空気はこのように演奏できますか？水中定圧圧縮空気エネルギー貯蔵装置が登場！

制作：中国科学普及協会

著者: 劉長春 (中国科学院工学熱物理研究所准研究員)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：科学技術の仕事の謎を解明するために、中国の最先端技術プロジェクトは「私と私の研究」と題する一連の記事を立ち上げ、科学者に独自の記事を書いて科学研究の経験を共有し、科学の世界を創造するよう呼びかけました。科学技術の最前線に立つ探検家たちと一緒に、情熱、挑戦、驚きに満ちた旅に出ましょう。

洋上再生可能エネルギー発電、特に風力発電は大規模な開発期を迎えています。国際再生可能エネルギー機関（IEA）と中国風力エネルギー協会（CWEA）によると、世界の洋上風力発電の設備容量は2023年に7.3GW増加し、合計50GW以上に達する。そのうち、中国の洋上風力発電累計設置容量は37.7GWに達し、世界第1位となった。

再生可能エネルギーは不安定で、ランダムで、予測不可能なため、住宅ユーザーの安定したエネルギー需要を満たすことは困難です。蓄電システムは、電力が余剰の場合には余剰電力を蓄え、電力が不足する場合には蓄えた電力を放出して電力不足を補います。これにより、再生可能エネルギーのスムーズな出力とユーザーのエネルギー需要の確保、発電側とユーザー側の柔軟な連携を実現できます。

洋上再生可能エネルギーの大規模な開発に伴い、洋上エネルギー貯蔵の需要が劇的に増加しました。経済的で適用可能かつ信頼性の高いオフショアエネルギー貯蔵技術をどのように開発するかは、エネルギー貯蔵の実践者が解決しなければならない最初の問題です。

圧縮空気エネルギー貯蔵技術

圧縮空気エネルギー貯蔵技術は、ガスタービン技術に基づいて開発された物理的なエネルギー貯蔵技術です。システムの原理を下図に示します。エネルギー貯蔵規模が大きく、放電時間が長く、建設・運用コストが低く、寿命が長いという特徴があります。

エネルギーを蓄える際には、余剰またはピーク以外の電気エネルギーを使用して電動モーターを回転させ、電気エネルギーを機械エネルギーに変換します。モーターによりコンプレッサー（低圧ガスを高圧ガスに昇圧する機械）を駆動し、空気を低圧状態から高圧状態に圧縮し、高圧空気をガス貯蔵装置（塩洞、人工チャンバー、ガスタンク）に貯蔵し、最終的に電気エネルギーを空気の熱エネルギーと圧力エネルギーに変換します。

エネルギーを放出する際、高圧の空気がガス貯蔵装置から放出され、燃焼室に入り、燃料とともに燃焼するか、熱交換器内の他の高温の流体によって加熱されます。高温高圧のガスがタービン（流体媒体のエネルギーを機械的な仕事に変換する機械）を回転させ、タービンが発電機を駆動して電気を発生させ、最終的に空気の内部エネルギーを電気エネルギーに変換します。

圧縮空気エネルギー貯蔵技術の概略図

（画像提供：中国科学院工程熱物理研究所）

中国科学院工程熱物理研究所は2004年以来、燃料の燃焼を必要としない高度な圧縮空気エネルギー貯蔵技術の研究を行っています。先進的な圧縮空気エネルギー貯蔵技術をkWレベルから300MWレベルに転換し、先進的な圧縮空気エネルギー貯蔵技術を理論研究から商業応用段階に推進することに成功しました。

工学熱物理研究所における圧縮空気エネルギー貯蔵技術の研究開発の歴史

（画像提供：中国科学院工程熱物理研究所）

異なるアプローチ

従来の圧縮空気エネルギー貯蔵であれ、商業化の初期段階に入った先進的な圧縮空気エネルギー貯蔵であれ、どちらも定容のガス貯蔵装置を使用し、定容圧縮空気エネルギー貯蔵です。しかし、現在の定容圧縮空気エネルギー貯蔵技術では、洋上再生可能エネルギー開発におけるエネルギー貯蔵技術の緊急の需要を満たすことは困難です。 3 つの主要なボトルネックに直面しています。

