炭鉱を巨大な環境に優しい電池に変える方法

断続的な風力と太陽光が主流の将来の低炭素電力網では、エネルギーが豊富なときに貯蔵し、エネルギーが不足しているときに電力網に送り返す技術が必要になります。 リチウムイオン電池と揚水発電は現在、このエネルギー貯蔵事業の矢面に立たされており、将来的には水素燃料電池と並んで主流になると予想されています。 国際的な科学者チームは最近、古い鉱山の再利用を含む別の革新的でリソース豊富なソリューション、地下重力エネルギー貯蔵庫 (UGES) を提案しました。 彼らはこのアイデアの概要を『エネルギー』誌に発表しました。

UGES では、中央のケーブルに取り付けられたコンテナに保管されている大量の砂を地下深くの立坑に降ろします。 砂が徐々に下降すると、取り付けられたケーブルがローターを回転させ、さまざまな発電機に電力を供給し、電気を発生させます。 送電網に再生可能電力が余っている場合は、このプロセスを逆にしてエネルギーを貯蔵することができます。 砂は装置の上部まで持ち上げられ、地上の山に積み上げられます。

UGES が、さまざまなスタートアップ企業が提供する他の重力エネルギー貯蔵ソリューションと異なる点は、その立地です。 研究者らは、数多くある廃坑にUGESを設置することを提案している。

「そのうち少なくとも5万個がオーストラリアに存在すると推定されており、米国では55万個以上が発見されており、その中には重大な環境リスクをもたらす10万個以上が含まれており、カナダには1万個以上が存在することが知られている」と著者らは書いている。

彼らは、UGES の世界的なエネルギー貯蔵の可能性を 7 ～ 70 テラワット時 (1 テラワット = 1,000 ギガワット) と推定しています。 これは、電気自動車のバッテリー 8,750 万個から 8 億 7,500 万個に蓄えられるエネルギーに相当します。 2021 年末時点で、世界中でわずか 56 ギガワット時のエネルギー貯蔵がオンラインでした。

UGES の出力、つまり送電網に瞬時に供給できる電力は、主に地下坑道の長さと使用される砂の量によって異なります。 深さわずか 200 メートルの古い鉱山で 400 万トンの砂を使用するプロジェクトでは、送電網に供給できる電力はわずか 10 メガワットで、これはおそらく 5,000 ～ 8,000 世帯に電力を供給するのに十分ですが、深さ 1,000 メートルの立坑でのプロジェクトでは 4,000 万トンの砂が使用されます。トンの砂は最大 200 メガワットを生成する可能性があります。

鉱山が深くなれば、より多くのエネルギーが生産され、貯蔵されるだけでなく、費用効果も高くなります。 著者らの計算によれば、UGES のエネルギー貯蔵コストは 1 キロワット時あたり 1 ドルから 10 ドルの間で変動し、現在 1kWh あたり約 150 ドルかかるリチウムイオン電池と比較すると、まったく安価です。 しかし、化学構造の改善に伴い、バッテリーの価格は下がり続けています。

UGES の最大の欠点は、砂を大量に使用すること (一見どこにでもある原材料だが、実際には今世紀後半には不足する可能性がある) と、電力容量 (一度に送電網に供給できる電力の量) が控えめであることです。 UGES プラントでは、使用する砂の量と深さに応じて、完全に「再充填」する、つまり、砂を立坑の底から上部に移動させるまでに、数日、数週間、場合によっては数か月かかる場合もあります。

逆に言えば、エネルギーを数週間、数か月、あるいは数年間、あるいはおそらく無期限に、安価に蓄えることができるということは、大きな利点となります。 砂は、汲み上げられた水力発電の貯水池からの水のように蒸発したり、バッテリーからゆっくりと放電されるエネルギーのように散逸したりしません。 もう一つ素晴らしい利点は何でしょうか？ 世界中で鉱山の閉鎖が続くなか、UGES は石炭コミュニティを活性化することができます。

「世界はエネルギーシステムを変革しており、エネルギー関連目的での石炭採掘は半減している」と研究者らは書いている。 「UGES は鉱山や地域社会で働く人々に代替の収入源を提供できます。」

計画立案者や政策立案者がゼロカーボン電力網の設計を検討する際には、安定性を最大化し、停電のリスクを最小限に抑えるために、発電とエネルギー貯蔵ソリューションを多様に組み合わせる必要があります。 UGES はその将来を十分に織り込んでいる可能性があります。