グリッド-規模のエネルギー貯蔵とは何ですか?

2021 年 2 月、卸電力価格がメガワット時あたり 9,000 ドルに達したとき、私はテキサス州の蓄電事業者と電話をしていました。-} ９千ドル。ちなみに、通常の価格は $30-50 ドル前後です。彼のバッテリーシステムはお金を印刷していました - 天然ガスプラントが固まっている間、冬の嵐の間、送電網に放電していました。「これが私たちがそれを作った目的です」と彼は言いましたが、彼の声にはこのエッジがありました。ほぼ正しかった。まるで、懐疑論者が間違っていることを証明するために何年も待っていたかのように。

その瞬間、-州内でパイプが破裂する中、取引画面で価格が急騰する様子を眺めていて、-私がしばらく考えていたことが具体化しました。グリッド-スケールのストレージは、もはやテクノロジーの問題ではありません。それは、私たちが1世紀にわたって送電網を運営してきた方法がもう機能しないことを喜んで認めるかどうかにかかっています。

話を戻しましょう. 2000。2001 年、カリフォルニアでは計画停電がありました。一度や二度ではない-何十回も。人々は停電し、信号は暗くなり、病院は発電機に切り替わりました。公式調査はエンロンの市場操作を非難したが、それは事実だが、それだけがすべてではなかった。本当の問題はさらに根深いものでした。カリフォルニアの送電網は、制御可能な化石燃料プラントを中心に設計されています。さらにパワーが必要ですか?もっとガスを燃やしてください。需要が減る？スロットルを戻します。単純。

ただし、再生可能エネルギーが重要になり始めた瞬間に、それは単純ではなくなりました。そして、私は90年代にPRのためにどこかの公共施設が設置したトークンのソーラーパネルのことを言っているのではありません。実容量。ギガワット。

私はサンディエゴで開催されたカンファレンスに出席していました - 2014 年か 2015 - だったと思いますが、そこではカリフォルニアの ISO エンジニアが「ダックカーブ」と呼ぶものを示していました。部屋は静かになりました。グラフは、正味負荷（総需要から太陽光を差し引いたもの）が、太陽光がピークに達する正午に低下し、日没とともに上昇することを示しました。その増加率 - はおそらく 3 時間で最小値から最大値まで変化します - グリッドの運用方法が壊れました。夕方の急増に対処するためだけに、午後中ずっとガスプラントをスタンバイ状態で回転させ続ける必要があります。高価で、非効率で、根本的に愚かです。

後ろにいた男性の一人は、「太陽光発電を削減することはできないのですか？」と尋ねました。エンジニアは立ち止まった。「それは可能です。あるいは、ストレージを見つけることもできます。」

ストレージ。右。

クイックサイドバー - グリッド- スケールストレージとは何ですか? 5 人に質問すると 6 つの答えが得られます。大まかなコンセンサスは 1 メガワットを超えるものですが、私はこれについて人々が議論する会議のパネルに 20 分間座っていました。容量よりもアプリケーションが重要ですか?重要な変電所に 500 キロワットの電力を供給している場合、それはカウントされますか?

現在、カリフォルニアには - モスランディング、- に 400 MW を超える施設があります。 450 かもしれない。420 かもしれない。要は、これを 1 MW プロジェクトと一緒にするのは間違っているように感じるが、業界ではより適切な用語がまだ決まっていない。ここで話しているのは、実際にグリッドの運用に影響を与えるストレージについてです。あなたの隣人のテスラパワーウォールではありません。

面白いのはここです。今では誰もがバッテリーについて話しますが、揚水水力は依然として世界の貯蔵容量を支配しています。近くもない。電気が安いときには水を汲み上げ、価格が高騰するとタービンを通って逆流します。バージニア州バース郡では 1985 年からこれを行っており、3,000 MW を超えています。効率は往復で - 70-80% - で、「燃料」は水であり、無期限に再利用できます。

問題は地理です。山、適切な貯水池の場所、ダムを建設しても人々が気にするものすべてが浸水しない場所が必要です。米国の優れたサイトのほとんどは 90 年代初頭までに開発されました。新しい提案が時々浮上しますが、許可には非常に時間がかかるため、開発者は通常あきらめます。モンタナ州には15年ほど前から計画されているプロジェクトがある。まだ建てられていません。

