電力における超電導エネルギー貯蔵の評価

　   0：墅● 07S ▲G▲ h 既

累川 岡 曜 嬰 り膃 OT 　T− CHNOLOGy 　 　 Vo124

，

　No

．

1

，

1990

電

力

に お

け

る

超 電

導

エ

ネ

_ル

ギ

ー

貯

蔵

_の

評 価

増 　

田

　

正

　 美

＊

Assesment

　_of　

Superconducting

　

Magnetic

　

Enargy

　

Storage

　　　　　　

for

　

Electric

　

Utility

　

Use

Masami

　

MASUDA

　 　

The

　

Superconducting

　

Magnetic

　

Energy

　

Storage

_（

SMES

_）

is

　an　

ingeneous

　use　of　one　of　the　character

−

istics　of　superconductiv 董ty　so　called　 permanent 　 current

．

　

The

　current 　

in

　superconducting 　coil　flows

permanently 　because 　of　the　zero 　resistance 　of　superconducing 　cable

．

　 The 　energy 　is　stored 　1n　a　magnetic

field

　as　a　

distored

　space

，

　 The 　most 　excellent 　

feature

　of　

SMES

　

is

　the　storage 　e笳ciency

．

　

It

　

is

　

better

than　90％ while 　other 　means

，

　for　instance

，

　pulnped 　hydro

，

　battery　storage 　and 　compressed 　air 　storage

have　_poor　ef 丘ciency 　of　aro 岨 d　65_％

．

_{The 　point}　is

，

　however _，　the　large　scale 　application 　of　superconduc

・

tivity　for　utility 　scale　

SMES

　is　far　beyond 　the　present　technological 　level

．

　 　

In

　th_量s　paper　the　

basic

　_principle

，

　engineering 　

feasibility

　and 　economics 　of　

SMES

　

for

　utility　

have

been　described

，

　

The

　conclusion 　

derived

　from　 this　study 　is　that　the　large　scale 　

SMES

　as　the　pumped

hydro　alternative 　is　technologicaly 　feasible　and 　has　the　good　potential　for　commercialization

．

　 　The 　small 　size 　

SMES

　has　also 　been　discussed　and 　the　possibility　of　commercialization 　is　measured

．

ま え が き 　我 国の電 力需要は特に 夏に ピ

ー

クを迎え るが

，

そ の原 因 の

1

つ に

，

ク

ー

ラ

ー

とテ レビの 同 時 併 用が上 げ られ る

。

図 1は

一

例 と して東 京電 力の 1 日の 電 力 需 要変 動を 示 す ものである。 これを見 ると

，

夜 間に は電力需要 が少 な く

，

昼間に大 きな負 荷 ピ

ー

ク の ある のが わ か る。 　この よ う な負荷変 動に対 する解 決策の 1つ _が

，

_{夜 間電} 力 を 貯 蔵して昼 間に発 電 する電 力 貯 蔵の役 割である。 表 ユ は， 現 在 電 力業 界が検討し てい る電 力貯蔵 装 置の効 率 を

一

覧と し た ものである1） 。 現在 電 力業界で 実用的に使 用 されて い る唯

一

の もの は 揚 水 発 電で ある が

，

その効 率 は約

65〜70

％ であ り

，

夜 間電力の貯 蔵 も

30〜35

％ の 損失のあるこ と を意味して い る

。

現 在 電 力 貯蔵と して_研 究 中の他の貯 蔵 装 置

，

た とえ ばバ ッ テ リ

ー

貯 蔵や 圧縮 空 気 貯 蔵 も

，

その効 率はそ れほど 良い ものではない 。 超 電 導エ _ネル ギ

ー

貯 蔵 （SMES ）は これ ら貯 蔵 装 置の中では 傑 出して い るの が わか る。 これは

SMES

の 場 合

エ

ネル ギ

ー

変換過程 が単 純である からで ある。 総 需 万

kW3000

2500

2000

要

1500

1000

東 京 電 力 1978

，

7

．

25 1978

，

1

，

19

1977，

10，

7

　 1 5 0 寺 − 1 日 5 − − 亥 20 図 1 東 京 電 力 の 各シ

ー

ズ ン に お ける 日 間 負 カ

ー

ブ 表

1

各 種 電 力用エ _ネル ギ

ー

貯 蔵装置の _効率 方 式 運 転 効 率 　 （％ ） ＊ 材 料工 学 科 　 教 授 平 成 元 年 10 月 12 日受 付 電 池 池 気 蔵 蔵 　 　 　 　 貯 貯 発 電 電 空 力 勸 水 蓄 型 縮 水 導 　 　 　 　 下 電 揚 鉛 新 圧 地 超

65〜7075

〜

8075

〜

₈₀ 　

〜7067

〜

₇₂₉₀ 以 上

NII-Electronic Library Service 相模工 業大 学紀要 第

24

巻 第

1

号 　こ の よう な

，

超 電導を用い た電 力貯蔵 装 置 （

SMES

）の 実用 化の研 究は

，

日米 と もに 1980年 頃か ら 開 始 され た。 我 国で は

，

新エ ネル ギ

ー

総 合 開 発 機 構 （

NEDO

）2）_が

_，

_ま た （財）エ ンジ ニ ア リン _グ振_{興 協}会 _（

ENAA

_）3） _が

，

こ の 技 術の アセ ス メ ン トを計 4 ケ_年行なっ た_。 これ に参加し た委 員は

，

大学

，

国 立 研 究機 関， 民 間企業らの研 究 者で あり

，

産官 学の協 同 研究体 制で ある

。

民間 か らの参加に は， 電 力

，

重電

，

重工

，

鉄工， 建設， ガス ， ＝ ン ジニ ア リン産 業 などが参加 し て い るQ これは

SMES

が非 常に 広い範 囲の総 合技術を 必要とする こ とを意味 し てい る。 　本 論 文は これらの活 動に よっ て開 発 中の

SMES

の 評 価 を 行 うの _を目的 とし てい る。

SMES

の 原 理 　

SMES

の原理 と な る永久 電 流の実 験は，

1911

年 超 電 導の発 見 者であるオ ラン ダ ・ ライデン_大学の カ メ リン ・ オ ンネス _{教 授}に よっ て試み られてい る。 図 2（A）は そ れ を 示し た が， ガ ラ ス製の魔法瓶の中に液体ヘ リュ

