パワー・トゥ・X

セクター統合による変革

Power-to-X（P2X 、 P2Yとも呼ばれる）は、余剰の再生可能エネルギーからの電力変換、エネルギー貯蔵、および再変換の経路です。[ 1 ] [ 2 ]電力セクターを他のエネルギーセクターにリンクすることにより、Power-to-X変換技術は、セクターカップリングと完全に統合されたスマートエネルギーシステムの概念に基づいて、エネルギー全体にわたる相乗効果を活用する可能性を提供します。 [ 3 ]

用語中のXは、以下のいずれかを指します：パワー・トゥ・アンモニア、パワー・トゥ・ケミカル、パワー・トゥ・フューエル、[ 4 ]パワー・トゥ・ガス（パワー・トゥ・水素、パワー・トゥ・メタン）、パワー・トゥ・リキッド（合成燃料、特にカーボンニュートラル燃料）、パワー・トゥ・フード、[ 5 ]パワー・トゥ・ヒート。電気自動車の充電、暖房・冷房、給湯は、発電に合わせて時間を調整することができ、これらはパワー・トゥ・モビリティやパワー・トゥ・ヒートと呼ばれる需要応答の形態です。

余剰電力を活用するPower-to-Xスキームは、総じて柔軟性対策の範疇に含まれ、再生可能エネルギー発電の割合が高い、または脱炭素化目標が明確なエネルギーシステムにおいて特に有用です。[ 1 ] [ 2 ]この用語には、多数の経路と技術が含まれます。2016年、ドイツ政府は Power-to-Xの選択肢に関する第一段階の研究プロジェクトに3,000万ユーロの資金を提供しました。[ 6 ]

電力から燃料へ

余剰電力はガス燃料エネルギーに変換して貯蔵・再変換することができる。[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]水の 直流電気分解（効率は最高80～85%）を使用して水素を生成することができ、生成された水素はメタネーションによってメタン（CH4 ）に変換することができる。[ 7 ] [ 11 ]もう1つの可能性は、水素をCO2と一緒にメタノールに変換することである。 [ 12 ]これらの燃料は両方とも貯蔵することができ、数時間から数ヶ月後に再び発電に使用することができる。

電力の貯蔵と燃料への再変換

水素とメタンは、下流の燃料として使用したり、天然ガスグリッドに供給したり、合成燃料の製造に使用したりできます。[ 13 ] [ 14 ]また、アンモニア（NH3 ）と同様に、化学原料として使用することもできます。

再変換技術には、ガスタービン、複合サイクルプラント、レシプロエンジン、燃料電池などがあります。Power-to-Power とは、往復の再変換効率のことです。[ 7 ]水素貯蔵の場合、往復効率は 35～50% に制限されています。[ 2 ]電気分解は高価であり、Power-to-Gas プロセスが経済的であるためには、かなりの全負荷時間が必要です。[ 1 ] ただし、Power-to-Power の往復変換効率はバッテリーよりも低く、電気分解は高価になる可能性がありますが、燃料自体の貯蔵は非常に安価です。つまり、Power-to-Power を使用すると、大量のエネルギーを長期間貯蔵できるため、季節による貯蔵に最適です。多くの地域では、太陽光、風力、流れ込み式水力発電の季節変動が大きいため、これは変動性の高い再生可能エネルギーの普及率が高いシステムに特に役立ちます。

電池

バッテリーストレージも基本的には電解化学反応に基づいていますが、通常は電力から燃料に変換するコンセプトとはみなされません。

電力熱変換

電力熱変換システムの目的は、再生可能エネルギー源によって発電された余剰電力を、本来は廃棄されるはずの電力として有効活用することです。状況に応じて、電力熱変換システムは熱として蓄熱することも、必要に応じて熱として供給することもできます。[ 15 ]

暖房システム

夜間蓄熱暖房などの単純な電気暖房システムでは暖房需要をすべて賄うのに対し、パワー・ツー・ヒートシステムは、木材や天然ガスなどの化学燃料を使用する従来の暖房システムも備えたハイブリッドシステムです。[ 16 ] : 124 余剰エネルギーがある場合は電気エネルギーで熱を生産し、そうでない場合は従来の暖房システムを使用します。柔軟性を高めるために、パワー・ツー・ヒートシステムは蓄熱装置と組み合わせられることがよくあります。電力供給は主に地域暖房ネットワークで行われます。パワー・ツー・ヒートシステムは、建物や産業システムに熱を供給することもできます。[ 17 ]

Power-to-heatは、抵抗加熱またはヒートポンプを介して熱部門に貢献するものである。抵抗加熱器の効率は1であり、ヒートポンプの対応する性能係数（COP）は2～5である。 [ 7 ]家庭用給湯器と地域暖房の両方のバックアップ浸漬加熱は、余剰の再生可能エネルギーを安価に利用する方法であり、多くの場合、この目的で炭素集約型化石燃料を置き換えることになる。 [ 1 ]熱エネルギー貯蔵を備えた地域暖房システムの大規模ヒートポンプは、Power-to-heatにとって特に魅力的な選択肢である。風力と太陽光発電の余剰電力をバランスさせるのに非常に高い効率を提供し、収益性の高い投資となり得る。[ 18 ] [ 19 ]

蓄熱システム

その他の形態のパワー・トゥ・X

パワー・トゥ・モビリティとは、バッテリー式電気自動車（BEV）の充電を指します。EVの普及が見込まれることから、専用の配車サービスが必要になります。車両はほとんどの時間アイドル状態にあるため、充電時間をずらすことでかなりの柔軟性が得られます。充電時間は8～12 時間と比較的長く、充電時間は約90 分です。[ 2 ] EVのバッテリーは電力系統に放電して蓄電装置として使用することもできますが、バッテリーの消耗が増加する可能性があります。[ 2 ] [ 20 ]

インパクト

セクターカップリングの概念によれば、エネルギーを使用するすべてのセクターを相互接続するには、需要と供給を同期させるために多数のプロセスのデジタル化と自動化が必要になります。[ 21 ]

2023年の研究では、日本の再生可能エネルギー利用率の高い将来のエネルギーシステムにおいて、Power-to-X（P2X）が果たす役割について検討しました。検討対象となったP2X技術には、水電解、メタネーション、フィッシャー・トロプシュ合成、ハーバー・ボッシュ合成が含まれ、この研究では線形計画法を用いて最小コストのシステム構成と運用を決定しました。結果は、これらの様々なP2X技術が電力負荷を効果的にシフトし、出力抑制を80%以上削減できることを示しました。[ 22 ]

参照

参考文献

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