かろうじて圧縮空気も存在します。世界中の 2 つの工場: ドイツのフントルフ (1978 年) とアラバマ州マッキントッシュ (1991 年)。それでおしまい。この技術はうまく機能します - 地下の洞窟に空気を送り込み、後でタービンを通して放出します - しかし、特殊な地質が必要です。適切な特性を備えた塩のドームまたは枯渇したガスの貯留層。既存の両プラントは拡張中に天然ガスを燃焼するため、環境上の利点が制限されます。新しい「断熱」設計は、ガス燃焼を排除できると主張しています。商業的にスケールするものはありません。

それで電池。今では誰もがバッテリーに興奮していますが、昔からそうだったわけではありません。おそらく 2012 年までは法外な費用がかかりました-2015 年。 2012 年にオーストラリアのノートリー風力発電所に小規模な設備が設置されましたが、これは経済性よりも概念実証でした。{5}

その後、テスラは南オーストラリア州のホーンズデール. 2017に 100 MW / 129 MWh を建設しました。 Elon は、100 日で構築するという Twitter の賭けをしました - 典型的な Elon - ですが、約 63 日でそれを実現しました。人々は建設速度に注目していましたが、本当の話はパフォーマンスでした。このバッテリーは、周波数調整サービスを通じて予想よりもはるかに早く収益を上げました。

私はホーンズデールが稼働してからおそらく 6 か月後、アデレード郊外のグリッドコントロールセンターを実際に訪問しました。エンジニアたちはまだそのことについて話していました。ある人が周波数応答グラフを見せてくれました。グリッド周波数が 50 Hz から逸脱すると、バッテリーはミリ秒単位で修正していました。従来の発電機は文字通りタービンを回転させるため、数秒かかりました。「スポーツカーと貨物列車を比較するようなものだ」と彼は言う。

このミリ秒の応答時間は、特定のグリッドサービスにとって非常に重要です。従来の発電機では物理的に不可能なことをバッテリーで実現できると電力会社が認識すると、態度は急速に変わりました。 1 年以内に、さらに多くのプロジェクトの発表を目にするようになりました。

化学の状況は業界紙が示唆するよりも厄介だ。「リチウム-イオン」はひとつではありません。複数の化学反応がひとまとめにされます。グリッド用途では、基本的にリン酸鉄リチウムが勝っています。 LFP、LiFePO4、リン酸リチウムイオン電池- はマーケティング担当者によって異なる名前です。

この化学反応は現在、米国と欧州の新規設置のおそらく 60-65% を占めています。数字は、誰が数えるか、何を含めるかによって異なります。その理由は実際的なもので、LFP は NMC (ニッケルマンガンコバルト) などの代替品よりも充放電サイクルをうまく処理できるからです。火災の危険性も低くなります。これは、バッテリーを満載した輸送用コンテナを住宅地に積み上げるときに重要です。火事については後で説明します。

エネルギー密度は NMC よりも低くなりますが、定置式保管の場合は問題ありません。車のシートの下に取り付けるわけではありません。容量目標に達するまでコンテナを積み重ねます。

フローバッテリーは引き続きカバーされています。バナジウム酸化還元システムは、エネルギー貯蔵 (タンクサイズ) を電力 (スタックサイズ) から分離します。中国の大連施設、2022年に稼働開始、100MW / 400MWh、現在最大。コストはリチウムよりも高くなりますが、大きな劣化がなければサイクル寿命は 20,000 サイクルを超える可能性があります。

理論的には、これは電力会社の 20+ 年間の運用計画にとって重要です。実際には、リチウムのコストは、フロー電池がギャップを埋めるよりも早く低下します。フロー電池は少なくとも 10 年にわたって「画期的な進歩を遂げようとしている」。融合エネルギーのように聞こえ始めます。

ドイツは、苦難の末に貯蔵問題を解決した。 2011 年から 2012 年頃、彼らは、Energiewende の推進により、突然何ギガワットもの屋上太陽光発電を導入しました。晴れた日の正午、世代が急増しました。雲が流れ込み、ギガワット単位で落ちました。速い。

キャリア全体を予測可能な需要曲線の管理に費やしてきた送電事業者は、今では対応できないほど速く動く供給曲線に対処するようになりました。完全なパラダイムシフト。ベルリンのカンファレンスで私が話をしたある通信事業者は、-これは 2016 年だったと思います - は、発電量が 20 分間で 5 GW 減少したのを初めて見たとき、監視システムが壊れたと思ったと言いました。

