ハッカデイに質問してください: 家庭でエネルギーを蓄えるにはどうすればよいですか?

Nov 20, 2023

グリッドレベルのエネルギー貯蔵ソリューションに関する議論の中で、エネルギー貯蔵は単一の家や建物のレベルでも同様に実行できることを忘れがちです。 ここでの利点は、エネルギーが利用可能になるとストレージ (電気、熱など) がエネルギーを吸収し、要求に応じて放電するため、グリッド管理が必要ないことです。 これにより、問題の規模が簡素化され、関連コストが大幅に簡素化されます。

おそらく、そのようなシステムの最も一般的な例は、関連する温水貯蔵タンクを備えた太陽熱収集器、そしてもちろんバッテリーです。 最近では、家庭用蓄電ソリューションの一部としてバッテリー電気自動車（BEV、「電気自動車」）を使用するというアイデアも注目を集めており、特に嵐や同様の緊急事態により送電網接続に障害が発生した場合に当てはまります。 しかし、全体的に見て、家庭レベルのエネルギー貯蔵の選択肢はそれほど多くありません。

少し前に、現在および将来のテ​​クノロジーを含むグリッドレベルのストレージの背後にある動機について検討しました。 長期貯蔵への注目の高まりは、太陽光発電や風力タービンなど、送電網上の断続的で送電不可能なエネルギー源の量が増加していることによって推進されています。 これらは非常に変動するエネルギーレベルを生成するため、後で使用するために余剰電力を蓄えることは有用であり、おそらく不可欠です。

残念ながら、国全体のレベルでそのような量のエネルギーを貯蔵し、時間シフトするのに十分な規模のグリッドレベルの貯蔵は実現不可能であるという結論が得られています。 ここで注目すべきは、現在および将来にわたって新たに生産されるバッテリー容量の事実上すべてが BEV に投入されるということです。これは、Vehicle2Grid (V2G) のアイデアが潜在的なグリッドレベルのストレージとして提案された場所です。これについても調査し、次のことがわかりました。経済的かつ実用的な観点からそれを望んでいます。

問題の多くは、供給されるエネルギー量が大きく変動することに起因しており、送電網に断続的な電源が追加されるほど、供給と需要の間の不一致が増大します。 たとえば、グリッドに電力を供給する屋根ベースのソーラーパネルがあることがこの問題の一因となり、固定価格買取制度が削減され、さらに多くの地域で廃止されているにもかかわらず、地域に太陽がたくさんあるときは常に地域の電力サージが増加します。 これにより、公共事業者と住宅所有者の両方がコストの増加と（経済的）利益の減少に直面することになります。

もちろん、これらはすべて電力に関するものだけです。 家庭、オフィス、および産業では、暖房、温水、および産業プロセス用の蒸気なども必要です。 ここでは、地域暖房がオプションではない場合など、地域のオプションが非常に意味があると思われます。 ヒートポンプや貯湯タンクなどの既存のソリューションを使用すれば、少なくとも簡単な解決策が存在すると思われます。

後で消費するためにローカル送電網からバッテリーを充電し、貯湯タンク内の水を加熱することも可能ですが（オフピーク料金などで）、すぐに利用できるもう一つのエネルギー源は太陽です。 太陽熱温水器ソリューションの一部として屋根に太陽熱収集器を追加すると、太陽放射照度レベル (単位面積あたりの電力) に応じて費用対効果が高くなります。 ここでの有効性は主に投資回収期間によって決まり、その期間は 4 年程度から 20 年近くまでの範囲になります。

ここで重要な考慮事項は、霜防止機能が必要かどうかです。 温暖な気候では純粋に受動的で比較的安価なシステムでも問題ありませんが、冬の間に気温が 0°C を下回る場合は、対策を講じることが不可欠です。 これには、システム内の水に不凍液を追加することが含まれる場合があり、その場合には、より高価な閉ループ システムも必要になります。

太陽照射による熱に加えて、太陽からのエネルギーも太陽光発電 (PV) ソーラー パネルを使用して電気に変換できます。 現在、ほとんどの屋根設置型太陽光発電設備には現地に蓄電がなく、自家消費は考慮されておらず、生産された電力を地元の電力会社に販売するビジネスモデルが一般的です。