まず、海岸の特殊な地理的環境には密閉された地下塩洞窟がなく、地下に人工ガス貯蔵室を建設することは不可能であり、大規模なガス貯蔵タンクを収容するのに十分な地上スペースがないため、適切な大規模ガス貯蔵場所を見つけることは困難です。

第二に、定容ガス貯蔵が使用されます。エネルギーの貯蔵および放出プロセス中、ガス貯蔵装置の内部圧力と温度は常に変化します。タービン出力を比較的安定させるためには、スロットルバルブを通して吸入圧力を調整する必要があり、その結果エネルギー損失が大きく、効率をさらに向上させる必要があります。

第三に、ガス貯蔵装置の内部圧力の変化と調整要件により、装置はガス貯蔵タンク内の圧力と調整要件に適応するために動作状態を常に変更する必要があります。頻繁に変化する動作条件では効率が急激に低下し、再生可能エネルギー側の統合エネルギー貯蔵システムに関する適切な理論的裏付けが不足しています。

上記のボトルネックに対応するため、中国科学院工程熱物理研究所エネルギー貯蔵研究開発センターの研究者は、水中定圧圧縮空気エネルギー貯蔵技術の開発という異なるアプローチを準備しています。

水中の特定の場所の水圧は、水深に一対一で対応していることがわかっています。水深が変わらない限り、水圧も変わりません。したがって、空気貯蔵装置内の空気に水圧を伝達する方法を見つけることにより、定圧空気貯蔵および定圧空気放出を実現できます。

そのため研究者たちは、密閉型フレキシブルガス貯蔵装置と開放型剛性ガス貯蔵装置という 2 種類の水中定圧ガス貯蔵装置を開発しました。

フレキシブルガス貯蔵装置の外壁は水と接触しており、水圧はフレキシブルガス貯蔵装置を介して装置内の空気に伝達される。ガス貯蔵装置内のガス量の変化は、ガス貯蔵装置内の空間の実際のサイズにのみ影響し、圧力の変化は引き起こしません。

開放型剛性ガス貯蔵装置の底部には穴が開いており、水と直接接触します。膨張および収縮の過程で、水は穴を通ってガス貯蔵装置内に流入または排出されます。同様に、ガス貯蔵装置内のガスの容積が変化しても圧力は変化しません。

これら両ガス貯蔵装置は、排気圧力を変えずに装置内の空気を完全に放出することができ、ガス貯蔵スペースを十分に活用し、高いエネルギー貯蔵密度を有します。

エネルギー貯蔵/放出プロセス中にガス貯蔵タンク内の圧力は変化しないため、コンプレッサーとタービンの作動圧力もガス貯蔵タンクの設計圧力に応じて最適化され、常に設計点付近で動作し、システムのエネルギー損失が少なく、動作効率が高くなります。

比較研究により、定圧システムは定容システムよりも3％〜6％効率が高く、ガス貯蔵圧力が高くなるほど、定圧システムのエネルギー貯蔵密度の利点がより明らかになることがわかりました。断熱定圧システムのエネルギー貯蔵密度は、定容システムの 3 倍以上に達することがあります。

オフショアおよび陸上アプリケーションを継続的に最適化

現在の圧縮空気エネルギー貯蔵技術は沿岸の陸地資源条件によって制限されていますが、水中定圧圧縮空気エネルギー貯蔵技術は、広大な海底と水中の定温定圧環境をガス貯蔵場所として活用することができます。ガス貯蔵規模に制限はなく、大規模洋上再生可能エネルギー開発のための効率的かつ低コストのエネルギー貯蔵技術サポートを提供します。

水中定圧圧縮空気エネルギー貯蔵と洋上再生可能エネルギーの共同構築と協調計画により、不安定で制御不能な再生可能エネルギーのスムーズな出力を実現し、沿岸ユーザーに安定的かつ信頼性の高いグリーン電力供給を提供します。

