米国は現在、送電網を脱炭素化できるさまざまな技術を保有しているが、社会的、財政的、さらには政治的な障壁により、環境変化を抑制するために必要な期間内にこれらの最新技術の導入が回避される可能性がある。この観点からは、バッテリー保管スペースの展開における 2 つの最大の障壁、つまり価格と製品が浮き彫りになります。特に、主流のバッテリー保管スペースの現代技術における費用は、通常、依然として非常に高くなり続けています。マサチューセッツ現代技術研究所の研究グループは、エネルギー貯蔵スペースの早期解放を宣伝し、価格を最小限に抑えるために米国政府が開発、提供した一連の政治的および財政的戦略を検討した。価格上昇を考慮する上で欠かせないのは、電池材料の価値が相対的に高いことであると報告書は念頭に置いている。また、サプライチェーンの規模が小さく合理化されているため、バッテリー製品の緊急性が強調され、レートが上昇し、迅速なスケールアップが困難になっています。これには技術的および経済的サービス以外にも要因があり、その一部は MIT によって分析されています。多くの場合、企業の競争上の優位性（つまり、独占的なレイアウトと製造）と超経済的な生産（つまり、集中化、標準化など）の間には、政治的および経済的報酬を通じて克服されるべき対照的なパートナーシップが存在します。最終的には、急速な成長に伴う環境変化や最も効果的なソリューションの導入に対処するために、一般の投資分野だけでなく、独占的な投資分野でも、より高い緊急性が求められています。
さらなる気候変動を防ぐための最も重要な解決策の 1 つは、電気エネルギー部門の脱炭素化です。米国エネルギー詳細局 (EIA) が発表したデータによると、2020 年に電力市場によって生成された炭素排出総量は、米国の炭素排出総量の約 32% を占めました。太陽光だけでなく風力などの再生可能エネルギー源を利用することで、地球温暖化の原因となる主な汚染物質である二酸化炭素を放出することなくエネルギーを生産できます。それにもかかわらず、再生可能エネルギーは、その供給が不確実な気候条件や過去の人為的な制御に依存しているため、繰り返し発生するトラブルに直面しており、いつでもより多くの電力を供給できる化石燃料発電設備とは大きく異なります。断続性に対処し、常に需要が満たされるようにするためのさまざまなソリューションがあります。たとえば、太陽光や風力が不十分な場合でも、生成された電気エネルギーが供給需要を満たすことができるように、再生可能エネルギー発電施設を過剰に建設することができます。ただし、このアプローチはコストがかかるだけでなく、削減も伴います。もう 1 つのサービスは、管理可能な最小限のエネルギー供給 (環境に優しい水素や原子力など)、理想的には通常は CO2 を発生しない整った電力 (グリーン水素、アンモニア、バイオ燃料など) を利用することです。それにもかかわらず、これらの新たなイノベーションは、カーボンニュートラルな手順を利用して生成された場合に、実行可能なコストと効率の指標を達成するために依然として奮闘しています。複数の方法が必要ですが、エネルギー貯蔵スペースシステムは非常に有望な解決策であり、幅広い設計の選択肢を提供します。
電力貯蔵スペースを利用する機能は、電力供給が十分な場合に、再生可能資源から得られる電気エネルギーを、熱エネルギー、電気化学エネルギー、電力などの他の種類の電力に変換することであり、供給期間中の需要を満たすために貯蔵したり放出したりすることができます。揚水発電施設は、実際に 100 年以上にわたって効果的であり、十分に文書化されたエネルギー貯蔵スペースとして機能してきました。米国エネルギー省 (DOE) によると、揚水水力は現在、米国内のすべての事業規模のエネルギー貯蔵システムの電力貯蔵スペース容量の 95% を占めています。それにもかかわらず、送電網をより高いレベルで脱炭素化するには、より多くの電力貯蔵スペースの容量が必要です。米国電力情報局（EIA）の調査報告書によると、米国が現在導入している事業規模のエネルギー貯蔵スペースシステムは2GW未満であり、徹底した脱炭素化を支援するには2050年には数百ギガワットの電力貯蔵スペースが必要になる可能性があります。揚水水力は、通常、大規模で資本集約的なエネルギー貯蔵スペースプロジェクトでしか利益が得られず、実施場所が地理的に制限され、許容される制限があるため、規模を拡大するのが困難です。