使われなかった電気は貯められますか？

今夏、四川省全域で高温が続き、電力需給の緊迫した状況がさらに悪化した。誰もが、四川省は水資源が豊富で、巨大な水力発電所がたくさんあるという印象を持っています。水力発電設備容量と発電量では国内第1位です。夏に電力不足になるのはなぜですか？

今年の異常高温と干ばつが主な直接的な原因です。厳しい高温と干ばつの天候により、四川省は、歴史上同時期の最も高い極度高温、歴史上同時期の最も低い降水量、歴史上同時期の最も高い電力負荷が重なる状況に陥っています。

出典: veer gallery

パート1

現代社会は電気なしでは成り立ちません。

現代社会の基盤として、電気は生産や生活のあらゆる分野で広く利用されています。発電所は、風力エネルギー、水力エネルギー、石炭に蓄えられた化学エネルギー、その他の種類のエネルギーを電気エネルギーに変換し、それを電力網を通じて何千もの家庭に送ります。人々は必要に応じて電気エネルギーを他のエネルギーに変換します。例えば、遠くの発電所で発電された電気は家庭に送られ、照明（電気エネルギーを光エネルギーに変換）、調理（電気エネルギーを熱エネルギーに変換）、洗濯（電気エネルギーを機械エネルギーに変換）などに使用されます。

画像出典: 参考文献 1

現在の発電モデルには、消費する量と同じだけの電力を生産するという非常に重要な特徴があります。発電所の発電能力は、電力網の反対側の電力消費に応じてリアルタイムで調整されます。夜に全員が照明を点灯すると、発電機の発電能力は電力網のパラメータに応じてリアルタイムで調整されます。発電能力と消費電力は動的バランスを保っています。

四川省の発電所のうち、水力発電の設備容量は総設備容量の82％を占め、流れ込み式水力発電所（水を貯める貯水池を持たず、川を流れる水の量に応じて発電する）は水力発電の総設備容量の60％を占めている。水力発電所の発電能力は川の水量によって制限されます。

洪水期には水の流れが大きくなります。水力発電所が流水をすべて発電に利用すると、電気を消費できず余剰エネルギーが発生し、水の一部しか直接放出できなくなります。乾季には水の流れが少なすぎるため、流水を全て発電に利用しても電力需要を満たすことができず、エネルギー不足に陥ります。

実際の運用においては、流れ込み式水力発電所は上記 2 つの状況に必ず遭遇し、発電能力が無駄になったり、電力需要を満たせなくなったりすることがあります。

画像出典: 著者

送電線は非常に効率的ですが、計画と構築に時間がかかります。我が国の電力送電技術は現在、世界で最も強力であると言えます（国営電力網：控えめ、控えめ）。電力網設計の初期段階では、各地域の電力消費ニーズと発電所の発電能力を考慮して適切なレイアウトを計画し、発電所の発電能力を最大限に活用し、エネルギーの無駄を減らします。しかし、数十年に一度の頻度で極端な状況が発生すると、設計された電力網では対応できない可能性があります。

パート2

エネルギー貯蔵技術は電力網システムの基盤である

電力網が対応できなくなったらどうなるのでしょうか?このとき、エネルギー貯蔵施設が救済の役に立ってくれる必要があります。エネルギー貯蔵施設は何に使用されますか?たとえて言えば、余剰電力をエネルギー貯蔵施設に蓄えておき、必要なときに取り出すという小さな金庫に相当します。これはエネルギー利用率が最も高いソリューションです。エネルギー貯蔵システムには多くの種類があり、それぞれに特徴があります。主なものとしては、揚水式エネルギー貯蔵、フライホイール式エネルギー貯蔵、圧縮空気式エネルギー貯蔵、電気化学式エネルギー貯蔵、スーパーキャパシタ式エネルギー貯蔵があります。

現在、世界で最も大きな設置容量を持つ系統エネルギー貯蔵施設は揚水発電所です。電力消費が少ない場合、揚水発電所は電力網の余剰発電量を利用して、低位の貯水池から高位の貯水池に水を汲み上げて貯蔵します。電力消費がピークに達すると、高所の貯水池から汲み上げた水が発電に使用されます。このようにして、余剰電力は揚水発電所に蓄えられます。発電所が電力需要を満たせない場合、揚水発電所が発電し、発電所の圧力を分担します。

安徽省香水江揚水発電所

（写真提供：新華社通信）

風力や太陽光発電によって生成される電力は大きく急激に変動する可能性があります。しばらく風が吹いては止んだり、しばらく雲が太陽を隠したりと、両者の発電量はジェットコースターのように変動します。これは、現在、風力発電や太陽光発電のエネルギー利用率が高くない重要な理由でもあります。変動が速すぎて電力網が耐えられないのです。（グリッド：私の小さな心はこのような混乱に耐えられません）。この電力の利用率を向上させる効果的な方法は、エネルギー貯蔵施設を建設することです。発電に余剰があるときに電気を蓄え、発電が不足したときに放電を補助することで、発電を「平準化」し、電力網が耐えられるようにします。

