米エネルギー省は、2050年までに再生可能エネルギーが米国で最も急速に成長するエネルギー源になるとの予測を示しています。
近年数十年で再生可能エネルギーの発電コストは下がってきましたが、エネルギーの貯蔵にはまだ比較的費用がかかります。再生可能エネルギー源は天候に左右されることが多いため、これは重要な問題です。
米国立再生可能エネルギー研究所の研究者は、2050年までに米国の再生可能エネルギー蓄電容量を最大3,000%まで高めうる新興技術3つを示しました。
近年数十年で風力および太陽光による発電コストは大幅に低下しました。これは、米エネルギー省が2050年までに再生可能エネルギーが米国で最も急速に成長するエネルギー源になると予測している理由の一つです。2050年までに米国で最も急速に成長するエネルギー源。
しかし、エネルギーの貯蔵にはまだ比較的費用がかかります。また、再生可能エネルギーの発電は常に利用できるわけではないため、風が吹くときや日が差すときにしか発電されないという性質上、貯蔵が欠かせません。
私は、米国立再生可能エネルギー研究所の研究者として、連邦政府や民間企業と協力し、再生可能エネルギーの蓄電技術の開発に取り組んでいます。最近の報告書で、NRELの研究者は、2050年までに米国の再生可能エネルギー蓄電容量を最大3,000%増やせる可能性があると推定しています。
この実現に役立ちうる新興技術を3つご紹介します。
長時間の蓄電
小型電子機器に使われるアルカリ電池から、自動車やノートパソコンに使われるリチウムイオン電池まで、多くの人々はすでに日常生活の多くの場面で電池を使っています。しかし、まだ成長の余地は大きいのです。
例えば、放電時間が最長10時間に及ぶ大容量の電池は、夜間に太陽光発電の電力を貯蔵したり、電気自動車の航続距離を延ばしたりするうえで価値がありうります。現在、このような電池の利用はごくわずかです。しかし、最近の予測によれば、2050年までに100ギガワット超相当のこの種の電池が設置される可能性が高いとされています。比較すると、これはフーバーダムの発電容量の50倍に相当します。これは再生可能エネルギーの実現可能性に大きな影響を与えうるものです。
最大の障壁の一つは、リチウムとコバルトの供給が限られていることです。これらは現在、軽量で高出力の電池を製造するうえで不可欠です。一部の推計によれば、2050年までに世界のリチウム埋蔵量の約10%と、コバルト埋蔵量のほぼすべてが枯渇する見込みです。
さらに、世界のコバルトの約70%近くがコンゴで採掘されており、その労働環境は長年にわたって非人道的であったと記録されています。
科学者たちは、リチウムおよびコバルト電池のリサイクルの手法や、他の材料に基づく電池の設計手法を開発する取り組みを進めています。テスラは今後数年以内にコバルトフリーの電池を生産する計画です。また、他の研究者は、コバルトフリーの電池を開発するとともに、リチウムをナトリウムに置き換えることを目指しています。ナトリウムはリチウムと非常によく似た性質を持ちながら、はるかに豊富に存在します。これは再生可能エネルギーの蓄電技術に明確な後押しをもたらす可能性があります。
より安全な電池
もう一つの優先課題は、電池をより安全にすることです。改善の余地がある分野の一つは電解質です。電解質とは、電池の陽極（負極端子）から陰極（正極端子）へ電荷が流れることを可能にする媒体で、多くの場合は液体です。電荷の流れを可能にするものです。
電池の使用時には、電解質中の荷電粒子が移動し、電池から流れ出る電気の電荷を釣り合わせます。電解質には可燃性の材料が含まれることが多く、漏れると電池が過熱して発火または溶融することがあります。
科学者たちは、電池をより頑丈にする固体電解質を開発しています。粒子は液体中よりも固体中を移動するのがはるかに難しいものの、実験室規模での有望な結果は、これらの電池が今後数年以内に電気自動車で使用可能になる可能性を示唆しており、商用化の目標時期は早ければ2026年とされています。
固体電池は家電製品や電気自動車に適していますが、大規模なエネルギー貯蔵に向けて、科学者たちは「フロー電池」と呼ばれる全液体型の設計を追求しています。フロー電池。
これらの装置では、電解質と電極の両方が液体です。これにより超高速充電が可能になり、非常に大型の電池を容易に製造できます。現在、これらのシステムは非常に高価ですが、研究は引き続き価格を引き下げるための取り組みを進めています。
再生可能エネルギー蓄電の代替手段
再生可能エネルギーの蓄電手段として、場合によっては電池より安価な方法もあります。例えば、集光型太陽熱発電所は、鏡を使って太陽光を集光し、数百トンから数千トンもの塩を溶けるまで加熱します。この溶融塩は電気発電機の駆動に用いられ、従来の発電所で石炭や原子力の熱によって蒸気を生じさせ発電機を駆動するのとほぼ同じ仕組みです。
この加熱された材料は、曇りの日や夜間に発電するために貯蔵することもできます。この方式により、集光型太陽熱発電は24時間稼働が可能になります。
この考え方は、太陽光以外の発電技術にも応用できる可能性があります。例えば、風力で発電した電力を使って塩を加熱し、風が止んだ際に利用するといった方法が考えられます。
集光型太陽熱発電は依然として比較的高価です。他の発電・蓄電方式と競争するには、より高効率になる必要があります。その一つの方法は、塩の加熱温度を上げ、より効率的な発電を可能にすることです。しかし残念ながら、現在使われている塩は高温では安定しません。研究者たちは、最高1,300華氏度（705℃）に耐えられる新しい塩やその他の材料の開発に取り組んでいます。
より高温に到達する方法として有力な考え方の一つは、塩の代わりに砂を加熱することです。砂はより高温に耐えられます。加熱地点から貯蔵場所へは、砂をコンベヤーベルトで移送することになります。米エネルギー省は最近、この概念に基づく集光型太陽熱発電のパイロットプラントへの資金提供を発表しました。
先進的な再生可能燃料
電池は短期的な再生可能エネルギーの蓄電に有用であり、集光型太陽熱発電所は電力網の安定化に役立ちうるものです。しかし、電力会社は不定期な期間にわたって大量のエネルギーを貯蔵する必要もあります。この役割を担うのが、水素やアンモニアのような再生可能燃料です。電力会社は、風力タービンや太陽光パネルが顧客の需要を超える余剰電力を生み出しているときに、その電力でこれらの燃料を製造し、エネルギーを貯蔵することになります。
水素とアンモニアは、重量あたりで電池よりも多くのエネルギーを含むため、電池では対応できない場面で活用できます。例えば、重量物の輸送や重機の稼働、およびロケット燃料としての利用が考えられます。
現在、これらの燃料の大半は、極めて非効率な反応を経て、天然ガスやその他の再生不可能な化石燃料から製造されています。グリーン燃料とみなされることもある水素ガスですが、現在その大半は天然ガスから製造されています。
科学者たちは、再生可能な電力を使って水素やその他の燃料を製造する方法を模索しています。例えば、電気を用いて水分子を分解することで水素燃料を製造することが可能です。重要な課題は、効率的かつ経済的に成り立つようにそのプロセスを最適化することです。得られる恩恵は極めて大きく、枯渇しない、完全に再生可能なエネルギーです。
