エネルギー貯蔵

Flybrid Kinetic Energy Recovery Systemフライホイールです。 F1レーシングカーに搭載され、ブレーキ時の運動エネルギーを回収・再利用するために採用されています。

フライホイール エネルギー貯蔵 (FES) は、ローター (フライホイール) を非常に高速に加速して、エネルギーを回転エネルギーとして保持することで機能します。 エネルギーが追加されるとフライホイールの回転速度が上がり、エネルギーが取り出されると、エネルギー保存により速度が低下します。

ほとんどのFESシステムでは、フライホイールの加速と減速に電気を使っていますが、機械エネルギーを直接使用するデバイスが検討されています。 このようなフライホイールは、数分で最高速度に達する（「充電」）ことができる。 フライホイールシステムは、比較的長い寿命（ほとんど、またはまったくメンテナンスせずに数十年持続する；フライホイールについて見積もられた全サイクル寿命は、105を超え、最大107サイクルまである）、高い比エネルギー（100～130W-h/kg、または360～500kJ/kg）と電力密度を持っている。 重力電池

Lower AustriaのKrems an der Donau近くのTheissから熱容量2GWhの地域暖房集積タワー

ThermalEdit

主な記事です。 熱エネルギー貯蔵、溶融塩、季節的な熱エネルギー貯蔵

熱エネルギー貯蔵（TES）は、熱の一時的な貯蔵または除去です。

感熱熱編集

感熱貯蔵は、エネルギーを格納する物質の顕熱を利用します。 材料は、含有する帯水層、砂や結晶性の岩盤などの地質基盤にあるボーリング穴のクラスター、砂利と水で満たされた裏打ちピット、または水で満たされた鉱山に貯蔵することができる。 季節的熱エネルギー貯蔵（STES）プロジェクトは、多くの場合4〜6年で投資回収が可能である。 カナダのドレイク・ランディング・ソーラー・コミュニティでは、年間を通じて使用する熱の97％をガレージの屋根に設置した太陽熱集熱器でまかなっており、その実現技術としてボアホール蓄熱（BTES）を採用しています。 デンマークのブレッドストラップでは、地域の太陽熱地域暖房システムにもSTESが使用されており、その温度は65℃です。 ヒートポンプは、風力発電の余剰電力がある場合にのみ運転され、80℃まで温度を上昇させて配電するために使用されます。 風力発電の余剰電力がないときは、ガス焚きのボイラーを使用する。 Braedstrupの熱の20％は太陽熱である。

潜熱蓄熱（LHTES）編集部

潜熱蓄熱システムは、物質との間で熱を伝達してその相を変化させることで機能します。 相変化とは、溶融、固化、気化、液化のことです。 このような材料は相変化材料（PCM）と呼ばれる。

蒸気蓄熱器は、液体と気体の間で相変化するLHTESの一種であり、水の気化潜熱を利用している。 氷蓄熱式空調システムは、オフピークの電力を利用して、水を凍らせて氷にし、寒さを蓄えるシステムです。 477>

冷熱エネルギー貯蔵編集

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空気を電気で冷却して液化し、既存の技術で冷媒として貯蔵することができる。 その後、液体空気をタービンで膨張させ、そのエネルギーを電気として回収することができる。 このシステムは2012年に英国のパイロットプラントで実証された。2019年、Highviewはイングランド北部とバーモント州北部に50MWを建設する計画を発表し、提案された施設は5～8時間のエネルギーを貯蔵でき、貯蔵容量は250～400MWhとなる。

カルノー電池編集

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電気エネルギーは、抵抗加熱やヒートポンプによって熱貯蔵に蓄えられ、蓄えられた熱はランキンサイクルやブレトンサイクルによって再び電気に変換される。この技術は、既存の石炭燃焼発電所を化石燃料のない発電システムに改修するために研究されている。 2020年には、ドイツ航空宇宙センターが世界初の大規模カルノー電池システムの建設を開始し、1,000MWhの貯蔵能力を持つ。