風も同様のことを行いますが、タイムスケールが異なります。高圧システムが風力発電所上空に停まり、発電量がほぼゼロに低下します。そこに何日も滞在します。人々は夕食を家庭で作っているので、午後 6 時に風力発電所に電話して、もっと発電するように指示することはできません。そのようには機能しません。

一部のアプリケーションでは、応答時間が重要です。カリフォルニア ISO では、周波数規制サービスが 10 分以内にフルパワーに達することを要求しています。 8分くらいかかるかもしれないので仕様を確認してみます。一部のサービスでは、- 秒以内の応答が必要です。ここではバッテリーが優れています - 電気化学反応は、送電網運営者の観点からは基本的に瞬時です。

揚水水力では、水流がタービンを通過して加速するまでに 10 ～ 15 秒かかり、さらにバルブの操作も必要になります。このギャップは周波数調整にとって重要です。何時間も放電するピークシェービングにはあまり関係ありません。

プロジェクトが儲かるかどうかは効率によって決まります。基本的な計算: 100 MWh を蓄え、90 MWh を回収すると、サイクルごとに 10% が失われます。リチウムは、構成とどれだけ強く押すかに応じて 85 ～ 95% に達します。フローバッテリーは65〜75％程度です。些細なことのように見えますが、15 年間毎日循環すると、その効率の差は何百万ドルもの収益差につながります。大規模なプロジェクトの場合は数千万かかるかもしれません。

サイクルライフは複雑になります。ほとんどのグリッドリチウムシステムは、フルサイクルではなく 20- 充電状態で動作します。ネームプレート容量の 40% を犠牲にして、動作寿命を 2 倍または 3 倍に延長します。プロジェクトの途中でバッテリーを交換すると非常に費用がかかるため、経済性が考慮されます。最初は大きめにしておいたほうが良いでしょう。

grid-scale energy storage

2022 年のインフレ抑制法により、米国市場は大きく変化しました。スタンドアロンストレージに 30% の投資税額控除を請求しましょう。それまでは、ストレージは太陽光か風力と組み合わせたもののみが適格であり、愚かな方針でしたが、そのように書かれていました。

IRA が通過した後、プロジェクトの発表が殺到しました。相互接続キューには、2023 年半ばまでに 85+ GW のストレージがありました。ただし、相互接続キューに詳しい人なら、ほとんどのプロジェクトがビルドされないことを知っています。過去の完了率はせいぜい 20 ～ 30% です。

私は昨年ヒューストンで開催された開発者カンファレンスに出席していました。-ある大手中国メーカーの担当者は、米国の需要に追いつくことができないと言いました。「生産ラインを追加していますが、設備のリードタイムは 18 か月です。」どこにでもあるサプライチェーンの制約。

世界のストレージは、数え方にもよりますが、2023 年までに約 27-28 GW に達します。. 90% の増加は 2018 年以降に起きたものです。米国では 2022 年だけで 4.8 GW 追加され、記憶が薄れてしまいましたが、5.2 GW だったかもしれません。カリフォルニアとテキサスは、まったく異なる理由で導入を支配しています。カリフォルニア州には、再生可能エネルギーの統合を推進する政策上の義務があります。テキサス州には ERCOT のエネルギーのみの市場があり、-価格変動が大きくなっています。ストレージ事業者はボラティリティを好み、その価格変動を利用します。

完全なシステムのコストは、2015 年の 500 ドル/kWh 以上から、2023 年までには 150 ～ 200 ドル/kWh まで下がりました。もっと安いと主張する人もいますが、私が実際のプロジェクトで見たのは 150 ～ 200 ドルです。主に製造規模、中国と韓国のセルメーカー間の熾烈な競争。

収益モデルは市場によって大きく異なります。テキサス ERCOT は、ストレージをエネルギー市場に直接入札させます。最初の Winter Storm Uri の例 - 一部のオペレーターは $10+ 百万ドル、おそらく 1,200 万ドルをクリアしましたが、別の数字を聞きました。普通じゃないけど。

典型的な運用には、エネルギー裁定取引（充電は安く、放電は高価）、容量の支払い、周波数規制、場合によっては送電アップグレードの延期など、収益源を積み上げることが含まれます。カリフォルニア州の SGIP は、特に重要な施設に対して前払いのインセンティブを上乗せしています。

