- オアフ島（Oahu）の電力網は、2022年9月1日の最後の石炭火力発電所の閉鎖により、180MWの化石燃料ベースロード電源を失い、Plus PowerのKapolei Energy Storageがその空白を埋める中核的な電力網機能を担い始めた
- Kapoleiは158基のTesla Megapackで構成される185MWのバッテリー設備で、石炭火力発電所と同程度の瞬時出力規模を250ミリ秒の応答速度で提供する
- 565MWhの蓄電容量は石炭火力発電所の総発電量を直接置き換えるには不足するが、余剰再生可能エネルギーを貯蔵して夕方の需要時間帯に供給し、出力抑制を減らす
- Hawaiian ElectricとPlus Powerは、合成慣性、高速周波数応答、ブラックスタート機能を組み込み、停電後の再起動まで支援できるよう設計した
- Kapoleiはオアフ島のピーク容量の約17%を占め、化石燃料発電所が担っていた必須の電力網サービスをクリーン電源へ移す実例となっている
石炭火力発電所の閉鎖で生じた電力網の空白
- ハワイは2022年9月1日に最後の石炭火力発電所を閉鎖し、オアフ島の電力網から180MW規模の化石燃料ベースロード電源を取り除いた
- これは、2045年までに発電における化石燃料の燃焼をやめるというハワイの目標に向けた一歩である
- 残された課題は、天候によって出力が変動する大小の再生可能エネルギーポートフォリオへ移行しながら、電力網の信頼性を維持することだった
Kapolei Energy Storageの構成と運用
- Plus Powerが開発・所有するKapolei Energy Storageは、オアフ島西部の工業地域でクリスマス前に商業運転を開始した
- 設備はHawaiian Electricの信号に合わせて充電と放電を行う
- 158基のTesla Megapackで構成される
- 瞬時放電容量は185MWで、従来の石炭火力発電所が電力網へ供給できた出力に匹敵する
- 応答時間は250ミリ秒で、従来の化石燃料発電所よりはるかに速い
- バッテリーは電気を新たに生産するのではなく、電力網から吸収した電気を必要なときに再び供給する
- 再生可能エネルギーの発電が十分な時間帯に充電する方式が理想的である
- 夕方のように電力が切実に必要な時間帯には、安価でクリーンな電気を戻すことができる
遅れた建設と石炭代替プロジェクト
- Kapoleiのバッテリーは当初、石炭火力発電所の退役前に稼働する予定だった
- COVID-19は電力網向けバッテリー産業全体の配送に支障をもたらし、太平洋の真ん中というKapoleiの遠隔地という立地も困難を増した
- 2021年夏、Plus Powerは2022年末の完成を見込んでいたが、実際の完成まではさらに1年を要した
- それでもKapoleiは、石炭火力発電所の発電量をクリーン電力で置き換えるために予定されていた他の大規模太陽光・バッテリープロジェクトより先に電力網へ接続された
バッテリーが直接担った電力網機能
- 従来の石炭火力発電所がオアフ島に提供していた中核的価値は3つあった
- エネルギー: 電力量そのもの
- 容量: 必要なときに即座に供給できる出力
- 電力網サービス: 電力網を安定して維持する機能
- Kapoleiはこのうち容量と電力網サービスを直接置き換える
- 石炭火力発電所の最大出力と同水準の公称容量を提供する
- 電力網が定められた周波数範囲内で動作するために必要なサービスを提供するようプログラムされている
- 他の発電所が突然停止したり、太陽光発電が消費を上回ったりすると、電力網の周波数が範囲を外れる可能性がある
- Kapoleiは一次防御線である合成慣性によってリアルタイムの偏差に対応する
- 状況が指定されたしきい値を超えて悪化すると、高速周波数応答が二次防御線として機能する
エネルギー生産量は太陽光とともに補完
- Kapoleiの蓄電容量は565MWhで、石炭火力発電所のエネルギー生産量を直接置き換えるには十分ではない
- 代わりに、オアフ島の活発な太陽光発電部門と連携し、石炭火力発電所が担っていたエネルギー面の役割を補完する
- Hawaiian Electricのモデリングによると、Kapolei Energy Storageは最初の5年間で再生可能エネルギーの出力抑制を約69%削減できる
