ハイブリッド電源

初期のハイブリッド電源システム。ガソリン/灯油エンジンが発電機を駆動し、蓄電池を充電します

ハイブリッド電力は、さまざまな技術を組み合わせて電力を生成します。

電力工学において、「ハイブリッド」という用語は、電力とエネルギー貯蔵システムを組み合わせたものを指します。[ 1 ]

ハイブリッド発電に使用される発電装置の例としては、太陽光発電、風力タービン、 ディーゼル発電機などの様々なタイプのエンジン発電機が挙げられます。 [ 2 ]

ハイブリッド発電所には、ディーゼル発電機、燃料電池、蓄電池システムなどの二次発電または蓄電システムを介してバランス調整された再生可能エネルギーコンポーネント（PVなど）が含まれることがよくあります。[ 3 ]また、用途によっては熱などの他の形態の電力も供給できます。[ 4 ] [ 5 ]

ハイブリッド発電システム

ハイブリッドシステムは、その名の通り、2つ以上の発電モードを組み合わせたもので、通常は太陽光発電（PV）や風力タービンなどの再生可能技術を使用します。ハイブリッドシステムは、発電方法を組み合わせることで高いレベルのエネルギー安全保障を提供し、多くの場合、最大の供給信頼性と安全性を確保するために、蓄電システム（バッテリー、燃料電池）または小型化石燃料発電機を組み込んでいます。[ 6 ]

再生可能エネルギー技術の進歩とそれに伴う石油製品価格の上昇により、遠隔地への電力供給を目的とした独立型発電システムとして、ハイブリッド型再生可能エネルギーシステムが普及しつつあります。ハイブリッドエネルギーシステム（またはハイブリッド電力）は、通常、2つ以上の再生可能エネルギー源を組み合わせて使用​​することで、システム効率の向上とエネルギー供給のバランス向上を実現します。[ 5 ]

種類

水力発電と太陽光発電

浮体式太陽光発電は通常、両方を一緒に建設するのではなく、既存の水力発電に追加されます。

太陽光と風力

太陽光・風力ハイブリッドシステム
太陽光発電・風力ハイブリッドエネルギーシステムのブロック図
  • 典型的な風力と太陽光のハイブリッドシステム
    典型的な風力と太陽光のハイブリッドシステム
  • クロアチア、ジリェのハイブリッド
    クロアチア、ジリェのハイブリッド
  • 小型風力・太陽光ハイブリッドシステム
    小型風力・太陽光ハイブリッドシステム

ハイブリッドエネルギーシステムのもう一つの例は、太陽光発電パネルと風力タービンを組み合わせたものです。[ 7 ]これにより、冬季には風力タービンからより多くの電力が供給され、夏季には太陽光パネルがピーク出力を発揮します。ハイブリッドエネルギーシステムは、風力、太陽光、地熱、またはトリジェネレーションをそれぞれ単独で使用するよりも、経済的にも環境的にも大きな利益をもたらすことがよくあります。[ 8 ]

中国山東省威海市の照明塔に設置された水平軸風力タービンと太陽光パネル

風力発電と太陽光発電システムの併用は、多くの場所で、資源の逆相関性により、よりスムーズでクリーンな電力出力をもたらします。したがって、風力発電と太陽光発電システムの併用は、大規模な電力系統統合にとって不可欠です。[ 9 ]

2019年、ミネソタ州西部に500万ドルのハイブリッドシステムが設置されました。このシステムは、2MWの風力タービンのインバータを介して500kWの太陽光発電を駆動し、設備利用率を向上させ、年間15万ドルのコスト削減を実現しました。購入契約により、地元の販売業者は自家発電を最大5%に制限されています。[ 10 ] [ 11 ]