さらに、グリッドはサービスの集合体であり、それぞれのサービスはさまざまな特性電力、電力需要、反応時間などに依存しており、さまざまなエネルギー貯蔵スペース サービスが必要です。最新の蓄電技術がアプリケーションにとって実用的かつ経済的に理想的であるかどうかを判断するために使用される最も一般的な統計は「期間」です。これは、バッテリーを完全に充電または再通電するのに必要な時間も表します。したがって、さまざまな期間で実行する選択肢を検討できます。一連の期間を実現するために提供される大きな設計スペースと、この記事で説明したその他のさまざまな利点により、バッテリーはエネルギー貯蔵の仕事に一連の魅力的なエネルギー貯蔵スペース技術を使用しています。
バッテリーは、「酸化還元」反応間のエネルギー差を利用して電気エネルギーを変換し、その結果、化学電力として電力を節約したり、化学電力から電力を節約したりする電気化学貯蔵装置です。バッテリーには、他のさまざまな種類のエネルギー貯蔵技術に比べて多くの潜在的な利点があります。たとえば、電気化学反応は、電気エネルギーが直接放出されるため（一般に共通の温度レベルと圧力で）、脱炭素化されたグリッド（また、一般に通電されたグリッド）における熱化学反応よりもはるかに信頼性が高くなります。
さらに、さまざまな酸化還元反応エネルギー貯蔵プランから選択できるため、アプリケーションベースのエネルギー貯蔵最新技術に幅広いレイアウト余地を提供します。例として、顧客の電子機器で使用されるさまざまな業務用バッテリーを考えてみましょう。これは、さまざまな設計で使用できるグリッド規模のバッテリー電力貯蔵スペース システムのほんの一部に相当します。リチウム イオン、鉛蓄電池、ニッケル カドミウム、亜鉛炭素バッテリーなどです。さらに、一般に地理的に詳細な保管場所が必要な熱貯蔵や重力貯蔵とは異なり、バッテリーは実質的にどこにでも展開できます。これらの利点により、電池は脱炭素化以降の送電網運用に利用できるだけでなく、二次サービスとして付加価値を提供することも可能になります。たとえば、バッテリーは電力の独立性と信頼性の向上に貢献します。 2017 年のストーム マリアの際にプエルトリコの送電網が崩壊したことを考慮してください。再生可能資源生成施設やエネルギー貯蔵スペース システムを含む分散型マイクログリッド設計により、悲劇的な大規模停電を防ぐことができます。これは、分散型発電により、電力を分散させる送電フレームワーク（送電線や電柱など）の建設と改修が軽減されますが、厳しい気象条件が発生するリスクがあるためです。
さらに、分散電源製造により、孤立点故障の可能性が排除されます。確かに、近隣地域の政治的および経済的自由の懸念も考慮する必要があります。多くの国は、経済的に実用的な非再生可能燃料資源を大規模に保有していないため、再生可能エネルギー市場への変化は、国内の電力製造を強化し、電力輸入の必要性を減らし、ひいては地政学的自由を高める可能性がある。米国は、1970 年代と 1980 年代に地政学的に引き起こされた石油不足を経験しており、電力依存が引き起こす財政上の課題を特に認識している。
現在、多くの種類のバッテリー技術があり、それぞれにさまざまなモデル設計があり、その多くは一連の化学反応に適合し、選択した代替品を使用できます。リチウムイオン電池 (LIB) は主流の電池技術であると考えられています。 1990年代以降、リチウムイオン電池は主に電子機器やモバイル機器に使用されてきましたが、近年では、主に定置型エネルギー貯蔵システムと電気自動車（EV）という2大市場でリチウムイオン電池が使用されています。電力分野での使用を考えられているバッテリーの革新の大部分はまだ比較的時期尚早であり、包括的な試行錯誤の研究研究が必要になる可能性がありますが、これまでに達成された仕事は、実際には小規模な導入または最小限の商用手順であり、多くの場合、まだパフォーマンスが不十分であるか、グリッドアプリケーションにのみ適しているという事実が原因です。このような技術革新の例としては、酸化還元循環電池 (RFB) や金属空気電池 (MAB) があります。