場所によっては、(小型) 風力タービンなどの他のエネルギー源用のスペースがある場合もありますが、他のエネルギー源 (水力など) が利用できない場合は、太陽熱収集器と PV ソーラー パネルが主なエネルギー源になる可能性があります。

前述したように、水を加熱することは太陽熱エネルギーを捕捉して貯蔵する非常に一般的な方法です。 多くの家には、すぐに使用できるように水を特定の温度に保つ貯湯タンクがあります。 主な違いは、これらのタンク内の水の加熱方法にあります。 多くの場合、鉱油や天然ガスなどの化石燃料が使用されますが、他の地域では電気 (抵抗) 加熱がより一般的です。 太陽熱収集器および/または PV ソーラーパネルが利用可能な状況で使用すると、水をこれらの熱源だけで加熱することもできます。

このシステムの利点は、エネルギーを多く消費する用途の 1 つとなる傾向にある熱水の潜在的にコスト効率の高い供給源を提供できることです。 また、バッテリーの充電に使用しないときは、太陽光発電パネルからの電力を有効に利用できます。

これは、Tesla の Powerwall や競合他社の同様の製品など、大容量バッテリー ストレージの形での他の明白なストレージ ソリューションにつながります。 最近、ブロートンら。 (2021) は、南カリフォルニアの住宅用太陽光発電顧客向けの蓄電池の経済性について詳しく説明しています。

カリフォルニアでは、現在のNEM 3.0プログラムにより、送電網向けに太陽光発電を生産する経済的インセンティブが減少しており、固定価格買取制度はここ数年低下している。 当然のことながら、NEM 2.0 プログラムによる Time-of-Use (TOU) の導入により、住宅所有者によるバッテリー ストレージの設置数はすでに大幅に増加しています。

Broughtonらによる結論。 しかし、単一の Tesla Powerwall 2 システムと太陽光発電設備を設置すると、回収期間が長すぎて経済的に意味がありませんでした。 このような蓄電池を設置することが意味があるのは、カリフォルニアでますます増えているように、送電網の電力が信頼できない場合です。

これにより、代わりに（屋根に設置された）太陽光発電設備からの電力でBEVを充電し、BEVが家に電力を供給するための非常用バッテリーとして機能できるようにエネルギーの流れを反転できる充電器を備えるべきであるという議論が成り立ちます。 。 それでも、公共事業から供給される電力が利用できる地域に住んでいる場合、家全体の蓄電池の経済性はまだ十分に確立されていないように思われます。

家庭用エネルギー貯蔵および関連分野に関する最近の研究を見ると、ここでの一般的なテーマは、エネルギーを大量に貯蔵するのは、貯湯タンク内の水を加熱する場合にのみ経済的である可能性が高いということのようです。 ここでの投資回収期間は、条件が適切であればかなり短くなり、地域の要因によっては水の抵抗加熱用に PV ソーラーパネルを追加することさえ経済的に合理的になる可能性があります。

これはバッテリー貯蔵ソリューションにも当てはまります。 BEV の主なコストはバッテリー パックによるものであることを考えると、Tesla Powerwall のような製品の価格が BEV とほぼ同じであることはそれほど驚くべきことではありません。 ここで、おそらく多数の (密閉型) 鉛蓄電池を稼働させると、数値が経済的な意味に近づくかどうかを計算することができます。

いずれにせよ、家庭用エネルギー貯蔵の話題はすぐに消えるものではありません。 たとえ自分の意図がグリッドから外れることではないとしても、選択肢を検討するきっかけとなる動機は他にもたくさんあります。 コスト削減であれ、過去数年間世界中で見られたような計画停電が発生した場合のバックアップ オプションであれ、利用可能なストレージ オプションを検討する理由はたくさんあります。 しかし、私たちはあまり思いつきませんでした。

この点に関してあなたの経験と考えは何ですか？ Hackaday コミュニティには改造愛好家が多い傾向があるため、これらの生成およびストレージ システムのいずれかを実装したことがある、または少なくともコストの状況を調べたことがある人もいることは間違いありません。 家全体に蓄電池システムや太陽光発電の給湯システムを導入している場合、それはどのように機能していますか?