークシフト (1) 南早来変電所 ( レト ックスフロー電池 /15MW)(2013-2018) 風力 太陽火発電連系時の周波数安定化 (2) 西仙台変電所 (Li イオン電池 /40MW)(2013 2018) 風力 太陽光発電連系時の系統配電安定化 (8) 宮古島 ( 離島 ) (NaS 電池 /4MW,Li/100kW) (201-16) 18 (3) 綱島変電所 (Liイオン電池/900kW)(2010-14) スマートシティーのエネルキ ーマネシ メント (4) 石津川変電所 (NiMH/250kW) 太陽光電池連系の安定化 18
系統安定化用二次電池電力貯蔵システム 目標実施者電池タイプ容量場所 系統安定化と余剰電力対策 ( 出力抑制 ) 周波数変動対策 北海道電力 レドックスフ住友電工ロー電池 ( ハ ナシ ウム ) 東北電力 東芝 リチウムイオン電池 (SCIB) 15MW / 60MWh 40MW 20MWh / 南早来変電所 西仙台変電所 19 南早来変電所 西仙台変電所 19
北海道 南早来変電所の周波数安定化のための分散型電源レドックスフロー電池 2015 年からの経済産業省の実証事業 住友電工のレドックスフロー電池 V +4 + V +3 <=> V +5 + V +2 (1.26V) 15MW / 60MWh https://www.sei.co.jp/newsletter/2012/09/feature.html 20 20
家電機器用と電気事業との違い 携帯 家電機器用 容量は数 Wh 100W 数 Wh の数個の組電池 寿命は 1~2 年程度で モデルチェンジまで 電気機器の機能で回収 ( コスト意識低い ) 軽量コンハ クトが キー 電気事業用 数百 k~ 数十 MWh ~ 数十 MW の大出力 ( 周波数調整 貯蔵 ) 数百個以上の組電池で大容量化 寿命は 30 年以上耐久性 料金収入でコスト回収 ( 厳しいコスト評価 ) 軽量コンハ クトは二の次 21
米国 加州電力貯蔵システム導入を推奨 加州は 再生可能エネを 2020 年までに 33% 導入を設定 (2012 年で 3 社で 20% までに至った ) 2013 年 6 月公共ユーティリティー委員会が 3 大電力会社 (PG&G 南カリフォルニア エジソン サンディエゴ電力 & ガス ) に 2030 年までに 1.3GW の電力貯蔵システム導入を提案 導入の強制義務はない 22
省エネ法の改正 電力ピーク対策に 蓄電池設置を推進 充放電ロスを勘案し て 1.3倍の評価 23
経済産業省の蓄電池システム導入促進 平成 26 年度補正予算 1 再生可能エネルギーの接続保留への緊急対応 744 億円のうち 300 億円 蓄電池の活用 ( 系統への受け入れ可能容量拡大の大型蓄電池実証 ) に 2 再生可能エネルギー余剰電力対応策高度化事業 65 億円 蓄電池のコスト低減 2.3 万円 /kwh( 揚水並みに ) を目指した技術開発 3 定置用リチウムイオン蓄電池導入支援事業 130 億円 家庭等での電力需要ピークカット 24
電力貯蔵用蓄電池 の技術 / 設置要件 電力貯蔵用電池規程 JEAC 5006 1. 総則 ( 一般事項 電力貯蔵用電池にかかわる関係法令 ) 2. 電力貯蔵用電池設備の構成 ( 電池の構成 交直変換装置の構成 電力貯蔵用電池設備の適用形態 シ ステム制御装置の機能 ) 3. 性能 構造 ( 電池設備 交直変換装置 システム制御装置 ) 4. 施設条件及び運搬 5. 試験及び検査 6. 電力貯蔵用電池設備設置のための手続き 7. 管理基準 H27 年 1 月に改訂版を発刊 新たに制定されたJIS C8715-2を参照して リチウム二次電池の安全性能要件を整理 大容量リチウム二次電池システムの導入に関連する規制緩和の反映等 IEC TC120 への展開の可能性 <http://jesc.gr.jp/jesc-assent/private/jesc_e0007_05.html> 25
