家全体の電力を蓄えるには、どれくらい大きな太陽光バッテリーが必要なのか？
(shkspr.mobi)- ロンドン郊外の一般的な家庭で、年間 3,800kWhの発電量 と 同量の消費量 を記録
- 季節ごとに 余剰電力 と 不足電力 が発生するため、年間を通じた自給自足には 巨大なバッテリー が必要
- 1日のデータでは実際に 9.7kWh使用 に対して 19.6kWh発電 しているが、消費のタイミングと発電のタイミングが異なるため 13kWhのバッテリー が必要
- 1年分の実測データを分析した結果、夏の余剰を冬に使うには約1,068kWh(MWh)の容量 が必要
- 現実的には個人がこの規模の大容量バッテリーを設置するのは 技術的・経済的に非現実的 であり、むしろ効率的な設計と バッテリー価格の低下 が重要な課題
家全体の電力を蓄えるために必要な太陽光バッテリー容量の分析
概要
- ロンドン郊外の一般住宅に設置された小規模な太陽光パネルから始まった実例
- 年平均で3,800kWhを発電し、家庭でも年平均3,800kWhを同量消費
- ただし、すべての電力を同時に使うわけではないため、季節によって 余剰電力 は夏に発生し、冬には電力購入が必要になる
- 目標は 完全なエネルギー自給自足 のために必要なバッテリー容量を計算すること
夏の1日の電力フロー
- グラフ:
- 黄色の線: 太陽光発電量（日の出後に増加し、正午に最大、日没まで減少）
- 赤い線: 家庭の消費電力（午後7時の調理時間に大きなピークが発生）
- 青い線: グリッド（外部電力網）の使用/供給（日の出前は受電、その後は供給も可能、夕方は消費が増加）
- 実測データ（各時点の消費W/発電Wの一部）をもとに、電力の余剰または不足を計算
- ある夏の1日では家庭で9.7kWhを使用し、19.6kWhを発電したため、見かけ上は9.9kWhのバッテリーで十分に見える
- 実際には消費パターンと発電パターンが異なるため、同時に必要な最大蓄電量は13kWh に達する
1年分の累積データ分析
- 3月末〜翌年3月末 を基準に、春から発電が消費を上回り、余剰電力が累積していく
- Pythonコード で各日の発電/消費の累積差を計算し、必要な総バッテリー容量を導出
- 年間累積の最大値は 1,068kWh (1MWh) に達し、家庭用バッテリーとしては非常に大容量
- 天候や消費の変動があるため、途中の一部時点では依然として外部電力網が必要
現実と限界
- 分析は日常生活を反映した個別データに基づく
- 電気自動車の負荷、ガスから電気への転換などの変数が実際に必要な容量へ影響する
- 現在の技術では家庭用レベルで1MWh級のバッテリー設置は非現実的
- 環境影響、バッテリー効率、余剰容量の活用度など、さまざまな実用上の問題が存在
- むしろパネルのアップグレード、蓄電効率の改善、グリッドの分散電源活用などのほうが、より合理的な解決策に近い
経済性と今後の展望
- 現時点で 1MWhのバッテリー構築には10万〜50万ポンド の費用が必要
- 維持費、設置スペース、各種認可などの追加コストも発生
- 幸い、近年 リチウムイオン電池の価格はこの10年で90%下落 しており、ナトリウムイオン電池などの新技術 はさらに速い価格低下を予告している
- 今後 家庭用バッテリーのコストがおおよそ8,000ポンドまで 下がる可能性がある
- 分散型太陽光+バッテリーは、コスト削減、エネルギー自立、用地をめぐる論争の最小化 などの利点を持つ
結論
- 現時点では、各家庭が1MWh級のバッテリーを保有するのは 実現可能性が低い
- しかし、技術革新と価格下落を考慮すれば、太陽光+大容量バッテリーに基づく自給自足型住宅が遠くない将来に普及 する可能性がある
- 家庭用太陽光システム はイギリスの気候でも十分な効果と経済性を提供する
- すべての住宅が年間の生産・消費余剰まで自前で蓄えられる「明るく太陽に満ちた未来」が現実になるかもしれない
1件のコメント
Hacker Newsの意見