- 出力抑制の削減: {p:69}
- 捨てられる可能性があった余剰クリーン電力を電力網に取り込めるようになる
ブラックスタートと再起動の役割
- Hawaiian ElectricはKapoleiにブラックスタート機能も求めた
- サイクロンや地震のような災害で電力網が完全に停止した場合、電力網を再起動するための電源が必要になる
- Kapoleiのバッテリーは、この目的のために一部のエネルギーを予備として保持するようプログラムされている
- Plus Powerはこの設備を、3つの別の発電所と接続された変電所の近くに配置した
- バッテリーが他の発電所を「ジャンプスタート」する役割を果たせるようにした配置である
ハワイがバッテリーに託したより大きな責任
- ハワイは、大規模な住宅用太陽光の導入や、カウアイ島初のユーティリティ規模の太陽光・バッテリー発電所などで、エネルギー転換の先行事例を作ってきた
- 再生可能エネルギーの増加と化石燃料発電所の退役が一定の水準を超えると、風力、太陽光、バッテリーを追加するだけでは十分ではない
- デジタル制御インバーターで動作するクリーン技術は、電力供給だけでなく電力網の維持まで担う必要がある
- 他の地域にも周波数サービスを提供するバッテリーがあり、Kapoleiより大きいバッテリーも一部存在する
- ただしKapoleiのように、ピーク容量、周波数応答、合成慣性、電力網の再起動機能を1つの大規模バッテリー設備で組み合わせた例は珍しい
- Kapolei単独でオアフ島のピーク容量の約17%を占める
- Californiaの電力網向けバッテリー設備は5,000MWを超えたが、州全体の電力網の公称容量の7.6%程度である
合成慣性が重要な理由
- 従来の発電所は、タービンの回転質量を通じて電力網の周波数を安定させる慣性を受動的に提供する
- 以前は発電所を運用すれば慣性も付随していたため、別個のサービスとして定義し報酬を与える必要性は小さかった
- 現在の電力網は、再生可能エネルギーがあるときは安価な再生可能電源を最大化し、不足するときは燃料を燃やすモデルへ移行しつつある
- 火力発電所は慣性を提供するには回転状態を維持しなければならない
- 米国本土では、こうした電力網サービスのために古い石炭火力発電所を稼働し続けようとして、再生可能エネルギーの出力を抑制する場合がある
- 高度なバッテリーは、インバーターのプログラミングを通じて慣性の合成版を提供する
- 不要な炭素排出を避けながら、より経済的な代替策になり得る
- より速く精密に反応し、再生可能エネルギーの出力変動が大きくなる電力網に適している
クリーン電力網への移行における位置づけ
- 米国の長期的な気候目標は、電力網から化石燃料を段階的に退場させることを必要としている
- 水力と原子力は炭素排出なしに有用な電力網慣性を提供するが、成長軌道にはない
- Kapoleiは、化石燃料発電所が担っていた重要な電力網機能をクリーン電源設備へ移す初期の実例の1つである
- Kapoleiが実行した種類の電力網サービスは、長期的には米国全体で拡大される必要がある
1件のコメント
Hacker Newsのコメント
面白いことに、その古い発電所の排水冷却管が海につながっていて、水温が高く海洋生物が豊富な環境を生み、ダイビングやシュノーケリングの名所としても有名。Electric Beachとまで呼ばれている: https://www.snorkeling-report.com/spot/snorkeling-electric-b...
数年間その近くに住んでいてシュノーケリングを試したが、水中の人工構造物への恐怖症のせいで、水に数フィート以上入れなかった。大きくて不気味な管を見て本当に怖くなった
https://www.reddit.com/media?url=https%3A%2F%2Fi.redd.it%2Fe...
興味深い数値が本文に少し埋もれていたので、文脈のために整理すると、蓄電容量は565MWh、瞬間出力は185MW、プロジェクトファイナンスの調達額は2億1,900万ドル
Hawaiiの住宅用電気料金はkWhあたり約0.415ドルで、米国平均は0.162ドル程度
https://www.energy-storage.news/global-bess-deployments-to-e...
