ムを設け、夜間の電力需要が少ないときエネルギー供給、電力供給は上部のダムにポンプで揚水し、昼間の3.5.2 電力貯蔵の方法

電力需要が多いときに落下させて発電し電力を貯蔵する方法には、揚水発電、フライホイール、ます。発電所の水力タービンは、揚水時圧縮空気変換、および二次電池（蓄電池）があります。二にはポンプとして働き、発電時には逆回次電池には多くの種類があり、それぞれ長所と短所がある転して発電機の動力源になります。発電ので、目的に合った二次電池を選択する必要があります。

量は揚水に要した電力の約 70％で、約主な二次電池は、ナトリウム硫黄電池、レドックスフロー30％が損失になります。発電設備として電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、鉛蓄電池

は一般的な水力発電と同じですが、河川電気二重層キャパシタ、ニッケル・カドミウム電池です。

からダムへの自然流入水が少ないので、水力発電所というよりも一種の電力貯蔵施設です。余剰電力の発生源は、日間の需要変動電力は「そのまま」では貯蔵できないので、「貯追随性が低い原子力発電です。原子力発電は、操める」には電力を他のエネルギーに変換し、使用作温度や圧力の変化が設備の負担になるので、安する時に戻さなければなりません。このエネルギ全性を阻害する要因になります。このため一定のー変換の形態から電力貯蔵の方法を分類すると表出力を維持するのが望ましく、需要の変動に応じ1 になります。なお、需要側が緊急用や負荷の増大て出力を追随させるのが困難です。その結果、需に対処する目的で発電機を所有し、その燃料を貯要の少ない夜間電力が余剰電力になるのです。

蔵する場合がありますが、電力の貯蔵ではないので本稿には含めません。同様に燃料電池の燃料と1999 年の時点で日本全国に 42 ヶ所の揚水発電して水素を貯蔵するのも、電力の貯蔵ではないの所があり、出力の合計は約 2500 万 kW です。旧

で本稿には含めません。

東京電力の最大出力が約 6000 万 kW でしたから、揚水発電の出

表 1．電力貯蔵のためのエネルギー変換
電力貯蔵方法力規模はかな

変換エネルギー

主な利用目的り大きいこと揚水発電位置エネルギー

夜間の原子力発電電力の昼間利用がわかります。

フライホイール

運動エネルギー

鉄道車両の回生エネルギー利用

図 2 に示した

圧縮空気貯蔵

圧力エネルギー

夜間風力発電の昼間利用

電力の時間帯二次電池

電気化学エネルギー

工場・業務施設の非常用電源、自動車・作業別消費量から車・自転車の駆動電源、携帯機器・工具・家も、揚水発電

庭電化製品・情報機器の電源がピーク電力の 10％程度を担っていることが読み取れます。なお、揚水発電

1．電力貯蔵の方法は適地が少ないことから、現時点で新規立地の見通しはありません。

1.1 揚水発電
1.2 フライホイール（FW：回転体）
揚水発電は図 1 のように上部と下部に二つのダ1図１．揚水発電の仕組み

図２．電力の時間帯別消費量

フライホイールによる電力貯蔵を図 3 に示しま時にはこれらが逆に働き、電池と同様に電気エネす。フライホイール（ローター）は、モーターを兼ルギーを蓄えることができます。1988 年に京浜急

ねた発電機とともに、真空に保たれた格納容器に行電鉄が鉄道車両の回生電力を有効利用するため取り付けられています。容器を真空に保つのは、に採用し、12 パーセントの再利用を可能にしましフライホイールの回転抵抗を少なくするためです。

た。ローターの回転運動エネルギーで電力を貯蔵

軸受けには非接触型の磁気軸受けを採用し、回転するので、充電と発電の時間差が大きいと損失が大きくなります。このため、頻繁な加速と制動が必要な都市部の近距離交通車両に積載して使用するのに適しています。
1.3

