住宅用バッテリーバックアップ2022ガイド｜種類、コスト、メリット…

2022年においても、太陽光発電の蓄電は依然として最も注目されるトピックであり、住宅用バッテリーバックアップは太陽光発電分野で最も急速に成長している分野であり、世界中の大小さまざまな住宅や企業にとって、新たな市場と太陽光発電システムの改修拡大の機会を生み出している。住宅用バッテリーバックアップ太陽光発電を利用する住宅にとって、特に嵐などの緊急事態発生時には、蓄電池は非常に重要です。余剰の太陽光発電エネルギーを電力網に送電する代わりに、緊急時に備えて蓄電池に蓄えるのはどうでしょうか？しかし、蓄電池で発電したエネルギーを収益化するにはどうすれば良いのでしょうか？この記事では、家庭用蓄電池システムのコストと収益性について解説し、最適な蓄電池システムを購入する際に留意すべき重要なポイントをご紹介します。 住宅用蓄電池システムとは何ですか？どのように機能しますか？ 住宅用蓄電池または太陽光発電蓄電システムは、太陽光発電システムの利点を最大限に活用するための有用な追加設備であり、化石燃料を再生可能エネルギーに置き換えるプロセスを加速させる上でますます重要な役割を果たすでしょう。太陽光発電用蓄電池は、太陽光エネルギーから生成された電力を蓄え、必要な時に使用者に供給します。蓄電池によるバックアップ電源は、ガス発電機に代わる環境に優しく費用対効果の高い選択肢です。 太陽光発電システムを使って自家発電をしている人は、すぐにその限界に直面するでしょう。日中はシステムが十分な太陽光発電量を提供しますが、その時間帯は誰も家にいないため、電力を使う人がいません。一方、夕方には大量の電力が必要になりますが、その時間帯は太陽が照っていません。この供給不足を補うために、電力会社からかなり高価な電力を購入することになります。 このような状況では、住宅用蓄電池の導入はほぼ必須となります。これは、日中に余った電力を夕方や夜間に利用できることを意味します。つまり、自家発電による電力は天候に関係なく24時間いつでも利用可能です。このようにして、自家発電による太陽光発電の利用率は最大80%まで向上します。自給率、すなわち太陽光発電システムで賄われる電力消費量の割合は、最大60%まで増加します。 家庭用蓄電池は冷蔵庫よりもはるかに小さく、ユーティリティルームの壁に取り付けることができます。最新の蓄電システムには高度な機能が搭載されており、天気予報や自己学習アルゴリズムを活用して、家庭の電力消費を最大限まで抑えることができます。電力網に接続されたままでも、エネルギー自給自足を実現することがかつてないほど容易になりました。 家庭用蓄電池システムは導入する価値があるのか​​？その判断基準となる要素とは？ 太陽光発電住宅が停電時にも稼働し続けるためには、家庭用蓄電池が不可欠です。夜間も確実に機能します。さらに、太陽光発電用蓄電池は、本来であれば損失覚悟で電力網に売電されるはずだった太陽光発電エネルギーを蓄え、電力料金が最も高くなる時間帯に再利用することで、電力会社の経済性を向上させます。家庭用蓄電池は、太陽光発電の所有者を電力網の障害から守り、電力料金体系の変動から電力会社の経済性を保護します。 投資する価値があるかどうかは、いくつかの要因によって決まります。 投資コストの水準。 1キロワット時あたりの容量コストが低ければ低いほど、蓄電システムの投資回収期間は短くなる。 生涯太陽光発電用家庭用蓄電池 業界では10年間のメーカー保証が一般的ですが、実際にはそれよりも長い耐用年数が想定されています。リチウムイオン技術を採用した家庭用太陽光発電バッテリーのほとんどは、少なくとも20年間は確実に機能します。 自家消費電力の割合 太陽光発電の蓄電システムが自家消費量を増加させるほど、そのメリットは大きくなる。 電力会社から購入した電気料金 電気料金が高い時期には、太陽光発電システムの所有者は自家発電した電気を使うことで節約できます。今後数年間、電気料金は上昇し続けると予想されるため、多くの人が太陽光発電用蓄電池を賢明な投資と考えています。 系統連系型料金 太陽光発電システムの所有者が1キロワット時あたりに受け取る金額が少なくなればなるほど、発電した電力を電力網に送電するよりも蓄電する方が得策となる。過去20年間、電力網接続料金は着実に低下しており、今後もその傾向は続くと予想される。 