ー

ムを 充 満し

，

その 中に鉛で_作ら れ た超 電 導コ イル_{を 漬 け}

，

_図 に お けるス イ ッ チ S1 を 閉 じ， バ ッ テ リ

ー

電 源か ら電流 を流 すと次 式に した がっ て電流は時 間と共に直線 的に上 昇する。 　 　 　

V

＝

L ・

dl

／

dt

こ こ でV： コ _イル 端子 電圧 　 　 　 　

L

： コ イル のイ ンダク タ ン ス 　 　 　 　 」：　 コ _{イル の 電 流} 　こ の電流 値がある所 定の_値に _{達 す}る と， （

1

＞ 　 　 　 　ス イ ヅ チ

S2

を 閉 じ て液 体ヘ リ_ュ

ー

ム _内で閉 回 路 を 作 り

，

これに永 久 電流を流し た もの で ある。 ス イッ チ S2 も超電導 材 料 を 電 極 として

，

そ れ を 機 械 的に接触 させ る ものを製 作 すれ ば

，

この_閉回 路 は すべ _{て 超電 導と な る} 。 こ の回 路に流れ る電流は理 論 的に は次式に従っ て減 衰 する。 　 　 　 　1＝ lo

・

”

tt「 こ こで　 　

lo

； コ イル の初 期 電 流 値 　 　 　 　

1

：　 コ イ ル _{の減 衰電流値} 　 　 　 　 τ； コ _イル の_{時 定}数 （2） こ の時 定 数 τ はコ イル の イ ソダ クタ ン ス L を

_抵

抗 R で 割っ たもの であ り

，

し た が っ て 抵 抗 値がゼ ロ の回路で は 時 定 数が無 限 と な り

，

超 電 導は本 質 的に 抵 抗 がゼ

F

で あ る の で電 流は_無限 時 間 流れ る こ とに な る。 これ が超電導 の永 久電流で _ある。 　 現 在の

SMES

に おけ るエ ネル ギ

ー

_{充 電}

，

_{貯 蔵}

，

_{放 電}

B

、，，e，

y

「

（

A

）

A．

C．

　

Line

Superconducting

　　−

r

　Magnet

　　　　　　　」

　 　 　 　

噛

’

一 “

一

「

一胴

PerSiStent

　

dUrrefi

書

　　

　　CryOgeniC

　 　 　

Are

α （

B

） 図

2

　超 電 導エ ネル ギin 貯 蔵 ・ 原 理 図 （発電）の原 理 も

，

これ と異な るもので は ない_。 図

2

（B） の よ うに現 代 的 なサ イ リ ス タ _変換 器を用い るだ けであ る。 こ のサ イ リス タ変換 器は

，

大 小さ ま ざ ま な ものが実 用 化 さ れて お り

，

最 大級の もの は電 力に おける直 流送電 に実 施さ れ てい る。 　北 海 道 電 力 と東 北 電 力は

，

津 軽 海峡海 底に直 流 送電線 を 敷 設し

，

北 海 道 電 力は 函 館に サ イ リス タ変 換 所を おい て交流 を 直 流に し

，

東北 電 力は下 北 半 島に おい て これを 受 電し

，

．

直 流を交 流に 変換し て送 電線と リンク し て い る。 　 図

2

（

B

）に おい ても， 充 電 時に は交 流 を 直 流に変 換 し て超 電 導コ イ ル _{を励 磁} し

，

所 定の電 流 値に達 する と超 電 導ス イ ッ チ （これはサ イ リス タ で置 き 換 えるこ と も出 来 る） を含む閉 回 路に還 流 さ せ て貯蔵 し

，

発 電 時には変 換 器の サ イ リス タ_{点 孤}の _{位 相 角}を逆 変換モ

ー

ドに して_{直 流} を交 流に するものである4） 。 その動作はエ レ ク トロ ニ ク ス _{の 故}に簡 便で あり

，

か つ レ ス ポ ン ス _も早い 。 　こ の レ ス ポ ン ス の_早さ

，

別の言葉で は瞬動性は

，

現在 稼 動し てい る揚 水発 電では 不可能なもの であ り

，

SMES の 特長の 1つ と して み られてい る。 電 力 用

SMES

の 聞 題 点 電力用

SMES

は

，

_{小 型}の_{系 統 安定 化}

，

_{無 効}電 力 調 整

一

_32T

一

N工 工

一

Eleotronio _Library

電 力に お ける超 電 導エ _ネル ギ

ー

貯 蔵の評 価 （増田 正美 ） 電 磁 力 用 外 部 図 3 コ イ ル の 膨張 を外 部 タガで防止 す る コイル か ら

，

上記の大 形 揚 水 発 電に代わ る もの ま である が

，

小 規 模の超 電 導 技 術は現 在で も確 立 されて お り， し た が っ て経 済 性を除い て はそれほ ど技 術上の_{問題 点 があ}るわ け で はない。 そこ で こ こ で は大 型の