この技術は、洋上再生可能エネルギー開発に使用されるだけでなく、既存の圧縮空気エネルギー貯蔵発電所のアップグレードにも使用できます。既存の圧縮空気エネルギー貯蔵発電所に地下水プールを増設し、ガス貯蔵装置の底部まで直接接続するパイプラインを敷設することで、定圧運転が可能になります。システムの定格効率は3％～6％向上すると予想され、定容ガス貯蔵によってシステムが設計された動作条件から逸脱することが回避され、発電所の運用と保守の難易度が低減され、発電所の稼働寿命が大幅に延長されます。

近年、当社は定圧圧縮空気エネルギー貯蔵技術について、最適化設計、最適化運用、実験検証の3つのレベルから研究を行ってきました。

最適化設計の面では、水中定圧圧縮空気エネルギー貯蔵に適した解析方法を確立し、エネルギー損失の原因を特定し、圧力エネルギーと熱エネルギーの相乗的かつ効率的な貯蔵の理論を明らかにし、エネルギー損失を最小限に抑える最適化方法をさらに確立しました。

最適化された操作の面では、理論分析と実験検証を組み合わせた方法により、定圧圧縮空気エネルギー貯蔵の主要なパラメータ調整特性が明らかになり、マルチパラメータ共同可変動作条件制御戦略が提案され、効率的な操作の範囲が大幅に広がりました。

実験検証面では、水中実験場所やコストの限界を打破するために、深海シミュレーション装置をベースにした定圧圧縮空気エネルギー貯蔵実験技術を提案しました。高圧水と高圧ガスを使用してフレキシブルエアバッグの外側の深海環境をシミュレートし、メガワットレベルの定圧圧縮空気エネルギー貯蔵システム実験プラットフォームを構築しました。設計されたガス貯蔵圧力は水深約700メートルに相当します。システム性能実験とテストが完了しました。 CNAS 認定を受けた第三者によるテストの結果、システム効率は国際トップレベルに達し、同規模の定容量システムよりも 6.7% 高くなりました。

同時に、エネルギー貯蔵システムと再生可能エネルギーの連携制御の実験検証も行いました。結果は、システムが良好な負荷追従性能を持ち、実験的な電力追従誤差が±5％を超えず、効率が定格効率の90％以上に維持され、発電側のエネルギー貯蔵としての定電圧システムの実現可能性を検証したことを示しました。

定圧圧縮空気エネルギー貯蔵試験プラットフォームの概略図

（画像提供：中国科学院工程熱物理研究所）

メガワットレベルの定圧圧縮空気エネルギー貯蔵実験プラットフォーム

（画像提供：中国科学院工程熱物理研究所）

結論

今後は、水中定圧圧縮空気エネルギー貯蔵の主要部品についてさらに深い研究を行い、沿岸地域の高塩霧や高湿度などの特殊環境下で主要設備が長期間安定して稼働できる能力を突破し、開放型水中定圧圧縮空気エネルギー貯蔵における圧縮空気の水への溶解問題、および閉鎖型水中定圧圧縮空気エネルギー貯蔵システムにおけるフレキシブル空気貯蔵装置の固定問題を克服し、水中圧縮空気エネルギー貯蔵技術のエンジニアリング実証を実施します。

近い将来、水中定圧圧縮空気エネルギー貯蔵技術は徐々に成熟し、産業化段階に入り、それが洋上再生可能エネルギーの発展を守り、「デュアルカーボン」目標の実現に新たな活力を注入すると信じています。

参考文献:

[1] 劉長春、徐蘇、趙殷、永生、周雪志、徐佑傑、王徐東、陳海生。風力発電側エネルギー貯蔵としての等圧圧縮空気エネルギー貯蔵の実現可能性に関する実験的研究。応用エネルギー。 2024;364:123129.

[2] 劉長春、趙殷、徐蘇、張雪輝、左志濤、永生、周雪志、王徐東、許裕傑、陳海生。メガワット等圧圧縮空気エネルギー貯蔵：放電プロセスに関する実験的研究。エネルギー議事録; 2024;47.

注: この記事の著者である Liu Changchun は、中国科学院工程熱物理研究所の准研究員です。彼は長年、圧縮空気エネルギー貯蔵と分散型エネルギー供給、マルチエネルギー結合機構と制御方法、分散型エネルギーと貯蔵計画などの主要技術の研究に従事してきました。