超電導磁気エネルギー貯蔵 (SMES) は、電力の蓄え方を革新する可能性があります

新たな効率化が進む一方で、世界的な電力消費量は依然として増加し続けています。エネルギーの生成および蓄電インフラも拡大する必要があります。揚水発電、電池、コンデンサバンク、フライホイールといったエネルギー貯蔵手法は、現在グリッドレベルでエネルギーを蓄えるために使用されています。各技術には、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。

新たな技術の1つ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展に可能性を示しています。SMESは、電気エネルギーの転送と貯蔵の方法に革命をもたらす可能性があります。本記事では、SMES技術とは何か、どのように機能するのか、どのように利用できるのか、そして他のエネルギー貯蔵技術と比較してどうなのかを探ります。

SMESは、最も高いレベルでエネルギーをバッテリーのように蓄える先進的なエネルギー蓄積技術です。外部電源でSMESシステムを充電し、エネルギーを蓄積した後、必要に応じてその同じ電力を放出し、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直流電流の流れによって磁場の形で電気エネルギーを蓄積します。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、磁場を完全に効率的に生成することが可能です。超伝導コイルが充電されると、コイル内の直流電流がエネルギー損失なしで無限に流れ続けるため、SMESシステムが意図的に放電されるまでエネルギーを完全に蓄積できます。この高効率により、SMESシステムはエンドツーエンドの効率が95％以上であることを誇ることができます。

SMES技術は、超伝導と電磁誘導の原理に基づいて、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。外部電源からの交流電力を貯蔵するためには、SMESシステムはまず全ての交流電力を直流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の中で唯一完全に効率的ではない部分であり、システム全体の損失を占めています。

DC電力は超伝導線を通して送られ、大きな電磁場を発生させ、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るため、SMESシステムは他の蓄電方法とは異なり、エネルギー蓄積の減衰や損失がありません。

SMESシステムの特徴は、その圧倒的な効率性です。エネルギーを蓄える過程でのエネルギー損失がほとんどありません。SMESシステムの効率はほぼ100%に近く、リチウムイオン電池の場合は80%から90%、揚水型水力発電の効率は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のように、エネルギーが断続的または限られたものである可能性がある用途では、エネルギー保存が最優先事項となり、蓄電効率の最大化が必要になる場合があります。たとえ初期費用が高くなったとしても。

さらに、SMESシステムは充電および放電の応答時間が非常に迅速であるため、迅速かつ正確な電力供給および安定化が求められるアプリケーションに最適な候補となります。例えば、半導体製造や医療施設では、SMESシステムが大きなメリットをもたらします。これらの設備は大規模な電力サージを発生させる可能性があり、SMESシステムは高性能なリチウムイオンバッテリーシステムと比較しても容易に対応することが可能です。

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低温冷却システムが必要です。

イットリウム酸化バリウム銅酸化物 (YBCO) やビスム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高度な合成技術によって作られるため、日常的な導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 は大気圧下でそれぞれ 93K (-292.3F) および 110K (-261F) の臨界点を持ち、非常に低温に保たれた環境でのみ超伝導状態を維持するため、こうした環境を作り出すためには複雑な極低温システムが必要です。

さらに、SMESシステムはスケーラビリティに制限があります。初期費用がスケーラブルでないだけでなく、SMESシステムは高いメンテナンス要件があり、ストレージ容量を容易に増やすことはできません。これに対し、リチウムイオンバッテリー ストレージシステムは簡単に接続が可能であり、一方でSMESデバイスを組み合わせるには同様に低温冷却インフラをスケーリングする必要があります。

SMESは、他のエネルギー貯蔵アプリケーションに対して非常にユニークな利点を提供し、まさに最先端の技術ですが、近い将来において大部分のエネルギー貯蔵アプリケーションで広く採用される可能性は低いと考えられます。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、超伝導を示すためには極低温が必要であり、大量生産可能なグリッド対応の超伝導体の製造はまだ達成されていません。

しかし、物理学者たちは、いつの日か常温超伝導を可能にするかもしれない新しい高温超電導材料を発見するために取り組んでいます。これが実現し、その材料が大量生産可能となれば、SMESの効率と性能が他の技術を上回る市場採用を促進する可能性があります。超伝導材料、低温技術、およびコスト削減戦略の進展は、SMESシステムの競争力を劇的に向上させる可能性がありますが、現在では研究および特定のエネルギーインフラに限定されています。