Review総 説

再生可能エネルギーの大規模導入に対応するためのエネルギー貯蔵・輸送技術
Energy Storage and Transportation Technologyfor Huge Scale Renewable Energies
光島重徳＊

Shigenori Mitsushima
Green Hydrogen Research Center, Yokohama National University

Abstract
Carbon dioxide emission must be reduced to control global warming and a drain on fossil energy resources. Afterthe great east Japan earthquake, the importance of renewable energies is increasing, because nuclear power plants
must decrease. In this decade, the installation of renewable energy systems increases, however, their electric power
generation is around 1% of total electric power generation in Japan. The utilization of photovoltaic and wind turbine generation system is ten several percent of their capacity because of weather conditions. Renewable energies
are not uniform, and good place is limited, therefore, huge scale renewable energy system with energy storage andtransportation should be planned with global viewpoint. Nature of electrochemical system is suitable to renewableenergies because of high energy conversion efficiency without dependence of the system size around ambient temperature. Development of secondary batteries is increasing in order to improve performance with cost reduction.
These efforts are important, but other huge electrochemical systems for storage and transportation should be also
required for huge renewable energies because of their capacity. Combination of water electrolysis and fuel cellswith an energy carrier or advanced redox flow battery-like systems would be candidates for them.

Key words : Energy carrier ; Renewable energy ; Energy storage ; Energy transportation

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はじめに排出量抑制の対策に再生可能エネルギーの導入をすすめることも織り込んでいたが，原子力発電所の増設が地球温暖化や化石エネルギー資源の枯渇を抑制する最も大きな割合を占めていた．2013 年 4 月現在，我ために二酸化炭素排出量を削減する必要が有ることはが国では稼働可能な 50 基の原子力発電所のうち，運共通認識であろう．東日本大震災前には，二酸化炭素転しているのは 2 基のみで，震災前はほとんど稼働していなかった老朽化した火力発電所等により電力を＊横浜国立大学大学院

工学研究院

グリーン水素研究センター賄っており，二酸化炭素排出量の大幅増加と貿易収支機能の創生部門の赤字を招いている．

教授© 2013 GS Yuasa International Ltd., All rights reserved.

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GS Yuasa Technical Report2013 年 6 月

第 10 巻第1号

福島第一原子力発電所での事故の後，明確な意思決は水資源には恵まれているものの，太陽光や風力に関定で原子力発電を停止して，再生可能エネルギーを基しては適地とは言い難い．太陽光については日本の盤とするエネルギーシステム構築に大きく舵をとった

180 W/m2 と比較してアフリカの砂漠地帯でも 200のはドイツである．事故後，稼働していた 17 基の原W/m2 程度で数 10% 程度の差であるが，風力は首都子力発電所のうち 8 基を停止し，その他の発電所も圏の 5 m/s に対して南アメリカのパタゴニア地方，順次稼働停止する予定になっている．旧東ドイツのロ

オセアニアの南部，西ヨーロッパの北部，西サハラ，シア型加圧水型原子炉 (VVER) を廃止したことも有り，ソマリアなどでは 9 m/s 程度の風力が得られる．こドイツ国内では原子炉 16 基が解体中である．福島第こで，風力エネルギーは風速の 3 乗に比例するので，一原子力発電所を含めても 8 基が廃止あるいは解体

5 m/s と 9 m/s の風速は，エネルギーとしては約 6中の日本よりもドイツのほうが解体技術の経験も多い倍であり非常に大きな差である．風力発電の稼働率もと考えられる．ドイツは隣国との電力の融通が可能で立地条件に大きく影響される 5, 6．

あること，バルト海沿岸を中心に風力発電の適地であ

以上のように，国内の再生可能エネルギーは絶対量ることも有り，日本よりも良い環境で計画的に脱原発の不足の他，世界的な適地と比較して稼働率でも劣るが進んでいるように見えるが，課題も多い．ドイツでと考えられるので，再生可能エネルギーの大規模導入も放射性廃棄物の最終処分場が決定していないこと，を考える上ではエネルギー貯蔵や輸送と併せて適地を再生可能エネルギーの固定価格買い取り制度により電選定する必要がある．