電気料金が高い場所や、これまで火力発電機が得ていた収益をバッテリーが奪える場所から始めれば、採算は合う。系統補助サービス、合成慣性、ブラックスタートのような機能がこれに当たり、バッテリーコストが下がるにつれて、さらに低コストな領域へ広げていける。火力発電機の稼働時間を減らして採算性を悪化させるという形で、システム単位で考える必要がある
バッテリーがあれば夕方のような後の時間帯に使えるので、既存の再エネ設備の利用率が上がる。家庭用バッテリーやEVバッテリーまで組み合わされれば、再エネの発電量が急増して価格が下がるときに充電する、といった需要調整も可能になる。まだ大規模には活用されていないが、技術的にはEVも電力網へ電気を戻せる
こうしたバッテリーは長期保存用ではなく、電力網の安定化と需給の短いピーク・ディップへの対応が目的。石炭・ガス火力発電所と違ってミリ秒単位で反応でき、その用途ではコスト効率も高い。石炭・ガス火力発電所を起動するのは高コストで遅く、止まっていても費用がかかる
石炭火力発電所1基がいわゆるベースロードを提供できるとしても、それは24時間365日ずっと動き続ける場合に限った話。現実には保守や修理で数週間から数カ月止まることがあり、原発も同じで、そうしたことが起きないと期待するのはよい計画ではなかった
長期蓄電はベースロード不足を補うために必要だとよく想定されるが、ベースロードもGWhやGWで表すまではかなり曖昧な概念だ。Hawaiiは、必要な長期蓄電が一部で考えられているよりはるかに少なくて済む可能性を示しているように見える。時間とともに風力・太陽光とバッテリーをさらに追加するだろうが、モデリングと検証が適切に行われていたなら、現在の構成だけでも十分かもしれない
長期的には島の電気料金をかなり下げる気がする。太陽光の容量を増やすほうが石炭火力発電所を動かし続けるよりずっと安く、このバッテリーがあれば、さらに多くの太陽光を設置して夜に使えるからだ。Hawaiiに風力がどれくらいあるのかは分からないが、かなり風の強い場所のように見える
興味本位で、自分が住んでいるNetherlandsの計画を調べてみた。人口1,700万人のNetherlandsを含め、世界中の政府が今後数年でグリッド規模のバッテリーを導入し始めるはずで、これがなければ再生可能エネルギーへの移行は事実上難しいからだ
オランダ政府は4億ユーロを割り当てており、この金額で160MW〜380MWを設置すると見込まれている。Hawaiiのバッテリー発電所の1〜2倍の規模だ。しかも国の送電網運用者は接続料金を引き下げ、2030年までに新規バッテリー容量2〜5GWを呼び込もうとしており、これはかなり大きな規模だ
似たような新規導入がほぼあらゆる場所で続くと思う
https://www.pv-magazine.com/2023/10/09/netherlands-allocates...
Netherlandsではおそらく風力供給が主要な変数になるだろうが、通常こういう場合は週単位の蓄電が必要になる。その時間帯で今どの技術が最善なのかはよく分からない
おそらく前者である可能性が高そうだ
2日前には嵐で一部の発電機が損傷し、バッテリー残量も非常に低くなって、島全体で電力が不足したため計画停電が行われた
https://www.hawaiianelectric.com/update-rolling-oahu-outages...
化石燃料発電所を再生可能エネルギーとバッテリーに置き換える際の核心的な問題は、十分に長い期間エネルギーを蓄え、暗くて風のないときに太陽光・風力を代替できるだけの容量を持つバッテリーシステムを見つけることです。
私が見た研究では、必要な時間シフトは季節単位で、必要容量はコスト面で到底まかなえないという結果でした。
Hawaiiの気象パターンが十分に安定していれば、補助的なベースロード電源容量を取り除けるのかもしれません。記事でも、石炭発電所の総容量がバッテリーの蓄電容量よりはるかに大きかったことを示唆しています。
「565MWhの蓄電容量では、バッテリーが石炭発電所の発電量を直接置き換えることはできない…」とあるので、今回の移行で実際にどれだけ容量が減ったのかは明確ではありません。記事で触れられていない、他の電源構成の変化もあり得ます。
水素をオフにすると、蓄電をバッテリーだけで賄う場合にコストがどれだけ上がるかも見られます。ドイツのようにコスト増が大きい場所もあれば、Indiaのようにほとんど無視できる場所もあります。
コスト前提が気に入らなければ出典も示されているので、調整して最適解がどう変わるかも確認できます。
理解しがたいのは、プロジェクトがすでに成功裏に稼働しているのに、無理に可能性にしがみついて「もしも」を持ち出す態度です。これ以上何を見ればよいのでしょうか。50年回らないと納得しないのでしょうか。
Tony Sebaはこのテーマについて何度か講演しており、再生可能エネルギーがあまりにも安くなっているため、最低生産量がほぼ毎日の需要をカバーできるほど大量に建てられる、という論旨を展開しています。妥当な送電網のアップグレードも前提にしているようです。
Marc Z Jacobsenは100%再生可能エネルギーへの移行についてかなり詳細な研究をしており、たいてい技術改善を前提にしないので推定は保守的なほうです。季節蓄電が必要だという話は記憶にありません。