MW 級コンテナ型蓄電池システム 新神戸電機 日立製作所 ( リチウムイオン電池 ) 電池 :1MW 0.25h 交直変換装置 :AC280V に連系 1GBT 素子 (2 チョッパ ) 居住しない建築物以外 として認可 ( ただし 平積み ) 搬出 設置が容易 海外 進出に 26
1MW 級コンテナ型蓄電池システム 27
電力系統用蓄電池システムの要求 電気事業の施設は 40 年の耐久性を要求 高効率であること ( 揚水より高効率 ) 保守人員が不要なこと ( 安全性の確保 ) 電池寿命は40 年は無理 製造時に見込めない メンテナンス 保守 リプレイスで 40 年間を維持するのもあり ではないか 低コストで製造し リプレイスして 新技術での高効率な電池を導入した方が経済的ではないか 28
二次電池電力貯蔵システムのコスト割合 電池価格よりも電力変換器が高い (kw で高値 ) @1 千万 MWh/ 年工場製造時 電力品質 (5MW-2.5MWh) で 9.4 万円 /kwh 下げ代 (5MW-40MWh) で 3.3 万円 /kwh 系統安定化にはパワコンのコストも大きい NEDO 系統連係円滑化蓄電システム技術開発 共通基盤研究 H23 年 4 月成果報告書産総研 三菱総研 電中研より 電力品質対策 (5MW-2.5MWh) 変換器 52% 蓄電システム化部品 3% 変換器 9% 蓄電セル 販売管理費 15% 変圧器 13% 蓄電セル 製造間接費 29% 蓄電セル 材料費蓄電セル 製 15% 造間接費 10% 蓄電セル 販売管理費 5% 蓄電システム化部品 5% 下げ代対策 (5MW-40MWh) 蓄電セル 材料費 42% 29 変圧器 2%
電力貯蔵の技術開発動向 1. 電力貯蔵技術が期待される状況 2. 電力貯蔵技術の特徴 3. 電力貯蔵用途の二次電池技術 4. 二次電池の更なる高性能化 5. 二次電池利用の取り巻く課題 6. まとめ 30
二次電池の更なる高性能化 高エネルギー密度 ( 重量 体積 ) 資源制約対策 元素戦略 ( 脱レアメタル ナトリウム電池 高分子電池 ) 高安全 ( ポリマーなどの全固体電池 ) 早期実用化 : 小容量電池からのステップ バイ ステップの大型化への実用化 ( 民生から電力用に ) 31
電池 電池 とは? 燃料電池 (0.7~1.0V) 太陽光電池 発電のみ 一次電池マンガン電池 (1.5V) アルカリ電池 (1.5V) オキシニウム電池 (1.5V) 亜鉛 / 空気電池 (1.5V) リチウム電池 (3~4V) 放電のみ 二次電池 鉛蓄電池 ( 水 2.4V) ニッカド電池 ( 水 1.2V) ニッケル水素電池 ( 水 1.2V ) リチウムイオン電池 ( 有機 3~5V) ナトリウム / 硫黄電池 ( 固体酸化物 高温 ) (2.3V) レドックスフロー電池 (1.3~1.5V) 電力貯蔵 32
二次電池の水 非水電解液での特徴 水電解液 過充電につよい 水の電気分解で 効率低い 電圧は 水電解電圧で低い 補水が必要 ( 不要化も可 ) 非水電解液系 副反応が少 ( 制御不可欠 ) 効率が高い 作動電圧が高い (~5V) メンテナンスフリー 鉛蓄電池 ニッケル水素吸蔵合金電池 ニッケルカドミウム電池 など キャパシタ リチウム / リチウムイオン電池 全固体電池 Na/S 電池 など キャパシタ 33
インターカレーション反応と溶解析出反応の特徴 インターカレーション 溶解析出 ( リチウムイオン ニッケル水素電池など ) ( 金属リチウム ニッカド 鉛蓄電池など ) 結晶格子内にリチウム 水素イオン等が収納 貯蔵 結晶構造 容積の変化を伴うことがある ( 膨張 収縮 ) 材料内をイオン拡散 電気伝導度の確保 析出 溶解で 元の形状に戻らない デンドライト成長がある ( 針状析出 ) 内部短絡の懸念 表面での溶解析出 不活性化の抑制 34
溶解析出反応 ( コンバージョン ) リチウム金属電池 ニッケル亜鉛電池 (Zn/NiOOH) 鉛電池 (PbO/Pb) など 負極 Li+ 正極 Li 金属 Li+ Li+ 35
