スティーブン・シャッケル
新たな効率化にもかかわらず、世界中の電力消費量は増加し続けています。エネルギー生成および貯蔵インフラも拡大する必要があります。現在、揚水発電、バッテリー、 コンデンサバンク、フライホイールなどのエネルギー貯蔵方法が、グリッドレベルでエネルギーを貯蔵するために使用されています。各テクノロジーには、容量、速度、効率、コストに関連するさまざまな利点と制限があります。
もう一つの新興技術である超伝導磁気エネルギー貯蔵（SMES）は、エネルギー貯蔵の進歩に有望です。SMESは、電気エネルギーの伝送と貯蔵の方法に革命をもたらす可能性があります。この記事では、SMESテクノロジーについて説明し、それが何であるか、どのように機能するか、どのように使用できるか、そして他のエネルギー貯蔵テクノロジーとどのように比較されるかを明らかにします。
超伝導磁気エネルギー貯蔵とは何ですか?
SMESは、最高レベルではバッテリーと同様にエネルギーを蓄える高度なエネルギー貯蔵技術です。外部電力はSMESシステムに充電され、そこで蓄えられます。必要に応じて、同じ電力を放電して外部で使用することができます。ただし、SMESシステムは、コイル内のDCの流れを介して磁場の形で電気エネルギーを蓄えます。このコイルは電気抵抗がゼロの超伝導材料で構成されており、磁場を非常に効率的に生成します。超伝導コイルが充電されると、コイル内の直流はエネルギー損失なしに継続的に動作し、SMESシステムが意図的に放電されるまでエネルギーを無期限に完全に保存することができます。この高い効率により、SMESシステムはエンドツーエンドで95% を超える効率を誇ります。
超伝導磁気エネルギー貯蔵システムはどのように機能するのでしょうか?
SMESテクノロジーは、超伝導と電磁誘導の原理を利用して、最先端の電気エネルギー貯蔵ソリューションを提供します。外部電源からのAC電力を蓄えるには、まずSMESシステムですべてのAC電力をDC電力に変換する必要があります 。興味深いことに、電力の変換はSMESの中で完全に効率的ではない唯一の部分であり、システム全体の損失のすべてを占めています。
次に、直流電力が超伝導線を通過して大きな電磁場が生成され、最終的にこのエネルギーを蓄えるために使用されます。超伝導材料は臨界温度以下に冷却されると電気抵抗がゼロになります。そのため、SMESシステムでは他の貯蔵方法とは異なり、エネルギー貯蔵の減衰や貯蔵損失が発生しません。
電磁場を生成するソレノイド形状のデモンストレーション
超伝導線は、他の一般的な誘導装置と同様に、トロイダルまたはソレノイドの形状に正確に巻かれ、蓄積磁場を生成します。SMESシステムで貯蔵する必要があるエネルギーの量が増加するにつれて、超伝導線のサイズと量も増加する必要があります。たとえば、北米の大規模なSMESプロジェクトは、地下に埋設された直径数十キロメートルの蓄電リングを備え、2400MWの蓄電容量を持つという概念で導入されました。
超伝導磁気エネルギー貯蔵（SMES）システムの利点
SMESシステムの特徴は、その比類のない効率性です。エネルギーを貯蔵する過程で最小限のエネルギーが浪費されます。SMESシステムのエンドツーエンドの効率はほぼ100% ですが、リチウムイオン電池は80% から90% の範囲、揚水式水力発電のシステム効率は70% から85% の範囲です。地方のマイクログリッドや大型衛星など、エネルギーが断続的またはまばらになる可能性があるアプリケーションでは、エネルギーの節約が最も重要であり、初期費用が高くても、ストレージ効率を最大化することが必要になる場合があります。
さらに、SMESシステムは充電と放電の両方で応答時間が速いため、迅速かつ正確な電力供給と安定化を必要とするアプリケーションに最適です。たとえば、半導体製造施設や医療施設では、高性能のリチウムイオン電池システムと比較しても、SMESシステムで簡単に対応できる大きな電力サージを機器が生成できるため、SMESシステムから大きなメリットが得られます。
超伝導磁気エネルギー貯蔵システムの欠点
SMESシステムは、他のエネルギー貯蔵ソリューションと比較して初期コストが非常に高くなります。超伝導材料は製造コストが高く、コイル材料の超伝導状態を達成し維持するために極低温冷却システムが必要です。
イットリウムバリウム銅酸化物（YBCO）やビスマスストロンチウムカルシウム銅酸化物（BSCCO）などの超伝導体は、高純度の原材料を使用した複雑な合成技術によって生成されるため、一般的な電線よりも製造コストがはるかに高くなります。さらに、YBCOとBSCCOは大気圧下で93K (-292.3F) と110K (-261F) に臨界点を持ちます。つまり、これらは極低温に保たれた場合にのみ超伝導となり、そのような環境を作り出すには複雑な極低温システムが必要になります。
さらに、SMESシステムの拡張性には限界があります。拡張不可能な初期コストに加え、SMESシステムには高いメンテナンス要件があり、ストレージ容量を簡単に増やすことはできません。対照的に、 リチウムイオン電池 ストレージシステムは簡単に接続できますが、SMESデバイスを組み合わせるには、極低温冷却インフラストラクチャを同様に拡張する必要があります。
超伝導磁気エネルギー貯蔵はエネルギーインフラの未来でしょうか?
SMESは他のエネルギー貯蔵アプリケーションに比べて非常にユニークな利点があり、まさに最先端の技術ですが、近い将来、ほとんどのエネルギー貯蔵アプリケーションでSMESが広く採用される可能性は低いでしょう。現在、超伝導材料はその能力と供給が限られています。現在の技術では、超伝導を示すには極低温が必要であり、大量の送電網対応の超伝導体の生産はまだ達成されていません。
しかし、物理学者たちは、将来的に室温超伝導を可能にするかもしれない新しい高温超伝導材料の発見に取り組んでいます。これが実現され、材料が大量生産されれば、SMESの効率性と性能は他の技術よりも市場での採用を促進するものとなるでしょう。超伝導材料、極低温技術、コスト削減戦略の進歩により、SMESシステムの競争力は劇的に向上する可能性がありますが、現時点では、それらは研究とニッチなエネルギー インフラストラクチャに限定されています。
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