圧縮空気貯蔵

圧縮空気貯蔵は、図 4 に示すように空気圧縮タービン、高圧空気貯蔵タンク、膨張タービン、圧縮熱の回収設備、蓄熱媒体貯蔵タンク（蓄熱槽）、発図 3．フライホイール電力貯蔵
1：容器

2：フライホイール

4：軸受

5：インバーター 6：真空ポンプ

電機で構成されています。発生電力が需要を上回

3：発電機／モーター

る時は空気を圧縮して高圧にし、需要を下回る時は膨張タービンを駆動して発電させます。欧米で7/8：充電・放電

は岩塩採掘跡の地下空間を利用し、空気を 6MP（60 気圧）程度に圧縮して貯蔵しています。ただによる抵抗を軽減しています。磁気軸受けには保し、欧米では圧縮空気の用途が電力ではなく、ガ守の手間を軽減する利点もあります。 フライホイ

スタービン発電の燃焼用空気です。したがって電ールは軽くても強度のある材料が望ましく、炭素力エネルギーを貯蔵するのですが、電力に戻して繊維強化樹脂が広く使われています。モーター兼使用してはいません。一方、日本には岩塩採掘跡用の発電機には、強力な永久磁石を備えたブラシのような密閉性の高い地下空間がないため、鋼製のないモーターが使われています。格納容器の外タンクを利用する設備が開発され、2015 年から実のインバーターに接続されていて、充電時と放電証試験も兼ねて稼働しています。現在の日本での2

はニッケル水素電池か、リチウムイオン電池が使われています。大容量が必要な工場の非常用電源には、ナトリウム硫黄電池（NAS 電池）、業務用施設にはレドックスフロー電池（RDF 電池）が広く使われています。このように二次電池
図 4．空気圧縮による電力貯蔵設備の構成（出典：NEDO 資料）には多様な方式があり、物理的な特性や性能に違いがあります。次節では電力貯蔵という観点から、用途は、風力発電の需要変動への対応です。特別

主要な二次電池について概要を紹介します。

な機器がなく、汎用機器の組み合わせで建設できるので、太陽光発電の需要変動への対応にも適用２．二次電池の種類と特性できる方法です。なお、電力貯蔵としての効率は、約 50％程度といわれています。

２.1 ナトリウム硫黄電池（NAS 電池）
1.4 二次電池
ナトリウム硫黄電池（NAS 電池）の特徴を表２
二次電池は蓄電池と呼ばれるように、よく知らに示します。高温操作型で、電解質を溶融状態でれた電力貯蔵の方法です。電池には一次電池と二使用するため、真空断熱容器に収納して使います。

次電池があり、一次電池は化学エネルギーを電気運転開始時はヒーターによる昇温操作が必要です。

エネルギーに変換できますが、電気エネルギーを変電所に設置する場合もありますが、ほとんどは化学エネルギーに戻すことはできません。懐中電

需要側が設置しています。設置目的の多くは外部灯に使う乾電池が代表例ですが、腕時計に使うボ電源遮断時の電源確保と、低価格の夜間電力を貯タン電池や補聴器に使う空気電池も一次電池です。

蔵して昼間の高価格時間帯に使用する電力費用の二次電池は化学エネルギーを電気エネルギーに変節減です。設置施設は工場が約 6 割、業務施設が換し放電しますが、充電時には電気エネルギーを約 4 割で、学校や研究機関も導入しています。標化学エネルギーに変換して蓄電します。「蓄電池」

準機種１台あたりの定格出力は約 800kW～1200とか「充電式電池」と呼ばれますが、初期段階の電kW、容量は約 4800～8600 kW 時になるので、大池は放電だけで充電機能はありませんでした。そ規模工場への設置が多いです。国内にある全 NASの後に充電機能のある電池が開発されたので、区電池の 1 年間の放電（発電）実績は約 3 億 kW 時別するために一次電池、二次電池と呼ぶようになに達しており、中堅の揚水発電所１基分に相当しったものと推察されます。ています。放電量の実績は充電量の約 75％～85％です。NAS 電池は比較的低コストで大容量を実現