あるオペレーターは、-カンファレンス中のバーでオフレコで私に語った-、予想される収益の半分は 5 年前には存在しなかったサービスから来ているとのことでした。「私たちはこれを進めながら作り上げています。送電網運営者は、バッテリーがリアルタイムで何ができるかを考え出しています。」

期間は依然として明らかな制約であり、イライラさせられます。ほとんどのシステムは定格電力で 2-4 時間放電します。日差しが落ちる夕方のピークに最適です。長期にわたる気象現象の際の数日間の保管にはまったく役に立ちません。

長期にわたるテクノロジーは、大きなプレスリリースで発表され続けています。圧縮空気、重力システム、蓄熱。商用展開は依然として難しい。誰もが 8+ 時間のストレージを望んでいますが、12 時間や 24 時間のストレージを望む人もいます。大規模な経済性をまだ理解している人はいません。

文字通り、エネルギーを蓄えるためにクレーンでコンクリートブロックを持ち上げるスタートアップ企業が存在する。ばかげているように聞こえますが、物理学は機能します。ただし、どれもスケーリングしていません。蓄熱も同様です。

実際のサイクリングパターンでのバッテリーの劣化は、オペレーターを驚かせ続けるものですが、私たちはもうそれを理解していると思われているので、それが私を悩ませています。

ラボでのテストでは、現場でのパフォーマンスを正確に予測することはできません。初期の設置 - 2018、2019 年の期間 - は計画よりも積極的にサイクルが進み、予想よりもはるかに早く動作寿命が短縮され、保証請求の改訂が強制されました。現在はより優れた劣化モデルが存在しますが、特にディスパッチ戦略が進化するにつれて、10+ 年間のパフォーマンスについては不確実性が残ります。

2 年間の開発スケジュールで 15 年間の運用をテストすることはできません。それは不可能です。 NREL のエンジニアは、限られた現場データに基づいて確率モデルを構築していると語った。「私たちは5年間の運用から推定して20年を予測しています。これは知識に基づいた推測です。」

基準が改善されたにもかかわらず、防火安全性は消えていません。アリゾナ州のマクミケン火災 - 4 月 2019 - は依然として最も深刻な事件です。爆発で消防士4名が負傷、大惨事になる可能性もあった。

私は安全会議で初期対応者の一人と話をしました。同氏によると、彼らが到着したときの標準的な手順には、バッテリー火災に水を噴霧するよう記載されていたという。それをやり始めました。それからそれは爆発しました。「火が消えた後でも、これらの物質が熱暴走する可能性があるとは誰も教えてくれませんでした。」

この出来事は、業界がコンテナ化されたシステムにおける熱暴走の伝播をどれほど理解していなかったかを明らかにしました。私たちは知っていると思っていました。結局のところ、そうではありませんでした。その後、テスト基準は大幅に改善されました。 UL 9540A は誰もが参照するベンチマークになりました。

しかし、新しいセルの化学的性質はすべてゼロから評価する必要があります。すべてのベンダーがセルの間隔、冷却、消火に関して同一の設計手法に従っているわけではありません。最低限のコード要件を満たしているものもあります。他の人はオーバーエンジニアです。プロジェクトがどのアプローチを使用しているかをマーケティングから常に判断できるわけではありません。それは問題です。

南オーストラリア州では、高い普及率の未来を垣間見ることができます。{0} 2022 年までに、300 MW 近くのストレージが約 2,000 MW のピーク需要に対応します。これは、ストレージ容量のピーク需要の 15% に相当します。実質的な。

グリッドの操作が根本的に変更されました。しかし、ストレージが総容量のわずかな割合にとどまるテキサスやカリフォルニアとは大きく異なる体制です。南オーストラリア州の ERCOT へのアプローチを拡大できますか?もしかしたら、そうではないかもしれない。

私は会議で南オーストラリアの送電事業者にこのことについて尋ねた。彼の答えは次のとおりです。「私たちはテストケースです。もしここで壊れたとしても、少なくとも私たちは失敗を抑えるのに十分な規模です。」自信を与えるというわけではありませんが、-正直です。

grid-scale energy storage

NREL は、再生可能エネルギーが高いシナリオの下で、2050 年までに米国の貯蔵量が 250+ GW 程度になると予測しています。それとも300GWだったでしょうか？調べてみなければなりません。それが実現するかどうかは、非常に多くの要因によって決まります。明らかに継続的なコスト削減。政策支援が維持されることは決して保証されません。系統運用者は、単に口で言うのではなく、運用慣行を実際に変更しています。