ElectrochemicalEdit

Rechargeable batteryEdit

データセンターで無停電電源として使われる二次電池バンク

主な記事。 二次電池、蓄電池

二次電池は、1つ以上の電気化学セルから構成される。 電気化学反応が電気的に可逆であるため、「二次電池」と呼ばれる。 充電式電池は、ボタン電池からメガワットグリッドシステムまで、さまざまな形や大きさがあります。 いくつかの充電式電池のタイプは使い捨てと同じフォームファクターで利用できます。

一般的な充電式電池の化学的性質は次のとおりです：

• 鉛酸電池。 鉛蓄電池は、電気貯蔵製品の中で最大の市場シェアを占めている。 単一のセルは、充電されたときに約2Vを生成します。 充電状態では、金属鉛の負極と硫酸鉛の正極が希硫酸（H2SO4）の電解液に浸かっている。

• 鉛蓄電池の技術は広範囲に開発されています。 維持管理は最小限の労力で済み、コストも低い。 そのため、電池の寿命が短く、エネルギー密度も低いという欠点があります。

• ニッケルカドミウム電池(NiCd)。 酸化水酸化ニッケルと金属カドミウムを電極に使用。 カドミウムは有害元素であり、2004年に欧州連合（EU）でほとんどの用途が禁止された。 ニッケル・カドミウム電池は、ニッケル水素電池にほぼ完全に置き換わっている。 1989年に最初の商業的なタイプが発売された。 現在では民生用、産業用として一般的なタイプである。 カドミウムの代わりに水素吸蔵合金を負極に用いた電池。 リチウムイオンポリマー電池は、多くの家電製品に使用されており、最高のエネルギー対質量比を持ち、使用していないときの自己放電が非常に遅い。

フロー電池編集

主な記事です。 フロー電池、バナジウムレドックス電池

フロー電池は、イオンが電池を充電または放電するために交換される膜の上に溶液を通過させることによって動作します。 セル電圧はネルンスト方程式によって化学的に決定され、実用的には1.0Vから2.2Vの範囲にある。 フロー電池は、技術的には燃料電池と電気化学的な蓄電池の両方に似ている。 充電用レールがバスの上に吊り下げられているのが見えます。

電気二重層キャパシタ（EDLC）またはキャパシタとも呼ばれるスーパーキャパシタは、従来の固体誘電体を持っていない電気化学キャパシタのファミリである。 キャパシタンスは、二重層キャパシタンスと擬似キャパシタンスという 2 つの記憶原理によって決まります。

スーパーキャパシタは、従来のキャパシタと二次電池の間のギャップを埋めています。 キャパシタの中で、単位体積または質量あたりのエネルギー（エネルギー密度）を最も多く蓄えることができます。 1.2 ボルトあたり最大 10,000 ファラド、電解コンデンサの最大 10,000 倍をサポートしますが、単位時間あたりの電力供給または受容は半分以下です (電力密度)。 その結果、充放電サイクルがはるかに短くなる。 また、電池よりも多くの充放電サイクルに耐えることができます。

スーパーキャパシタは、以下のような多くのアプリケーションを持っています。

• 静的ランダムアクセスメモリ（SRAM）のメモリバックアップ用低電流
• 自動車、バス、列車、クレーン、エレベーター用電源（ブレーキからのエネルギー回収、短期エネルギー貯蔵、バーストモード電力供給など）

その他の化学品編集

ガスへの電力編集

電気を水素やメタンなどの気体燃料に変換することである。 商業的な3つの方法は、電気を用いて水を電気分解により水素と酸素に還元する。

最初の方法では、水素は天然ガス網に注入されるか、輸送に使用される。 第2の方法は、水素を二酸化炭素と結合させ、サバティエ反応のようなメタン化反応、または生物学的メタン化を用いてメタンを生成するもので、8％の余分なエネルギー変換損失が生じる。 このメタンは、天然ガス網に供給することができる。 第3の方法は、木質ガス発電機またはバイオガスプラントの出力ガスを、バイオガスアップグレーダーが電解槽からの水素と混合した後、バイオガスの品質をアップグレードするために使用する。

HydrogenEdit

水素という元素は、貯蔵エネルギーの一形態である。 水素は、水素燃料電池を介して電気を生成することができます。

系統需要の20％未満の普及率では、自然エネルギーは経済性を大きく変えませんが、総需要の約20％を超えると、外部ストレージが重要になります。 これらの電源でイオン性水素を作れば、自由に拡張することができる。 2007年から5年間、ニューファンドランド・ラブラドール州のラメアという遠隔地のコミュニティで、風力発電機と水素発生装置を使ったパイロットプログラムが開始されました。