二次電池の代表例は、自動車の鉛蓄電池や携帯できますが、約 300℃の高温で操作します。この機器に使われているリチウムイオン電池です。電ため、加熱や保温などの周辺設備も安全に維持管

動工具には出力の大きいニッケル・カドミウム電理できる体制が必要です。一定規模以上の製造工池が長く使われていましたが、今はリチウムイオ場や電力関連施設に適しているでしょう。

ン電池に代わりつつあります。ハイブリッド車に3

表 2．ナトリウム硫黄電池（NAS 電池）
物理

負極：ナトリウム的な正極：硫黄

特徴

電解質：ベータアルミナ（固体）性能①充電密度は鉛蓄電池の約 3 倍的な②自己放電率が低い。

特徴③充放電回数：2500～4500 回④部材耐久性：約 15 年
⑤充放電効率が高い（75％～85％）⑥電解液循環などの補機が不要⑦構成材料が資源的に豊富⑧高温動作なのでヒーターが必要

図 5．NAS 電池の動作原理⑨遮熱と保温が必要（出典：日本碍子 HP）⑩安全管理体制が必要⑪出力は標準が 800kW～1200kW

表 3．レドックスフロー電池（RDF 電池）

適

小規模需要には不向き。一定規模以上の物理

負極：バナジウム用大容量需要向きで、運転管理体制が明確的な正極：バナジウム性な生産工場向き。

特徴

電解質：硫酸バナジウム水溶液

性能①エネルギー密度は高くないので

図 5 には日本碍子の HP から引用した NAS 電的な池の動作原理を示します。放電時には負極のナト特徴

NAS 電池より重量も容積も大きい②高い瞬間出力が得られる

リウム(Na)が電子を放出してナトリウムイオン③電解液の劣化がなく長寿命（Na イオン）になり、固体電解質を通過して正極④必要な電力の容量に合わせてタンに移動します。正極の硫黄（S）が外部回路からのクのサイズを決められるので、経済電子で Na イオンと化学反応し、多硫化ナトリウ的な設計が可能（設計自由度大）ム（Na2Sx）に変化して負極から回路に放出され、⑤高温・高圧部がなく安全性が高い正極に移動する電子の流れが電力になります。充⑥充電状況のモニタリングが可能。

電時には外部からの電力供給で電圧が加わり、正⑦使いやすい。

極の Na2Sx は Na イオン、S、電子に分かれ、Na⑧繰り返しの高出力特性が優れるイオンは固体電解質を通過して負極に移動します。

⑨出力は標準が 250kW～1000kW

Na イオンは負極で電子を受け取って Na に戻ります。
２.2 レドックスフロー電池（RDF 電池）

適

安全性が高く使いやすいので、商業施用設、オフィスビル、大学、研究所、業性務施設に向いている。需要側の負荷平準化と非常用電源に採用例が多い。

レドックスフロー電池（RDF 電池）の特徴を表

不活性電極の表面で 2 種類のレドックス系媒体が3 に示します。レドックス（redox)という呼称は、酸化・還元します。2 種類の活性物質である溶液を還元（reduction）と酸化（oxidation）の造語で、外部のタンクに貯え、ポンプで電解セルに供給し4きましたが、デジタルカメラはもっとサイズの小さいリチウムイオン電池に代ってきています。
電動アシスト自転車とハイブリッド自動車の分野では、リチウムイオン電池と競合しており、価格は有利ですがサイズと重量では不利です。大容量化や高速充放電機能が開発され、太陽光発電や風力発電の平滑化にも利用できるようになっています。大容量適用事例には、工場や業務施設の据え置き型と鉄道用があり、負荷平準化（低価格時間帯電力の時間シフト利用）に加えて、緊急時対処（非常用電源）、瞬間電圧低下抑制など