力価格が上昇していることのほか，変動する電力を隣2 再生可能エネルギーを基盤とするエネ
ルギーシステム

国と融通する容量的な制限や価格，洋上風力と陸上のグリッドとの接続，風力資源の豊かなバルト海沿岸から電力消費の多い南部への電力輸送等，エネルギーの貯蔵や輸送に関わる経済的，技術的な問題である．

再生可能エネルギーを基盤とするエネルギーシステ

日本の電力消費量は年間 1,000 TWh 程度で，東日ムについて考える．例えば需要側で 100 万 kW 程度

本大震災前はその 30％の 300 TWh 程度を原子力発のベースロード，即ち，原子炉 1 基の発電量に相当

電，600 TWh 程度が火力発電であった．現在は火力する電力を考える．国内の平均的な立地条件では，発電が原子力発電の分も担っており，2012 年は 900

100 万 kW とはメガソーラー（1,000 kW 級）で設備TWh 程度に達している．日本でも再生可能エネルギ稼働率が 15% であるとすると約 6,700 箇所分，世界ーの固定価格買い取り制度を充実し，二酸化炭素排出最大級の風車（5,000 kW 級）で設備稼働率が 15%量を抑制するための新エネルギーとしての太陽光，風であるとすると風車約 1,300 台に相当する．なお，力，水力，地熱発電の普及に務めている．設備容量と風力発電量が上位の国々の平均設備稼働率は約 25%

しては太陽光，風力，および地熱でそれぞれ 362 万であり，必ずしも地産地消が好ましい訳ではなく，立kW，224 万 kW，および 54 万 kW である．これら

地条件によっては利用率の差がエネルギーの輸送によの所謂新エネルギーによる発電電力量は全体の 1％程る損失を補える可能性がある．

度である．ここで，現状の太陽光発電および風力発電

Fig. 1 に水電解により水素を製造し，エネルギーキの設備容量と時間の積で求まる電力量に対する実際のャリアに変換して船舶輸送して 100 万 kW の電力を発電電力量は 10％台半ばである ．

得ることを想定した試算例を示す．図中の化学物質の1

国内の再生可能エネルギー導入のポテンシャルにつ下の MW 単位の数字は燃焼熱，機器の下のかっこ内

いての報告は必ずしも十分とは言えないが，太陽光発の数値は機器のエネルギー変換効率の概算値である．

電では 5 ～ 10 TWh，小水力発電では 8 ～ 70 TWh，

図中，上段は再生可能エネルギーが得られる地域での風力発電では 6 ～数 100 TWh 程度と考えられる．風プロセス，下段がエネルギー消費地でのプロセスであ

力発電については洋上風力の設備容量と稼働率をどのる．100 万 kW の電力を得るためには発電量ベースように考えるかによって非常に大きな幅になる．国内

で 300 万 kW 強の再生可能エネルギーが必要である．

での風力発電のポテンシャルは北海道および北東北にエネルギー変換に関わる水電解と発電効率の積が偏っており，これらの開発はドイツ同様，電力の貯蔵40%，貯蔵および輸送に関わる水素化，輸送，およびや輸送も問題となる2-4脱水素化の効率をそれぞれ 90％，95％，および 90．

％とするとこれらの積は 77％である．この中では，再生可能エネルギーの分布を国際的に見ると，日本

2GS Yuasa Technical Report2013 年 6 月

第 10 巻第1号

エネルギー変換に関わる損失，具体的には酸素が反応％が日本の技術であることである．年間に増設されたに関わるプロセスの損失が大きいと考えられる．次に設備の電力消費量は 270 万 kW 程度で Fig. 1 で想定この規模の電気化学システムの実現性について考えした規模である．したがって，食塩電解工業並の規模る．Table 1 に大規模水電解プラントの例を示す．世でエネルギーの貯蔵・輸送を考えると，再生可能エネ界最大級のアルカリ水電解プラントでも水素生産速度ルギーを基盤としたエネルギーシステムを構築するこ-1とが実現可能と考えられる．

は 30,000 Nm h 程度，燃焼熱として 10 万 kW 程
3度で Fig. 1 の 1/10 以下の値である．しかし，現在の3 再生可能エネルギーを支えるエネル
ギーの貯蔵・輸送システム

水電解は水素製造プロセスの主流では無く，最近は技術的にも進歩が少ない．ここで，水電解とは技術的には比較的近く，大規模な工業電解が行われている食塩電解に注目する．食塩電解は食塩水を電解して塩素お実用化されている大規模なエネルギー貯蔵システム

