現代の送電網のおかげで、私たちは好きなときに電気を利用できる。しかし送電網は、発電量と消費量が常に等しい場合にのみ機能する。とはいえ、常にバランスを完璧に保つことは不可能だ。そこで事業者は、発電量が落ちたときや需要が増えたときに備えて、余剰電力を蓄える手段を加えることで、送電網の柔軟性を高めている。
世界のエネルギー貯蔵容量の約96%は、揚水発電という一つの技術によるものである。発電量が需要を上回ると、余剰電力を使って水をダムの上部へ汲み上げる。需要が発電量を上回ると、その水を重力によって落下させ、位置エネルギーでタービンを回して電気を生み出す。
しかし揚水発電には、水源と異なる標高に貯水池を確保できるという特定の地理的条件が必要である。世界の揚水発電設備のおよそ4分の3が、わずか10か国に建設されてきたのはそのためだ。問題は、化石燃料への依存を減らすために不安定な太陽光発電や風力発電を導入し続けるのであれば、世界はエネルギー貯蔵をはるかに増やす必要があることだ。
Energy Vaultというスタートアップは、揚水発電に代わる実用的な方法を持っていると考えている。水やダムを使う代わりに、同社はコンクリートブロックとクレーンを用いる。同社は今日（8月18日）まで事業をステルス・モードで運営してきたが、今日、コネチカット州で開催されるアイデア・フェスティバル「Kent Presents」で、その存在が発表される予定である。
暑い7月の朝、私はスイスのビアスカを訪れた。ミラノ（イタリア）から北へ約2時間の場所である。そこでEnergy Vaultは、本格的な事業規模の約10分の1の大きさの実証プラントを建設していた。アイデアから稼働可能な装置に至るまで、全体で約9か月と200万ドル未満で完了したという。このような低技術・低コストのイノベーションが、巨大なエネルギー貯蔵の課題のほんの一部でも解決できるのであれば、世界が必要とするエネルギー転換も、それほど困難ではないのかもしれない。
コンクリートによる計画
Energy Vaultの技術の基盤にある科学は単純である。重力に逆らって何かを持ち上げると、そこにエネルギーを蓄えることになる。後にそれを落下させれば、そのエネルギーを取り出せる。コンクリートは水よりもはるかに密度が高いため、コンクリートブロックを持ち上げるには、同じ大きさの水槽よりもはるかに多くのエネルギーが必要であり、その結果、より多くのエネルギーを蓄えることができる。
長年米国で起業家として活動してきたBill Gross氏と、連続発明家であるスイス人のAndrea Pedretti氏は、この科学を応用したEnergy Vaultのシステムを開発した。その仕組みは次のとおりである。高さ120メートル（約400フィート）、6本のアームを備えたクレーンが中央に立つ。放電状態では、それぞれ35メトリックトンのコンクリート製円筒が、クレーンのアームのはるか下方で、クレーン周りに整然と積み上げられている。太陽光や風力による余剰電力があるとき、コンピュータのアルゴリズムが、クレーンのアームのトロリーに取り付けられたカメラの助けを借りて、1本以上のアームにコンクリートブロックを探させる。
クレーンのアームがコンクリートブロックを見つけて引っ掛けると、送電網の余剰電力で動くモーターが作動し、ブロックを地面から持ち上げる。風によってブロックが振り子のように揺れることもあるが、クレーンのトロリーはその動きを打ち消すようにプログラムされている。その結果、ブロックを滑らかに持ち上げ、地面からより高い位置にある別のブロックの山の上に載せることができる。
クレーンがコンクリートブロックの塔を周囲に築き上げると、システムは「満充電」の状態となる。塔に蓄えられるエネルギーの総量は20メガワット時（MWh）であり、スイスの家庭2,000世帯が丸一日使える量に相当する。
送電網の電力が不足すると、モーターは再び作動する。ただし今回は電力を消費するのではなく、重力によるエネルギーでモーターが逆方向に駆動され、そのため発電が行われる。
大きな前進
Energy Vaultのプラントにおける革新は、ハードウェアにあるわけではない。クレーンやモーターは数十年前から存在しており、ABBやシーメンスといった企業が、最大限の効率を得られるよう最適化してきた。ブロックを持ち上げるために使ったエネルギー1単位あたりに回収できるエネルギー量を示す、システムの往復効率は約85%であり、最大90%とされるリチウムイオン電池に匹敵する。
最高技術責任者であるPedretti氏の主な業務は、コンクリートブロックの脱着など、文脈に応じた適切な作業を自動化するソフトウェアの設計方法を見出すことであり、またブロックの持ち上げと下降の際に振り子のような動きを抑えることである。
Energy Vaultは、既製の市販ハードウェアを使用しているため、コストを低く抑えている。意外なことに、コンクリートブロックこそがエネルギータワーの中で最も高価な部分となりうる。コンクリートは、例えばリチウムイオン電池と比べてはるかに安価だが、Energy Vaultは35メトリックトンのブロックを数百個製造するために、大量のコンクリートを必要とする。