SMES

，

1

例 とし て基 幹 電 力 系 統に おけるピ

ー

クシ ェ

ー

ビ ン グ機 能 を 目的 と し た もの につ い て述べ _る。 こ の よ うな

SMES

は

，

まず そ の規 模の大きさ か ら来る問 題 点 が ある。 そ れは

，

大 規 模 超電 導コ イ ル の発 生 する電 磁 力 閉 じ込め の問題である。 　い か な る保 存力の _場にお い て も

，

閉じ込め ら れた エ ネ ル ギ

ー

は最 小の ポ テン シ アル _状態に落ち着こ うとする。 そ れは究 極 的に は エ _ネル ギ

ー

を 発 散させ るこ と で あ る。 電 磁 空 間に おい て は

，

超 電 導コ イル _{が電磁 場を作}っ てエ ネル ギ

ー

を 貯 蔵 す るが， こ の場 合におい て もコ イル は膨 張 して破 壊 されよう とする。 その破 壊 を 止める 原 始 的な 方 法は

，

図

3

に示 すよ うに ス テ ン レ ス _鋼に よるカ ラ

ー

で あろ う。 こ の よ うな 構 造 物の 材 料 強 度 と 比 重 を仮定 し て

，

上記 電磁 力 に対 処 す る ため に は

，

ある程 度の重 量が 必 要であ るが

，

それ は次 式 Viria1 の_定理 に よっ て評 価 で きる5）

_。

　 　 　 W ＝ le

・

E

・

_ρ

1

σ 　 　 　 　 （

3

_） こ の 式 におい て

，E

なるエ _ネル _ギ

ー

_{を 貯 蔵 す るた め}に は

，

比重 p

，

強 度 a なる材 料が

，

重 量

W

必 要だ と言 う こ とに な る。 k は形状か らくる因 子であ り

，

概 略 的 な 議 論で は無 視で きる。 　 大 型 SMES

，

例え ば現存揚 水 発 電の最 大 規 模

，1

，

000

。

kWh を貯 蔵するもの に おい て は

，

上 式 を 適 用 して み る とこの W は 200 万 t と な り

，

こ の構 造 物 材 料 価 格の みで

SMES

の経 済 性 を 破る こ とに な るD こ の よ う な問 題 解 決のため に

，

従 来か ら大 型

SMES

は地 下岩盤の _中 に構 築 し よ うとする計画が練られた

。

　図

4

は こ の よう な 大型

SMES

を地 下岩盤に設 置し た 想像図であ るs＞

_。

_地下 150m の深 さに お い て硬 質の花 崗 岩 体に

，

高 さ約

15

　m ， 幅 約

7m

の トン ネル を掘り

，

そ の 中に ス テ ン レ ス鋼壁で容 器を作 り内 部を 真空に し て

，

いわ ゆ る魔法 瓶 を作る。 その中に液 体

He

を溜め

，

その 図

4

一

一

NII-Electronic Library Service 相 模工 業 大 学 紀 要　第

24

巻　第 1 号 衰 2500 万

kWh

　

SMES

の 諸 元 （

JAPAN

） （

EPRI

） Stored　

Energy

Output

　

Power

Aspect

　

Ratio

Coil　Diameter

Coil

　Height Underground 　Structure DepthPeak 　Field

He

　Temperature

Con

　

Current

No

，

　of　Turns Inductance

Conductor

　

Size

　

Material

　Length 　Weight Aluminum 　Structure Excavation Conv

．

　E伍 ciency Cryogenic 　

Loss

Overall

　E伍ciency （MWh ） （

MW

） ） ） mm （ （ （m ） （

T

） （

K

） （kA） （

H

） （cm ） （km ） （

Ton

） （

Ton

） （M3 ） （

MW

） （％ ） 　 　 　5

，

000 　　 　

1，

000

　 　 　0

．

1

400

　　　

376

　　　

400

10 ．

8

　18

．

0　10

，

8 　 　 　

3・

tunne1 　 　 　

150

　 　 　8

．

4 　 　 　4

．

2 　 　 　707 　 　 　

330

　 　 　

71 ．

8

21

×10Nb3Sn40325 ，

50026

，0005

．

4

×

100

0

．

956

．

00

．

90

5

，

5001

，

0000

．

01156815TRENCH 157

．

01

．

876511267

．

6

13・

5φ NbTi57424

，

00041 ，

0005

．

3Xloo O

．

945

．

30

．

91

Provisional　classificatk ）n　of　granitic　rocks in　the　main 　part　of　Japan

o ， 」

肺

． ■

診

彡

_，

_s

、

’

，

t

訪

メ

転

謬

“

3

窃

●

TsukubaTokyo

％

　Triassic　Granitic　Rooks 中 生 代初 期

　 　 　 （三− 紀 ）

鰡 Cretaceous　Granitic　Rocks _中生代 初 期 　 　 　 （白亜 紀）

区

1Lat

・T・rti・_ry・G… iti・R・。k・_第三紀

図

5

わ が 国 花 崗 岩 分 布 図

一 34 一

電力 に お け る超 電 導エ ネル ギ

ー

貯 蔵の 評 価 _（増田 正 美 ）

t7

，

’

7

Epicenters

　of　main　earthquakes 　on　

land

　

in

　

Japan

　　

　　　　　

　　　　

　　　　

　　　　

　　　　

　

（

A

．

D

．

6791978

） 　 　 　｛

’

・

響

．

9

暫

7’

　　

c

嶋 ！

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．

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．

　

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79

　

　 　

」

　

　

，

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_巳

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．

亀

亀

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　 　　 ’

　　

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ピ

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／ イ 　 　 　 　　 　 　 　 ●o● ● 　 A 、 ♂ 　 　 　● 覧 ● 　　　

，

，

ノ

．

Jt「

F卩

Magnitude

Larger

　than　

7 ．

0

6．

0−69

’

　

Smai

「θr　than　

5．

90r

　　not　

yet

　

determined

図

6

過 去 の 震 央 地 図

NII-Electronic Library Service 相 模工 業大 学 紀 要　第 24 巻　第 1 号

He

容 器の中に超 電導コ _イル _{を設置し よ う とするもの で} ある。

500

万キ 囗 ワ ッ ト時

SMES

　

