据え置き型電池の用途に最適なのは？
据え置き型電池の世界は、決して立ち止まっているわけではありません。 急速に拡大する市場に最適なバッテリーの選択とは？
世界は急速に変化しています。 より多くの産業、組織、地域、国が、必要に応じて安定した信頼性の高い電力を必要としています。 国の送電網はピーク時の電力需要を満たすのに苦労していることが多く、国によっては都市や地域ごとの計画停電が日常的に行われています。 インフラが整備されている先進国では、確かに供給に負担がかかり、時にはピーク時のイベントや損害、事故などで長期の停電が発生することもあります。 一方、発展途上国では、電力を供給するための送電網がない遠隔地での電力供給に問題が生じることがあります。
さらに、発電量が断続的で、時には予測できない可変または再生可能な資源からのエネルギーを貯蔵するという現代的な要件もあります。 風力発電機と太陽光発電機は両方とも可能です。 また、潮力発電機のような予測可能なエネルギー源は、需要のピーク時以外の不便な時期にも電力を供給することができます。 系統関連（周波数制御、ピークカット、アービトラージなど）、ローカルUPS、待機電力、コスト削減など、現代の商売には欠かせないアプリケーションがたくさんあります。
これらは、定置型エネルギー貯蔵施設を必要とするアプリケーションのほんの一例です。
残念ながら、このデータは最新のものではありません。 これは、この成長し、より有利な市場に関する自由に入手できる情報が不足しているためです。 急成長しているエネルギー貯蔵やデータセンター用のUPSなどの分野は、大きなビジネスであり、投資家主導の商業運営が可能です。 そのため、情報を提供することで利益を得られる可能性があり、ロイター社のような企業は、実際にその情報を求められているのです。 そのため、統計学的にはまとまりがなく、直接適用することはできません。 しかし、この高成長の市場分野における現在のトレンドを理解するには十分な内容となっています。
図に示された略式のリストを精査してみると 1を見ると、これらのアプリケーションには非常に異なる要件があることがわかります。 その他の最大のセクションは、ほとんどがEnergy Storageであると考えられます。 ロイター通信によると、2017年の鉛蓄電池据え置き型市場は83億米ドルで、以下の分野で構成されています。
テレコム
UPS
ユーティリティー
緊急用照明
セキュリティシステム
ケーブルテレビ/ブロードキャスティング
オイル＆ガス
再生可能エネルギー
鉄道バックアップシステム
その他
この記事では、バッテリーの要件が似ていることから、これらの市場のいくつかを組み合わせることができます。 表1は、これらのアプリケーションがインストールされたバッテリーに要求することを示しています。
これらのアプリケーションの中には、さらに細分化されたものもあります。 エネルギー貯蔵を始めとして、これはおそらく最も急速に成長しているステーショナリーアプリケーションです。 過去20年間で、エネルギー貯蔵は、実用規模の事業のようにグリッドから直接、または可変の再生可能エネルギー発電機に追加することで、さまざまな利点があることが認識されてきました。 以下の表2は、グリッドスケールのエネルギー貯蔵の様々な用途を包括的に示しています。
エネルギーアービトラージのようないくつかのアプリケーションは、商業的に大きな利益をもたらすものであり、蓄えられたエネルギーを低価格で購入し、需要のピーク時や発電機が苦境に立たされているときに販売業者に転売することで産業を成り立たせていることがすぐにわかります。 再生可能エネルギーを効率的に利用する能力が重要になってきており、国や地域は、工業化や消費者の需要の増加に伴うCO2排出量の削減に取り組んでいます。
グリッドスケールのエネルギー貯蔵や、遠隔地にある通信塔などの市場は、急成長している市場であり、その成長を可能にするために電池は理想的な位置にあります。 鉛蓄電池、特に2VのOPzSとOPzVは、ほとんどの定置型市場において、非常にコスト効率の高いソリューションを提供することができます。
表1 定置型電池のアプリケーションとその要件
| アプリケーション | 標準サイズ | 最大放電量 | 放電頻度 | 放出率 |
|---|---|---|---|---|
| エネルギー貯蔵 | 1～50MWh、最大-290 | 80% | デイリー | 0.2 C10 |
| UPS | 0.5～500kWh | 20% | 不定期/毎週 | 0.05 C10 |
| エマージェンシー/バックアップ | 0.5kWh～10MWh | 80% | 不定期/毎週 | 0.08 C10 |
| レール/ケーブル/セキュリティ | 0.1～5kWh | 60% | デイリー | 0.1 C10 |
| 再生可能エネルギー | 0.5kWh～5MWh | 70% | デイリー | 0.1 C10 |