5 年前の予測の中には、すでに保守的に見えるものもあります。展開は当初の予想を上回った。しかし、主要な前提が当てはまらない場合、または予期せぬことが起こった場合、他の予測は非常に楽観的であることが判明する可能性があります。言いにくい。

研究室からは新しい化学物質が次々と生まれています。ナトリウム-イオンはリチウムを使用していないため、材料コストの削減が期待できます。亜鉛-空気はより高い密度を主張します。他にもおそらく忘れているものがいくつかあります。グリッド用途でリチウム-イオンに代わるものはあるでしょうか?おそらく完全ではない、というのが私の推測です。既存のテクノロジーには、新規参入者がすぐには太刀打ちできない製造規模があります。工場建設には何年もかかります。

おそらく、さまざまな化学が特定の強みに基づいて特定のニッチを見つけます。市場は、パイロットプロジェクトにいつまでもとどまるのではなく、実際に商業規模に達すると仮定すると、複数のアプローチをサポートできるほど多様化してきています。

ストレージは再生可能な間欠ソリューションとして始まりましたが、より広範囲に進化しました。現在では、生成ソースに関係なくグリッドの柔軟性を実現するツールです。周波数調整のために燃焼タービンを交換します。ローカルの輻輳を管理することで、高価な伝送アップグレードを延期します。大規模な停止後の電力網復旧のためのブラックスタート機能を提供します。-

これらのアプリケーションは、再生可能エネルギーの普及率が 80% に達するか、40% に留まるか、あるいは最終的にどこに到達するかに関係します。

経済は徐々に改善し続けています。製造規模が拡大することで、コストが毎年削減されます。バッテリー性能 - エネルギー密度、サイクル寿命など、すべて - も段階的に向上します。ストレージが主要な柔軟性ソリューションになるのか、それともいくつかのオプション (デマンドレスポンス、伝送の改善、予測の改善) のうちの 1 つにすぎないのかは未解決の問題であり、おそらくあと 10 ～ 20 年は答えが出ないでしょう。

明らかなことは、グリッドが根本的に変化しているということです。ストレージテクノロジー - は、その形態を問わず - によって、その多くの変化を可能にしています。それはかなり確かなことのようだ。

Winter Storm Uri 中のテキサスのオペレーターに戻りましょう。価格が正常に戻り、危機が去った後、私は彼に何を学んだのか尋ねました。長い休止。「バッテリーがその役割を果たしてくれるということ。しかし、バッテリーが何をしているのかまだ誰も実際には分かっていないということもある。我々は皆でこの問題を一緒に考えているところだ。」

ほぼ正しいと感じます。

EIA は毎月のストレージ統計を発行します。ラグはありますが、かなり信頼性があります。ブルームバーグ NEF は年次見通しを行っており、高価な購読が必要です。 NREL はパフォーマンスデータベースを維持しており、データは現実より 12 ～ 18 か月遅れています。今でも学術目的には役に立ちます。

ウッド・マッケンジーおよび同様の企業は予測を発表している。長期にわたる実績の精度は、-さまざまです。彼らは一貫して2018年から2022年の配備率を過小評価していた。振り返ってみると面白い。

Utility Dive や Energy Storage News などの業界紙は、プロジェクトをかなり詳しく取り上げています。ただし、楽観的な枠組みに向かう傾向があります。彼らが「近日公開」として発表したものの半分は、商業運用に至りません。塩と一緒に摂取してください。

カリフォルニア ISO、ERCOT、South Australia Power Networks のエンジニア、さらにはさまざまなカンファレンス (オースティン、サンディエゴ、ベルリン、アデレード) のオペレーターと長年にわたって有益な会話をしてきました。最も有益な情報は、公式パネル終了後のバーでの会話から得られました。

データは 2023 年または 2024 年初頭現在のものです。業界の変化は速いため、重要な目的で特定の数値を使用する場合は確認する必要があります。この記事を引用するだけではありません - 私はインターネット上の人間です。