500

万

kWh

の

SMES

とは 揚水発電では 中規模に相 当する。 北 海 道 電 力では基， 東 京 電 力

，

関 西 電 力で は数 基 を 必 要 とする規 模で ある。 　こ の よ うな実用規 模の

SMES

の概 念設 計は な さ れ た が， その諸 元 を 表

2

に

一

覧 とし た。 また ち ょ う ど 同時期 に ア メ リ カ

EPRIe

） _が行な っ た研究の 結 果も 共に示 し た。 両 者の設 計に は

，

国情

，

つ ま り土 地価格の差

，

産業

構

造の差な どが 反 映さ れ てい る。 日本の ものがエ ネル ギ

ー

_{密 度の大 きい} ， 直 径 400m の コ イル に対 して

，

ア メ リカ の もの は直 径

1，

5km

である。 ま た超電導 材料にお い て は 日本がよ り前 進し

te

　NbsSn _{を 用}い るの に 対 して

，

， ア メ リカ は保 守 的で あ り

Nb −Ti

を採 用 し てい る。 し か し冷 却に関 し て は ア メ リ カが 革新 的な 1

．

8K の液 体 He _{を 採 用} し てい るの に 対 して

，

日本は保 守 的で あ り

，

4K の液 体

He

で あ り

，

産 業 構 造の差 を 示 し てい る。 　し か し

，

意味の あるのは

，

こ の ように完全に独立 し た 日米に研究である に関わ らず

，

その結 論と し た効 率に関 し て は

，

ともに

90

％ 以上 を示 して お り

，SMES

が高 効 率を特 徴と し てい る貯 蔵装 置であ るこ とを 証 拠 立て てい る。 用 地 問 題 　 こ の様に電 磁 力に 耐 えるた めの構 造 物 とし て

，

地 下 岩 盤が必 要で あるが

，

果た し てこの よ うな岩盤 が 我 国にあ るの で あろ うか。 こ の よ う な疑 問に対 して

，

図 5は地 表 に露 出し た花崗岩の分布を 示 し たもの である。 し た が っ て この近 傍に は地 下に も 良 質の花 崗 岩が存 在 し

，SMES

建 設適地だとい うこ とがで きる。 これを見る と

，

関東 地 方で は阿 武 隈 山 系。 その南 端は筑 波 山であ り

，

筑 波 山の 北 側は良 質の岩 石 産 出 場 として著 名で ある。 関西に も， 四国に も

，

九 州に も適地が存在 するの がわ か る。 　 ア メ リカ の設 計は記 述の よ うに

，

その エ ネル ギ

ー

密 度 は 低く

，

し た がっ て硬 質 岩 盤に構 築 する こと を 必ず しも 必 要 としない。 し たがっ て

，

中西部の ナイア ガラ 泥岩 に

，

あるい はロ ス ア ラモ スの砂 岩に構 築 するとい う計 画 を持っ てい る く らい で ある_。 我 国に は適地 が 数多く在存 すると言 っ て もよい だ ろ う

。

　 し か し

，

我 国に とっ て 特に 重 大 な 問 題は 地 震 で あろ xlO： 1

．

5 　 　 0 　 　 　 　 　 　 　 5 含 OO

）

ZOF く α 凵 畄 り り く O 含

　

．

05t

　

．

1 （

T

，）　 　 （Tv） 　　　　　M 　 　 　k 　 　 h しUMPED 　MAsS 　 SYS了εM

一

耀 η

，

4

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60 

一・

一

権 7幺ゴ＝5D 

一 ・

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9

．

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’

黙

‘

、

．

3 　 　 　 　

．

5 PERIOD（sec ） 1

3

図

7

最大規 模 地 震の周 波 数 特性 と

SMES

の_{共 振}点 　 　 　 　

Tv

；縦 方向 　 　

TH

：水 平 方 向 う。 図

6

は過 去の震 央を示 し た もの で ある が

，

上記 阿武 隈山系は 地震 的にも静か な ところ とい うこ とができる。 さ し あ た り適地の第 1候 補であろ う。 　図

7

は過 去の最 大 級の地震に おける振動数を示 した も の である が

，SMES

の 超 電導コ _イル が図に示 す 構 造に よ っ て支 持さ れて い る と し て， その固有周波 数を 求め て み る と， 地 震の振 動 数 とは共 振しない こ とがわか り

，

地 震 波か ら うける加 速 度は小 さい こ とがわ か る。 経 済 性の問 題 　以 上の フ ィ

ー

ジ ビ リ テ _{ィ ス} タ ディ か ら

，

この よ う な実 用 規 模の

SMES

は

，

現 有 技 術に よっ て建 設

，

運 転が 可 能だ と し たが

，

は た し て経済性は とい う疑 問 が 残る。 経 済 性の問 題は， C！V 法に よっ て な さ れた。 こ こ で C と は

SMES

の コ ス トであり

，

　

V

と は

SMES

の価 値であ り

，

こ の _{両 者}の _比較か ら経 済 性 を 議 論 する。 　

SMES

は夜 間の原 子 力 ない し石 炭 な どの大 型 火 力の電 力を貯 蔵 し

，

これを昼 間に発 電 するの で あるが

，

その場 合，

SMES

が無 くて石 油 火 力で発 電 した 場 合の コ ス トを 表 3500 万 kWh

，

100 万k　WSMES の限界 建設費 　 　 　 （

1000

円

1kW

） 貯 蔵減 資 　比較火 力 稼働 率 （

15

％）　 稼 働 率 （20％ ） 低 高 低 高 原 子 力 　 　LNG 　 　333

．

6　405

．

6　 363

．

9　435

．

9 　 　 　 　 　石 油 　

297．

9398 ．

7 　335

．

5436

．

3 石 炭 　

LNG

　

289．

5361 ．

5

　

305．

9377

．

9

　 　 　 　 　石 油 　253

．

8354

，

6@277

．

5378

． 一

36

N

工

工 一Eleotronio 　Library 　

電 力に お ける超 電導エ ネル ギ

ー

貯 蔵の 評 価 （増田 正美 ）

SMES

の価 値 （V） とする。 こ の 価 値 （V）とコ ス ト （

C

）

を比 較し て

，

イ

ー

ブンなコ ス トを

SMES

の経 済上の限

界 建 設 費 （BECC ，　Break　Even 　

Capital

　