国際エネルギー機関によると、2030 年までに CO2 排出量の削減の大部分は、現在リリースされているか市場で販売されている最新の技術によって確実に得られ、また 2050 年までに、炭素削減量の約 50% が、現在デモまたは試作段階にあるエネルギー革新に依存することになるとのことです。したがって、連邦政府も文化も、環境改変に取り組む上で実質的に正しい軌道に乗っています。それにもかかわらず、大規模な被害を回避するのに十分な量の減少を実現するために、理想的なエネルギー最新技術が十分に迅速に導入されることを保証するには、他にもさまざまな潜在的な社会的、経済的、政治的障害を克服する必要があります (図 1)。これらの考慮すべき要素は技術的な側面から独立しているわけではありませんが、異なるアプローチやソリューションが必要になる場合があります。この研究では、バッテリーの価格と製品の制限という、より広範なバッテリーの実装における 2 つの重要な課題を検証します。適切な効率特性を備えた一連の電池技術は現在存在しますが、特に現在の低生産規模では、初期費用が高くつくと広範な育成が遅れたり、中止されたりする可能性があります。最後に、たとえ特定のバッテリー技術が重要な価格と性能の基準を満たしていても、その重要なコンポーネントのアクセスしやすさとサプライチェーンによって、迅速な統合だけでなく深い統合も妨げられる可能性があります。したがって、主要な脱炭素化目標を達成するには、これらの懸念をできるだけ早く解決する必要があります。この研究では、これらの障壁を克服または回避するための財政的および政治的テクニックを発見します。
主要な障壁 1: バッテリーのコスト
コストは、バッテリーをグリッドエネルギー貯蔵用途に利用できるかどうかを考慮するための中心的な要素です。臨床機器、家庭用電子機器、電気トラックなどの他の電池市場とは異なり、グリッド用途では、手頃な価格の化石燃料発電施設と競合するために、はるかに低コストのクリーン エネルギー サービスが必要です。送電網の解放には多額の投資が必要であり、頻繁に資金（資金調達など）へのアクセスが求められるため、資源コストは実際、伝統的に再生可能資源の導入に対する大きな障壁であり、したがってその技術経済的な実現可能性の中心的な指標でもあります。バッテリーの場合、コストは通常、材料価格と製造範囲によって決まります。米国電力省は通常、財政的に実用的なグリッド電力貯蔵システムの資金支出の上限として 100 ドル/kWh から 150 ドル/kWh を設定しています。
リチウムイオン電池は、現在、グリッド用途で最も導入されている電池エネルギー貯蔵技術の 1 つです。リチウムイオン電池は、顧客の電子機器や電気トラックなどの高額市場で最初に多数利用されたため、1990 年代を考慮すると開発を加速することができました。これらの市場では、バッテリー供給業者は、バッテリー製品が唯一の選択肢であるため、それほど強化されておらず、より高価なバッテリー製品を販売することができます。これにより、性能をさらに最大化しながら、リチウムイオン電池を大規模かつ低価格で製造することが可能になります。したがって、この技術を電力貯蔵スペースシステムに考慮すると、リチウムイオン電池は実際に高い効率を示し、この電池の充放電性能は現在非常に高く、通常95％にも達し、価格を確実に下げるためのサプライチェーンが確立されています。特に電気自動車の発展に伴い、リチウムイオン電池の価格はここ数年で実際に劇的に下がりました。組電池と管理・セキュリティシステムからなるリチウムイオン電池は、米国電力省が定めた想定範囲内（約140ドル/kWh）に収まっており、将来的には100ドル/kWhを下回ると予想されている。リチウムイオン電池の国際的な生産能力は年間 700GWh を超えると推定されており、今日ではほぼ 500 億ドルの部門となっています。これは素晴らしい発展ではありますが、すべての送電網サービスを可能にし、徹底的な脱炭素化を達成するには、依然としてさまざまな救済策が必要です。さらに、次のセクションで検討するサプライチェーンの問題は、リチウムイオン電池電力貯蔵システムの展開範囲を妨げる可能性があります。他のいくつかの最新のバッテリー技術は、特に長時間 (4 時間以上) の場合にさらに経済的なサービスを提供しますが、リチウムイオンと同じ市場問題から利益を得ることはなく、戦うのに苦労しています。