既存の風力タービンに太陽光パネルを設置する試験が行われたが、眩しい光線を発し、航空機に危険を及ぼした。解決策として、光の反射を抑える着色太陽光パネルを製造することが提案された。また、垂直軸型風力タービンに太陽電池をコーティングし、あらゆる角度から太陽光を吸収できるようにするという設計も提案された。[ 12 ]

その他の太陽光ハイブリッドシステムには、太陽光・風力発電システムがあります。風力発電と太陽光を組み合わせることで、それぞれのシステムのピーク稼働時間が日中や年間を通して異なる時間帯に発生するため、2つのエネルギー源が互いに補完し合うという利点があります。このようなハイブリッドシステムの発電量は、2つの構成サブシステムそれぞれよりも安定しており、変動も少なくなります。[ 13 ]

水力と風力

風力発電システムは、風力タービンと揚水発電を組み合わせて電力を生成します。この組み合わせは長年議論されてきました。 1970年代後半には、ノバスコシア・パワー社がレックコーブ水力発電所に風力タービンもテストする実験プラントを設置しましたが、10年以内に廃止されました。それ以来、2010年末現在、他のシステムは単一の場所には設置されていません。[ 14 ]

風力発電発電所は、風力発電資源のすべて、または大部分を揚水池への揚水に充てています。これらの揚水池は、系統電力貯蔵の実現例です。

風力とその発電能力は本質的に変動しやすい。しかし、このエネルギー源を利用して高所の貯水池に水を汲み上げる場合（揚水発電の原理）、水の位置エネルギーは比較的安定しており、必要に応じて水力発電所に放出することで発電に利用することができる。[ 15 ]この組み合わせは、大規模な電力網に接続されていない島嶼に特に適していると言われている。[ 14 ]

1980年代には、オランダで施設の建設が提案された。[ 16 ]アイセル湖を貯水池として利用し、その堤防に風力タービンを設置する予定だった。[ 17 ]ラメア島（ニューファンドランド・ラブラドール州）とローワー・ブルル・インディアン居留地（サウスダコタ州）での設置に関する実現可能性調査が実施された。[ 18 ] [ 19 ]

ギリシャのイカリア島での施設は2010年に建設段階に入っていた。[ 14 ]

エル・イエロ島では、世界初の風力水力発電所が完成すると予想されています。[ 20 ] Current TVはこれを「地球上の持続可能な未来の青写真」と呼びました。この発電所は島の電力の80～100%を賄うように設計されており、2012年に稼働開始予定でした。[ 21 ]しかし、これらの期待は実際には実現しませんでした。おそらく、貯水池容量の不足と送電網の安定性に関する継続的な問題が原因です。[ 22 ]

100％再生可能エネルギーシステムには、風力発電や太陽光発電の過剰容量が必要である。[ 23 ]

太陽光発電と太陽熱

太陽光発電は日中に安価な断続的な電力を生成しますが、24時間電力を供給するには持続可能な発電源のサポートが必要です。蓄熱式太陽熱発電所は、クリーンで持続可能な発電システムであり、24時間電力を供給します。[ 24 ] [ 25 ]太陽熱発電所は負荷需要に完全に対応でき、抽出された太陽エネルギーが1日で余剰になった場合はベースロード発電所として機能します。[ 26 ]太陽熱（蓄熱式）と太陽光発電を適切に組み合わせることで、高価なバッテリーストレージを必要とせずに負荷変動に完全に対応できます。[ 27 ] [ 28 ]