Cost

） とするも

の で ある。 　 こ の よ う｝こして出 さ れ た BECC を表

3

に

一

覧 とし た 。 その_値は

，

比 較発電プラ ン トの コ ス トの上限， 下限

，

ま た

SMES

の稼 動 率 に もよ る が

，

お お よ そ 25万 円 〆kW か ら 45万 円 ！kW まで の範 囲であ る。

500

万 キロ ワ ッ ト時

SMES

の建 設 費 　こ の よ うに経 済上 の 限界建設費ば評 価で きた。 従っ て 建設費が これ と比較して どうか が問題である。

　

表 2 に示 さ れ た諸元に よっ て

，

建 設 費を評 価す る

。

表 4 は こ の ため の 構 成 各 部 分重 量 を 示 し た

。

こ れに よっ て

500

万

kWh

　

SMES

_{の建 設 費}は

，

表 5 ｝こ_{示 す}よ うに な る。 これ を見る と

，

直 接費

1850

億 円に対 し て

，

間接 費

872

億 円， 予備費 185 億 円 を 考 慮 して い る。 総額

2900

億 円であ り

，

出 力 100 万 kWh で ある ので

，

これ を建 設 費 単 価に評価し直す と

，

29万 円

1kW

と な り

，

上記の

BECC

との比較がで きる。

　

こ の _{建設 費 単 価}は

，

明らか に

BECC

の_範囲内の下 限 に属 して い るの が わか る。 つ ま りこ の 種 の議 論上で は経 済 性が成り立つ とい え る。 　 ア メ リ カ の 研 究に おけ る経 済 評 価 手 法は 日本の もの と は若

：

F

異な り

，

直 接に両 者を 比較 する こ とは で き ない 表

5500

万 kWh

，

100万kW 　SMES の建 設 費 見 積 　 　 　 り （億 円） 部　品　 費 工 　事　 費 直 接費 総 額 間 　 接 　 費 予　 備 　 費 超 電導ケ

ー

ブル 低 温 構 造 断 熱支 持 ヘ リウム容器 熱シ

ー

ル ド 真空容器 冷 却 シ ス テ ム 液 体ヘ _{リ ウ}ム ナ イ リス タ 変 換 器 制 御， 保 護シス テ ム 地下 空 洞 コ _イル _組立 （総 建 設 費の

30

％） （直 接 費の 10％ ） 　

561

　264 　

240

　

39

　

39

　 94 　 74 　 　3 　

200

　 40 　 137 　1591 ，

850

　872 　 185 総 建 設 費 （建設 費単 価 ） 　

2

，

907

（29 万 円

1kW

） が

，

「この種の

SMES

の コ マ

ー

シ _ャ リ ゼ

ー

シ ョ ン

・

ポテ ン シ _{ャ ル} は高と」と言 う表現を し て 結 論を下 して い る。 　超電 導の よ うに _高価な材 料 を 用い た装 置が

，

こ の よ う に経 済上の現 実と なっ たことに は大い に意 味がある。 表 5 に示 し た建設費 算 定に おい て

，

超電導ケ

ー

ブル の 単価 は現 在の超 電導原 材 料 費 と超電 導ケ

ー

ブル_加工費を その ま ま用いた もの で あ り

，

岩 盤 屈 削

，

材 料の単価に お い て も

，

現 在 価 格を用い て い る。 開 発 シ ナ リオ 表

4500

万

kWh

装 置の要素別 重 量 （t） 導 体 低 温 支 持 断 熱 支 持 真 空 容 器 He 容　 器 熱シ

ー

ル ド Nb3Sn 純アル ミ そ の 他 ア ル ミ合金 FRPFRP 受け台 べ

一

_ス 真 空 壁 支 持 台 岩 盤 支持 He 壁 支 持 材 シ

ー

ル ド板 イ ン シ

ュ

レ

ー

シ ョ ン 地 下 空 洞 　 　 屈 削量

He

液 　 量 　 1

，

99020

，

600 　 　

36026

，

000

　 1

，

600 　 5

，

20017

，

750

ユ1

，

530 　 7，270 　 7_，070600

，

000m

　 3

，

200 　 2

，

510 　 　 980 8

．

6x　106　_m2

46

×

10

些_m 呂 　 　 400m3 　こ の よ うにt 評 価研 究に お い て プラス と結 論が出 た 限 りにおい て は

，

その開発に対して前 向 きの 姿 勢が 必要で ある。 図

8

は

，

最 終 的に

500

万

kWh

の ものを建設 する と し て

，

その 開発シナ リ オを 作 成し たもの で ある。 まず で きるか ぎり早 期に試 験 プラ ン トを建設 す る とし て

，

エ ネル ギ

ー

規 模で 50　MJ _{の ものが 提案さ れて い る} 。 つ ぎ の段 階とし て は

，

原 形プラ ン トとし て 10

〜

20MWh

，

_実 証プラ ン トとし て 100　

MWh

，

_最終の _商用 プラ ン トは 5QOO　MWh で あ り

，

その 実現 は 西暦 2020 年 頃 として い る。 　これに示 された 開 発 速 度は 特異 なもの で は ない。 ス テ ッ プ

・

バ イ

・

ス テ ッ プで大 型に進む開 発は

，

過去に お け る原 子 力， ま た巨 大 科 学 として の加 速 器に おい ても 同じ 速 度で行 な わ れて い る。 　 50　MJ _{の 試 験プ}ラ ン トの諸元 を 表 6に示 し た。

50

　

MJ

NII-Electronic Library Service 相 模工業 大 学紀 要　第

24

巻　第 1 号 西 暦

1980　　　

1985





1990　　　1995　　　2000　　　2005　　　2010　　　

2015 試 験プ ラ ン ト 附 調 査 設 計 建設 運 転 13kWh 　 　 　l 原形 プラン ト 　

1

万

kWh

／

　　 　　