水素貯蔵サイクルに関わるエネルギー損失は、水の電気分解、水素の液化または圧縮、電気への変換から生じます。

1キログラムの水素を製造するには約50 kW-h (180 MJ) の太陽エネルギーが必要なので、電気代が重要なのです。 米国で一般的なオフピークの高圧線料金である0.03ドル/kWhで計算すると、水素の電気代は1kgあたり1.50ドルとなり、ガソリンの1.50ガロンに相当する。 その他のコストとしては、電解槽プラント、水素圧縮機または液化、貯蔵、輸送などがある。

また、アルミニウムに自然に存在する酸化アルミニウムのバリアを剥がし、水に導入すれば、アルミニウムと水から水素を製造することも可能である。 この方法は、リサイクルされたアルミニウム缶を水素の生成に利用できるため有益であるが、このオプションを利用するシステムは商業的に開発されておらず、電気分解システムよりもはるかに複雑である。 酸化膜を剥がす一般的な方法としては、水酸化ナトリウムなどの苛性触媒やガリウム、水銀などの金属との合金がある。

地下水素貯蔵は、洞窟や塩のドーム、枯渇した油田やガス田に水素を貯蔵することである。 大量の気体水素は、インペリアル・ケミカル・インダストリーズ社によって、長年、何の問題もなく洞窟に貯蔵されてきた。 欧州のHyunderプロジェクトは2013年に、地下水素を利用した風力・太陽光エネルギーの貯蔵には85の洞窟が必要であると指摘している

パワーペーストは、水と反応すると水素を放出するマグネシウムと水素をベースにした流動性ゲルである。 フラウンホーファー研究機構の製造技術・先端材料研究所（IFAM）が発明し、特許を取得し、開発を進めているものです。 パワーペーストは、350℃、5～6倍の大気圧で行われるプロセスで、マグネシウム粉末と水素を結合させ、水素化マグネシウムを形成する。 その後、エステルや金属塩を加えて完成させる。 フラウンホーファーは、2021年の生産開始を目指して生産工場を建設中で、年間4トンのPowerpasteを生産するとしています。 フラウンホーファーは、米国とEUで特許を取得しています。 フラウンホーファーは、Powerpasteは同寸法のリチウム電池の10倍のエネルギー密度で水素エネルギーを貯蔵でき、自動車の場面で安全かつ便利であると主張している

MethaneEdit

メタンは分子式CH4で表される最も単純な炭化水素である。 メタンは水素よりも貯蔵や輸送が容易である。 貯蔵と燃焼のインフラ（パイプライン、ガスメーター、発電所）は成熟している。

合成天然ガス（シンガスまたはSNG）は、水素と酸素から始まる多段階のプロセスで作ることができる。 水素は次にサバティエ法で二酸化炭素と反応させ、メタンと水を生成する。 メタンは貯蔵し、後で発電に利用することができる。 生成された水は再利用されるため、水の必要性を減らすことができます。 電解の段階で、隣接する発電所の純酸素環境でメタンを燃焼させるために酸素を貯蔵し、窒素酸化物を除去する。

メタンを燃焼させると、二酸化炭素（CO2）と水が生成される。 二酸化炭素はサバティエプロセスを促進するためにリサイクルされ、水はさらに電気分解のためにリサイクルされることが可能である。 メタンの生産、貯蔵、燃焼は反応生成物をリサイクルする。

二酸化炭素は、炭素回収と貯蔵のようなコストではなく、エネルギー貯蔵ベクトルの構成要素として経済価値がある。 これらは気体より取り扱いが容易で、水素より安全対策が少なくて済む。 航空機などの輸送用だけでなく、産業用や電力分野にも利用できる。