私はTeslaシステムにバッテリーを3台入れており、設置当時にTeslaのエンジニアリングチームの勧告に逆らってでも、屋根の西側に8kWのパネルを追加したいと強く主張した。東側の効率は74%、西側は72%でやや低いが、時間帯ごとの過去使用量をモデル化してみると、バッテリーは主に夕方に使い切ることが分かった。私が欲しかったのは日単位ではなく時間帯ごとの発電量の最適化だった。その結果、14kWのパネルと3台のバッテリーのおかげで、年間9か月は完全なオフグリッド生活をしている。冬には雪が7フィートまで積もり、家の周りには非常に大きな木も多いが、実際の使用量に基づいて構成すれば効果は本当に大きいと思う。システムを日平均の数値だけで設計することが多いが、実際の使用パターンを基準にすべきだと強調したい。電力会社が余剰生産分に十分なクレジットをくれるなら話は別だが、現実には利益の大半を電力会社が持っていくので、慎重に判断すべきだと助言したい
うちもイスパニョーラ島で100kWのマイクログリッドを運用しているが、パネルの大半は冬の午後の日差しに最適化するか、空に対してランダムな向きに配置している。ランダム配置のほうが南向き12度固定よりもむしろ多く発電するのだが、私たちが欲しい瞬間的な高強度の光は、曇天時や高地の雲の影響で空の各位置に継続的に偏って現れるからだ。また南向きにすると一部のパネルが山を向いてしまい、採光が減る。助言するとすれば、できるだけ余裕を持ってパネルを載せるべきだと思う。うちは3時間の日照だけで農場と6世帯のバッテリーを満充電にでき、曇りの日でも十分に発電する。年間およそ60日は追加で発電機を使うが、その程度の燃料消費量（年間300ガロン）で小規模農場と6世帯が電力面で困らずに暮らせている
Powerwallシステムはバッテリーの充電を最優先に処理する。一日中発電した電力を3台のバッテリーに充てることになるはずだが、それなら時間帯ごとの蓄電量最適化を前提にしたモデルをなぜ選ばなかったのか気になる。74%の効率のほうが72%より総発電量でかなり有利になるのではないかと思う
実際に電力の生産で1ドルの収益が発生するのは、同じ時間・同じ場所で売買が同時に行われる場合に限られる。公正な価格は、その時点の市場価格から送電費用と販売費用、さらに供給増加による市場価格の下落分を反映すべきだ。国によっては、電力を売る日の価格と買う日の価格差が大きいこともある。欧州では市場価格がマイナスになることも珍しくないので、過剰生産が電力会社にとっても得にならない場合がある
うちの家は屋根が小さいので、パネルの1/3を東、1/3を西、1/3を南向きに設置している。理論上は屋根が十分に広ければ全部南向きが有利かもしれないが、PG&Eがピーク時間帯を何度も変更しているので、午後の発電のほうがより高くクレジットされる。そのため家を増築する際には、パネルの大半を西側に置く予定だ。今後エアコンを追加するつもりなので、ピーク需要時間帯への対応にも向いているはずだ
私の家の周りにも大きな木が多い。影の計算には SunCalc を便利に使った。年間のさまざまな時点で影の長さを見て驚いた
いまだにFactorioユーザーを悩ませる問題: Optimal ratioウィキ文書
夏に蓄えたエネルギーを冬まで使う方式は本当に非効率だ。むしろ太陽光パネルを大幅にオーバープロビジョニングして、冬の平均でも十分なエネルギーが供給されるようにするほうが経済的だ。ただし、どんより曇った日への備えとして2週間分ほどのバッテリーはあればよい。問題は、一般住宅の屋根にその大きなパネルや1MWhのバッテリーを置くスペースが足りないことだ
本当にオフグリッドが必要なら、極寒で曇りや雪の多い冬には結局化石燃料の発電機が必要になる。それ以外は普通にグリッドを使えば十分だと思う
私もカリフォルニア内陸部でオフグリッド生活をしているが、パネルは日中ずっとエアコンを動かせるほど大きい一方、冬はガス温風機の送風ファンをかろうじて回せる程度だ。5kWのパネルと24kWhのバッテリーで家（1300平方フィート）は夏の間ずっと快適に過ごせるが、冬に厚い雨雲の日が何日も続くとバッテリーが空になり、発電機で充電する。夏のうろこ雲程度なら問題ないが、冬の豪雨雲はパネル全体の性能を、200Wの冷蔵庫すら回せないほどまで落としてしまう