図 6．レドックスフロー電池の動作原理に使われています。電力供給側のニーズとして

出典：住友電工のエネルギーソリューショ ン

表 4．ニッケル水素電池て充放電させます。レドックス媒体としてはバナ

物理

負極：水素吸蔵合金（金属水素化物）

ジウム系が最も多く、正極・負極ともバナジウム的な正極：ニッケル電極イオンを使用しています。バナジウム系の起電力

特徴

電解質：水酸化カリウム主体の水溶液は実用的な電解液組成で 1.4V です。レドックスフ性能①使用温度範囲が広い

ロー電池の電解槽をセル、セルを複数積層したも的な②充放電で劣化が少ないのをセルスタックと称しますが、セルの役割は電特徴③内部抵抗が小さく急速充放電が可能

解液中のバナジウムイオンを効率よく酸化還元反④セルに収納する電極版のサイズと枚応させることにあります。単一セルでは電圧が低数を増やせるので、大容量化が容易いので、実用的な電圧を得るために直列積層方式⑤有害金属が使われていないので、取りを採用しています。需要家の利用形態は、負荷の扱いが容易で安全性が高い平準化（低価格時間帯電力の時間シフト利用）に⑥長期間放置に耐える加えて、緊急時対処（非常用電源）、および瞬間電⑦密閉化が容易で安全性が高い圧低下抑制などです。太陽光発電や風力発電の出⑧信頼性が高く長寿命

力平滑化にも有用です。NAS 電池は容量が大きく⑨構成材料の原料資源が豊富高温操作型なので、工場の導入が多いのに対して、⑩構造がシンプルでリサイクルが容易

RDF 電池は容量の選択幅が広いのが特徴です。こ⑪リチウムイオン電池より瞬間出力がのため、納入実績は大型オフィスビルや業務用施大きい用途に適合（例：電動工具）設が多く、大学にも納入されています。図 6 に⑫リチウムイオン電池より安価

RDF 電池の動作原理を示します。

⑬出力は標準が 50kW～500kW

小形は電動工具、中型は電動アシスト
2.3 ニッケル水素電池
表 4 にニッケル水素電池の物理的、性能的な特徴を示します。1990 年の実用化以来、デジタルカ

適

自転車やハイブリッド自動車、大型は用工場や業務施設の据え置き用、風力発性

電や太陽光発電の平滑化用など適用性は広い。

メラや電動工具などの民生用小型機器に使われて5は太陽電池や風力発電の出力平滑化があります。

年ぶりに鉛電池やニッケル・カドミウム電池に代替できる高性能の汎用二次電池が実用化されたの2.4 リチウムイオン電池です。一方、電解質が有機溶媒なので安全性に課題が残されていますが、急速な改善が進行中です。

表 5 にリチウムイオン電池の物理的、性能的な100Ah クラスの大型用途に向けては、放熱しやす特徴を示します。二次電池はこれまで小型携帯機

い角型が開発されています（小型は円筒形が多い）。

器用途で市場を拡大しましたが、多様な機能性材

用途としては小容量から大容量まで対応できます。

料の開発と、これらを使いこなす電池技術の進展

他の電池より高価ですがコンパクトなので、中小によりリチウムイオン電池が登場しました。100規模の用途に適していますが、充放電に時間がかかります。高エネルギー密度を利用した小型用途

表 5．リチウムイオン電池
物理

負極や、高電圧の長所を生かした適用が望ましいでし：カーボン系材料、天然黒鉛

的な人造黒鉛、非結晶炭素、特徴

シリコンや錫などの合金ょう。小型の用途は携帯電子機器と小型家電、中型の用途は電動工具、電動自転車、作業車です。大型の用途は電気自動車、鉄道車両、産業機械、風力

正極 ：コバルト酸･ニッケル酸･リチ発電や太陽光発電の平滑化が想定されます。

マンガン酸･リチウム
電解質：炭酸エステルにリン酸リチウ

2.5 鉛蓄電池（PB 電池）

ムを溶解した有機溶媒
性能①起電力が大きくニッケル水素電池

的なやニッケル・カドミウム電池の 3 倍

特徴に匹敵

表 6 に鉛蓄電池の物理的、性能的な特徴を示します。鉛蓄電池は電解液に水溶液を使用しているにもかかわらず、水の理論分解電圧である 1.23 ボ②エネルギー密度が高い