多くの代替バッテリー設計および製品には、リチウムイオンバッテリーと比較して基本的な価格面での利点があります。たとえば、循環バッテリーは電力と電力を独自に分割するシステム設計を採用しており、この 2 つが互いに独立して拡張できることを示しています。これにより、電力貯蔵スペースの能力を手頃な価格で拡大できるため、このようなバッテリーは長期間使用する場合のコスト競争力が大幅に高まります。一方、リチウムイオン電池のようなシャットシステムは電力と電力をペアにするため、蓄電ユニットのコストが合理的に固定された基準となります。長期にわたるコストは初期費用に比べて考慮すべき要素が少ないことが指摘されていますが、フロー電池 (RFB) または金属空気電池 (MAB) のオープン スタイルは、対象のコンポーネントの維持を可能にすることで、長期的な経費の節約をさらに促進します。電解液（最も速く劣化するバッテリーコンポーネント）を直接補充または交換することができますが、リチウムイオンバッテリーのような一般的な密閉システムでは、バッテリーパック全体を強化または交換する必要があり、ある程度の廃棄物が発生します。最終的には、リチウムイオン電池よりも低コストで高含有量の製品を使用する電池が追加され、予想される出費が削減されます。
これらの固有の利点にもかかわらず、新たなエネルギー貯蔵ソリューションは、さまざまな理由から完成するのに苦労しています。当初、徹底的に脱炭素化されたグリッドの最適なスタイルは一連のバッテリー貯蔵サービスを統合しますが、このシナリオは既存の事実とは大きく異なります。これらの真新しい電池のイノベーションは実際にはグリッド規模の用途にのみ費用対効果が高く、より価値の高い市場には参入できないため、最終的に必要になったときに長期の電力貯蔵サービスや化石燃料発電施設の交換を低コストで満たすことができるように、価格を下げて効率を高める方法が正確には不明である。
この鶏が先か卵が先かの問題をさらに悪化させるには、同様の難問がもう 1 つあります。これらの新たなイノベーションは、当然のことながらリスクが高くなります。そのため、プロジェクトの監督者、スポンサー、その他の意思決定者にとってこれらのテクノロジーはあまり注目されなくなり、これらの最新テクノロジーが受け入れられたり紹介されたりすることが非常に少なくなり、その結果は一貫して危険であると考えられています。これらのハードルの結果、これらの新興バッテリー最新技術の利用を提案する多くの課題が、企業の財務投資、雇用の財政、その他を使って資金を守るために戦ってきました。これらの問題は民間部門だけでは解決できない可能性があり、連邦政府の対応により技術的な危険性が軽減され、送電網に目を向けるだけでありながら、徹底的な脱炭素化に貢献する可能性のある新たなエネルギー貯蔵スペースの救済策の価格も引き下げられる可能性がある。一般に、大規模なデモンストレーションは確実にテストされ、直接調達によって維持される必要があります。これを達成する 1 つの方法は、以前に米国復興再投資法で行われたように、ビジネス プレゼンテーションのタスクに連邦政府が資金を提供することです。現在、米国電力省はデモ用電力貯蔵スペースプロジェクトに多額の資金を提供しています。それにもかかわらず、この資金は実際には歴史的に米国国立研究所に与えられており、民間部門を巻き込み進歩を加速する可能性がある公募ではありません。さらに、米国政府はグリッド電力貯蔵プレゼンテーションのための特別なプログラムを開発することができ、これは初期段階の開発プロジェクトの多くで有望であることが示されています。このニーズは最近、米国電力省のエネルギー技術における未開拓の可能性の重要な進歩を目的とした電力庁 (ARPA-E) の高度研究研究プロジェクトによって部分的に満たされました。同様に、米国クリーン エネルギー局デモも、最良の方向への新たな一歩です。同社は、大規模（十億ドル規模の）エネルギー貯蔵プロジェクトを紹介すること、また民間部門と協力してクリーン エネルギー最新技術の導入と展開を加速することを目標として 2021 年に設立されました。
現在、電力分野の脱炭素化に貢献できる技術が存在します。ただし、これらの最新テクノロジーを迅速かつコスト効率よく作成および導入できるかどうかについては懸念があり、このようなタスクは現在実施されていません。適切なインセンティブがあれば、政府による処遇は望ましい結果の達成を促進し、加速することができます。さらに、さまざまなアプローチや手順を賢明かつ迅速に利用すれば、これらの障害のいくつかを克服するのに役立ちます。このアプローチにもかかわらず、時間がかかるだけでなく、一般の人々へのアクセスや独占的な投資も重要です