| テレコム | 5 kWh - 50 kWh | 70% | デイリー | 0.1 C10 |
懸念すべきでないのは、国内の送電網にあるエネルギー容量です。 私たちに不足しているのは、エネルギーの総量を満たす能力ではなく、ピーク時の電力需要を満たす能力です。 多くの先進国では、1日に必要な総エネルギー量を上回る発電が可能ですが、消費のピーク時には発電能力が低下するか、それに近い状態になります。 例えば英国では、最大ピーク時の需要が約6,000万kW、供給能力が約7,500万kWで推移していますが、故障が頻発しているため、これを大幅に下回ることがよくあります。
そのため、ピーク時には発電機の供給量を上回る需要が発生します。 インドは、設備容量が3億5,162万kWであるにもかかわらず、今年3月の電力需要が1億7,670万4,000kWと過去最高を記録したのと対照的である。 しかし、インドでは多くの州で計画停電や非計画停電が行われており、ピーク時の電力供給量は少ない。 これは、一部の国有配電会社の財政が不安定で、必要な電力を調達できないことなどが理由として挙げられています。
| アプリケーション | 説明 |
|---|---|
| エネルギー・アービトラージ | エネルギーを貯蔵し、その使用量を測定し、購入して利益を得ることができる |
| 周波数調整 | 瞬発力のあるバッテリーを使用することで、高負荷による急激な周波数低下を防ぐことができます。 |
| キャパシティー・ファーミング | 変動する発電（太陽光や風力）の出力が発電機の定格を下回った場合に、それを補うためのエネルギーを貯蔵することで、一定の発電量を確保する。 |
| 電源品質 | 電圧や周波数の乱れのレベルを示す指標。 |
| ブラックスタート | "停電後の送電網の確実な復旧。そのためには、外部からの電力供給がなくても発電ユニットが起動したり、送電網から切り離されても自動的にレベルを下げて運転し続けることが必要です。 |
| ピークカット、デマンドサイドマネジメント、ロードレベリング | ZII 負荷供給事業者またはその顧客が、電力の使用量または使用時期に影響を与えるために行う活動またはプログラム。 |
| バックアップ電源（原子力発電機、化石燃料発電機） | 商業施設や産業施設の停電時に電力を供給します。 また、発電所では、発電機が対応できない場合や故障した場合に電気を供給するために使用されます。 |
| UPS | 無停電電源装置（Uninterruptible Power Supply）とは、電気が故障したり、許容できない電圧レベルまで低下したときに、バッテリーでバックアップをとる装置のこと。 家庭用でも産業用でも使用可能 |
インド政府の発表によると、19年度9カ月間のピーク時需要の伸びは、18年度の2.8％に対し、7.9％であった。 このような電力需要の増加は、家庭電化の普及、農業消費者への供給の増加、水力発電の低下、夏の長期化などが原因であるとしています。 インドの発電量の約50％は水力発電所によるものです。 これは、他の発電機の潜在的な出力が約170GWであることを意味します。 必要なときに発電機を増やしたり、スイッチを入れたりするのではなく、より多くのエネルギーを蓄えておくことで、確実に利益を得ることができるからです。
蓄電は、電力の供給や停電の回避だけでなく、瞬時に応答できることから、供給周波数を適正に保つなど、多くの問題を解決することができます。 また、ピーク時の需要の問題があり、ピーク時に都合よく生産されることのない再生可能エネルギーを利用することになります。 また、発電ではなく蓄電を導入する場合のコストも、最も費用対効果の高いバッテリーを選択した場合には有利になります。 ご存知のように、この製品は、すべての面で最高の価値を持つ、おなじみの鉛酸化学製品です。
これは資本コストだけでなく、ライフタイムコストや投資に対する財務的リターンについても同様です。 エネルギー貯蔵では、鉛蓄電池の最大のアキレス腱であるエネルギー密度の低さは、成功するための重要な要素ではありません。 移動がなく、建物内のスペースが広く、コンクリートの床の上にバッテリーが保管されているため、重量や体積はあまり重要ではありません。
2V OPzSの高速応答性
エネルギー貯蔵の多くの側面のすべてに必要な主な条件は、数秒の高速応答時間、効率的なエネルギー変換、長いカレンダーとサイクル寿命です。 2vのOPzSとOPzVシリーズは、ミリ秒単位の応答時間を持ち、すべての異なるLABデザインの中で最高のサイクルとカレンダー寿命を実現しています。
OPzS vs OPzV
2V OPzVは、固定化されたGEL電解質と、充電時に発生した酸素と水素をセル内で再結合させるための圧力逃がし弁を備えているという2つの点で異なっています。 特に、グリッド用のスパインを備えたチューブ状のプレートと、活物質を保持するマルチチューブが、このデザインのセルの長いサイクルとカレンダーライフの鍵となっていることが示されています。
OPzSバッテリーとは？