ルトより大きい 2 ボルトの起電力があります。電③他の二次電池に比べて劣化が少な

解液は酸系で、他の電池のアルカリ水溶液や有機く、充放電効率が高い系と異なるユニークな電池です。1859 年に発明さ④メモリー効果がない（寿命が長い）。

れてから 150 年も経過していますが、経済性と信⑤大容量化が可能頼性に優れているので、現在も主要な二次電池で⑥充放電に時間がかかるす。他の新しい電池に比べるとエネルギー密度は⑦過充電熱暴走、外部短絡、電池内部低いのですが、安全性とリサイクル性に優れてい短絡のリスクがあるます。これまでに据え置き型では、需要変動への⑧正極材料に使われるコバルトとリ追随を目的（低価格時間帯電力の時間シフト利用）

チウムは資源的な制約があるとした電力貯蔵用と、緊急時のバックアップ用が⑨現状でリチウムは埋蔵量の約 7 割、開発されています。太陽光発電や風力発電の出力生産量の約 4 割をチリに依存して平滑化にも用いられています。

おり、資源的な制約が大きい
適用性

内部抵抗がニッケル水素電池より大2.6 電気二重層キャパシタきい（電圧降下がある）ので、パワーを要する用途より、微弱電流長時間使

表７に電気二重層キャパシタの物理的、性能的用に向いている。

6表 6．鉛蓄電池（PB 電池）

表 7．電気二重層キャパシタ

物理

負極

：海綿状鉛

物理

負極

：活性炭

的な

正極

：二酸化鉛

的な

正極

：活性炭

特徴

電解質

：希硫酸

特徴

電解液

：塩水

電池構造

：箱形構造

：箱形

性能

①起電力が大きい性能①重金属など有害物質を含まない的な②経済性に優れている的な②発火の危険性がない

特徴③信頼性が高い特徴⑤放電効率は 90％以上①急速充放電が可能④充放電で劣化が少ない②数万回の充放電が可能（サイクル寿命が長い）③電圧測定だけで残量把握が可能⑤メモリー効果が小さい④メインテナンスが容易（寿命が長い）⑤信頼性が高い⑥密閉構造が可能でメインテナンス⑥エネルギー密度が、他の二次電池に不要（制御弁鉛蓄電池）比べて数分の一以下と小さい⑦過充電耐性強⑧エネルギー密度は小さい
適

信頼性が高く安価だが、重量も容積も用大きいので、小容量の据え置き用と性自動車などの移動体用に適している。

適用性

安全で信頼性が高いが容量が小さいので、鉄道車両や大型自動車の回生エネルギー貯蔵に向いている（制動時のエネルギー回収）。

な特徴を示します。固体電極と電解質溶液のよう2.7 その他の二次電池に、2 つの異なる相が接触すると電位差が生じ、その界面には正負の電荷が非常に短い距離で配列し2.7.1た層が形成されます。電気化学の分野では電気二リチウムイオンキャパシタ重層と呼んでおり、この界面現象を蓄電に利用しリチウムイオンキャパシタは、電気二重層キャたのが電気二重層キャパシタです。電気二重層キパシタの正極とリチイムイオン電池の負極を利用

ャパシタでは、充放電にともなって電解質イオンした電池です。電気二重層キャパシタは充放電のが溶液内を移動し、電極界面に吸脱着するだけで速度（出力密度）が早いのですが、エネルギー密度す。電気エネルギーをそのまま充放電できるので、は小さいです。そこでリチウムイオン電池の高エ電極での化学反応をともなう二次電池と比較して、ネルギー密度と、キャパシタの高出力密度を組み劣化が非常に少ないのが大きな特徴です。このた合わせて課題を改善しています。ただし容量が小め、寿命が長いのが大きな長所ですが、大容量化