よび水酸化ナトリウムを得るプロセスであり，水素はとして揚水発電が挙げられるが，この方法は輸送には副生成物である．Table 2 に示すように水酸化ナトリ適さない．エネルギーの輸送と貯蔵を効率よく行うた

ウムは年間 9 千万 t 程度製造され，252 億 Nm の水めには化学エネルギーに変換することが有効と考えら素が副生している．国内でも年間 4 百万 t の水酸化ナれる．電力を直接化学エネルギーに変換するプロセス

トリウムが製造され，11 億 Nm の水素が副生していが電気化学システムである．例えば，二次電池，いわる．注目すべきは，世界で 1 年間に 8 百万 t 分の水

ゆる蓄電池は電力を化学エネルギーに変換して貯蔵す酸化ナトリウム製造設備が増設され，このうち約 80

るデバイスであり，携帯機器から電気自動車まで広く

33

Electric power

Electrolyzer

H2Hydrogenations

Energy carrier

3,250 MW(80%)

2,600 MW(90%)

2,340 MWTransportation(95%)
Energy carrier

Dehydrogenation

H2Generator

Electric power

2,220 MW(90%)

2,000 kW(50%)

1,000 MWFig. 1
Table 1

Energy supply chain using hydrogen as an energy carrier.
Large scale water electrolysis plants.

Site
Aswan (Egypt)
Nangal (India)
Rjukan (Norway)
Glomfjord (Norway)
Kwe Kwe (Zimbabwe)
Trail (Canada)

Table 2

Supplier
Brown Boveri
DeNoraNorsk Hydro
Norsk Hydro―TrailCapacity / Nm3 h-1
33,00030,00027,90027,10021,00015,200∆ H o (combustion) / MW
11710699967454

Hydrogen production and energy consumption of chloro-alkaline industry in 2010.

Item
NaOH production
H2
Electric energy
Electric power

World90 Mt
2.52 × 1010 Nm3
240 TWh
30,000 MW

Growth in the world
8 Mt/year
2.24 × 109 Nm3 / year
22 TWh/year
2,700 MW / year

3Japan4 Mt
1.12 × 109 Nm3
10 TWh
1,200 MW

GS Yuasa Technical Report2013 年 6 月

第 10 巻第1号

用いられている．リチウムイオン電池は質量エネルギ比例するのに対して，レドックスフロー電池の場合にー 密 度 が 約 100 Wh/kg，体 積 エネル ギ ー 密 度 が 約

は活物質の水溶液のタンクで保持するため，出力とは250 Wh/L の高エネルギー密度の二次電池であり，様々独立で容量を設計することが可能である．したがって，な用途に用いられているとともに，研究開発も活発に大容量システムでは容量あたりのコスト低減が可能で行われている．とくに電気自動車用電源としては航続ある．以上の特性より，これらの中ではレドックスフ距離を確保し，低コスト化を図るため，2030 年頃にロー電池が計画運転可能なシステムには適しているとは質量および体積基準でそれぞれ 500 Wh/kg および考えられる 8, 9．

1,000 Wh/L，2030 年 以 降 に は 700 Wh/kg お よ び

次に，水素の貯蔵・輸送のためのキャリアについて1,500 Wh/L を目指すとされている．また，コストに考える．Table 4 に水素キャリアとしての圧縮水素，

つ い て も 現 状 の 100,000 ～ 200,000 円 /kWh を

液化水素，液体アンモニア，メチルシクロヘキサンの2030 年以降の目標として 5,000 円 /kWh としている ．

物性をまとめる．燃料電池自動車用の水素ボンベとしこの流れは，現状のリチウムイオン電池を基準と考え，て，35 MPa と 70 MPa の規格が提案され，70 MPa

リチウムイオン電池の応用から新型二次電池の開発をが主流となりつつあるが，35 MPa から 70 MPa に圧目指すものであり，風力発電および大規模太陽光発電力を 2 倍にしても理想気体から外れて水素の質量はの短周期の出力変動緩和への応用も考慮されている．

約 1.7 倍の容量となる．また，極低温で液化しても液電力平準化のための定置型の大型二次電池システム

体のエネルギー密度は 70 MPa ボンベの 2 倍にもなとしては Table 3 に示すレドックスフロー電池，ナトらず，密度も約 0.07 g/cm3 の小さな値である．石油

