太陽光発電システムを独自のバックアップシステムにする
Turning a solar power system into its own backup (arstechnica.com)
要約
247Solar社は、従来の集光型太陽熱発電システムに、化石燃料によるバックアップ機能を統合する革新的なアプローチを提案しています。このシステムは、太陽熱で加熱した空気をタービンに供給するだけでなく、必要に応じて化石燃料を燃焼させて同じ熱交換器に供給することで、天候や時間帯に左右されない安定した電力供給を目指します。モジュール設計により拡張性も確保されており、特に電力インフラが未整備な遠隔地の鉱山などで活用が期待されています。
全文翻訳
太陽光発電システムを独自のバックアップシステムにする
熱交換器
プラント設計により、蓄熱された太陽熱または燃焼のいずれかで稼働可能。
同社はモジュラー設計を計画しており、追加モジュールで容量を増やすことができる。Credit: 247Solar
光子を直接電気に変換するのではなく、集光型太陽エネルギーは鏡を使って太陽光を熱に変換し、その熱で従来の発電タービンを駆動します。約10年前までは、集光型太陽エネルギーには明るい未来があると言われていました。熱貯蔵の改善により、24時間発電が可能になったからです。
しかし、それは実現しませんでした。集光型太陽エネルギーのコストは原子力発電と競合できるほど低下しましたが、フォトボルタイクス（PV）の価格が急落し、多くの場所で太陽光パネルが最も安価な電力源となりました。現在、太陽光発電に適した場所があれば、PVパネルの経済性は非常に魅力的です。
そのため、夜間や天候による供給不足に対応するために、バッテリーや天然ガス施設といった他の設備を組み合わせる必要が生じています。しかし、ある小規模な企業が、別個の設備を建設する必要をなくすことができると約束しています。同社の集光型太陽エネルギーは、化石燃料バックアップシステムが発電ハードウェアの大部分を太陽光側と共有するように設計されています。
未来への回帰か？
太陽熱発電とも呼ばれる集光型太陽エネルギーは、原理的には非常にシンプルです。敷地の大部分はヘリオスタット（鏡とモーター駆動の追尾システムを備え、太陽の動きに合わせて焦点を一点に合わせ続ける装置）で覆われています。その焦点はタワーの中にあり、太陽光が作動流体を加熱します。この熱い流体は、従来の蒸気タービンを駆動するために使用されるか、貯蔵されて夜間に発電するために使用されます。
しかし、さまざまなバリエーションが存在します。作動流体や熱貯蔵方法の違い、タワーを不要にするトラフ型鏡などです。これらのバリエーションはすべて、太陽熱発電に固有の問題、つまり多くの可動部品や腐食性の可能性のある流体などを軽減することを目的としています。これらの問題と標準化の欠如により、これらのプラントのコストはフォトボルタイクスに追いついていません。
夜間に再生可能エネルギーを生成するインセンティブがないため、集光型太陽エネルギーが競争する余地はありませんでした。新規プラントの建設はほぼ停止しており、一部の情報源は経済性の追跡を完全にやめています。
そのため、インドが米国を拠点とするスタートアップ247Solarと小規模な集光型太陽熱発電プラントの建設・運営契約を結んだと聞いたのは少し驚きでした。このプラントは非常に小規模（1メガワット）で、フォトボルタイクスも組み合わされますが、同社にはユニークなアプローチがありました。太陽熱出力に対応するのと同じハードウェアを、再生可能エネルギー生成が大幅に不足した場合に化石燃料で稼働させることができるのです。
「当社のシステムはそれ自体がバックアップとなる」と247SolarのMark von Keszycki氏は述べています。「太陽資源が少ない時期、例えば長期間の悪天候など、あらゆる状況で、さまざまな燃料を燃焼させることができます。」
この仕組みを理解するには、まず247Solarチームが他の太陽熱システムが直面した問題をどのように回避し、システムの利用方法に大きな柔軟性を提供しようとしているかの詳細を含め、構築されているシステム全体を理解する必要があります。
熱い空気