バイオ燃料編集部

バイオディーゼル、植物油、アルコール燃料、またはバイオマスなどのさまざまなバイオ燃料は、化石燃料を置き換えることができます。 様々な化学プロセスにより、石炭、天然ガス、動植物バイオマス、有機廃棄物中の炭素と水素を、既存の炭化水素燃料の代替に適した短い炭化水素に変換することが可能である。 例えば、フィッシャー・トロプシュ・ディーゼル、メタノール、ジメチルエーテル、合成ガスなどである。 このディーゼル燃料は、第二次世界大戦中、原油の供給が限られていたドイツで多用された。 南アフリカも同様の理由で、ディーゼル燃料の大半を石炭で生産している。

アルミニウム編集部

アルミニウムは、多くの研究者によってエネルギー貯蔵として提案されている。 その電気化学的等価物（8.04Ah/cm3）は、リチウム（2.06Ah/cm3）のほぼ4倍である。 アルミニウムは、水と反応させて水素を発生させればエネルギーを取り出すことができる。 しかし、そのためには、粉砕したり、苛性物質と化学反応させたり、合金を作ったりして、天然の酸化膜を剥がす必要がある。 水素を発生させる反応の副産物である酸化アルミニウムは、ハール・ヘロー法でアルミニウムにリサイクルできるため、理論上は再生可能な反応となる。 477>

ホウ素、シリコン、亜鉛編集

ホウ素、シリコン、亜鉛はエネルギー貯蔵ソリューションとして提案されている。 477>

電気的方法 編集

コンデンサ 編集

このマイラー膜、オイル充填コンデンサは、高出力（70メガワット）と非常に高速（1.5メガワット）にするために非常に小さなインダクタンスと低抵抗を持っています。

A capacitor (originally as a ‘condenser’ known) is a passive two-terminal electrical component used to store energy electrostatically.このコンデンサは、色素レーザーを操作するために必要な高出力 (70 メガワット) および超高速 (1. 2 マイクロ秒) 放電を提供します。 実用的なコンデンサは大きく異なりますが、すべて誘電体（すなわち、絶縁体）によって分離された少なくとも2つの電気伝導体（プレート）を含んでいます。 コンデンサは、充電回路から切り離された状態でも電気エネルギーを蓄えることができるため、一時的なバッテリーや他の充電式エネルギー貯蔵システムのように使用することができる。 電子機器では、電池の交換時に電源を確保するためにコンデンサがよく使われている。 (従来のアルカリ電池の密度が590kJ/kgであるのに対し、コンデンサは1kgあたり360ジュール以下である。 導体間に電位差があると（例えば、コンデンサが電池を挟んで取り付けられている場合）、誘電体全体に電界が発生し、正電荷（+Q）が一方の板に集まり、負電荷（-Q）がもう一方の板に集まります。 コンデンサに電池を十分な時間取り付けておくと、コンデンサに電流が流れなくなります。 しかし、コンデンサのリード線に加速電圧や交流電圧を印加すると、変位電流が流れます。

静電容量は、導体間の間隔が狭いほど、また導体の表面積が広いほど大きくなります。 実際には、プレート間の誘電体は少量のリーク電流を発生させ、耐圧と呼ばれる電界強度の限界がある。 しかし、高電圧破壊後の誘電体の回復効果は、新世代の自己回復型キャパシタとして期待されている。 導体とリード線は望ましくないインダクタンスと抵抗を導入する。

研究では、デジタル量子電池のためのナノスケールコンデンサの量子効果を評価している。

超伝導磁気学編集

超電導磁気エネルギー貯蔵（SMES）システムは、超電導臨界温度以下の温度に冷却された超電導コイルに直流電流を流すことで生じる磁場にエネルギーを貯蔵するシステムである。 一般的なSMESシステムには、超電導コイル、パワーコンディショニング装置、冷凍機などが含まれる。 超電導コイルが充電されると、電流は減衰せず、磁気エネルギーは無限に蓄えられる。

蓄えられたエネルギーは、コイルを放電することによりネットワークに放出することができる。 関連するインバータ/整流器は、各方向で約2～3％のエネルギー損失を占める。 SMESは他のエネルギー貯蔵方法と比較して、エネルギー貯蔵過程での電力損失が最も少ない。 SMESシステムは95%以上の往復効率を提供する。

冷凍のエネルギー要件と超電導線のコストにより、SMESは電力品質の改善など短時間の蓄電に使用される。 また、グリッドバランシングにも応用されている

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