リウム - 硫黄電池，ニッケル - 水素化物電池，鉛蓄電系の燃料の燃焼では質量エネルギー密度が約 12,800池なども検討されている．これらの電池はエネルギーWh/kg，体積エネルギー密度が約 9,600 Wh/L であ密度ではリチウムイオン電池より劣るものの，容量あるので，水素は高圧での圧縮や極低温の液化でも体積たりの価格等では優れている．レドックスフロー電池

エネルギー密度が低く，非常に軽いエネルギーキャリの運転試験では，30 MW 級のウィンドファームの出アである．船舶での輸送では密度が水に比べて非常に力の短周期変動を 6 MWh の電池システムで平滑化し小さくて軽いことは必ずしも利点では無いので，専用た例や，100 kW 級の太陽光発電と 5 MWh の電池シ船の開発や，質量エネルギー密度は低いものの体積エステムで昼夜の電力調整により計画運転試験した例がネルギー密度が高い水素吸蔵合金による貯蔵とのハイ報告されている．短周期変動を抑制するシステムの例

ブリッドなども検討されている．水素を化合物としてでは電池システムの容量 / 再生可能エネルギーの定格固定して輸送する方法の例として液体アンモニアやメ

出力 = 6 MWh/30 MW = 0.2 h，計画運転試験の例でチルシクロヘキサンなどの有機ハイドライド法などがは 5 MWh/0.1 MW = 50 h である．再生可能エネルある．アンモニアは空気中の窒素をキャリアとするもギーを中心としたエネルギーシステムを構築するためので，肥料の製造などで工業化されている約 500℃，には計画運転可能なシステムが必要であり，短周期の20 MPa での触媒反応でのハーバー・ボッシュ法によ電力の平滑化と比較して非常に大きな容量の電池シスり製造可能である．

7

テムが必要である．エネルギーの貯蔵・輸送を季節間N2(g) +3H2(g)まで考えると，さらに大きな容量が必要となる．一般⇆

NH3(g)

⑴

的な二次電池システムでは容量とセル数が比例するの体積エネルギー密度，質量エネルギー密度とも高いが，で，システムの容量と出力ならびに価格は基本的には製造過程のエネルギー効率向上やアンモニアの毒性にTable 3

Secondary batteries for power storage application.

Active materials(+) / (-)
Theoretical specific energy/ Whkg-1
Open circuit voltage / V
Temperature / ℃
Auxiliaries

Redox flow
VO2+ / V2+Na-S
S / NaLead-acidPbO2 / Pb

Lithium-ion
LiMO2 / LiC6Ni-MH
NiOOH / MH

Zn-Br
Br2 / Zn

100

786

167

392 - 585

225

428

1.4
R. T.
Flow system

2.1
300
Heater

2.1
R. T.
-

3.6 – 3.8
R. T.
-1.2
R. T.
-

1.8
R. T.
Flow system

4

GS Yuasa Technical Report

Table 42013 年 6 月

第 10 巻第1号

Properties of hydrogen carriers.
Liquid hydrogen

Liquid ammoniaMethylcyclohexane

H22.0 g/mol-253 ℃
0.0706 g/cm3

NH3
17.0 g/mol-33.4 ℃
0.682 g/cm3 (liq.)

C7H1498.2 g/mol
101 ℃
0.769 g/cm3

100 mass%
7.06 kg/100 L

17.8 mass%12.1 kg/100 L

6.16 mass%
4.73 kg/100 L

0.899 kJ/mol-H2

30.8 kJ/mol-H2

59.4 kJ/mol-H2

32,900 Wh/kg
2,330 Wh/L

5,810 Wh/kg
3,960 Wh/L

2,010 Wh/kg
1,550 Wh/L

Storage pressure
Storage temperature
Flammability limit

32,900 Wh/kg
767 Wh/L (35 MPa)
1,290 Wh/L (70 MPa)
35 / 70 MPaR.T.
4.1 ～ 74.2 vol.%< 20 MPa
Very low temp.
4.1 ～ 74.2 vol.%～ 1 MPa
R.T.
15 ～ 28 vol.%Electromotive force