日中、太陽熱貯蔵発電所の追加の補助電力消費は、太陽エネルギーを熱エネルギーの形で抽出するプロセスで、定格容量の約10％になります。[ 26 ]この補助電力要件は、太陽熱発電所と太陽光発電所を組み合わせたハイブリッド太陽光発電所を敷地内に想定することで、より安価な太陽光発電所から利用できるようになります。また、電力コストを最適化するために、日中はより安価な太陽光発電所（発電量の33％）で発電し、残りの時間は太陽熱貯蔵プラント（太陽光発電タワーとパラボリックトラフ型で67％の発電）で24時間ベースロード運転に対応できます。[ 29 ]モンスーンシーズンの曇りの日などに局所的に日照不足で太陽熱貯蔵プラントが停止せざるを得なくなった場合、（効率は劣るが大容量で低コストのバッテリー貯蔵システムと同様に）太陽光発電、風力発電、水力発電プラントからの安価な余剰電力や弱電を、高温の溶融塩を加熱して蓄えた熱エネルギーを電力に変換し、電力需要のピーク時に売電価格が採算が取れる時間帯に消費することも可能となる。[ 30 ] [ 31 ]

太陽光発電、バッテリー、グリッド

家庭環境で使用されるインテリジェントハイブリッドインバータのシステム図

太陽光発電の出力は変動するため、蓄電池で調整することができます。しかし、日中の発電量には大きな変動があり、また多くの地域では季節によっても変動します。蓄電池は、電力と負荷のマッチングに役立ちます。さらに、ハイブリッド型太陽光発電インバータは、低料金で利用できる低コストの電力を蓄電することもできます。[ 32 ]

2024年には、米国には7.8GWの電力と24.2GWhのエネルギーを蓄える容量を持つ288の太陽光発電所とバッテリー発電所が存在する。[ 33 ]

風力水素システム

風力エネルギーを貯蔵する方法の一つは、水の電気分解による水素製造です。この水素は、風力発電だけでは需要を満たせない時期に発電に利用されます。貯蔵された水素のエネルギーは、燃料電池技術、または発電機に接続された内燃機関によって電力に変換できます。

水素をうまく貯蔵するには、電力システムに使用される材料の 脆化など、克服しなければならない多くの問題があります。

この技術は多くの国で開発されています。2007年には、以下の技術試験場が設けられました。

コミュニティ 国 風力 MW
ニューファンドランド・ラブラドール州ラメア[ 34 ]カナダ、ニューファンドランド0.3
プリンスエドワード島風力水素村[ 35 ]カナダ、プリンスエドワード島0.125
ロラン島[ 36 ]デンマーク
マイノット[ 37 ]ノースダコタ州、アメリカ合衆国
コルエル・カイケ[ 38 ]アルゼンチン、サンタクルス
レディモア再生可能エネルギープロジェクト（LREP）[ 39 ]スコットランド
ハンターストン水素プロジェクト スコットランド
RES2H2 [ 40 ]ギリシャ0.50
アンスト[ 41 ]スコットランド 0.03
ウトシラ[ 42 ]ノルウェー 0.60

風力とディーゼル

風力・ディーゼルハイブリッド発電システムは、ディーゼル発電機と風力タービンを組み合わせ、[ 43 ]通常、エネルギー貯蔵、電力変換器、およびさまざまな制御コンポーネントなどの補助機器とともに電力を生成します。これらは、電力網に接続されていない遠隔地のコミュニティや施設における発電容量を増加させ、発電コストと環境への影響を削減するように設計されています。[ 43 ]風力・ディーゼルハイブリッドシステムは、汚染を引き起こし、輸送コストのかかるディーゼル燃料への依存を軽減します。[ 43 ]

最近、カナダ北部では、鉱業によって風力・ディーゼルハイブリッド発電システムが建設されました。カナダのノースウェスト準州のラック・ド・グラスと、ヌナヴィクのウンガヴァ半島カティニクといった遠隔地では、鉱山の燃料節約のために2つのシステムが稼働しています。アルゼンチンにも別のシステムがあります。[ 44 ]

複合サイクル水素発電所

2022年の2週間におけるドイツにおける再生可能エネルギーと従来型エネルギーの生産量。風力発電と太陽光発電の発電量が少ない時間帯には、石炭火力と天然ガス火力がその不足分を補う。原子力発電とバイオマス発電は柔軟性をほとんど示さない。太陽光発電は日中の消費量の増加に追随するが、季節によって変動する。