「

　

ハ

・

　  

・

縛

開 発 ス テ ッ プ

唇

　

　

　

　

ド ’

1

実証プラン ト

1

°

齢

L

． ， 　 1100

〜500

万kWh ノ

ぞ 旨”

脾

．

槻丁

　

、

叺

捌 建　

痘

図 8 　ピ

ー

クシ ェ

ー

ビ ン グ 用

SMES

の 開 発 ス ケ ジュ

ー

ル 表 650MJ 試 験プ ラ ン トの_{諸 元} 量 量 状 径 さ ス 流 料 部 容 容 形 直 高

穿

材 　 　 ル ル ル ク ル 導

肇

イ ・ イ 汐 ・ 電 貯 発 コ コ コ イ コ 超 低 電 磁 力 支 持 50メ ガジ ュ

ー

ル （13kWh ） 3000kW ソ レノイ ド単 層 巻き 5m1

．

5mO

．

15H26kANb3Sn4K

液 体

ヘ

リュ

ー

ム プ

ー

ル ポイ リン グ 地 下岩 盤 表 7 　各 種 超 電 導 応 用機 器に 必 要 な 張 り込み量 と消 　 　 　 費量 張 り込 み量 消 　 費 　 量 の

一

般 的 な 超 電 導 コ イル はそ れほ ど技術 的に 問 題が な い_。 しか し

，

この コ イルは最 終の商 用 規 模

SMES

の持 つ _{様 式}

，

_{柔 構 造}の超 電 導 コ _イル _{を岩 盤に 支 持 する}

，

_{と 言} う概念をすで に持つ _もの である

。

し た がっ て

，

こ の構 造 は人 類 がい ま だ かつ て経 験 し た事の無い もの で ある。 そ こ に この プラ ン トを進め る 理 由 がある。

SMES

（500 万 kWh ） 送　 電 （AC ） 送　 電 （

DC

） （500 万

kW

） 発 電 機 （100 万 kW ） 核 融 合 炉 （

100

万kW ） MHD （

100

万 kW ）

300

7001100km

300

！100km

0．

2 70 4

1

〜 5

0。

03〜0．

2

2

〜

8 高 温 超 電 導の必 要 性 　 1986 年発 見さ れ た 高温 超 電 導は 各 界に イ ン パ _{ク トを} 与え たが

，

これ を SMES に用い た場 合 を 考え る。 こ こ で

，

高温 超電導とは液体窒 素 温 度で の使 用を 可能 と す る 超電 導である とする。 　我国 は He をほ とん ど輸入に頼っ て お り

，

し か もほ と ん どア メ リカか らで ある。 し たが っ て

，

液 体 窒 素で 可能 と する高温 超電 導は特に我国に お い て注目され る ところ で ある。 　 表 7は従 来か ら検討されてい る各種 超電 導 応 用 技 術に 必要 な液体

He

の 張 り込み 量 と消費量 と を 示 し た。 これ を見る と， 最 も液 体且e を 大 量に 必要とするの は，

SMES

と超 電 導送 電で ある。 同 じ く超電 導応用技 術と し て の発 電機， MHD

，

核 融 合

，

加速 器 な どは そ れ ほ ど大 量の液 体 He を 必 要 としない。

　

一

般の 電 力 関 連 技 術に おい て材料 供 給に問 題の ある技 術は

，

そ れ がどの ように魅 力 的 な 特 性 を 持 と う と 受 け入 れる こ と が困 難 な もの である。 し たが っ て

，

SMES とか 送 電の ような電 力関 連技術に おい て

，

高 温 超電導の導入 はもっ とも歓 迎さ れ る もの であろ う。 高 温 超 電 導 を 用い た

SMES

　現 在 高 温 超 電 導 と 言え ば

，

臨界温度の高い もの と し て は

Y −Ba −Cu −0

_系がある。 こ の よ うな 酸 化 物超電 導に つ _{いての問 題 点は各 地で議 論 さ れて い る} 。 その最大の も の は

，

電 流密度がとれ ない と言 うこ と である。 表

2

に示 し た よ う に

，

日本が SMES の設 計に おい て

Nb3Sn

_を

4 ．

2K

で使用し

，

ア メ リ カが

Nb −

Ti を 1

．

8K で 使 用 とする の は

，

その _{電流 密度}を少 し でも 高い特 性に おい て 使 用 し たい た め であ る。 しか し

，

酸化 物超電 導は現 在の とこ ろ これ らの _{電 流 密 度}に 比 し て， 約

1

／

100

に し かな ら ない_。 その電 流 を 制 限して い る粒 界の問題は徐舟｝_蠏

一 38 ＿

N工 工

一

Eleotronio _Library

電力に お け る超 電 導エ ネル ギ

ー

貯 蔵 の評 価 （増田 正 美）

1010

に

ξ

s

颱

₁₀₉

108

Nb3Sn

Nb −T

｝

rBa

℃ u

＿

　　　　　　

0

（

4

．

2K ）

（o_） （

A

）

終

℃・

一

_・ （

77K

） （

B

） Y

−

Ba

−

Cu

−

0 　 　

10

磁 界 強 度 （T ）

20

図

9

低 温 お よび 高 温 超 電導材 料の 電 流 密 度 　 　 　 　A ：_{現 在}の 特性 　B ；C： ピ ン理 論か ら 出 し 　 　 　た特性 　

10K

　