家庭用蓄電池システムにはどのような種類がありますか？? 家庭用蓄電池システムには、耐障害性、コスト削減、分散型発電（「家庭用分散型エネルギーシステム」とも呼ばれる）など、数多くのメリットがあります。では、家庭用太陽光発電蓄電池にはどのような種類があるのでしょうか？どのように選べば良いのでしょうか？ バックアップ機能による機能分類： 1. 家庭用UPS電源装置 これは、病院、データセンター、連邦政府機関、軍事機関などが、重要かつ精密な機器の継続的な稼働のために必要とするバックアップ電源に対応する、産業グレードのサービスです。家庭用UPS電源があれば、電力網が停止しても家の照明がちらつくことさえありません。ほとんどの家庭では、重要な医療機器を自宅で稼働させている場合を除き、このレベルの信頼性を必要としたり、費用を負担したりすることはありません。 2. 停電時電源装置（全館バックアップ電源）。 UPSの次の段階として、「無停電電源装置（IPS）」と呼ばれるものがあります。IPSがあれば、停電時に太陽光発電とバッテリーで家全体の電力を供給し続けることができますが、バックアップシステムが作動する際に、家の中のあらゆるものが一時的に真っ暗または灰色になる（数秒間）ことがあります。点滅している電子時計をリセットする必要があるかもしれませんが、それ以外は、バッテリーが持続する限り、すべての家電製品を通常どおり使用できます。 3. 緊急時電源（部分バックアップ） バックアップ電源機能の中には、電力網の停電を検知すると緊急回路を起動させるものがあります。これにより、この回路に接続されている家庭用電力機器（通常は冷蔵庫、照明、専用コンセントなど）は、停電中もバッテリーや太陽光発電パネルから電力を供給し続けることができます。バッテリーバンクだけで家全体の電力を賄うとバッテリーがすぐに消耗してしまうため、このようなバックアップシステムは世界中の家庭にとって最も一般的で、手頃かつ経済的な選択肢となるでしょう。 4. 部分的にオフグリッド型の太陽光発電および蓄電システム。 最後に、目を引くかもしれない選択肢として「部分オフグリッドシステム」があります。部分オフグリッドシステムでは、住宅内に専用の「オフグリッド」エリアを設け、電力網から電力を供給されずに自給自足できる十分な容量の太陽光発電システムと蓄電池システムで常時稼働させます。こうすることで、電力網が停止しても、冷蔵庫や照明など、生活に必要な機器は途切れることなく稼働し続けます。さらに、太陽光発電システムと蓄電池は電力網なしで永久に稼働できる容量を備えているため、オフグリッド回路に他の機器を接続しない限り、電力使用量を気にする必要もありません。 電池化学技術による分類: 住宅用バッテリーバックアップとしての鉛蓄電池 鉛蓄電池これらは、市場で入手可能なエネルギー貯蔵用バッテリーの中で最も古く、最も低コストな充電式バッテリーです。1900年代初頭に登場して以来、その堅牢性と低コスト性から、今日に至るまで多くの用途で好んで使用されています。 鉛蓄電池の主な欠点は、エネルギー密度が低いこと（重くてかさばる）と寿命が短いことです。充放電サイクルを多く繰り返すことができないため、電池内部の化学バランスを保つために定期的なメンテナンスが必要です。そのため、中～高頻度の放電や、10年以上続く用途には適していません。 また、放電深度が低いという欠点もあり、寿命を延ばすために、通常は極端な場合でも80%、通常の使用では20%に制限されています。過放電はバッテリーの電極を劣化させ、エネルギー貯蔵能力を低下させ、寿命を縮めます。 鉛蓄電池は、充電状態を常に維持する必要があり、フロート充電法（自己放電効果を打ち消すのに十分な微弱な電流を流して充電を維持する方法）によって、常に最大充電状態で保管する必要があります。 これらのバッテリーにはいくつかの種類があります。最も一般的なのは、液体電解質を使用する通気型バッテリー、バルブ制御式ゲルバッテリー（VRLA）、そしてゲルバッテリーに比べて性能が中間的でコストが低い、グラスファイバーマットに電解質を埋め込んだバッテリー（AGM：吸収性ガラスマット）です。 バルブ制御式バッテリーは実質的に密閉されているため、液漏れや電解液の乾燥を防ぎます。バルブは過充電時にガスを放出する役割を果たします。 