鉛蓄電池の中でも2V OPzSは、ほとんどの据置型アプリケーションにおいて、特にサイクル寿命の点で優れた性能を発揮しますが、補充のためのメンテナンスとそれに伴うコストが必要になるというデメリットがあります。 蓄電の平準化コスト（LCOES）を計算する際には、バッテリーの設置やメンテナンスにかかる費用をすべて含めることが重要です。 最適なバッテリーオプションを決定する際には、実際のコストを理解することが重要であり、特にバッテリーの化学的性質の違いを評価する際には注意が必要です。
2V OPzS vs リチウム
例えば、リチウムイオンの場合、冷却装置や安全装置、防火装置などを省いて、バッテリーパックのコストを提示することが多い。 場合によっては、電池のコストだけで、電池パックやマネジメントシステムまで計算に含まれていないこともあります。 LCOE（Levelised Cost of Energy）は、以下の関係から簡単に求めることができます。
LCOE＝電池寿命までの全コストの合計／電池寿命までの全出力の合計。
電池寿命までのコストには、電気を使った充電も含まれています。 この場合、コストの計算には、パーセンテージで表されたアウトプット/インプットが用いられます。
寿命までの出力は、バッテリーのサイクル寿命に決定的に依存しており、高ければ高いほど良い。 これにより、上述の関係に基づき、電力供給のコストを削減することができる。 これがまた、バッテリー購入時の計算をする際に、混乱と誤差の原因となるのです。 鉛蓄電池の場合、電池の寿命は放電深度（DOD）に大きく左右されます。
DODが低いほど、バッテリーのサイクル寿命は長くなります（図3）。 多くのお客様は、資本コストを最小限に抑え、作業に必要な最小容量のバッテリーを購入することで、トップラインを最小限に抑えようとします。 実際、バッテリーのサイズを50％だけ大きくすると、DODは80％ではなく50％になり、サイクル寿命も実質2倍になります。 この場合、システムや設置費用はほとんど変わらず、バッテリーセルの価格だけが上昇しています。
言い換えれば、バッテリーコストが50％高くなるにもかかわらず、LCOEはミニマムキャピタルケースのほぼ半分になります。 それだけでなく、充電効率が80％以下から90％以上に向上したことで、LCOEをさらに削減することができます。
蓄電事業に電池を使うメリットは非常に大きいです。 どのバッテリーを使うかは、それほど単純ではありません。 現在、リチウムイオンは、この成長中のアプリケーションで世界的に使用されている主要な化学物質です。 その理由は、マーケティングの戦術を考えないと、まったくわからない。 BESSシステムの設置者がリチウムイオンを使用する主な理由は、サイクル寿命が長く、充放電効率が優れているため、LCOEがPbAよりも優れているからです。
先ほどの強化型2V OPzS電池の数字に戻ると、サイクル寿命が2倍になり、充放電効率が向上しても、リチウムイオン電池は価格が高いだけで、寿命や効率は向上しないことがわかります。 EVのバッテリーパックに使われていたリチウムイオン電池の2次使用が始まっています。
これらの細胞は、内部の樹状突起が成長して短絡することで安全でなくなることがわかっています。 韓国や米国では、2年目のリチウムイオンBESSが炎上した問題や、エンドオブライフのリサイクル施設がないことなどから、リチウムイオンシステムの真のLCOEをさらに評価する必要があると考えています。 鉛蓄電池業界には、もっと良いマーケティングが必要なのかもしれません。
従来の用途であるUPSや待機電力は、世界の据置型市場の50％以上を占めています。 表1からもわかるように、それぞれの要求は多少異なる。 UPS市場では、突然の停電や遮断によって機器が影響を受けないように、バッテリーが時々短時間の電力を供給する必要があります。 一般的には、バッテリーパックの放電は浅く、頻繁には行われません。 バッテリーパックは通常、カレンダーの寿命のほとんどの期間、筐体やキャビネットの中で低電圧のフロート充電を続けています。 この例では、支配的な要件であるDODやサイクル寿命ではなく、カレンダー寿命です。
定常的なフロート充電では、カレンダーの寿命はほぼバッテリーグリッドに使用されている合金の耐腐食性に依存しています。 他にも、浸水システムでの水の損失や、VRLA OPzVセルの使用も考慮しています。
ノーメンテナンスのOPzV、ローメンテナンスの2v OPzSのいずれのデザインでも、適切なスパイン合金と適切な活物質成分を使用すれば、有効設計寿命は20年以上になります。 その点、マイクロテックスが提供する2vのOPzSとOPzVシリーズは、クラスを代表する製品です（図4）。 ドイツの著名な電池科学者によって設計され、最新の低ガス性・耐腐食性鉛カルシウム錫合金を使用して製造されているため、性能、信頼性、寿命の面で他の追随を許さないパッケージとなっています。