そこでPedretti氏は別の解決策を見出した。同氏は、都市が処分費用を支払うことの多い、砂利や建設廃材などの物質を、セメントと混ぜて低コストのコンクリートブロックを製造できる機械を開発した。コスト削減は、コンクリートを建築用途に使用した場合に必要となるセメント量の、わずか6分の1で済むことから生まれている。
貯蔵の課題
私がビアスカで見た実証プラントは、計画されている商用版よりもはるかに小型である。高さ20メートルの単一アームのクレーンを備え、1個あたり500キログラムのブロックを持ち上げる。それでも、現在同社が積極的に販売を進めている本格的な事業規模の製品が行うほぼすべての作業を行うことができる。
Robert Piconi氏は今夏、アフリカとアジアの国々を訪問してきた。Energy VaultのCEOである同氏は、これらの地域で同社のプラントを導入してくれる顧客を見つけることに意欲を見せている。このスタートアップは米国にも営業チームを持っており、2019年初頭に最初の商用ユニットを建設する注文も現在受けている。同社は注文の詳細を公表していないが、同社のエネルギー貯蔵ソリューションの独自の特徴から、これらのプロジェクトがどのようなものになるかについて、かなり妥当な推測を立てることができる。
エネルギー貯蔵の専門家は、必要な貯蔵量とその貯蔵コストによって区別される、エネルギー貯蔵を大まかに三つのグループに分類している。
第一に、リチウムイオン電池などの高価な技術は、数時間分、すなわち数十から数百MWhの範囲のエネルギーを蓄えるために使用できる。例えば太陽光パネルを用いて日中に充電し、太陽が出ていない時間に放電することができる。しかし、送電網向けのリチウムイオン電池は現在1kWhあたり280ドルから350ドルの費用がかかっている。
より安価な技術としては、フロー電池（高エネルギーの液体化学物質を用いてエネルギーを保持する）があり、数週間分、すなわち数百から数千MWhの範囲のエネルギーを蓄えるために使用できる。この第二のカテゴリーのエネルギー貯蔵は、例えば風力発電の供給が一週間から二週間ほど落ち込んだ際に使用することができる。
第三のカテゴリーは、まだ存在していない。理論上、将来発明される可能性のある超低コストの技術は、数か月分、すなわち数万から数十万MWhの範囲のエネルギーを蓄えることができ、季節間の需要に対応するために使われうる。例えば、ムンバイでは夏にエアコンがフル稼働するため消費がピークに達する一方、ロンドンでは家庭の暖房のために冬にピークを迎える。理想的には、ある季節に得られたエネルギーを、利用の少ない季節の間数か月にわたって蓄え、利用の多い季節になってから供給することができる。
ダビデとゴリアテ
Piconi氏は、Energy Vaultが35MWhのプラントを10基ほど建設するころには、コストを1kWhあたり約150ドルまで引き下げられると見積もっている。つまり、第三のカテゴリーのエネルギー貯蔵ニーズは満たせないことになる。そのためには、コストを1kWhあたり約10ドルに近づける必要がある。理論上、現在の容量と価格水準であれば、単一の送電網のために数十基のプラントを建設することを望む顧客を見つけられるなら、第二のカテゴリーで競争することも可能かもしれない。現実的には、Energy Vaultにとって最善の策は、第一のカテゴリーで競争することである。
とはいえ、現在主流の電池技術であるリチウムイオン電池のコストは、1kWhあたり約100ドルまで下がる可能性があると、Quartzに語った専門家もいる。その場合、数日分や数週間分のエネルギーを蓄える点では、Energy Vaultよりも安価になるだろう。また、電池はコンパクトなため、遠方まで輸送することができる。例えば、世界中で使われているスマートフォンのリチウムイオン電池の大半は東アジアで製造されている。Energy Vaultのコンクリートブロックは現地で建設する必要があり、35MWhのシステムそれぞれには、直径約100メートル（300フィート）の円形の土地が必要となる。電池は同じ量のエネルギーを蓄えるために、その何分の一かの面積しか必要としない。
電池にはいくつかの限界もある。例えば、リチウムイオン電池の最長寿命は約20年である。また、時間の経過とともに蓄電容量も失われていく。さらに、リチウムイオン電池を確実にリサイクルする方法は、まだ確立されていない。
Energy Vaultのプラントは、メンテナンスがほとんど不要で、容量の低下もほぼないまま30年間稼働することができる。また、そのコンクリートブロックには廃棄物素材が使用されている。そのためPiconi氏は、Energy Vaultが満たせるニッチな市場がまだ存在すると確信している。それは、土地や建築資材を豊富に利用できる場所であり、かつ、容量が低下せず数十年にわたって持続する貯蔵技術を求める場所である。
一方で、Energy Vaultが成功するかどうかにかかわらず、同社は重要な論点を提示している。他の誰もが、ハイテクで未来志向の電池イノベーションを探し求めているなか、21世紀の課題に対して低技術のソリューションを適用する方法を考えることには、実際に大きな価値があるかもしれない。Energy Vaultは、わずかな費用しかかけずに、たった9か月で機能する試験プラントを構築した。エネルギー貯蔵という課題に対する答えの一部は、今もなお、目の前に隠れているのかもしれないという、ある種の兆しである。