寒冷地では、ごみ焼却と地域暖房、地熱地域暖房、追加のベースロード向け原子力などが解決策になり得ます。Scandinaviaではごみ焼却が一般的になりつつあり、Osloの発電所のように炭素回収まで組み合わせることもできます。UK、Sweden、Finlandは原子力も建設しています。
脱炭素を目指すなら、水素、アンモニア、電気燃料、バイオ燃料・バイオオイル・バイオ石炭を膨大に生産しなければならない点も考慮すべきです。デンマーク企業が下水汚泥からバイオオイル・石炭を効率的に作る大型マイクロ波反応器の商業運転を始めたというニュースも見ました。
こうした解決策はすべて、かなりの蓄積容量を内包しています。大量の水素を作れば、生産側と消費側の両方にバッファ蓄蔵が生まれ、必要なら生産を調整することもできます。
既存の水素発電所もバックアップ用途で残る気がします。NorwayからEuropeへ向かう天然ガスパイプラインを、ガスから水素へ切り替えようという真剣な議論もあります。最初は炭素回収・貯留で作った水素を使い、その後は洋上風力ベースのグリーン水素へ移行する形です。
洋上風力もますます一般的になっています。非常に大きな洋上風力タービンを建てれば、生産量はかなり安定します。
だからこそ、北欧の太陽光+風力はGermanyで見られるように行き止まりに近いと思います。冬は日照が非常に少なく、ほとんど風のない期間が何週間も続くので、過剰容量戦略を使うには太陽光を10倍くらい敷かなければならないかもしれず、そうなるとコストが到底見合いません。
気になって調べてみると、現在地熱エネルギーがHawaiiのエネルギー需要の10～15%を供給しています。火山活動が活発な場所ですし、もっと増やせそうに思えます。
比較すると、Icelandでは地熱発電が電力生産の50%以上を占めます。
この違いが物理的・地質学的な理由によるのか、それとも別の理由なのか気になります。
このバッテリーシステムの利点・機能のひとつが、送電網の安定化、つまり回転発電機の慣性を置き換えて安定した60Hzを維持することだそうです。これを使えば電力線の周波数をさらに安定化できるのか気になります [1]。
そして、そうなると電源ハムから録音時点を推定することが難しくなったり不可能になったりするのでしょうか [2]。
[1]: http://leapsecond.com/pages/mains/
[2]: http://hummingbirdclock.info/about
バッテリーがこの機能を提供するのかどうかは、すぐにははっきりしません。巨大なフライホイールとモーター発電機を導入するプロジェクトもありますし、退役した発電所を空転状態で回しているケースもあると理解しています。後者は有効電力・無効電力制御のためかもしれません。
こうしたものが単にバッテリーより低技術な代替なのか、それとも回転発電機にしかない再現しにくい特性があるのかが気になります。
Hawaii は大半が ディーゼルで回っているのだと思っていた
https://www.eia.gov/state/?sid=HI#tabs-4
石炭は 2021 年のエネルギー消費の 12% 程度だったようだ。良い変化ではあるが、Hawaii で非常に汚く高価な電源をすべてなくすには、まだ道のりは長い
系統用蓄電池は、今日ではすでに実現可能なだけでなく、コスト面でも非常に魅力的である。ただし理由はよく思われているものとは違う。余剰のグリーン電力を捨てずに済む先として使うためではなく、ピーク電源の必要性を減らすためである
発電には通常、常時稼働するベースロード電源と、需要が高いときに稼働できるピーク電源がある。ピーク電源は、発電電力量あたりのコストがはるかに高く、燃料もはるかに多く燃やす。そのため、系統用蓄電システムは 100% 化石燃料の電力網であっても意味を持ちうる
大きな例外は、水力発電が多い場合である。水力はタービンにより多くの水を流してピーク電源のように動作できるため、系統用蓄電の効果は小さくなる。ただし水力発電所と電力網の特性によって異なり、水力が多くてもなお意味がある場合はある
https://en.wikipedia.org/wiki/Peaking_power_plant
周波数調整は、系統用蓄電池が特に得意とする分野であり、既存の発電所で達成しようとすると非常に高コストになりうる
https://en.wikipedia.org/wiki/Ancillary_services_(electric_p...
もちろんトレードオフは、系統用蓄電設備の建設に必要な高額の初期資本投資である
シニカルに聞こえるかもしれないが、すべての州は技術とサプライチェーンを維持するために、少なくとも 1 基の 石炭火力発電所を恒久的に運用すべきだと思う。石炭は米国で最も豊富な天然資源の 1 つである。国家非常事態の際にそれに頼れるようにすべきであり、自ら袋小路に追い込んでしまってはそれができない
太陽光発電は通常、少数の巨大な石炭火力発電所よりはるかに分散している
太陽光だけでもそうだし、風力・波力・地熱など、電気を生み出す方法はさらに多い。これこそが多様化であり、防御もしやすいだろう
1 つの電源に依存することこそが、自らを袋小路に追い込み、そのペンキを飲むようなものだと思う
本土が領土に厄介な要求を課したのが初めてではないかもしれない。Jones Act が思い浮かぶ
https://www.hawaiianelectric.com/clean-energy-hawaii/our-cle...