マイクロテックス社の電池は、正極板と負極板の活物質バランスを最適化し、電池の重要な構成要素である鉛-カルシウム-錫合金を完璧にバランスさせた高圧ダイキャスト製正極板を採用することで、これらの特性を実現しています。 プレートの活物質から発生した電流を伝導するだけでなく、AMとグリッドの間に良好な結合を持たせて内部抵抗を最小にし、バッテリーのサイクルに伴うペーストの脱落を防ぐ必要があります。
UPSアプリケーションでは、バッテリーは常に低電圧のフロート充電を行っているため、プラスの意味では常に酸化（腐食）していることになります。 Microtex社がスパインの製造に使用している特定の合金は、何十年にもわたる研究開発と商業的経験の集大成です。 鉛-カルシウム合金の中では、最も優れた耐食性と低ガス性を兼ね備えています。 一般的にUPSの寿命は、ポジティブグリッドが完全に腐食してしまうことで終わります。 2VのOPzSとOPzVの設計では、ポジティブグリッドの腐食や、ガス発生による水の損失によるバッテリーの乾燥が、最終的なバッテリーの故障の原因となることがよくあります。
その他の主な定置用アプリケーションは、スタンバイ/緊急電源、通信、再生可能エネルギー、信号です。 これらのアプリケーションは、ほとんどが深放電アプリケーションであり、バッテリーの要件が似ているため、これらをグループ化しました。 繰り返しになりますが、良好なサイクル寿命、深放電耐性、低メンテナンス性がバッテリー選択の重要なパラメータです。
再生可能エネルギーと通信は、日常的に（ほとんどの場合、毎日）放電と充電を繰り返すという共通の動作パターンを持っています。 放電の深さは、資本支出と比較して、バッテリーがどれだけ長持ちするかによって決まります。 DODが低ければ低いほど、イニシャルコストは高くなります。 オペレーターは、技術的な理由だけでなく、経済的な理由に基づいてどのバッテリーを使用するかを決定しなければなりません。 LCOEへの影響は、BESSの状況でも議論されてきましたが、通信や再生可能エネルギーの業界でも同様に当てはまります。
自然エネルギーのアプリケーションでは、断続的で不便な時間帯に生成されることが多いエネルギーを蓄えることができます。 これは、国内、地域、国レベルでのビハインド・ザ・メーターとフロント・オブ・メーターの両方のアプリケーションに当てはまります。 蓄電池を利用することで、例えば風力発電のように、発電時には必要とされないために予測不可能で使い勝手の悪いエネルギーを、需要のピーク時などの必要な時に放出することができます。 繰り返しになりますが、これは家庭用でもグリッドスケールの設備でも同じです。
太陽光発電もその一つで、予測可能ではあるものの、需要が少ないときに発電されることが多い。 これらの例では、エネルギーの入力/出力（充電/放電）のサイクルは、通常、毎日行われます。 この点では、完全な電気自動車とハイブリッド・ディーゼル・システムの両方を持つ通信業界と非常によく似ています。 いずれの場合も、バッテリーは通常、DOD60～80％の範囲で毎日放電と充電を繰り返しています。
ほとんどの定置型アプリケーションでは、コスト、応答時間、電力供給、エネルギー貯蔵能力の点で、最も効果的なオールラウンドのエネルギー貯蔵ソリューションはバッテリーです（図5）。
図5 各エネルギー貯蔵技術の比較
家庭用・商業用スケールの事業のほとんどは、揚水発電、圧縮空気、フライホイールなど、他の形態のエネルギー貯蔵が適切でない地域や状況に置かれます。 先に述べたように、Microtex 2v OPzSとOPzVでは、筒状のプレートの構造とポジティブグリッドに使用されている合金により、ガス発生率（水分損失）を最小限に抑えながら、可能な限り高いサイクル寿命を実現しています。 そのため、このデザインは、これらのアプリケーションの大部分において、最も適切で最もコスト効率の良い選択肢となります。 例えば、太陽光発電設備にチューブラー型プレートセルやモノブロックバッテリーが使用されていることはよく知られています。
超ロングサイクル寿命と深放電能力を求めるならば、2VのOPzSを選択するのが最も適切です。 しかし、それにはメンテナンスのための追加費用がかかります。 特に遠隔地のアプリケーションでは、水を補充することができない場合もあります。 このような場合、Microtex社のOPzVシリーズは、2vのOPzSシリーズに見られるすべての特徴を備えていますが、ゲル化した電解質と密閉されたVRLAの動作を備えています。
待機電力は、将来的に成長し、ますます重要な市場になるというのは、まさにその通りです。 そのためには、経験豊富で先進的な鉛蓄電池会社を利用することが最も理にかなっています。 多くの企業がこのような主張をしていますが、マイクロテックスのように経験と実績を持ち、真に提供できる企業はほとんどありません。
Microtex opzsバッテリーのデータシートについては、必要なバッテリーAhの容量をご連絡ください。