1MWhのバッテリーも実際にはそれほど大きくない。最近の電動トラックには600kWhのバッテリーが載っているし、それだけでも地下室の一角に十分収まる
季節単位で電気を蓄えるのは現実的には難しいが、熱なら可能だ。夏の安い電力で熱を作って玄武岩に蓄える方式が、オランダの住宅団地などですでに運用されている 関連リンク1
関連ウィキ
私もそういうやり方をした。年間6000kWh使う家を90kWpの太陽光で回している。高価なバッテリーより、大規模な太陽光パネル増設のほうがはるかに安かった（総額€90,000）。設置とインバーターは自分で施工し、AC作業だけ電気工事士を呼んだ
LFPとSodium-ionバッテリーは、まもなく5000サイクル以上の寿命保証が一般的になると期待している（すでに出ているかもしれない）。1日1回完全放電しても15年以上十分使える計算で、むしろカレンダー劣化のほうが早いかもしれない。サイクル寿命が高いほど蓄電コスト（LCOE）は下がり、こちらのほうが重要だ。長期の備えとしては、年間1〜2週間だけ動かすディーゼル発電機のような長期予備システムが理想的だと思う。V2Gと3日分のバックアップ、家庭の低消費電力非常モードまであればさらに良い。冬の負荷に合わせて太陽光を最大限大きくするのも理想的だ。バッテリーはコスト上昇要因ではないように思う
日照が極端に少ない地域でないなら、長期予備としてディーゼル発電機を用意するより、停電切替スイッチ付きの適正規模の太陽光システムのほうが良いと思う。システムを適切に構築すれば、停電中でも昼間にバッテリーを再充電しながらオフグリッドで長期間運用できる。ディーゼル発電機は毎年積み上がる維持費が重く、通常運用時には利益がまったくない。太陽光は平時でも電気料金の削減や売電収益に寄与できる。ただし、非常に暗い地域ではこの理屈には限界がある。また、家庭ごとの電力消費量の差は極端に大きく、特に冷暖房が大きな変数になる
長期予備電源としては、LNG/プロパンなどがディーゼルよりはるかに優れている。定期的に使うならCH4燃料の発電機は内部に汚れがたまりにくく、液体燃料は汚れやすいうえ古くなると使えない。ディーゼルはコストを負担できる場合にだけ使う価値がある
LFPは8000〜12000サイクル、Sodium-ionは15000〜20000程度と見込まれている。これはメーカー保証や多くの情報源で確認できる
関連記事
この記事は実際には1MWバッテリーの1年分のサイクル例をもとに結論を出している。夕方以降にも多少の放電は残るが、1MW中の数kWh程度ならごくわずかだ。純粋にサイクル寿命だけを見れば、5000サイクルなら5000年もつという話になる（容量が0.8MWに減るまで）。多くの意見が指摘するように化学的安定性は改善し続けており、今では5000サイクルは少ないほうだ
私は米国南西部のオフグリッド住宅に住んでいるが、4kWの太陽光と43kWhのバッテリーで需要の100%をまかなっている（エアコン込み）。最近ではUL認証付き43kWhバッテリーが送料・税金込みで$5,400だ。これなら大半の地域で非常に経済的だと思う。Tesla Powerwallなど一部製品の価格は法外に高いと感じる。もちろん、全体の設置にはラック、ケーブル、バスバー、ブレーカーなどの副資材が必要だが、私が言っているのはBMS込みのバッテリーボックス単体価格だ
蓄電容量に対して発電能力の比率が小さすぎる気がするが、1日の消費量が10〜15kWh程度で、極寒への備えとしてバッテリーを大きめにしたということだろうか。そういう意味で確認したい
UL認証の43kWhバッテリーを$5,400で買える供給元を知っているなら、ぜひ教えてほしいという話だ
さっき言っていたそのバッテリーがどの製品なのか気になる
送料込みで$5,400のUL認証バッテリーとのことだが、設置はDIYなのか、施工費などは別なのかと聞いている
私が見た似たようなシステムは、ここで挙げられているものより価格が2倍で容量は半分だ。どのブランドとモデルなのかとても気になる