さく内部抵抗損失が大きいので、これまでは限定は現在のところ技術的に困難です。採用例には回的な分野でのみ採用されています。出力はおよそ生エネルギーの充放電、半導体製造装置のピーク150～250kW です。

電力カットなどがあります。装置化した製品には、
2.7.2

瞬時電圧低下補償装置(瞬低補償装置)、電鉄用回生

ニッケル・カドミウム電池

ニッケル・カドミウム電池は、大電流で充放電

電力貯蔵装置、装置系統安定化装置、直流電力補できるので、モーターなどの大出力用途に適して償装置などがあります。
7

います。具体的には、電動工具などパワーが必要ます。ただし用途は小型だけで、大型用途には使でタフな用途に向いています。軽量の特性を生かわれていません。

して、充電式シェーバー、掃除機などにも使われ2.8 二次電池の特性比較ています。また瞬発力が高い特性を利用して、ラジコンなどホビーの分野にも使われています。利
用の歴史が長いので、取り扱いのノウハウが豊富

表８に、表 2～表 7 には記載しなかった性能もなのも長所といえるでしょう。一方、自然放電（使含めた特性を示します。動作電圧はリチウムイオ用しなくても蓄えていた電気の量が減少すること）

ン電池が圧倒的に大きいですが、理由はリチウムが大きいので、時計など長期間稼働の機器には不のイオン化傾向が大きく起電力が高いからです。

向きです。なお、含有するカドミウムが有害物質

この特徴がエネルギー密度の大きさに反映され、なので、廃棄時に環境汚染防止の配慮が必要なこ

同じ出力なら他の電池より軽量でコンパクトです。とと、容量が少ないこと、およびメモリー効果がしかしリチウム資源の希少性から、他の電池より大きく管理が面倒なことが短所です。このため、高価です。動作温度はナトリウム硫黄電池（NAS近年はニッケル水素電池への代替が進行中で、需電池）が高く、運転管理に一定水準の専門能力が要の停滞からメーカーが減少しています。

求められます。二次電池は充電と放電の回数が増えるにつれて劣化します。リサイクル寿命は、性2.7.⒊

リチウム二次電池

能を発揮できなくなるまでの充電と放電の回数で、金属リチウムを使用したリチウム二次電池は、各電池に使われる電極や他の構成物質によって異リチウム一次電池の充電を可能にした蓄電池です。

なります。

起電力は大きいですが、充放電を多く繰り返すと（おわり）リチウムが溶解して析出し、電池の寿命が短くなります。このため、リチウムをアルミなどと合金

参考：NEDO 技術戦略レポート（電力貯蔵技術）
日本碍子 HP、住友電工 HP化した電池が、ボタン型やコイン型で普及していWikipedia

表 8．各電池の性能特性

電池の種類

NAS 電池レドックス

ニッケルリチウムフロー電池

水素電池

イオン電池

鉛蓄電池

動作電圧

1.8

1.4

1.2

3.6

2.0

動作温度

280～350℃

常温

常温

常温

常温

貯蔵効率

75～85％～82％

70～85％

95％

70～85％

120～2065

15035160～20

144

200～25090

リサイクル寿命

4500 回

3000 回以上

2000 回600～3000 回～2500 回システム構成6MW×8h450kW×2h5.7kW×5h

6.5kW×5h

30kW×4h（例）(48MWh)（900kWh）(28.5kWh)(32.4kWh)(120kWh)コスト（kW）

20 万円/kW

40 万円/kW

10 万円/kW

25 万円/kW

2～5 万円/kW

重量エネルギー
密度（Wh/kg）
体積エネルギー
密度（Wh/L）

8