鉛蓄電池の中には、定置型産業用途向けに開発されたものがあり、より深い放電サイクルに対応できます。また、より現代的なバージョンとして、鉛炭素電池もあります。電極に炭素系材料を添加することで、より高い充放電電流、より高いエネルギー密度、そしてより長い寿命を実現しています。 鉛蓄電池（どの種類であっても）の利点の1つは、高度な充電管理システムを必要としないことです（次に説明するリチウムイオン電池の場合はそうではありません）。鉛蓄電池は、リチウムイオン電池のように電解液が可燃性ではないため、過充電時に発火したり爆発したりする可能性がはるかに低いのです。 また、これらのタイプのバッテリーでは、わずかな過充電は危険ではありません。充電コントローラーの中には、バッテリーまたはバッテリーバンクをわずかに過充電することで、すべてのバッテリーが満充電状態になるようにする均等化機能を備えているものもあります。 均等化プロセス中、他の電池よりも先に満充電になった電池の電圧は、リスクなくわずかに上昇しますが、電流は直列接続された電池群を通常通り流れます。このように、鉛蓄電池は自然に均等化する能力があり、電池間、あるいは電池バンク間のわずかな電圧の不均衡はリスクをもたらさないと言えます。 パフォーマンス：鉛蓄電池の効率はリチウムイオン電池に比べてはるかに低い。効率は充電速度によって異なるが、一般的には往復効率85%と想定されている。 ストレージ容量：鉛蓄電池は電圧やサイズに幅があるが、電池の品質にもよるが、1kWhあたりの重量はリン酸鉄リチウム電池の2～3倍になる。 バッテリーコスト：鉛蓄電池はリン酸鉄リチウム電池よりも75%安価ですが、その低価格に惑わされてはいけません。鉛蓄電池は急速な充放電ができず、寿命もはるかに短く、保護バッテリー管理システムも搭載されておらず、さらに毎週のメンテナンスが必要になる場合もあります。そのため、電力コストの削減や高負荷機器の稼働を支えるには、サイクルあたりのコストが割高になってしまうのです。 家庭用バッテリーバックアップとしてのリチウム電池 現在、最も商業的に成功している電池はリチウムイオン電池である。リチウムイオン技術は携帯電子機器に応用された後、産業用途、電力システム、太陽光発電エネルギー貯蔵、電気自動車などの分野にも進出している。 リチウムイオン電池エネルギー貯蔵容量、使用サイクル数、充電速度、コスト効率など、多くの点で他の多くの種類の充電式電池を凌駕する性能を発揮します。現状では、唯一の課題は安全性です。可燃性の電解液は高温になると発火する可能性があるため、電子制御および監視システムの使用が必要となります。 リチウムはあらゆる金属の中で最も軽く、最も高い電気化学ポテンシャルを持ち、他の既知の電池技術よりも高い体積エネルギー密度と質量エネルギー密度を提供する。 リチウムイオン技術は、主に断続的な再生可能エネルギー源（太陽光や風力）に関連するエネルギー貯蔵システムの利用を促進し、電気自動車の普及も促進した。 電力システムや電気自動車に使用されるリチウムイオン電池は、液式電池である。これらの電池は、2つの電極が液体電解質溶液に浸された、従来の電気化学電池の構造を採用している。 セパレーター（多孔質の絶縁材料）は、電極を機械的に分離すると同時に、液体電解質中をイオンが自由に移動できるようにするために使用される。 電解質の主な特徴は、イオン電流（電子が過剰または不足している原子であるイオンによって形成される電流）の伝導を可能にする一方で、電子の通過を阻止することである（導電性物質では電子が通過する）。正極と負極間のイオンの交換は、電気化学電池の動作原理となっている。 リチウムイオン電池の研究は1970年代に遡り、技術が成熟し商業利用が始まったのは1990年代頃である。 リチウムポリマー電池（ポリマー電解質を使用）は現在、携帯電話、コンピューター、さまざまなモバイル機器に使用されており、従来のニッケルカドミウム電池に取って代わっています。ニッケルカドミウム電池の主な問題点は、徐々に蓄電容量を低下させる「メモリー効果」です。電池が完全に放電される前に充電されると、メモリー効果が発生します。 従来のニッケルカドミウム電池、特に鉛蓄電池と比較して、リチウムイオン電池はエネルギー密度が高く（体積あたりのエネルギー蓄積量が多い）、自己放電率が低く、充放電サイクル数が多いため、長寿命です。 