コストだけを最適化したいなら、大きなパネルとTOU（時間帯別料金）を組み合わせると必要なバッテリーはずっと小さくて済む。私はEVを3台、12.8kWpのパネル、10kWhのバッテリーという組み合わせで、TOU（夜間7p/kWh、通常27p/kWh）の活用と季節ごとの余剰電力売電（15p/kWh）によって電気代がマイナスになっている。エネルギー生産が再生可能エネルギーにさらに偏れば条件は変わるかもしれないが、現状では想定よりずっと早く損益分岐に到達しそうだ
再生可能エネルギーの推進が中心にある地域ではないのは明らかだ。米国ではむしろ再生可能エネルギーが問題扱いされている。政権が住宅用太陽光やEVの補助金を回収するような策を近く打ち出すかもしれない。どうせ減税分の財源も埋めなければならないのだから
私もこういう計算をしようとしたが、エネルギー会社にこうしたツールがなかったので自分で 計算機 を作った
英国でこういうセットアップはかなりすごいと思う。私は節約重視で電動自転車と鉄道しか使わず、スコットランドの鉄道は風力発電も使っているので悪くないと思っていた。ところが計算してみると、電気代が基本料金よりも低いにもかかわらず、総支出ではあなたより多く払っている。鉄道運賃のほうが高いし、最近は補償のおかげで往復でも平均£100以下で済んでいるが、それでも人生の選択を見直したくなる。節約路線のほうがむしろ損なのではないかと疑ってしまう。フィードインタリフや政府補助もずいぶん前から厳しくなっており、EVのほうがずっと得だと今さら実感している
短期的には、夕方のピーク向けに5kWhのバッファバッテリーを置くだけでも十分だと思う。私も最初は完全オフグリッドに移行する前にそういう形で始めたし、電気代の70%が固定費で、余剰電力に対する補償もなかったので決心した。もし「無料のグリッド接続」のような制度が法制化されれば、明日10kWhを“預けて”将来5kWhでクレジットを受け取るような仕組みも可能だと思う。そうした制度なら太陽光発電への需要はもっと増えるはずだ
エネルギーの市場価格が最も低い時に10kWhを投入しても、ピーク時に5kWhとして認めてもらうのは難しい。実際には0.1〜1kWh程度だ。私の地域の現在のモデルでは、国家がグリッドの安定性を引き受け、その対価として固定料金と税を徴収している。余剰生産にクレジットを与えるのは、政府の立場から見れば結局は補助金と変わらない
郊外住宅が余剰電力を生み出す場合、1人あたりのグリッド維持費は距離のため非常に高くなる。あなたの方式が導入されれば、郊外住宅の所有者が集合住宅の住民負担でグリッド接続を補助される結果になる。初期の補助金政策は電力会社の視点ではなく政治的視点から出てきたもので、個人に過度な幻想を与えた。実際には電気そのものは安くても、インフラは高い。結局のところ、自家消費を最大化し、不足分だけを支払う形が妥当だ
「ネットメータリング（net metering）」またはNEM制度を調べると、すでに多くの国で実施されている
より大きなバッテリーを入れるより、冬に備えてパネルを追加設置し、それ以外の時期の余剰発電は捨てるほうがよいのではないかと思う。ただ、実際には2週間分程度の蓄電が現実的かもしれない。価格は頻繁に変わるので、その都度再計算し、システムの状況を見ながら判断すべきだ
いくつかのコメントでも触れられているように、筆者のいる英国では屋根面積そのものが足りない。私の戸建ても14枚（465Wパネル×14、東・南向き）でやっと収まり、追加5枚の施工に40%増しを要求されるなど、現実的な障壁が大きい。パネル追加は夕方ピーク需要の相殺に役立つはずだが、施工業者が仕事をしたくなくてこんな無茶な価格上乗せをしているように見える。夏には1日の発電量が100%超になる日もあり、夏の余剰分を売って冬の夜のバッテリー充電に回す構造なら、現在の料金体系（24p/kWhで売電、15p/kWhで充電）では十分元が取れそうだ。ただし、インセンティブは年々縮小する可能性が高く、今後は不利になるかもしれない
