リチウムイオン電池では洋上風力発電を黒字化できない

リチウムイオン電池技術は現在、先進的なエネルギー貯蔵市場を支配している。この分野は、世界のエネルギーシステムの脱炭素化を支援するために、可変再生可能エネルギーの生成と信頼性への関心が高まっているため、ますます重要性が増している。

しかし、マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究者によると、風力タービンと電池のシステムによる収益を算定するための現行の数理モデルは、収益を35%過大評価している可能性がある。これは現存する電池技術では、洋上風力発電に一定の経済性を付与するのが難しいことを示唆している。

MITエネルギー・イニシアティブ（MITEI）の研究員Apurba Saktiらは、現在のモデルは、劣化や電池の寿命を考慮していないことが多く、それらは実際には蓄電システムのコストや付加価値に直接影響を与えている、と主張している。

このギャップに対処するため、SaktiはMITの情報・意思決定システム研究所（LIDS）の研究者と共同で、電池の劣化をより詳細に表現した6つの数学的表現を調査し、電池エネルギー貯蔵システム（BESS）（この場合はリチウムイオン電池）と洋上風力発電所のペアリングから得られるエネルギーと容量市場の収益を評価した。

この研究成果は、主著者であるSakti、共著者のMIT LIDSのポスドク・アソシエイトであるMehdi Jafari、MIT LIDSの主任研究員でアルゴンヌ国立研究所の共同研究員であるAudun Botterudが、2020年10月に『Applied Energy』誌に発表した。

研究者らはまず、現在主流となっているモデリング手法を分析した。この手法は，往復効率や定格電力容量などの電池性能の要素を固定的に仮定しており、電池の容量フェード（または電池が保持できる充電量の減少）による劣化を無視している。そこで研究者らは、この容量劣化を考慮することで、電池が物理的な空間で実際にどのように動作するかをよりよく反映し、充電状態と放電電力の関数としての効率による電力制限を考慮した5つの拡張モデルを開発し、評価した。彼らの調査により、電池の潜在的な価値は電池のサイクルや放電の仕方に直接結びついていることが明らかになった。

5つの先進モデルを比較した結果、研究者らは、ケーススタディであるニューヨークの洋上風力発電所を評価するには、「SUM」アプローチが最適であると判断した。このモデルの重要な特徴は、サイクル（電池の充放電に起因する）とカレンダーエージング（使用に関係なく時間の関数として発生する）によって引き起こされる電池セルの容量を考慮していることだ。このアプローチでは、収益が容量低下のコストをカバーしている場合にのみ、所定のバッテリーがサイクルする。

研究者らは、2010年から2013年のニューヨークの価格と風況データを用いたSUMモデルを用いて、4つの蓄電システムと洋上風力発電システムの設計（BESSなしの洋上風力発電、陸上に設置されたBESS、洋上に設置されたBESS、陸上と洋上の両方に設置された BESS を利用するハイブリッドシステム）を評価し、バッテリーシステムの設置場所が全体的な収益性に与える影響を評価した。風の抑制、送電網、BESSの設計などの他の決定要因を取り入れた結果、電池システムを陸上に配置し、充電状態のウィンドウ内で完全に稼働させることで、最も高い収益性が得られ、劣化に関連するコストの一部を補うことができることがわかった。

「エネルギー貯蔵は、電力網における再生可能エネルギーの大規模な拡大のための重要なイネーブラーとして頻繁に認識されている。しかし、電池は電力システムの中ではまだ新しい資産の種類であり、電池をどのように最適に利用するかについては多くの疑問がある」と共著者らは記述している。「電力システムの最適化モデルにおける電池の表現を改善することで、脱炭素化エネルギーシステムに向けた効率的な経路をより現実的に評価することが可能になる」

現在採用されている電池の付加価値を評価するためのモデルを使用した場合、電池の収益が大幅に過大評価される可能性があることが、Saktiらの分析で明らかになった。電池効率の変化を考慮した高度なモデルを用いて、Saktiらは、テストケースのエネルギー市場および容量市場における電池の収益は電池の投資コストを回収できるほど大きくないことを実証した。蓄電の付加価値は、風力エネルギー1MWhあたり2ドルから4.5ドルまで様々であり、電池システムの損益分岐点となるコストは1キロワット時あたり50ドルから115ドルとなった。

「単純なBESSモデルを採用すると、バッテリーの総収入推定値に35%の誤差が生じることがわかった。強化されたバッテリーモデルを使用することで，純収益をより正確に見積もることができる。この分析では，収益の可能性を正確に推定し、運用および計画の決定を改善するために、資産所有者が詳細で洗練されたBESSモデルを使用することの重要性が強調されている」とSaktiらは結論づけている。「全体的に見て、BESSは依然として高額な投資オプションであることが明らかになった。陸上蓄電池の場合、4 年間の平均損益分岐点価格は、kWh あたり84 ドル（kWh あたり 70～115 ドルの変動あり）であり、これは現在のBESSのコストを大きく下回っていることがわかった」。

現在、複数の研究が、エネルギー貯蔵システムの有無にかかわらず、洋上風力の経済性を調査している。ローレンス・バークレー国立研究所のリサーチサイエンティストのAndrew Millsらの研究（2018）は、過去のデータを用いて米国における洋上風力の収益性を研究するためのモデルを開発し、収益性は場所によって大きく異なると結論付けている。

国立再生可能エネルギー研究所のエネルギー市場・エネルギー政策アナリストのBeiterらは，マサチューセッツ州の電力会社とVineyard Wind LLCとの間の電力売買契約（PPA）データを用いて、米国北東部のプロジェクトのエネルギー平準化コスト（LCOE）と洋上風力のエネルギー平準化収益（LROE）の両方を計算し、比較している。彼らは、米国北東部の洋上風力プロジェクトのLCOE推定値120～160 ドル/MWh が、米国におけるVineyard Windの電力売買契約（PPA）を用いて計算されたLROEの98ドル/MWhを上回っていることを発見した。Beiterらは、完全な競争市場では等しくなると予想されるLCOEとLROEの乖離は、米国の新興市場が欧州のコスト削減の恩恵を受けていることなど、様々な要因によるものではないかと仮説を立てている。

参考文献

1. Mehdi Jafari, Audun Botterud, Apurba Sakti,Estimating revenues from offshore wind-storage systems: The importance of advanced battery models, Applied Energy, Volume 276, 2020, 115417, ISSN 0306-2619, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.115417.
2. Philipp Beiter, Wesley J. Cole, Daniel C. Steinberg,Modeling the value of integrated U.S. and Canadian power sector expansion, The Electricity Journal, Volume 30, Issue 2, 2017, Pages 47-59, ISSN 1040-6190, https://doi.org/10.1016/j.tej.2017.01.011.

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