インターカレーション反応 リチウムイオン電池 ニッケル水素電池 (MH/NiOOH) など 負極 Li+ 正極 Li+ Li+ 36
リチウムイオン電池の特徴 リチウムイオンを使う電池 インターカレーション反応を利用するリチウムイオン電池 長い寿命 金属リチウムの溶解析出反応での金属リチウム電池 高容量だが 寿命が短い 高効率 ( 副反応がない ) 高効率な充放電 (95% 以上 ) 長寿命が期待 溶解析出反応を伴わないため長寿命 高いエネルギー密度 高電圧作動と高容量 多様な組み合わせの正極 / 負極材料 ( 作動電圧は材料で決まる ) 組合せは無限 37
蓄電池システムの用途別規模 出力 単電池あたりの出力 反応の速さ W kw MW 高出力携帯用 HEV 平滑 PHEV EV PC 用家庭用 風力用貯蔵大規模工場用 Wh kwh MWh GWh 単電池あたり貯蔵容量 電気容量 38
METI 次世代自動車用高性能蓄電システム技術開発 200Wh/kg 2500W/kg, コスト1/7 70Wh/kg 2000W/kg, 20万円/kWh METI/自動車課 次世代自動車用電池 の将来に向けた提言 2006,8より 500Wh/kg 1500W/kg, コスト1/40 39
二次電池の高エネルギー密度化 高電圧化 高容量化 40
更なる高性能化に挑む ポイント 高エネルギー密度化 その他 開発の方向技術的な課題対応策方向性イオン性の高い酸化 フッ化物探索継続中等の作動電圧の高い正極材料作動電圧の耐高電圧な有機電解液の開発探索継続中高電圧化 高容量化 元素戦略 高電圧作動の正極材料と 4V 以上の耐電圧のある電解液 電解質の探索 Li イオン電池でのインターカレーション反応では理論容量が限界が見えてきた コンバージョン反応 溶解析出反応の利用 Li 希少元素は資源的に限りがある 固体電解質 イオン液体の利用 複数 Li イオンの移動 軽元素 (Li や F, S 等 ) の利用 溶解析出反応 ( 金属リチウム等の利用 ) 多価イオンの利用 (Mg, Al 等 ) 空気極の利用 1 2 Ca, NaのLi 代替利用有機材料 ( キノン等 ) 活用 拡散速度の向上 低コスト化 界面制御 脱挿入時の結晶構造の維持安定した繰り返せる耐久性向上 寿命 デンドライト成長抑制 拡散速度の向上 安定した溶解析出できる電解液の探索 高容量正極材料の探索 加湿 二酸化炭素対策 電池構造空気代替材料 ( 過酸化物等 ) 1 2 Naの特性を活かした新たな材料開発 Liより反応性が高い 有機物の耐久性の確認 池谷 : 更なる高性能化に挑む 蓄電池技術 電気学会誌 Vol.134,pp.762(2014) 41
電力貯蔵の技術開発動向 1. 電力貯蔵技術が期待される状況 2. 電力貯蔵技術の特徴 3. 電力貯蔵用途の二次電池技術 4. 二次電池の更なる高性能化 5. 二次電池利用の取り巻く課題 6. まとめ 42
二次電池利用の取り巻く課題 電力系統での蓄電池システム開発 ( メンテナンス 保守 リプレイスもありでの40 年運用 ) 標準化 ( 移動体 分散型電源の構成 性能評価 充電 運搬方法など ) リユース方法 / リサイクル方法 / 廃棄 電池劣化の評価手法 残存価値評価手法 使用済み電池 損傷電池の取り扱い / 搬送 残存性能の消失方法 ( 不活性化 ) 電気自動車の中古車市場はできるのか? ( 既存の自動車の流通とは異なる?) 43
電力貯蔵の技術開発動向 まとめ これからの電力供給 電力系統の安定化に 電力貯蔵システムは不可欠 各種の電力貯蔵システムの特徴を活かして利用することが重要 評価軸として エネルギー効率 応答速度などが重要 電力貯蔵に 二次電池技術への期待は高い 二次電池の高性能化は まだ 途上 多くの課題があるが 期待は大きい 44
電力貯蔵の技術開発動向 問い合わせは ikeya@criepi.denken.or.jp ご清聴を頂き 感謝申し上げます