（投稿者）私の屋根もすでに両面ともいっぱいだ。パネル効率が上がったら交換するか、あるいは離れ（シェルターや物置）に追加設置する以外に手はない。冬はパネルが雪に覆われていなければ多少は発電するが、普段の消費をまかなうには効率が20倍くらいにならないと無理だ
地域にもよるが、中北部ヨーロッパでは9月から3月までパネルの実発電量はほぼゼロに近い。天気も曇りがちで日も短く、そもそも日射が地表にほとんど届かない
うちの地域も冬は雲、短い日照、低い入射角が重なって太陽光発電量はほぼゼロに近くなる。パネルをどれだけ増やしてもこの期間は乗り切れない
私はもっと北極圏寄りの地域に住んでいる。17.6kWp（南向き、44枚）の2024年実績はこうだ:
5月: 2494kWh,
6月: 2323,
7月: 1915,
8月: 1634,
9月: 1008,
10月: 442,
11月: 185,
12月: 31,
1月: 43,
2月: 335,
3月: 980,
4月: 1510
家庭用太陽光は、気候危機の責任を消費者に転嫁しようとする詐欺のように感じてしまう。大規模PV発電所のROIが小規模家庭用よりはるかに優れているのは当然に思える
大規模発電所のROIが家庭用より高いことには同意するが、住宅への分散設置には、短期間で膨大な量の太陽光を素早く普及させられる利点がある（数十万人がすぐに投資でき、用地や施工も各自で用意できる）。政府としても、用地や資金、送電インフラへの投資なしに太陽光設置が増えるので、国家全体のROIも向上する。責任の問題についても、社会の大多数が自動車など個人の選択によって温室効果ガス削減の機会を逃してきたのだから、個人が一部責任を負うのも妥当だと思う
電気料金の明細を見ると、実際の発電原価よりもグリッド費用のほうが大きい。ローカルな太陽光は広域グリッド拡張の負担を減らせるので、米国のように政治的にグリッド拡張が難しい国では特に重要だ。米国では家庭用太陽光は設置費こそ高いが（オーストラリアでは3〜5倍安い）、効果そのものは十分実証されている。家庭用太陽光は電力会社にとって構造的な脅威なので、本当のアナウンサーではなく電力業界の利益を代弁する論評が多い点も念頭に置くべきだ
家庭用太陽光は追加用地を必要とせず、新たな送電線の必要性と送電損失を減らせる。小規模であること自体の利点も大きい。ただし、バッテリーは倉庫規模で需要地の近くに集中的に設置することもできるだろう。そうすれば送電コストを最小化できる
産業用と個人用の太陽光は両方並行して進めるべきだ。ユーティリティ規模のPVのほうが商業的には安いが、分散型は極端な気候や停電時に最高のレジリエンスを提供してくれる（特にバッテリーと組み合わせた場合）。私も地域停電を何度も経験したが、このシステムのおかげで高い料金を払ってでも安心を得られた。時間がたつほど価格保険としての効果も大きい
こうした分散型発電は、誰の許可も要らない最高の革命だ。分散化の価値を過小評価してはいけない
先進国の送電網は、長いあいだ電力使用量の減少が続いたおかげで、かなり余裕がある。私が見た統計では英国のピーク需要は過去最高より30%減っている。このため、再生可能エネルギーによって電源と需要地の位置が変わっても、どうにか耐えられるだけの容量はある。もちろんV2Gが普及すれば末端側の補強は別途必要になるだろうが、思われているほど危険な状況ではない
関連リンク1
関連リンク2
ケースバイケースだ。近隣地域ではデータセンターの新規許可が止まるほど、すでにグリッドが飽和している。AIの影響で、過去数十年の効率向上による余裕がかなり相殺されつつある
今ある容量が間違った場所にある。英国では中部地域の石炭火力を閉鎖し、新しい電源も北側の洋上風力に偏っている。そのため南北軸の海底HVDC連系が進められている
私の国の一部地域では、送電網容量の制約のせいで新規の産業用受電が制限されている
関連記事
暖房と交通の電化によって、今後の電力需要は大きく増える見込みだ
「先進国のグリッドには余裕がある」と言っていたが、実際には英国や一部の脱工業化国家にしか当てはまらない。米国や他の欧州諸国では、電化とAIの影響で需要は着実に増え続けている