（画像出典：著者自作）

揚水発電所は目的を達成できるでしょうか?いいえ、太陽光発電や風力発電の場合、揚水発電所の応答速度は常に「半拍遅い」ため、要件を満たすことができません。揚水発電所がエネルギーを蓄えるには通常数日かかり、揚水発電所の建設には比較的高い環境要件も求められます。そのため、現在の揚水発電所は、電力系統に大きな負荷がかかったときに発電圧力を分担するためにほとんど使用されています。

現時点では、上記の要件を満たすのに最も有望なのは化学電池です。化学電池は、充電と放電の切り替えが速く、応答が非常に速いのが特徴です。私たちの生活の中で最も一般的なエネルギー貯蔵装置は化学電池です。携帯電話、タブレット、電気自動車のエネルギー貯蔵装置はすべて化学電池です。しかし、バッテリーの性能は優れているものの、大規模使用には依然としてコストの問題が残ります。私たちが普段使っている携帯電話のパワーバンクを例にとると、損失を考慮しない理想的な条件下では、1キロワット時の電力を蓄えるには、容量10,000mAhのパワーバンクが7.5個必要です。これは、エネルギー密度が非常に高い（そして当然ながら非常に高価な）リチウムイオン電池を使用する場合でも同様です。

パート3

バッテリー技術の発展 - ムーアの法則はない

ムーアの法則は、インテルの創設者の一人であるゴードン・ムーアの経験に基づいています。その中心となる内容は、集積回路に収容できるトランジスタの数は、約 18 ～ 24 か月ごとに 2 倍になるというものです。つまり、プロセッサのパフォーマンスは約 2 年ごとに 2 倍になり、価格は以前の半分に下がります。

バッテリー業界では、バッテリーのエネルギー密度は約 2 年ごとに 2 倍になるか、同じエネルギー密度で価格が半分になると言えます。もちろん、これはバッテリー業界における単なる空想です。 20 年以上にわたり、リチウムイオン電池産業の発展は、通信、家電、電気自動車産業に集中してきました。応用規模が大きいエネルギー貯蔵電池業界では、リチウム電池のコストが高く、穴あけ、衝突、高温・低温などの特殊な環境への対応が難しいため、大規模エネルギー貯蔵電池の応用は常に実験段階にとどまっています。バッテリー技術の開発にはまだまだ長い道のりが残っています。

（画像出典：参考資料2）

現在、国内外のエネルギー貯蔵技術の主な研究方向は電気化学的エネルギー貯蔵であり、いくつかの新技術も実験室段階で満足のいく進歩を遂げています。しかし、新しい技術が研究室から実用段階に移行するには、まだ長い道のりが残っています。エネルギー貯蔵技術と送電技術がまったく新しいレベルに発展すると、化石エネルギーへの過度の依存から抜け出す希望が生まれます。エネルギー産業におけるあらゆる大きな進歩は、人類を新たな発展段階へと導きます。将来はどうなるのでしょうか？テクノロジーの進歩は私たちのような一般人の生活にどのような変化をもたらすのでしょうか？待って見てみましょう。

参考文献:

[1]ホセイン、ステファン＆ホセイン、パトリック＆カティック、ウォルター＆ラタン、ヴァルマ。（2016年）。電力網障害管理用の Web アプリケーション。 1-5. 10.1109/ICIAS.2016.7824052.

[2] ウー・ハオウェン、ワン・ジュン、ゴン・インリー、他。エネルギー貯蔵技術の開発状況と応用展望に関する分析[J]。電力ジャーナル、2021年、36(5):10。

[3] 朱雪艶四川省水力発電所における断水の原因と対策に関する分析[J]産業イノベーション研究、2019(9):2.

[4]Lai、Sing C、McCulloch、他。太陽光発電と電気エネルギー貯蔵の均等化発電コスト[J]。応用エネルギー、2017年。

[5]https://world-nuclear.org/information-library/current-and-future-generation/electricity-and-energy-storage

[6] ウー・ハオウェン、ワン・ジュン、ゴン・インリー、他。エネルギー貯蔵技術の開発状況と応用展望に関する分析[J]。電力ジャーナル、2021年、36(5):10。

制作：中国科学普及協会

製造：海からの塩漬け魚

プロデューサー: 中国科学博覧会

この記事は著者の見解のみを表しており、中国科学博覧会の立場を代表するものではありません。

この記事は中国科学博覧会（kepubolan）に最初に掲載されました。