T

（臨 界 温 度 ） 95K B（臨 界 磁 場 ） 液 体 He 温 度での特 性 NdTi の特 性カ

ー

ブ

J

（臨 界温 度 ）

T

_（臨 界温度 ） 　 液体 窒素温 度 　 　 で の特 性

YBCO

の特 性 カ

ー

ブ 図

10

低温超 電 導 （NbTi ＞ 　 　 　 の

3

特 性 比 較 　 B （臨 界 磁 場 ） 100T と高温超 電 導 （

YBCO

） 決さ れ る_{徴 候 が 見}え て い るが

，

もしそ う だ とし て

，

_粒状 と超電 導の コ ヒ

ー

レ ン ト_{長 を仮定} し て推 定 し た電 流 密 度 を図

9

に示し た。 これはある程度

，

酸 化超 電 導の究極の 電流 密 度と見て も よい が

，

液 体 窒 素 温 度で は とて も電 流 密 度が とれない こ とを示 し てい る。 あるい は十分な電流 をと る た め に は 液 体 He 温 度を 必要 とするか もしれ な い_。 そ れで は高温 超 電 導の_{意 味}が_無い _。 　 ま た図 10 は こ の ような 酸 化 物 超 電 導 と

，

従 来の もの との 3 特性 の_比較を し た。 これ を見る と

，

現 在の よ う な

95K

近 傍の 臨 界 温 度で は 77K の_{液 体 窒 素 温度}に近 過 ぎ

，

十 分な超 電 導特性を 望 むに は

，

臨界 温 度 に お い て 200　

K

_{を必 要 と するか もしれ ない ことが わか る} 。 　 その 他に も

，

例え ば永 久 電 流 特 性に おい て も

，

また酸 化 物 超 電 導ケ

ー

ブルの 安 定 化におい ても問 題がある が， そ れ がすべ _{て解 決 し た も}の と仮 定し て高 温 超 電 導

SMES

を考 慮 し た 場 合

，

数多 くの利 点 が発見 で き る。 　 1） 液体窒素は He に 比 較 して その価 格は 無 視でぎる 　 　 　 ほ ど安 価で あり

，

かつ _{資 源 的}に問 題が無い 。 　 2）　 液 体窒素 液 化装 置は He の もの に比 し て， 商用 化 　 　 　 さ れた 技術で あ り

，

信 頼 性

，

安 定 性

，

経 済 性に お 　 　 　 い て優 れてい る

。

　

3

）　液体 窒 素温 度での断 熱は簡 単であ り

，

現 在商用 化 　 　 　 さ れて い る液 体 天 然ガ ス_{貯 蔵技術が そ}の ま ま利用 　 　 　 で きる。 ） ） ） ） 45

ハ

07 多 層 真 空 断 熱を 必要 と しない 。 応 力 支 持 用 断 熱 構 造 物 が 簡 単に な る

。

地下 岩 盤で の 空洞が小さくで _きる。 パ _ワ

ー

_リ

ー

ドが簡便に なる。 な どで ある。 高 温 超 電 導

500

万 キ ロワ ッ ト時

SMES

　超 電導が 液 体 窒 素温 度

，

77K で実用 性 が ある とする と

，

その冷 却 技術に略 ［司 じ温 度である天 然 液 化ガス の技 術を転用 す るこ とがで き る。 日本の ガ ス会社の保 有す る 液 化 天 然 ガス タ ン ク の メ ン ブ レ ソは

，

液 体 窒 素

SMES

の断熱 材料と し て利用で ぎる。 　図 11 は液 体 窒 素

SMES

の地下 構 造を示 し た。 も は や真 空 断 熱を 必要 としない。 図に示すように

，

上記メ ン ブ レ ン は超 電 導コ _イル の外 側の液 体窒 素容器 壁 とし て機 能さ せ られる。 そのなか に液体 窒 素を 入れ

，

これ が高温 超 電 導を冷却 す る

。

低温か ら室温に か けて の電磁 力支 持 に お い て も

，

温 度 差が小 さい ため に液 体 He に比 較 して

NII-Electronic Library Service 相模工 業大学 紀要　第 24 巻　第

1

号

7 〜

8

真空 容器 壁

　　

1

岩 盤

　「

− 9

真 空 領 域

　一 一一 ．

曾

m 　 ム

　 ／

鼓 ご_」1ド

鹽

．

　氈

幽

＿

が L

一

，

超電 導コイル と液 体

He

容器 　 　 　 ベ

ー

ス 低 温超電導

SMES

の地 下 構 造

攤

　　　　

大 気領域

3

〜

4m

断 熱壁 超 電導コ _イルと 　液体 窒 素

　

容器 高 温 超電導

SMES

の地 下 構 造 図

11

低 温及 び高温超電導

SMES

の地 下構 造 　 　 　 　 低温 超 電 導 ： 真 空断熱 　 　 　 　 高 温 超 電 導： 低 グレ

ー

ド断 熱壁 長 さが短 くで きる

，

し た がっ て空 洞 も 小さ くな り

，

これ が空 洞 掘 削 費の減 少に結びつ くD

　

さ らに_簡素 化 し たもの と し て

，

岩 盤の表 面に 断 熱コ ン ク リ

ー

トを吹き付け

，

その中に液 体 窒 素を直接 張り込 む 方 法 も考 え られ る。 　つ ま り

，

高 温 超 電 導

SMES

の設 計に は

2

つ の選 択 が できる。 1つ は 従 来の設 計 を その ま ま採 用 し， したがっ て熱損 失 が従来の

6MW

か ら

800

　

KW

と小 さ く なり

，

SMES

の効率が 90％ か ら 95％ まで向上 するもの

，

他 の 1つ は 上記の よ う に断熱 方 法を簡 素 化し

，

熱 損 失は改 良 され ない。 し たがっ て効率も 90％ で あるが 建 設費を 減 少さすこ と が でぎる もの と がある。 この場合に はすで に 500 万 kWh で評 価 した 2900 億 円が