1.23 V

1.23 V

1.17 V

0.1 MPa
R.T.
1.4 ～ 6.7 vol.%(toluene)
1.07 V

Chemical formula
Molecular mass
Boiling pointDensity
Hydrogen content
Enthalpy change ofhydrogen evolution
Gibbs energy density ashydrogen (HHV)

CompressedhydrogenH2
2.0 g/mol-253 ℃
0.0233 g/cm3 (35 MPa)0.0392 g/cm3 (70 MPa)
100 mass%
2.33 kg/100 L (35 MPa)
3.92 kg/100 L (70 MPa)
‐対する対策などが課題である．

応じたシステムを構築するためには，再生可能エネル

有機ハイドライド法，例えばトルエン / メチルシクギーの特性に応じた起動停止や負荷追従が可能で，主ロヘキサン系はトルエンがキャリアとなり，約 300に船舶輸送の観点から体積エネルギー密度および質量℃，0.1 MPa 程度の条件で以下の反応で水素を貯蔵・エネルギー密度がそれぞれ 1,000 ～ 1,500 Wh/L お輸送する．

よび 1,000 ～ 1,500 Wh/kg 以上，長時間大量に貯蔵

3H2 ＋

CH3

⇆

する観点からは数十円 /kWh 以下のコストが見通せCH3



るエネルギーキャリアのシステム技術開発が必要であ(2)ると考える．

4

質量エネルギー密度，体積エネルギー密度ともにそまとめれほど高くは無いが，トルエン，メチルシクロヘキサ

再生可能エネルギーの大幅導入のためには，エネル

ンともに常温で液体であり，現状の石油系燃料とほぼギーの貯蔵・輸送の観点での技術開発が必須である．

同じ取り扱いが可能である利点がある．また，これら

電気化学システムは常温付近でシステムサイズに関わの反応は効率の高い既存のプロセスで得られるとともりなく高いエネルギー変換効率が得られるので再生可に，電気化学法では水電解との複合で直接電解水素化

能エネルギーと親和性が高い．大規模再生可能エネルする高効率プロセスの検討もすすめられている．

ギーに対応するためには，エネルギーの昼夜や季節間の調整や長距離輸送，長時間貯蔵が必要であることか

3H2O ＋CH3→CH3

ら，従来の二次電池とは異なるコンセプトで容量／入＋ 3/2 O2

出力比を大きくする必要がある．具体的には，エネル(3)ギーキャリアと電気化学システムの複合技術の開発が必要である．具体的にはアルカリ水電解，エネルギー水電解により得られた水素をエネルギーキャリア等キャリアの水素化・脱水素化の化学プラント，燃料電により貯蔵するプロセスでは，二次電池システムとは池の組み合わせのシステムの高効率化と実用化，なら異なり，受け入れ可能な電力と電力量をそれぞれ最適びにこれらの複合システムの研究開発などが必要と考化することが可能であるので，使用条件により数十円える．本稿が再生可能エネルギーの導入の一助となれ/kWh 程度のコストが可能と考えられる．

ば幸いである．

以上，再生可能エネルギーの変動を緩和して需要に5

GS Yuasa Technical Report

文2013 年 6 月

献6. 太田健一郎，大城善郎，水素エネルギーシステム，36, 64 (2011).

7. NEDO 燃料電池・水素技術開発部蓄電技術開発室，

http://www.enecho.meti.go.jp/topics/hakusho/2012

NEDO 二 次 電 池 技 術 開 発 ロ ー ド マ ッ プ (Battery/index.htm.

RM2010)(2010), http://www.meti.go.jp/report/

2. 環境省委託事業，平成 22 年度再生可能エネルギー

downloadfiles/g100519a05j.pdf.

導入ポテンシャル調査報告書，平成 23 年 3 月．
1.3

第1号

5. http://www.3tier.com/en/support/resource-maps/.

1. 資源エネルギー庁，エネルギー白書 2012，第 2 部，

3. 三菱重工，風力講座

第 10 巻

8. 重松敏夫，SEI テクニカルレビュー，179, 7 (2011).

世界の風資源，

9. 柴田俊和，隈元貴浩，長岡良行，川瀬和典，矢野

http://www.mhi.co.jp/products/expand/wind_敬二，SEI テクニカルレビュー，182, 10 (2013).

kouza_0103.html.
4. NEDO エネルギー対策推進部，風力発電導入ガイド
ブック改訂第 9 版，p.88 (2008).

6