2000年代初頭頃、リチウム電池は自動車産業で使用され始めました。2010年頃、リチウムイオン電池は住宅用途の電気エネルギー貯蔵で注目を集め、大規模ESS（エネルギー貯蔵システム）システム主に世界中で電力源の使用が増加したことによる。断続的な再生可能エネルギー（太陽光と風力）。 リチウムイオン電池は、製造方法によって性能、寿命、コストが異なる。電極材料を中心に、いくつかの材料が提案されている。 一般的に、リチウム電池は、電池の正極を形成する金属リチウム電極と、負極を形成する炭素（グラファイト）電極から構成される。 使用される技術によって、リチウム系電極の構造は異なります。リチウム電池の製造に最も一般的に使用される材料と、これらの電池の主な特徴は以下のとおりです。 リチウムおよびコバルト酸化物（LCO）：高い比エネルギー（Wh/kg）、良好な蓄電容量、満足のいく寿命（サイクル数）を備え、電子機器に適しているが、欠点は比出力（W/kg）が小さく、ロードおよびアンロード速度が低下することである。 リチウムおよびマンガン酸化物（LMO）：高い充放電電流を低い比エネルギー（Wh/kg）で許容するため、蓄電容量が低下する。 リチウム、ニッケル、マンガン、コバルト（NMC）：LCO電池とLMO電池の特性を兼ね備えています。さらに、組成にニッケルが含まれていることで比エネルギーが増加し、より大きな蓄電容量が得られます。ニッケル、マンガン、コバルトは、用途に応じて様々な割合で配合できます（それぞれを補完する役割を果たします）。この組み合わせにより、優れた性能、高い蓄電容量、長い寿命、そして低コストを実現した電池が誕生しました。 リチウム、ニッケル、マンガン、コバルト（NMC）：LCO電池とLMO電池の特性を兼ね備えています。さらに、組成にニッケルが含まれていることで比エネルギーが向上し、より大きな蓄電容量が得られます。ニッケル、マンガン、コバルトは、用途に応じて（特定の特性を優先するため）異なる比率で使用できます。一般的に、この組み合わせにより、優れた性能、優れた蓄電容量、優れた寿命、そして適度なコストを備えた電池が実現します。このタイプの電池は電気自動車に広く使用されており、定置型エネルギー貯蔵システムにも適しています。 リン酸鉄リチウム（LFP）：LFP（リン酸鉄リチウム）は、優れた動的性能（充放電速度）、長寿命、そして優れた熱安定性による安全性向上を実現した電池です。ニッケルとコバルトを含まないため、コストが削減され、量産化が容易になります。蓄電容量は最高ではありませんが、低コストや優れた堅牢性など多くの利点があるため、電気自動車やエネルギー貯蔵システムのメーカーに採用されています。 リチウムとチタン（LTO）：この名称は、一方の電極に炭素の代わりにチタンとリチウムを使用し、もう一方の電極には他のタイプの電池（例えばNMC型、リチウム、マンガン、コバルト）と同じ材料を使用した電池を指します。比エネルギーは低い（つまり蓄電容量は低い）ものの、この組み合わせは優れた動的性能、高い安全性、そして大幅に向上した耐用年数を実現しています。このタイプの電池は、100%放電深度で10,000回以上の動作サイクルに耐えることができますが、他のタイプのリチウム電池は約2,000サイクルしか耐えられません。 リン酸鉄リチウム（LiFePO4）電池は、極めて高いサイクル安定性、最大のエネルギー密度、そして最小限の重量で、鉛蓄電池を凌駕する性能を発揮します。50%の放電深度から定期的に放電し、その後満充電することで、LiFePO4電池は最大6,500回の充放電サイクルを実現できます。そのため、初期投資は長期的に見れば十分に元が取れ、価格性能比は他に類を見ません。太陽光発電用バッテリーとして連続使用する場合、LiFePO4電池は最適な選択肢となります。 パフォーマンス：バッテリーの充電と放電は、2時間未満という短時間で急速充電および放電が可能であり、寿命を短くする場合はさらに短時間で充電および放電できるため、総サイクル効率は98%です。 ストレージ容量リン酸鉄リチウム電池パックは18kWhを超える容量を持つことができ、同じ容量の鉛蓄電池よりも省スペースで軽量です。 バッテリーコストリン酸鉄リチウム電池は鉛蓄電池よりも高価になる傾向があるが、寿命が長いためサイクルコストは通常​​低くなる。