重力蓄電システムの概容

武笠 敏夫

1. 大規模蓄電の必要性

再生可能エネルギーの利用に伴って、大量に電力を溜める技術は必ず必要となります。それは、この発電方法が気象条件などに左右され、供給に不安定さがあるためです。また、工業用などエネルギーを大量に消費する場合は、それを大規模に貯蔵して使用する必要があります。

現在電気を溜める方法は、実用化されているもので二つの方法しか人間は持っていません。一つは化学反応ポテンシャルを使用する蓄電池(バッテリー)で、もう一つは力学ポテンシャルを利用した揚水発電だけです。蓄電池は利便性に優れているが故に大きな進歩を遂げてきたのですが、大量貯蔵には向いていません。一方、揚水発電は大規模蓄電には適していますが、ダムを必要とします。

つぎの時代に備えて、別の蓄電技術を開発しておくべきです。容易に思いつくのは、揚水発電を進化させて、重力ポテンシャルを利用した重力蓄電の方法です。これはダムを必要としません。以下に、この重力を利用した大規模蓄電のシステムについて説明します。

2. システムの概容

出来るだけ高さのある塔(タワー)を建てます。このタワー一基に占める土地の面積は 2 メートル四方もあれば十分です。横揺れに対する補強よりも、縦方向の構造だけは強固につくる必要があります。タワーの内部には、重りが滑らかに通過できるようにガイドを設置しておきます。上部にある電動機を用いて、外部電力により重りをタワーの上部まで吊り上げておきます。これで、与えられた電力が重力に対する位置エネルギーの形で蓄えられたことになります。これはバッテリーで云えば充電です。一方、重りの落下により上部の電動機を発電機として回転させれば、電力が生成されます。これで重りに蓄えられた位置エネルギーが電気エネルギーとして放出されたことになり、放電に相当します。

このように装備されたタワーは、一基だけでは蓄電システムとしての機能はありません。実用に供するには、このタワーを数 100 基から数 1000 基ほど用意して、これらのいくつかを同時にあるいは連続的につぎつぎと運転できるようにします。それによって出力の時間および出力電力を調整することが出来ます。このタワーの構造は単純でコンパクトに設計されているので、これらの集合体をつくることが容易となり、多くの機能を持たせることができるのです。

具体的には、100 (m) × 100 (m) 程度の広さをもつ建物の中に、このタワーを束にして格納します。タワーを半地下に設置すれば、建物の高さを低く抑えることができます。タワー一基の占める面積が小さいので、50 基 × 50 基 ほど設置することが可能となります。

タワー一基の出力が小さくても、そのいくつかを同時に並列運転すれば出力は可算されます。また、複数個のタワーを順番に直列運転すれば、稼働時間を倍増させることができます。もちろん、これらは自動で制御されます。

重りとしては密度の高い金属を使用すればよいのですが、鉄ならば 1 立方メートルで約 8 トンとなります。したがって、タワー一基につき数 10 トンの重りを装備することは可能です。この重りをギアの組み合わせによって適切な速度で落下させれば、出力と時間を制御することができます。

3. 出力試算

タワー一基の出力はつぎのように計算されます。重りに蓄えられるポテンシャルエネルギー(位置エネルギー)は、重りの重量とタワーの高さに比例します。いま、高さ \(l = 100\ \mathrm{(m)}\)、重量 \(m = 30\ \mathrm{(ton)}\) とするとき、位置エネルギー \(U\) は \[ \tag{3.1} U = mgl = 30 \times 10^{3} \times 9.8 \times 100 = 2.94 \times 10^{7}\ \mathrm{(J)} \] となります。ここで、比例定数 \(g = 9.8\ \mathrm{ (m/sec^{2})}\) は重力加速度といいます。エネルギー(仕事)の単位はジュール \(\mathrm{(J)}\) が使われます。もし、これを 30 分かけて落下させたとき、これがすべて電気エネルギーとして出力されるとすれば、その電力を仕事率 \(P\) (単位をワット \(W = \mathrm{J/sec}\))と見なして、

\[ \tag{3.2} P = mgl/t_0 = 2.94 \times 10^{7}/(30 \times 60) = 16.33\ \mathrm{(kW)} \] の電力が得られます。これはタワー一基あたりの瞬間出力ですが、落下時間 \(t_0\) を長くすれば電力としての出力は小さくなります。

つぎに、このタワーを \(100\ \mathrm{(m)} \times 100\ \mathrm{(m)}\) の広さの建物に 2500 基まとめて収納すると、これらに蓄えられるエネルギーの総量は

\[ \tag{3.3} 2.94 \times 10^{7} \times 2500 = 7.35 \times 10^{10} \mathrm{(J)} \] となります。\(1\ \mathrm{(kWh)} = 3.6 \times 10^{6} \mathrm{(J)} \) なので、このエネルギーは \(20.4\ \mathrm{(MWh)}\) の電力量に相当します。さらに、この規模の建物を 10 棟分設置すると総出力 \(204\ \mathrm{(MWh)}\) の蓄電プラントがつくれます。

揚水発電に必要なダムの面積は数 10 ヘクタール( 1 ヘクタール = 100 (m) × 100 (m))であって、この重力蓄電プラントの 10 棟分に要する土地面積はダムに比べれば少なくて済むのです。とくに、山地のない地方や国々でダムがつくれないところでは、この蓄電システムは大いに有効となると思われます。

以上の試算は全く理論的なもので、途中のエネルギー損失や効率は一切考えていません。実際には、この試算で示した数値の半分も実現できればよいと思います。しかし、これら効率を上げることは将来の技術力に委ねます。

4. 構想図

図1.建物外観
図 1.建物外観
半地下の建物の中に多くのタワーが収納されている。
図2.建物内部
図 2.建物内部
たくさんのタワーの束を下から見上げている。

2021年4月