風力と太陽光発電は変動性のある再生可能エネルギー源であり、ベースロードエネルギーほど安定していません。複合サイクル水素発電所は、再生可能エネルギーが過剰に生産した場合に電気分解で余剰エネルギーを捕捉し、生産量が不足しているときにそのギャップを埋めることで、再生可能エネルギーを支援することができます。[ 45 ]

その他のハイブリッド電力システム

圧縮空気エネルギー貯蔵（CAES）を採用した発電所では、電気エネルギーを用いて空気を圧縮し、洞窟や廃鉱山などの地下施設に貯蔵する。電力需要が高まる時期には、空気を放出してタービンを駆動するが、通常は天然ガスを補助的に使用する。[ 46 ] CAESを多用する発電所は、アラバマ州マッキントッシュ、ドイツ、そして日本で稼働している。[ 47 ]システムの欠点としては、CAESプロセスにおけるエネルギー損失が挙げられ、また、天然ガスなどの化石燃料を補助的に使用する必要があるため、これらのシステムでは再生可能エネルギーを完全に活用できない。[ 48 ]

アイオワ貯蔵エネルギーパークは2015年に商業運転を開始する予定で、CAESと連携してアイオワ州の風力発電所をエネルギー源として利用します。 [ 49 ]

太陽光と地熱を組み合わせることも可能である。[ 50 ]

太陽光とディーゼル

一般的なタイプは、太陽光発電（PV）とディーゼル発電機（ディーゼル発電機） を組み合わせた太陽光発電ディーゼルハイブリッドシステムです。 [ 51 ] [ 52 ]これは、PV（太陽光発電）は限界費用がほとんどなく、系統で優先的に扱われるためです。ディーゼル発電機は、現在の負荷とPVシステムによる実際の発電量との間のギャップを常に埋めるために使用されます。[ 53 ]

太陽エネルギーは変動しており、ディーゼル発電機の発電能力は一定の範囲に限られているため、ハイブリッドシステム全体の発電に対する太陽エネルギーの貢献を最適化するために、バッテリーストレージを組み込むことが実行可能な選択肢となることがよくあります。 [ 53 ] [ 54 ]

太陽光や風力エネルギーによるディーゼル燃料削減のビジネスケースとして最適なのは、通常、遠隔地です。なぜなら、これらの場所は電力網に接続されていないことが多く、ディーゼル燃料の長距離輸送には費用がかかるからです。[ 55 ]これらの用途の多くは、鉱業分野、[ 56 ]山岳地帯での無線・データ通信システム、島嶼部で見られます。 [ 53 ] [ 57 ] [ 58 ]

ディーゼル発電機は、太陽光発電ストリングがバッテリーに充電を供給しない夜間に始動することがほとんどです。アルプス地方では、ディーゼルエンジンは低温下での始動と負荷負荷に弱いため、始動不良が頻繁に発生します。ディーゼルエンジンは通常、スタンバイ状態では電気的に予熱されます。しかし、太陽光・ディーゼルハイブリッド発電システムでは、予熱器がバッテリーシステムの電力を過度に消費するため、電気予熱器は使用できません。

2015年に7カ国で実施されたケーススタディでは、ミニグリッドと独立型グリッドをハイブリッド化することで、いずれの場合も発電コストを削減できるという結論が出ました。しかし、ディーゼル発電網と太陽光発電システムの資金調達コストは極めて重要であり、発電所の所有構造に大きく依存します。国営電力会社にとってはコスト削減効果は大きいものの、調査時点での過去のコストを考慮すると、独立系発電事業者などの非公営電力会社にとっては短期的な経済効果はわずか、あるいはマイナスにしかならないことが明らかになりました。[ 59 ] [ 60 ]

2つ以上のエネルギー源

風力と太陽光に加えて波力も可能かもしれない。[ 61 ]

参照

参考文献

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