他の集光型太陽熱システムと同様に、247Solarのシステムもヘリオスタットのフィールドを使用します。しかし、太陽光を集めるレシーバー（ハードウェア）は、常圧空気を使用する点で独特です（これはドイツの企業が開発したハードウェアの改良版です）。このハードウェアから約970°Cの空気が排出されます。この空気は、産業プロセス用の熱として直接使用されるか、発電を行うハードウェアに送られます。しかし、ほとんどの場合、熱貯蔵に送られます。
溶融塩や相変化を扱う代わりに、247Solarはゴルフボール大のセラミックペレットを加熱します。貯蔵構成の詳細によりますが、von Keszycki氏によると、貯蔵からの熱は、日没後9〜20時間発電に使用できるとのことです。日中に発電のために熱の一部が使用される場合、時間は当然短くなりますが、247Solarは日中の発電のためにPV設備とシステムを組み合わせる予定です。
熱い空気がどこから来ても、熱交換器に送られます。これは、圧縮空気を加熱して発電を駆動するために、従来のタービンの燃焼ユニットのドロップイン交換品として設計されています。「熱交換器は、燃焼器が行っていたのと同じ仕事をする」と247SolarのBruce Anderson氏はArsに語りました。「タービンアセンブリ内の燃焼器と同じ位置、つまり圧縮ステージの後、エキスパンダーの前にあります。」最初の設置では200kWの発電機2台がペアになります。熱交換器を除けば、すべて既製の標準パッケージの一部です。
ここにシステムの柔軟性が現れます。熱交換器内の空気がどのように加熱されるかは問題ではありません。したがって、さまざまな燃料を使用して同等の熱を供給できます。von Keszycki氏は、化石燃料を燃焼させる機能を追加しても、総コストの10％未満しかかからないと示唆しています。
熱交換器から排出される空気は、依然として約250°Cとかなりの高温であり、von Keszycki氏はこれを「独立した利用可能なリソース」と呼び、産業プロセスや吸収冷凍など、さまざまな用途に供給できるとしています。再び、中間温度が必要な場合は、貯蔵媒体から直接来る熱い空気と混合される可能性がありますが、その場合は発電コストがかかります。
スケールアップ
最初の設置は200kWの発電機2台からなる小規模なもので、主にシステムのエンジニアリングを検証するものとなります。Anderson氏は、最大の懸念は「未知の未知」であると述べています。しかし、システムはモジュール式に設計されており、同社はすでに複数のレシーバーと熱貯蔵を備えた単一のタワーを共有する複数のユニットを組み合わせた3メガワットの施設のエンジニアリングを進めています。
この設置により、同社はシステムが実際に経済的にどのように機能するかを把握できるようになります。典型的なグリッドでは、24時間再生可能エネルギーを供給するためのインセンティブはほとんどありません。太陽光発電所をバックアップするために十分な発電量を確保するためのコストは、しばしば他の関係者によって吸収されます。専用の施設を建設することなく化石燃料ベースのバックアップ電力を生成できる能力は、確かに誰かの費用を節約できますが、市場は常にその節約を引き出しやすいように設定されているわけではありません。
そのため、247Solarが他の市場を視野に入れているのも不思議ではありません。特に、ディーゼル燃料を輸送する必要があり、しばしば多大な費用がかかる遠隔地の鉱山サイトに注目しています。247Solarシステムは、その費用を回避しつつ、一部の鉱石処理に役立つプロセス熱を提供する可能性があります。また、排出ガスなしで鉱山操業を電力供給することは、サプライチェーンの炭素排出量を説明する必要がある企業にとって好都合でしょう。
それでも、この種の施設がグリッド上に存在する余地があるかもしれません。もし、専用の化石燃料プラントの必要性をうまく回避できれば、それらは夜間の一部の時間帯しか稼働しません。価格とインセンティブが一致すればの話ですが。
JohnはArs Technicaの科学エディターです。コロンビア大学で生化学の学士号、カリフォルニア大学バークレー校で分子細胞生物学の博士号を取得しています。キーボードから離れているときは、自転車に乗ったり、ハイキングブーツを履いて自然を満喫できる場所を探したりする傾向があります。