，

約 30％ 減少 できる。 　こ の ど ち らが より経 済 的か の議 論は

，

その運 用 方 法の よ り詳細な議論と共に _結論すべ _{き も}の で _{あ ろ う}。 小 型

SMES

　以上 500 万 kWh 　SMES ， つ ま り基幹電 力 系 統の ピ

ー

ク シ ェ

ー

ビ ソグ用 につ いて議 論 し たが

，

図 12 で は電 力 に おける SMES の規 模をか えて

，

限 界 建設費と建設費 評価とを比 較 し たD 最 も悲 観 的 な 見 方は

，

限 界 建 設費を 小さく厳し く見

，

建設費を最大に見る場 合である。 こ の 場 合 経 済 性 要 求を満 足 させ る 規 模は 500 万 kWh と な

一

₄₀

一

N工 工

一

Eleotronio _Library

電 力にお ける超 電 導エ _{ネル ギ}

ー

_{貯 蔵の評 価 （増 田 正 美} ） 100 　 　 　 　 　 　 　 　 　 50

【

ヨ 漏 丶

580

； 誘

8

otoo 500i。00Q　　　　　　　59000　iO

零

OOQ

S

曾oroge　capacity ｛

MWh

】 図 12SMES の規 模をか え た 時の_{経 済 性} 　 　 　 　

BECC

：経 済 上 限界 建 設 費 る。 し か し 楽観 的な見 方に立つ と_， つ ま り

、

限 界 建 設費 は最大に見

，

建 設費を最小に見る場 合

，50

万

kWh

の_規 模に お い て も 経 済 性の成 立 が見え る。 しか し50万 kWh 以 下で は

，

この よ う な手 法に よ っ ては経 済性 を 発 揮 させ 得る と は結 論でき ない。

　

し か し

，

以上 の_{経 済評価}の手 法

，

つ _まり

，

_{深 夜の安 価} な 余 剰 電 力を貯 蔵 し

，

これを 昼 間に発 電 して他 火 力を 不 必 要と させ る

，

これは負 荷の底 部を持ち 上 げ （ボ トム ア ヅ プ） ピ

ー

クを代替え （ピ

ー

ク カ ッ ト） する方法である が

，

こ の方 法で小 型 SMES の経 済 性を議 論する こ と は 無 理がある。 こ の よ う な小 型

SMES

の有_{効 性を議論す} るに は

，SMES

が 排他 的に持つ _{特 性}

，

_{例 えぽ}

_，

_{瞬 動 性}

_，

有 効 無 効 電 力の 同時 制 御

，

秒単 位の _早さで の_{全 電 力}の_放 出 寿 命の長さ

，

保 守の_簡便 さ

，

運 転 経 費の安さ

，

その 他の特 性を付 加 価 値 と み て取 り入れる手 法の_開発が 必要 だ ろ う。

　

すでに述べ _{た ように}

_，

_{高温超電 導の開 発に よ} っ て は

，

SMES

の建 設 費は_{大 ぎ く減 少 す}る こ と がで ぎ る。 とくに 小型 SMES の建 設 費に しめ る， 超 電 導 材 料の コ ス トは 大 くい_。 これ が 安価と なれば

，

小型

SMES

の経済性 は 上 記の限界を 通 り越 して

，

か な り小 型の分 野に まで_広が る 可能 性がある。

　

1 例と して_{高 品 質}の電 力と

，

絶 対 停 電 することの許さ れ ない イン テ リ ジ

ェ

ン トビル の _電源 として

，

1万

kWh

くらい の規 模の _もの， ま た太 陽 光発 電と組み合 わせ て 電 力 を 貯 蔵 する家 庭 用と し ての

100kWh

の _もの も

，

考 慮 の 対象と な り うるだ ろ う。 し か し

，

これ らはすべ て 今後 の _{超 電 導 材 料}の開発に よ るD

結

言

　

超 電 導エ ネル ギ

ー

貯 蔵 （SMES ）の_応用 範 囲は広いが， こ こ で は 電 力に おけ る応用 につ い てその 技 術を 評 価し た。 その結 論につ い て は大別 す る と

2

つ ある_。

　

1）



揚 水 発電に _代わる実 用 規 模

SMES

につ いて

，

現 　 　 　有 技 術でも建 設 可能である。 　 2） 経済 性 も成 り立つ_。 で ある。 　 し か し

，

その _実現に至る 開 発 行 為 につ い て は ス テ ッ プ

・

バ _イ

・

ス テ ッ プで進む必 要がある だ ろ う_。 その開 発 シナ リ オ も提 案し た。

　

本 論 文で は議 論 し な か っ た が

，SMES

か ら漏れ で る_磁 場 が 生態 系に与え る影 響， つ まり環境 問題は無視で きな い_{。 放 射 線}の 環 境問題の 前例 がある。 この テ

ー

マ につ い ては世 界の_{各 研 究 機 関 が 重 点 的}に研 究 して い るが

，

現 在 まで の とこ ろ ま だ その影 響につ い て は認 識さ れて いな いo ） 1 ） 2 ） 3 ） ） 45 ） 6 参 考 文 献

M

．

Masuda

_，

　Modern 　Power 　

System ，

　Vol

．

17

，

57

（

1987

）

．

増 田 正美， エ ネル ギ

ー

資源，

VoL

　3

，

221 （

1982

）

．

超 電 導エ ネ_ル ギ

ー

_{貯 蔵 シ ス テ ム に 関す} る調 査 研 究， NEDO

−

P

−

8408

，

昭 和 60 年

．

超 電 導エ ネル ギ

ー

貯蔵シス テ ムに関する調 査研 究 報告書，

ENAA

， 1985

・・−

3， 昭 和 61 年

．

MMasuda

_，

　

IEEE ．

　MAG

・

15

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318

_（1979_）

．

Boom

　

R ．W ．

，

　

Wisconsin

　

Superconducting

　

Mag ．

netic 　Energy 　

Storage

　Project

，

　

Vo1 ．1

， （1974）

．

Conceptual　

Design

　and 　Cost　of　a　

Supercon．

ducting　

Magnetic

　

Energy

　

Storage

　Plant

，

　EPRI

EM ．

3457，

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1984

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，